以颗粒煤为助滤剂对城市污泥进行二段过滤脱水的研究

胡筱敏 孙承智 陈朝中 叶舒帆 董 俊 刘 怡

(东北大学资源与土木工程学院)

以颗粒煤为助滤剂对城市污泥进行二段过滤脱水的研究

胡筱敏*孙承智 陈朝中 叶舒帆 董 俊 刘 怡

(东北大学资源与土木工程学院)

以颗粒煤为助滤剂，采用二段过滤方式来强化城市污泥的脱水，并对滤饼进行热值分析，探讨城市污泥资源化利用前景。在研究中，具体分析探讨了煤的类型、煤的添加比、煤的粒径、搅拌强度、过滤压力以及煤的添加方式对过滤过程中相关参数的影响。得到以下结论：在污泥和煤的添加比为1∶2，颗粒煤粒度为0.15～0.18 mm，低强度搅拌，常温下，一段过滤滤饼含水率为57.06%，二段过滤滤饼含水率为38.40%，滤饼热值达14 276 kJ/kg。关键词 二段过滤 污泥脱水 助滤剂 颗粒煤 热值 含水率

0 引言

根据 《中国环境统计年报·2007》， 2007年，全国共统计1 258座城市污水处理厂，全年共处理废水190.4亿t。城市污水处理厂的污泥产量大，按80%水分计约占处理水量的0.1%，我国年排放污泥量 （湿重）已高达约1 900万t，占全国年总固体废弃物排放量的3%以上。

污泥处理的投资和运行费用相当大，约占污水处理厂总投资及运行费用的20%～60%。污泥的资源化技术已逐渐成为研究的热点，国内外所采用的污泥资源化技术主要有：污泥堆肥、消化制沼气、污泥燃料化、用于建材等[1-2]。无论是何种污泥处理技术，污泥的脱水预处理必不可少。目前，国内外关于强化污泥脱水的研究主要有：改进污泥脱水机，以达到更好的污泥脱水效果[3]；添加絮凝剂、助滤剂，改变污泥的过滤性能，从而强化污泥脱水效果[4-5]；附加电场 （电絮凝、高渗透、高压静电等）、高温突跃法、超声波、磁场强化污泥脱水等[6-8]。

本研究将综合考虑污泥脱水及其资源利用两方面，选择颗粒煤做助滤剂，改变滤饼的可压缩性和渗透性；同时采用真空、压榨两段不同的脱水方式组合，强化脱水过程；最终使污泥与煤混合滤饼达到12 000 kJ/kg以上的热值，直接作为燃料利用，从而实现污泥彻底的无害化、资源化，为城市污水处理厂的污泥处理处置提供全新的途径。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

原料：沈阳北部污水处理厂消化污泥，含水率96.41%，pH值7.12；颗粒煤；滤布。

仪器：真空过滤设备 （自制）、加压过滤设备（自制）、黏度计、热量计、干燥箱、浊度仪、电子天平、pH计、搅拌器。

1.2 实验及检测方法

1.2.1 一段真空过滤实验

取100 mL消化污泥，按一定配比添加颗粒煤助滤剂，搅拌均匀后倒入真空过滤漏斗内，在漏斗下放置一个干净量筒，启动真空抽滤机进行一段式真空过滤作业，开始计时并记录滤液量。

1.2.2 二段压榨过滤实验

取200 mL消化污泥，按一定配比添加颗粒煤助滤剂，对其进行一段真空过滤。然后，取一段真空过滤后的污泥滤饼，将其放入压榨过滤容器罐中，在压榨容器罐的下部出水口放置一个干净量筒，开启空气压缩机升压至所需压力，打开三通阀，以空气压力推动压芯进行二段式压榨过滤作业，开始计时并记录滤液量。

1.2.3 滤饼含水率测定

在105℃温度下，用电热鼓风干燥箱将污泥样烘干24 h，称重，计算滤饼含水率。

1.2.4 浊度、黏度及热值的测定

使用HANNA HI 93703-11浊度仪测量滤液浊度；使用NDJ-1旋转黏度计测量污泥浆黏度；使用XRY-1A数显氧弹热量计测量热值。

2 结果与讨论

2.1 颗粒煤类型对过滤效果的影响

取两种不同类型的颗粒煤，经热量计测定其热值分别为22 972、16 522 kJ/kg，将其分别标记为1#煤和2#煤。对每一种颗粒煤进行一组实验，每组取5份100 mL消化污泥样品，各加入0、1.80 g、3.59 g、 7.18 g、 10.77 g粒径为 0.15～0.18 mm 颗粒煤，使其泥煤比（污泥按干重计，下同）分别为1∶0、1∶0.5、 1∶1、 1∶2、 1∶3， 搅拌均匀， 进行真空过滤实验，测定滤饼含水率。实验结果如图1所示。

图1 颗粒煤类型对过滤效果影响对比

从图1中可以看出，不同类型、热值的颗粒煤，作为助滤剂对过滤效果的影响很大，但是其之间的差别却不是很大，基本处于相同水平。

2.2 泥煤比对过滤效果的影响

取5份100 mL消化污泥样品，各加入0、1.80 g、 3.59 g、 7.18 g、 10.77 g 粒径为 0.15～0.18 mm 颗粒煤，使其泥煤比分别为 1∶0、 1∶0.5、 1∶1、 1∶2、1∶3，搅拌均匀，进行真空过滤实验，记录过滤时间、滤液量并测量滤液浊度。结果如图2所示。

图2 泥煤比对真空过滤滤饼含水率的影响曲线

从图2中可以看出，以颗粒煤作为助滤剂对污泥的过滤效果有着重要影响。一方面，在污泥中掺煤本身就可以使污泥的含水率有所下降，下降的幅度不大，这从图2中添加煤之后的换算出来的理论含水率曲线就可以看出来。另一方面，以颗粒煤为助滤剂，污泥过滤的效果得到了提升，这从图2中也可以看出。随着泥煤比的增大，这种提升也越大，由不掺煤时88%左右的含水率，下降到泥煤比1∶3时58%左右的含水率，下降的幅度很大。同时，在对滤液浊度的测量中也发现，添加颗粒煤为助滤剂后，滤液的浊度也有显著的下降，并且随着颗粒煤添加量的增加，滤液的浊度也随之明显下降，如图3所示。另外，在对滤液量的记录中还发现，添加颗粒煤为助滤剂后，污泥的过滤速度也有显著的提升，并且随着颗粒煤添量的增加，过滤速度的提升也更为显著。

图3 泥煤比对真空过滤滤液浊度的影响曲线

2.3 颗粒煤粒度对过滤效果的影响

取6份100 mL消化污泥样品，按1∶2比例分别加入粒径为 0 （空白）、 0.43～0.88 mm、 0.25～0.43 mm、 0.18～0.25 mm、 0.15～0.18 mm、 0.11～0.15 mm的颗粒煤，搅拌均匀，进行真空过滤实验，记录过滤时间、滤液量并测量滤液浊度。

从图4中可以看出，颗粒煤的粒度对污泥饼含水率有较大影响，随着颗粒煤粒度的减小，污泥饼的含水率也随之降低，最大幅度达10%多；同时还可以发现，滤液的浊度也随粒度的减小而减小。须特别注意的是，粒度的变化对过滤速度的影响最为明显。从图5中可以看到，随着粒度的减小，污泥过滤速度呈明显加快趋势，最快的过滤时间只用了不到空白样的一半时间。另外，在含水率和过滤时间图中，在0.15～0.18 mm处都出现了一个拐点，这说明，颗粒煤的目数不是越小越好，太细小的助滤剂反而会影响滤饼骨架之间的空隙建立，进而影响滤饼的含水率和过滤速度。

图4 颗粒煤粒度对真空过滤滤饼含水率的影响曲线

图5 颗粒煤粒度对真空过滤滤速的影响曲线

图6 搅拌强度对真空过滤和压榨过滤的影响曲线

2.4 搅拌强度对过滤效果的影响

取5份200 mL消化污泥样品，按污泥干重1∶2比例加入粒径为0.15～0.18 mm的煤粉，用搅拌器分别以0、100、200、300、400 r/min的转速搅拌20 min，然后用旋转黏度计测量其黏度。接着进行真空过滤30 min，记录滤液量，然后取出1/4滤饼测量其含水率，剩余3/4滤饼再进行压榨过滤，记录过滤时间、滤液量并测量滤液浊度。

从图6中可以看出，对于真空过滤而言，搅拌强度对过滤效果有正反两方面的影响，但影响都不大。适当的低速低强度搅拌能够促进污泥和颗粒煤的混合，改善污泥过滤效果，促进滤饼含水率降低和过滤速度的提高；而高速高强度的搅拌则不利于污泥过滤效果的改善，反而会使滤饼含水率偏高，过滤速度降低。在对滤液浊度的测量中也发现，搅拌会增高滤液的浊度，并且搅拌强度越大影响越明显。对压榨过滤而言，搅拌强度对其过滤效果的影响不大。

2.5 过滤压力对过滤效果的影响

取5份200 mL消化污泥样品，第1份为空白样，其余4份按污泥干重1∶2的比例加入7.18 g粒径为0.15～0.18 mm的煤粉，搅拌均匀，对第1份样品用压榨过滤设备以0.1 MPa压力进行直接过滤，其余4份样品分别以0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa压力进行过滤，记录过滤时间及滤液量。

从图7中可以看出：按1∶2比例加入颗粒煤的样品，最终的含水率在40%左右，而没有加入煤粉的样品最终含水率为79.40%，表明加入颗粒煤作为助滤剂之后，滤饼的含水率有显著下降。同时，可以看出：加入颗粒煤的样品过滤速度明显加快。取滤液量达到总滤液量80%的时刻为比较点，在同一过滤压力下，我们发现不加煤粉的样品需要的时间为75 min，而加入煤粉的样品只需要30 min；对于加入煤粉的样品，压力越大，过滤时间就越短，由30 min缩减到了19 min，而且含水率也呈现下降趋势，不过变化不太显著。

图7 过滤压力对滤饼含水率、过滤时间的影响曲线

2.6 泥煤混合方式对过滤效果的影响

取4份200 mL消化污泥样品，第1、3份按1∶2比例加入7.18 g粒径为0.15～0.18 mm颗粒煤，第2、4份按1∶1比例加入3.59 g粒径为 0.15～0.18 mm颗粒煤，搅拌均匀，对4份样品先进行真空过滤30 min，然后取出1/4滤饼测量其含水率，剩余3/4滤饼再分别混合0、2.69 g、2.69 g、5.39 g粒径为0.15～0.18 mm颗粒煤，使其最终泥煤比分别为1∶2、 1∶2 （记为 1∶1+1）、 1∶3 （记为 1∶2+1）、 1∶3（记为1∶1+2），然后对其进行压榨过滤，记录过滤时间及滤液量。

从图8可以看出，在真空过滤阶段，泥煤比越大，则真空过滤后泥饼的含水率就越小，例如第1、3两份的真空过滤泥饼含水率就比第2、4两份下降了11%左右；同时其过滤时间也有所缩短，1、3两份的污泥结饼时间比2、4两份提前了约4 min，为15 min，而2、4两份的污泥结饼时间为19 min。对真空过滤后的滤饼掺不同比例的煤，也能使滤饼的含水率有所下降，但掺煤所带来的效果，比不上将这些煤在真空阶段用来作为助滤剂的效果。例如，对于第1、2两份样品，其掺煤后最终泥煤比都是1∶2，但第1份样品的含水率要小于第2份样品；第3、4两份样品也是这样，但随着所掺煤的比重增大，这样的差异随之减小。在加压过滤阶段，总体上来说，泥煤比越大，最终泥饼的含水率也就越小；同时，分别对比1、2样品和3、4样品可以发现，对于相同泥煤比的样品，在加压过滤之前掺煤的样品，其过滤效果要优于没有掺煤或是掺煤比小的样品，不过差异不显著。

图8 泥煤混合方式对过滤效果的影响曲线

2.7 滤饼热值的测定

取上述实验过程中样品以1∶2比例混合，颗粒煤的粒度为0.15～0.18 mm，经过一、二段过滤后将其滤饼作为样品烘干，分别测量煤粉、干污泥、泥煤混合滤饼的热值。结果表明，煤粉、干污泥、泥煤混合滤饼的热值分别为 16 521、11 042、14 276 kJ/kg，泥煤混合滤饼完全可以直接作为燃料来使用。

3 结论

（1）对于助滤剂颗粒煤而言，其类型对过滤效果的影响不大，但其热值对最终滤饼的热值有决定性影响，直接关系到滤饼的后继资源化利用。

（2）泥煤比是影响过滤效果的一个关键因素，泥煤比越大，过滤效果越好，对含水率、过滤速度和滤液澄清度都有显著提升。

（3）助滤剂的粒度大小也是影响过滤效果的一个重要因素，粒度在0.15～0.18 mm时，过滤效果较好，对含水率、过滤速度和滤液澄清度都有明显改善。

（4）搅拌强度对过滤效果影响不大，低强度的搅拌有益于过滤效果的改善，高强度的搅拌则会产生负面影响。

（5）过滤压力的增大对过滤速度和最终含水率都有一定程度的改善。

（6）煤的添加方式对过滤效果有一定影响，在每段过滤前掺混煤，对该段过滤效果都有一定的改善作用。

（7）在污泥和煤的添加比为1∶2，颗粒煤粒度为0.15～0.18 mm，低强度搅拌，常温下，一段过滤滤饼含水率为57.06%，二段过滤滤饼含水率为38.40%，滤饼热值达14 276 kJ/kg。

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The Study of the Municipal Sludge Two-stage Filtration and Dewatering with the Particle Coal as a Filter Aid

Hu Xiaomin Sun Chengzhi Chen Chaozhong Ye Shufan Dong Jun Liu Yi

In this study,with the particle coal as a filter aid,use two-stage filtration and dewatering process to enhance the dehydration of the municipal sludge,and then analysis the thermal value of the filter cake to explore the prospect for resource utilization of the municipal sludge.In this study,detailedly analysis the relation between the parameters of filter process and the coal type,coal addition ratio,coal particle size,stirring intensity,filter pressure and addition measure of coal.Get the following conclusions:sludge and coal addition ratio 1∶2,particle size 80～100 mm,low-intensity stirring,room temperature,the first-stage filter cake moisture content 57.06%,second-stage filter moisture content 38.40%,filter cake heat value 14 276 kJ/kg.

Two-stage filtration;Sludge dewatering;Filter aid;Particle coal;Heat value;Moisture content

TQ 051.8

*胡筱敏，男，1958年4月生，教授。沈阳市，110004。

2011-03-01)