造紙污泥脫水工藝的研究概述
行業(yè)動態(tài)
隨著環(huán)保政策的日益嚴格和國民環(huán)保意識的逐漸加強，造紙企業(yè)對造紙廢水處理也更加重視，為達到排放標(biāo)準，采用了多種更為有效的廢水處理方法。造紙污泥作為造紙企業(yè)廢水處理的副產(chǎn)物，其產(chǎn)量也隨之增加，且成分更加復(fù)雜，含有機質(zhì)、微生物、病原體、病毒和金屬等，若處理不當(dāng)易造成二次污染，對環(huán)境危害極大。因此，經(jīng)濟合理地處理造紙污泥也引起了社會的廣泛關(guān)注。目前，常用的造紙污泥處理方法有衛(wèi)生填埋、混合燃燒、制造填料、堆肥、建材原料等。
污泥處理的原則是減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化，其中減量化是后續(xù)處理的基礎(chǔ)，資源化是目的。污泥減量化有兩種途徑：一是在污水處理過程中通過工藝優(yōu)化減少污泥的產(chǎn)生量；二是對于已經(jīng)產(chǎn)生的污泥，減少其中的有機物和水分含量。減少有機物的含量技術(shù)難度大，資金投入高，而減少污泥中的水分含量相對簡單，更容易實現(xiàn)，所以，對污泥脫水工藝及設(shè)備的研究和開發(fā)成為污泥減量化的關(guān)鍵。
1 造紙污泥的脫水機理
1.1 造紙污泥的性質(zhì)
根據(jù)造紙污泥的來源、組成和特點的不同，可將造紙污泥分為初級污泥、生化污泥、化學(xué)污泥和脫墨污泥4種。
1.2 造紙污泥中水分的存在形式
根據(jù)污泥含水與污泥結(jié)合形式的不同可將污泥中的水分為間隙水、毛細水、表面吸附水和內(nèi)部結(jié)合水4種。間隙水是游離于污泥顆粒間隙中的水，約占污泥總含水量的60%～80%，可通過重力沉降去除，是污泥濃縮的主要對象。毛細水是由于毛細管現(xiàn)象形成的附著于高度密集的細小污泥顆粒周圍的水，約占總含水量的15%～25%，需要施加較高的機械作用力（如離心力、負壓力等）以破壞毛細管表面張力和凝聚力的作用，才能將其除去。表面吸附水是由于表面張力作用吸附于污泥顆粒表面的水，其附著力比較強，脫除比較困難，需要通過化學(xué)調(diào)理改變其存在狀態(tài)從而將其除去。內(nèi)部結(jié)合水是指污泥顆粒內(nèi)部結(jié)合的水，如金屬化合物所帶的結(jié)晶水、包含在污泥中微生物細胞內(nèi)的水分等，這部分水不能通過機械方法直接脫除，只能通過外力作用將細胞膜破壞或者加熱干化作用除去。表面吸附水和內(nèi)部結(jié)合水的總量約為污泥總含水量的10%。污泥中各種水分的量隨著污泥性質(zhì)和固含量的多少而變化，如生化污泥的結(jié)合水量就比初沉污泥高。每個制漿造紙廠的制漿工藝、抄紙設(shè)備、產(chǎn)品種類和技術(shù)管理水平不同，使得污水處理后產(chǎn)生的造紙污泥不同，實際生產(chǎn)中需要根據(jù)污泥的具體性質(zhì)進行處理。
1.3 污泥脫水的原理
污泥的脫水是一個固-液分離的過程，其理論是在過濾、滲透、沉積等理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。從宏觀來看，污泥脫水是簡單的泥水分離的過程，但微觀來看，污泥脫水是一個污泥中的水在外力驅(qū)動下，克服淤堵，從排水到排出的過程，于軟土結(jié)構(gòu)排水極為相似。為了便于討論，將污泥視為剛性的小球，其中的水分為自由水（即間隙水）和結(jié)合水（包括毛細水、表面吸附水和內(nèi)部結(jié)合水）。污泥脫水的過程分為3個階段進行，每個階段的淤堵機理不同。階段1排出的水為自由水，此階段污泥顆粒間的自由水相互連通，以此為排水通道；階段2有少量結(jié)合水隨自由水排出，此階段自由水已不再相互連通，排水通道的形成需要克服結(jié)合水的束縛，脫水較為困難；階段3排出的水為結(jié)合水，此階段的排水通道不僅需要突破結(jié)合水的束縛，還需要克服污泥顆粒的影響，排水較為困難。所以，污泥脫水的微觀研究不應(yīng)該將污泥顆粒和水分開進行，應(yīng)以排水通道為“橋梁”，將其視為一個整體進行。污泥脫水過程中應(yīng)考慮通過物理或化學(xué)方式調(diào)整污泥顆粒的狀態(tài)，改變體系中水的存在形式，延長脫水模型中階段1的作用時間。
2 污泥脫水工藝
對目前污泥脫水的技術(shù)進行分析總結(jié)，根據(jù)不同的作用場進行劃分，應(yīng)用于污泥脫水的主要有：應(yīng)力場、化學(xué)場、電場、溫度場和磁場等。就目前污泥脫水現(xiàn)狀而言，應(yīng)力場因其比較容易獲得，且操作簡單的優(yōu)點，處于核心地位，其他的場均屬于輔助地位，其中化學(xué)場和磁場在污泥深度脫水的預(yù)處理階段較為常用。下面提及的部分污泥脫水的方法僅在市政污泥脫水中有所研究和應(yīng)用，其目的是提供具有參考價值的污泥減量化措施，為更合理更高效的造紙污泥減量化技術(shù)的開發(fā)做鋪墊，加速推進污泥資源化利用的實施進程。
2.1 應(yīng)力場
應(yīng)力場脫水顧名思義就是利用外部施加的壓力或者水的自身重力等對污泥進行脫水。目前以此為原理的設(shè)備主要有帶式壓濾脫水機、板框式壓濾脫水機、螺旋壓濾脫水機等，不同的脫水機有各自不同的特點。一般而言，帶式壓濾機可連續(xù)運行，處理污泥量大，但是其出泥干度較低，僅為20%～25%，且操作環(huán)境較差；板框壓濾機和螺旋壓濾機出泥干度較大，但是板框壓濾機出泥處理量小且加藥量大，螺旋壓濾機機械磨損大且能耗高。
2.2 化學(xué)場
化學(xué)場對污泥的作用主要是向污泥中添加絮凝劑和表面活性劑來改變污泥的絮凝特性，破壞污泥膠體的穩(wěn)定性，從而更好地分離開污泥中的固體和水分?；瘜W(xué)藥劑的加入，可以中和污泥顆粒表面的電荷，克服污泥絮體間的斥力，增強絮體間的凝聚力，改善脫水性能。
（1）絮凝劑
絮凝劑按照化學(xué)組成可分為無機絮凝劑和有機絮凝劑兩類，無機絮凝劑一般分鐵鹽和鋁鹽兩大類，有機絮凝劑種類較多，一般根據(jù)其在水中電離出的電荷類型將其分為非離子型、陰離子型、陽離子型和兩性型四種。無機絮凝劑作用效果和效率均較有機絮凝劑差，但無機絮凝劑可以提高污泥的可壓縮性能。有機絮凝劑所需加入量較少，形成的絮體強度大，應(yīng)用范圍廣，但也存在難以降解的缺點。
（2）表面活性劑
表面活性劑能促進污泥表面的蛋白質(zhì)和DNA釋放，且使這些大分子物質(zhì)較易溶于水，從而減少了污泥顆粒間的間隙水，加快了污泥的沉降速度，使得污泥的含水率降低。陳銀廣等探討了表面活性劑對活性污泥脫水的影響，發(fā)現(xiàn)單獨使用表面活性劑可使污泥離心脫水后含水率降低，當(dāng)表面活性劑用量為10.9%（相對于絕干污泥）時，較不添加表面活性劑的污泥的含水量低11%。如果配合FeCl3和CaO使用，加入8%的表面活性劑所得污泥的含水量較不加表面活性劑的減少了6%。
2.3 溫度場
物理上對溫度場的定義為各個點溫度的集合。污泥脫水過程中主要是通過降低或升高污泥溫度達到調(diào)理污泥促進脫水的效果。降低污泥溫度的方法稱為凍/融處理法，升高污泥溫度的方法稱為熱處理法。
（1）凍/融處理
凍/融處理即先將污泥進行冷凍，再將其融化，此法可使污泥結(jié)構(gòu)更加緊密，減少結(jié)合水的量，從而改善污泥的脫水性能，相比于機械脫水法需要消耗大量能量，化學(xué)法需要使用化學(xué)藥劑，凍/融技術(shù)能耗低，工藝簡單，不需要添加聚合物，運行費用低。胡凱等將剩余污泥置于-18℃冰箱中冷凍，在室溫下解凍，研究了不同的冷凍時間對污泥理化性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，凍/融處理后污泥的粒徑減小，說明凍/融處理可破解污泥結(jié)構(gòu)，增加膠體和溶解組分的比例，可有效降低化合物的分子量，隨著冷凍時間的延長，污泥的懸浮固體（SS）和揮發(fā)性懸浮固體（VSS）降低，pH值降低，溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）和堿度升高，且得出了冷/融處理的較佳工藝：-18℃下冷凍72h，室溫下融化3h，可將剩余污泥的SS和VSS分別由22400mg/L和14720mg/L降至19979mg/L和12989mg/L，將SCOD升至原污泥的3.6倍。
（2）熱處理
污泥的熱處理分為低溫?zé)峤夥ê蜔岣苫ā５蜏責(zé)峤夥ㄊ侵冈谝欢ǖ臈l件下，利用污泥自身所含物質(zhì)的催化作用將污泥中的部分有機物質(zhì)轉(zhuǎn)變成碳氫化合物，產(chǎn)生油、碳、水和非冷凝氣體，產(chǎn)物又可作為低級燃料使用。污泥熱干化法是利用熱能將污泥烘干，烘干后的污泥體積減小，呈粉末或顆粒狀，便于運輸和其他方面使用。朱南文等提出可使用X型多孔陶瓷板燃氣紅外輻射器對污泥進行干燥，并探討出合理的干燥條件，使用26只紅外輻射器，控制通氣量為0.35m3/s，在進泥量為22.5kg·h時，可將污泥含水率從82.6%降至8.5%，且脫水量穩(wěn)定，與污泥的初始含水量無關(guān)。
2.4 電場
污泥電場脫水是基于電化學(xué)中的雙電層理論以及電動學(xué)現(xiàn)象來進行固相和液相分離的。其原理是在電場的作用下，由于異性電荷相互吸引，污泥中帶負電的顆粒通過電泳作用向陽極遷移，而雙電層-擴散層內(nèi)帶正電的離子攜帶水分通過電滲作用向陽極遷移。電場脫水有很多優(yōu)勢，如穩(wěn)定性高、效率高，能耗低、運行費用低，自動化水平高、管理維護簡單等。董立文等研究了造紙污泥電滲透脫水過程中的機械壓力、電壓梯度和泥餅厚度對脫水結(jié)果的影響，結(jié)果表明，電滲透脫水技術(shù)的脫水效果較普通機械方法好得多，結(jié)合脫水效果和能耗綜合考慮，其較優(yōu)操作條件為機械壓力76kPa，電壓梯度30V/cm，污泥厚度為0.7cm，此條件下脫水20min，可將污泥含水率從74.85%降至49.35%。
2.5 磁場
根據(jù)磁場來源和大小不同，可分為宏觀磁場處理和微觀磁場處理。宏觀磁場處理所用的磁性物質(zhì)是永磁鐵，即將待處理樣品置于永磁鐵產(chǎn)生的磁場中進行處理，微觀磁場處理所用磁性物質(zhì)為納米級、微米級的磁粉，即將磁粉加入待處理樣品中進行處理。目前的研究表明，宏觀磁場的作用機理是磁場的生物學(xué)效應(yīng)，磁場可激化或抑制微生物的代謝活性，從而使細胞更快地消耗掉污泥中的有機質(zhì)或使其破裂，釋放出大量結(jié)合水。微觀磁場的調(diào)理機理是由于磁粉具有極大的表面積和自由能，污染物容易被吸附，體系中膠體物質(zhì)、蛋白質(zhì)、脂膠等易與磁粉結(jié)合，表面能降低，使得污泥中的表面水釋放成自由水。如同時在外施加宏觀磁場，可使顆粒間的碰撞更加頻繁，促使凝聚效果產(chǎn)生，磁擠壓作用促進絮體沉降，加速泥水分離，改善污泥脫水性能。另外，有研究表明磁鐵與磁粉聯(lián)用較單獨使用任何一個效果都好。Lackshmanan等研究了磁場對污泥脫水的影響，發(fā)現(xiàn)先用納米級的磁粉調(diào)理污泥，再在外施加宏觀磁場處理5min，可將污泥的含水率降至95%。李帥等以市政生化污泥為研究對象，探討了宏觀磁場的強度、磁化時間及其位型對脫水性能的影響，發(fā)現(xiàn)污泥脫水性能與磁場強度和磁化時間之間不存在線性關(guān)系，需根據(jù)污泥的實際情況選擇合適的磁場強度和磁化時間。就磁場位型而言，平行磁場的作用效果優(yōu)于垂直磁場，可能是因為磁場作用方向與重力方向平行，有利于污泥沉降、壓縮雙電層，從而釋放出更多的自由水。
3 結(jié)語與展望
造紙污泥本質(zhì)上屬于生物固體廢棄物，是一種具有潛在價值的資源，目前國內(nèi)外均在探索發(fā)展污泥資源化利用技術(shù)，而這些技術(shù)的實施前提是污泥具有一定的干度。因此，對污泥脫水機理及工藝的研究意義重大。污泥脫水本質(zhì)上是通過污泥脫水設(shè)備向高含水率的污泥施加作用場以得到低含水率的目標(biāo)污泥。目前，多數(shù)造紙廠的污泥脫水裝置仍以機械脫水設(shè)備為主，而僅憑單一場的作用脫水效率低，效果差，不能滿足造紙廠污水處理段的實際生產(chǎn)需求。因此，研究多場聯(lián)合脫水，發(fā)揮各場在污泥脫水中的優(yōu)勢，開發(fā)具有多場聯(lián)合作用的脫水設(shè)備前景廣闊。
