聚合氯化铝在高脱水率造纸污泥处理中的应用研究

晏永祥 李帮汉 宋福升 陈启杰 王庆峰

摘要：简述造纸污泥含水率和体积的变化关系，分析其基本性质，实验加入04 g氧化铝含量为10%的聚合氯化铝（PAC）和5 g浓度为02%的阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）可有效处理200 g固含量为20%的造纸污泥，中试结论与实验结果一致。结果表明，新工艺采用DCS控制的二级脱水方式，先利用浓缩塔将污泥固含量提高到4%～6%之间，再通过柱塞泵送入800 m2板框压滤机进行二级脱水，脱水污泥干度可达50%以上；单台设备每个周期4 h可处理45 t绝干污泥，破碎后掺煤焚烧每吨绝干污泥可产生余热29256 MJ，能直接产生经济效益61元；与传统工艺相比可节约139%的运行费用。

关键词：聚合氯化铝；理化性质；高脱水率；焚烧

中图分类号：X793文献标识码：ADOI：1011980/jissn0254508X201803002

收稿日期：20171116（修改稿）

*通信作者：李帮汉，在读硕士研究生；研究方向：造纸废水处理。Application of PAC in Papermaking Sludge Treatment YAN Yongxiang1，2LI Banghan1，2，*SONG Fusheng3CHEN Qijie1 WANG Qingfeng2

（1 Changsha University of Science and Technology，Changsha， Hunan Province，410114；

2 BaiLin Biotechnology Co， Ltd， Changsha，Hunan Province，410205；

3 YueyangFengli Paper Co， Ltd， Yueyang， Hunan Province， 414100）

（*Email： 657100530@qqcom）

Abstract：The relationship between the change of water content and volume change of papermaking sludge was briefly described and analyzed From engineering point of view， adding 04 g PAC with 10% alumina content and 5 g CPAM with 02% solid content could effectively treat 200 g paper sludge with concentration of 2% The new process used concentration conditioning pool， the sludge concentration could be increased to 4%～6% Then the sludge was pumped to frame filter press by using a plunger pump， the dryness of dehydrated sludge could be up to 50% or even higher A single device could handle 45 tons of oven dry sludge per working cycle（4 hours）The dried sludge could be used as fuel after being crushed and mixed with coal， per ton of dried sludge could produce heat 29256 MJ through incineration， which could directly produce economic benefits of RBM 61 yuan； It could save 139% operating costs compared to the traditional process

Key words：polyaluminum chloride； physicochemical properties； high dehydration rate； incineration

造纸工业是国民经济六大支柱产业之一，与国民经济发展和社会文明建设息息相关。伴随着纸张的生产，会产生大量的造纸污泥，其含水率高，成分复杂，处理难度大。据统计，每生产1 t纸，就会产生含水率65%左右的污泥约700 kg[1]。目前造纸污泥主要的处理方式有填埋、厌氧消化稳定、好氧堆肥、生物沥浸、污泥石灰稳定和污泥干热化及污泥焚烧等，还包括制造造纸填料、制造活性炭、生产乙酸乙醇等其他利用技术[2]。受工艺、设备、场地大小，经费投入以及近年来的发展趋势和客户选择等因素的影响，选用化学调理[3]是目前国内较为主流的处理工艺。在湖南岳陽丰利纸业（以下简称丰利纸业）污泥脱水干化工程中，选择聚合氯化铝（PAC）和阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）配合使用，采用浓缩调理池，经板框压滤机压榨（污泥干度可达到50%），破碎机破碎处理后送锅炉燃烧处理的方法，大幅降低了造纸污泥的处理成本。

1造纸污泥含水率

造纸污泥的含水率很高，其中的水分主要分为自由水、毛细结合水、表面吸附水和内部水，主要存在形式如图1所示[4]。其中，自由水和表面吸附水（占77%）可以通过污泥浓缩处理去除；毛细结合水（占20%）必须借助机械作用力才能去除；内部结合水（占3%）必须通过破坏细胞膜，使细胞液渗出才能去除，常规的机械脱水方法无法将其去除[5]。

图1污泥中水分的存在形式经过处理后，不同含水率污泥体积变化差异很大，各阶段含水率示意图如图2所示（干固体含量为64 t）[4]。由图2可看出，污泥固含量06%时，其体积为10667 m3；污泥浓缩后，固含量达到3%，体积变为2133 m3，缩小到原来的20%；用管道输送压榨后，干度达到30%，体积变为213 m3，缩小为原来的2%；压榨干度到90%后，体积变为71 m3，缩小到原来的067%。所以将污泥进行压榨处理，降低其含水率，是污泥减量化、资源化处理的有效方式[6]。统筹考虑污泥性质、调理方法、脱水设备、干化方式和处置措施，可以最大化的产生环保效益、社会效益和经济效益，走资源化道路，减少环境的影响，尽量避免二次污染[7]。

21污泥基础性质

研究使用的造纸污泥取自丰利纸业混合池，丰利纸业主要以芦苇和部分木材为原材料，采用间歇蒸煮方式制浆，经漂白后送车间抄纸，各工段产生的废水全部送中段水系统。中段废水系统分为初沉池污泥、二沉池污泥、三沉池污泥和混合池污泥。初沉池污泥主要来源包括洗苇水10000 m3、碱回收水2000 m3、特种纤维水2000 m3、压滤车间水2000 m3、提漂水2000 m3和抄纸车间水2000 m3等6种废水（总计20000 m3），含大量的无机填料和筛渣，筛渣的主要成分是芦苇渣、苇浆和少量木浆。

取混合池污泥进行分析，参考行业标准CJ/T 221—2005《城市废水处理厂污泥检验方法》，测浓度、pH值、灰分和板框压滤机压榨后干度[8]。检测污泥固含量为18%，干污泥有机物含量为6848%，灰分含量为3152%，pH值为702，压榨后污泥干度为51%。由此得出，污泥浓度较低，灰分含量较小，为中性，压榨后干度较高。

22元素分析

1824173828440532注每个样品均给出3个平行数据，第一组数据为样品转换做其他元素分析时的数据，有可能受上一个样品的影响。3造纸污泥处理技术方案的选择

造纸污泥处理一直是造纸行业的烦恼，寻找合适的处理工艺和配套设备是许多造纸厂所急需的。以丰利纸业为例，详细分析其工艺选择和设备选型。

31污泥脱水药剂

造纸污泥脱水工艺常采用化学调理、冷冻调理和热调理来改善污泥浓缩和脱水的性能，减小脱水时的阻力，以提高脱水设备的处理能力和处理效率[8]。调研发现，使用化学调理是目前国内较为主流的处理工艺，部分造纸厂采用以无机絮凝剂作为混凝剂，天然高分子有机絮凝剂作为助凝剂的方法。该方法使水体中的胶体物质以大分子有机物的形式絮聚，再通过沉淀、气浮和过滤等手段处理水中的固体物质，其处理成本低，投入设备少，处理水量大，COD去除率高。

丰利纸业选用化学调理的方法，选择的无机絮凝剂和有机絮凝剂分别是PAC和CPAM[10]。与三氯化铁（PFC）等无机絮凝剂相比，PAC具有以下优势：①PAC盐基度90以上，产品中游离的氯离子很少，PFC则含有大量的游离状氯离子，很容易腐蚀管道和设备；②实验发现PAC处理污泥的滤水性高于PFC的处理效果。选用合适的聚丙烯酰胺（PAM）对污泥脱水效果很重要[1112]，湖南佰霖生物技术股份有限公司针对造纸污泥所开发的编号为2601的阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM），与普通的药剂相比，CPAM有以下特点：①使用的药剂量少，絮凝效果优；②滤水性好，能有效提高板框压滤机的脱水效率；③减少了PAC的加入量，降低处理成本。

脱水药剂最终选用PAC和CPAM配合使用，药剂加入量通过实验确定。将PAC配置成10%的溶液待用，CPAM配置成02%的溶液。向烧杯中倒入200 g固含量为20%的废水，先加入PAC，搅拌30 s，再加入CPAM，搅拌2 min后，用真空抽滤机进行抽滤直至压力降为004 MPa，称量滤饼质量，实验结果如表2所示。由表2发现，处理200 g（固含量为20%）污泥，选取加入PAC（氧化铝含量为10%）04 g和CPAM（浓度为02%）5 g时，污泥脱水效果最好。

综上所述，处理200 g（固含量为20%）污泥，加入PAC（氧化铝含量为10%）04 g和CPAM（浓度为02%）5 g处理造纸污泥时脱水效果最好；换算成绝干污泥即处理1 t绝干污泥，需加入100 kg PAC（氧化铝含量为10%），25 kg固体CPAM。

32污泥脱水工艺

国内外运用较多的脱水设备主要有带式压滤机，板框压滤機和螺旋压滤脱水机，都有各自的优点和缺点，这令很多造纸厂选择困难。以丰利纸业为例，现有工艺流程是废水首先到达初沉池，进行一次沉淀后，下沉污泥经刮泥机处理后送往混合池，上清液送往表面曝气池；再送往二沉池，经过二次沉淀后，上清液送往三沉池，下沉活性污泥绝大部分回用到表面曝气池，部分活性污泥送往混合池；往三沉池中加入聚合硫酸铁和聚丙烯酰胺，经沉淀后，上清液送往洗苇车间作为清水回用，下沉污泥送往混合池；在混合池均匀混合后进行后续处理。

丰利纸业起初运行了两套带式压滤机（工艺流程见图3，以下简称传统带式压滤机处理工艺），由于设备浓缩能力有限，处理效果欠佳，不适用；后自行购买一台50 m2的板框压滤机（工艺流程见图4，以下简称传统板框压滤机处理工艺），污泥含水率仍高达70%，由于选用工艺不合理，且处理量太小，不仅无法解决问题，处理后污泥仍不符合填埋要求[10]；随着纸张市场价格的回暖，产能增加，水处理压力越来越大，面临被迫关停的风险。2530/22644压力14 MPa新型板框压滤机2530/20052压力15 MPa注实验不是同一时间的处理数据，由于原料的差别，导致污泥固含量不同（丰利纸业上半年使用苇浆较多，导致污泥固含量高，下半年由于芦苇库存不足，使用木浆较多）。图5所示的处理工艺经高效浓缩塔处理后，污泥固含量可达3%～5%之间。PAC（氧化铝含量10%），CPAM和PAM浓度均为02%。（以下简称新型板框压滤机处理工艺）。丰利纸业每天最大污泥量45 t（绝干），可选用2台800 m2板框压滤机，单台设备每个周期理论处理量是45 t（绝干），使用浓缩调理池，先将固含量2%的污泥浓缩到固含量4%～6%，通过柱塞泵送往板框压滤机（进料时间15～2 h），进料结束后开始压榨和吹风，压榨结束后卸泥，进入循环等待（从压榨到循环约2 h），整个周期脱水时间4 h，污泥干度达到50%以上，完全满足丰利纸业的污泥处理需求。

331脱水污泥含水率

同时选取丰利纸业采用传统带式压滤机工艺、传统板框压滤机工艺、新型板框压滤机工艺处理造纸污泥的处理结果，进行对比分析，主要数据如表3所示。由表3可知，新型板框压滤机处理工艺选用PAC与高效的CPAM处理造纸污泥，添加合适量的药剂，经过浓缩池调理和配套的板框压滤机，可以将污泥干度提高到50%以上，图5所示的新型板框压滤机处理工艺具有较高的工程参考价值。

332污泥脱水焚烧热值分析

丰利纸业污泥灰分3152%，绝干污泥燃烧值（M污泥）为756 MJ/kg，焚烧后排渣温度120℃，灰渣比热C渣为091 MJ/kg℃[13]（按SiO2计），入动力锅炉的污泥、空气温度20℃，排烟温度180℃，空气中的N2、O2、H2O比例分别为759%、228%、13%。空气过量系数α为15，蒸汽比热容C热为2001 MJ/t℃，水的比热容C水为4187 MJ/kg℃，100℃时水的汽化热γ100为22584 MJ/kg℃。辐射和不完全燃烧损失占总热量的15%。按1 t污泥在动力锅炉内进行焚烧，按以下方式进行计算（计算基准为20℃）。

（1） 污泥燃烧产生的热量Q1：

Q1= G污泥·M污泥=1×50%×（1-3152%）×756×103=25885（MJ）

（2） 燃烧后排渣带出的热量Q2：

Q2= C渣·G渣·△t=091×1×50%×3152%×（100-20）=1434（MJ）

（3） 烟气带出的热量Q3：

①污泥中的H元素生产H2O的量

HH2O= 绝干污泥量×H元素比例×（16+2×1）/（2×1）=1×50%×2844%×9=0128（t）

所消耗的氧量O1=HH2O×16/18=0114（t）

②污泥中的C元素生产CO2的量CCO2

CCO2= 绝干污泥量×C元素比例×（12+16×2）/12=1×50%×1738%×44÷12=032（t）

所消耗的氧量O2=CCO2×32/44=023（t）

③污泥中的O元素含量O3

O3= 绝干污泥量×C元素比例=1×50%×20%=01（t）

④理论需氧量OL=O1+O2-O3=0114+023-01=0244（t）

⑤理论空气用量GL=OL÷228%=107（t）

⑥实际空气用量G=α·GL=107×15=161（t）

⑦剩余空气用量G剩=G-GL=161-107=054（t），其中含氧量G剩O=0122（t），含N量G剩N=0406，含水量G剩H2O=0007（t）

⑧干烟气排放带出的热量Q干：

Q干=（G剩O+G剩N+CCO2）·C烟气·（t3-t0）=（0122+0406+032）×1068×（180-20）=14491（MJ）

⑨水排放带出的热量Q水

Q水=（G剩H2O+HH2O）·[C热·（t180-t100）+γ100+C水·（t100-t20）]=（0007+0128）×[2001×80+22584+4187×80]=37172（MJ）

故Q3=Q干+Q水=51663（MJ）

（4）蒸发污泥中水分消耗的热量Q4：

Q4=m水分·[C热·（t180-t100）+γ100+C水·（t100-t20）]=1×50%×275344=137672（MJ）

（5）辐射和不完全燃烧热损失带出的热量Q5：

Q5=15%Q1=38828（MJ）

（6）剩余热量Q6：

Q6=Q1-Q2-Q3-Q4-Q5=25885-1434-5166-137672-38828=29256（MJ）

根据上述公式及有关参数计算，当污泥干度为50%时，焚烧锅炉的能量衡算及所占的比例如表4所示。从表4中数据可以看出，当污泥干度50%时，污泥自身的发热量足以蒸发出自身的水分，不需要加燃煤等作为补充。可以说，直接焚烧干度为50%的污泥，对于工厂来说既产生了环保效益又产生了经济效益。

以每燃烧1 t干度50%的污泥为例，产生余热29256 MJ，相当于节约标煤10 kg（动力煤市场价720元/t），如果用于发电，则能产生电8135 kWh，按市场价075元/ kWh（生物质发电，政府补贴回购）的价格卖给当地政府，能直接产生经济效益61元。如果污泥产量足够大，掺合燃烧苇渣、木片渣等生物质燃料，每年的发电量将会给公司带来较大的经济效益。所以将污泥干度提升到50%后，再进行焚烧处理，不仅解决了造纸污泥处理难的问题，还可以为工厂创造效益，符合国家节能减排的标准，值得推广应用。

34 成本分析

湖南佰霖生物技术股份有限公司采用新型板框压滤机处理工艺于2017年2月11日到4月15日完成丰利纸业造纸污泥处理项目。经过一个多月的调试，成功将污泥干度提高到50%以上，于2017年6月通过工程项目验收。

从输送污泥到将污泥压榨粉碎，单台设备每个周期处理45 t绝干污泥全过程只需4 h，污泥流量120 m3/h，PAC用量025 m3/h，CPAM用量30 m3/h。现场DCS曲线如图6所示。

图6丰利纸业2#板框压滤机处理污泥DCS图成本分析：对比丰利纸业采用图4工艺和图5工艺处理造纸污泥的成本，PAC（氧化铝含量10%）市场价700元/t，2601（CPAM）市场价26元/kg，电费按均价05元/kWh计算，废水达标后排放。

（1）使用图5所示的新型板框压滤机处理工艺每吨绝干污泥所需费用：

污泥：流量Q=120 m3/h，固含量W=2%，密度约为ρ=1000 kg/m3，时间T=1 h

污泥质量M=120×1×1000×2%=2400 kg=24 t

①PAC：流量Q=025 m3/h，密度约为ρ=1150 kg/m3，时间T=1 h

PAC質量：MPAC=025×1×1150=2875（kg）=02875（t）

每吨绝干污泥PAC费用：S1=02875×700÷24≈8385≈84元

②CPAM：流量Q=30 m3/h，浓度W=02%，密度约为ρ=1000 kg/m3，时间T=1 h

CPAM质量：MCPAM=30×1×1000×02%=60 kg

每吨绝干污泥CPAM费用：S2=60×26÷24=65元

③三沉池统计所需聚合硫酸铁PFC为40 t/d，价格为350元/t，PAM为50 kg/d，价格为15 元/kg，折合每吨绝干污泥成本统计为：

S3=（40×350+50×15）÷45=328元/t

④每吨绝干污泥所需电费S4：

4台曝气泵功率为160 kW，24 h运行，污泥压榨车间每吨绝干污泥耗电100 kWh，刮泥机等设备平均每天耗电1800 kWh。

S4=（160×4×24+45×100+1800）×05÷45≈241元

⑤每吨绝干污泥所需运行总费用S=S1+S2+S3+S4=84+65+328+241=718元（包含整个废水和污泥处理系统，未考虑生化池所需费用）。

（2）通过市场调研，选取国内几家大型污泥处理厂均采用板框压滤机处理情况，汇总结果如表5所示。

方式东莞某厂—200—23825填埋湖南骏泰30100—20232填埋景津环保251006～1022448填埋山东恒联25100—23138填埋注PAC（氧化铝含量10%），PAM浓度为02%。由表5可知，国内几家大型处理公司药剂成本均很高，絮凝剂用量接近，但助凝剂用量相差较大。以骏泰为例（工艺流程大致一样）进行计算分析，PAC（浓度10%）市场价700元/t，使用的PAM市场价17元/kg，电费按均价056元/kWh计算；废水总量为30000 m3/d，该公司采用斜网回收废水中部固形物作生物质燃料，平均每天处理绝干污泥296 t左右；三沉池废水送往工厂附近的废水处理站（03元/t）达标后排放。

污泥：流量Q=120 m3/h，固含量W=202%，密度约为ρ=1000 kg/m3，时间T=1 h

污泥质量M污泥=120×1×1000×202%=2400（kg）=2424（t）

①PAC：用量为30 kg/m3，换算为流量Q=036 m3/h，密度约为ρ=1150 kg/m3，时间T=1 h

PAC质量：M=036×1×1150=414（kg）=0414（t）

每吨绝干污泥PAC费用：S5=0414×700÷2424≈1196≈120（元）

②PAM：用量为100 kg/m3，换算为流量Q=120 m3/h，浓度W=02%，密度约为ρ=1000 kg/m3，时间T=1 h

PAM质量：M=120×1×1000×02%=240（kg）

每吨绝干污泥PAM费用：S6=240×17÷2424≈1683（元）≈170（元）

③每吨绝干污泥所需电耗：该公司在气浮未开的情况下，运行电耗约为12650 kWh。

S7=12650×056÷296≈23932（元）≈240（元）

④送往废水处理站处理费用，折合每吨绝干污泥计算，成本S8

S8=30000×03÷296=304（元/t）

每吨绝干污泥所需运行总费用S=S5+S6+S7+S8=120+170+240+304=834（元）（包含整个废水和污泥处理系统，未考虑生化池所需费用）

对比分析，选用图5中新工艺最终总核算处理成本为718元/t，其中污泥处理费用为149元/t，废水处理费用为328元/t（以绝干污泥计算），运行电费241元/t；骏泰纸厂处理成本为834元/t，其中污泥处理费用为290元/t，废水处理费用为304元/t（以绝干泥计算），运行电费240元/t。新工艺可节约139%的运行费用，主要体现在污泥处理的药剂费用上，这验证了PAC可以处理造纸污泥，并且配合合适的CPAM和配套设备，可极大的降低运行费用，值得推广。

3结论

31聚合氯化铝（PAC）能处理高脱水率造纸污泥，可以在造纸行业大力推广。

32使用图5所示新型板框压滤机处理工艺，污泥干度能达到50%，破碎后掺煤可以直接燃烧，不仅能解决环保问题，还能产生经济效益。

33使用图5所示新型板框压滤机处理工艺处理造纸污泥，能极大的降低运行成本，作为工程案例，值得业内参考借鉴。

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