水热处理耦合机械压滤对剩余污泥的深度脱水性能研究

发布时间：2017-02-18 13:51

  本文关键词：MEC用于剩余污泥产氢产甲烷效能及微生物群落结构解析，由笔耕文化传播整理发布。

《大连理工大学》 2015年

水热处理耦合机械压滤对剩余污泥的深度脱水性能研究

王利平  

【摘要】：脱水对剩余污泥的处理与处置具有非常重要的意义,而深度脱水是剩余污泥处置与资源化利用的必经之路。然而如何在较低的脱水能耗下实现对剩余污泥的深度脱水已成为污泥处置与利用技术发展所面临的难题。为了摆脱剩余污泥深度脱水处理的这种困境,本研究提出了在高温的状态下利用水热处理耦合机械压滤的深度脱水方法。高温下水热处理耦合机械压滤是将传统的机械压滤脱水和水热炭化处理在高温高压的状态下有机地结合起来,从而在较低的脱水能耗下实现对固／液的高效分离。在本研究中,市政脱水剩余污泥首先在独立的水热反应单元中进行充分的水热炭化处理,随后使产生的水热污泥在高温高压的状态下被转移至机械压滤脱水单元,并立即在高温下进行机械压滤脱水,从而促使剩余污泥中的水分主要以液态的形式被大量脱除。本研究首先在证实了水热污泥于高温状态和冷却至室温状态进行机械压滤脱水时存在不同的基础之上,分析了高温状态下的耦合脱水过程的操作条件(水热温度、水热停留时间和机械压力)对剩余污泥深度脱水特性的影响,并基于Terzaghi-Voigt流变学模型,探讨了水热污泥在高温压滤固化脱水过程中的脱水特性。结果表明：水热污泥在高温状态下立即进行机械压滤脱水与冷却至室温后再进行机械压滤脱水相比,可使滤饼的最终含水率进一步降低19-47%。水热处理耦合冷却后的机械压滤对剩余污泥的脱水主要取决于机械效应,而在高温耦合深度脱水过程中,水热效应则成为了水分脱除的主要贡献者。加强水热处理条件(水热温度和水热停留时间)能够以液态形式脱除剩余污泥中更多的水分,但单位机械效应对脱水的贡献随着机械压力的提高而逐渐减弱。当水热温度高于临界温度(120-150℃)时,高温耦合脱水过程开始对剩余污泥的深度脱水表现出了积极的效应。在180℃下水热停留30min时,剩余污泥的深度脱水性能即得到了显著改善。在180-210℃的水热温度下,滤饼的最终含水率由52%降低到了20%,相应地,液态水分脱除百分率则达到了81-93%。在考虑深度脱水程度和脱水效率的条件下,最适宜的耦合脱水条件为：180℃下停留30-60mmin耦合2-6MPa下压滤20min。三阶段Terzaghi-Voigt流变学模型拟合结果表明：水热污泥中的结合水分含量随着水热处理条件的强化而逐渐降低。同时,对高温耦合脱水过程中产物(水热污泥、污泥炭和滤液)的组成及物化特性进行了分析,揭示了高温耦合脱水过程对实现剩余污泥深度脱水的基本原理。实验结果表明：剩余污泥的水热处理过程主要是一个脱挥发分的过程,聚合脱水反应是主要的水热反应机制,脱羧反应只有在更高的水热温度(210℃)下才会显著发生。水热污泥表面特性分析表明：滤饼的最终含水率与水热污泥的表面电荷(Rp=-0.93,p0.05)和相对疏水性(Rp=-0.99,p0.05)之间具有显著的线性负相关性。因此,水热污泥表面电荷,尤其是表面疏水性的改善是实现剩余污泥深度脱水性能被显著提高的重要原因。蛋白质、多糖和DNA等生物聚合物的溶解和降解取决于水热温度和水热停留时间,而剩余污泥深度脱水性能的改善与这些生物聚合物(尤其是蛋白质)的演变密切相关。污泥及污泥炭的干基高位热值与其所含C元素含量之间存在显著的线性关系。剩余污泥经210℃水热处理60min后,其干基高位热值略有增加,增幅约为4.8%,而相应水热污泥经6MPa机械压滤20mmin后,与剩余污泥相比,其干基高位热值却显著降低,降幅高达15.4%。当水热温度高于150℃时,收集到的滤液呈弱酸性,颜色呈茶褐色,这可能是由于滤液中腐殖质含量的增加、多糖的焦糖化以及Maillard反应的发生所导致的。此外,基于高温耦合脱水过程中的能量输入和潜在的能量回收,评估了剩余污泥在高温耦合深度脱水过程中的能耗水平。计算结果表明：加热能耗是剩余污泥高温耦合深度脱水过程的主要能量输入。当水热温度高于120℃时,由于水热反应热的释放,使得潜在回收的能量显著高于输入的能量,且提高水热处理条件并不会导致高温耦合脱水过程脱水能耗的增加。即使不考虑潜在的能量回收,高温下水热处理耦合机械压滤对剩余污泥的深度脱水过程也可在相对较低的脱水能耗(180℃时仅为732.94kJ-kg-1(水分))下获得更高含固率(73%)的滤饼。最后,探索了污泥炭和滤液的后续处置与资源化利用。结果表明：本研究中所采用的市政机械脱水剩余污泥经高温耦合深度脱水处理后,所得污泥炭中虽然含有大量的营养元素(富P),但由于重金属含量(除Pb)均超过了国家《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-1984)和《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中规定的污泥土地利用时的重金属含量的极限值,因而不宜作为生物肥料直接进行农田土地利用。然而,污泥炭的燃烧活化能却明显降低,导致了对燃烧温度的降低,表现出了良好的燃烧特性,因而可以作为固体燃料进行焚烧处理。在180℃下产生的滤液在厌氧消化过程中表现出了最优的产CH4特性,累积CH4产量为234ml·g-1COD,对滤液COD的去除率达到了64%,但厌氧消化处理并不能够有效地改善滤液的颜色。综上,本研究结果表明,在水热温度状态下利用水热处理耦合机械压滤的深度脱水方法,不但能够显著地实现对剩余污泥的深度脱水,而且降低了脱水能耗,是一种非常具有发展潜力的剩余污泥深度脱水方法,其在一定程度上改变了目前剩余污泥深度脱水处理技术的现状：要么难以有效地实现对剩余污泥的深度脱水,要么脱水能耗太高而限制了其广泛应用。

【关键词】：
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703
【目录】：

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