一种市政污泥化学调理强化初步机械脱水联合电渗透两级深度脱水方法

摘要

本发明涉及一种用于市政污泥深度脱水的复合调理剂和脱水方法，通过投加占污泥干基重量3～30％的复合调理剂，对生活污水处理厂含水率为97％左右的浓缩污泥进行调理改性，提高污泥初步机械脱水及后续电渗透脱水能力；调理改性污泥经过初步脱水后污泥含水率降低至70～85％；初步脱水污泥直接进入电渗透脱水设备进行深度脱水，污泥含水率降低至40～60％；脱水后污泥可直接进行填埋处置、热转化、建材利用等处理、处置与资源化利用。该方法可实现污泥脱水的连续运行，处理效率高；可有效降低污泥中的结合水含量，脱水效果好，深度脱水泥饼含水率低。既适用于新建的污水处理厂；又适合于现有污水处理厂污泥脱水处理的改建，扩建及应急预案的设计要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种市政污泥化学调理强化初步机械脱水-电渗透两级深度脱水新方法，属于城镇污水排放污泥处理与处置技术领域，是城镇污水处理厂剩余污泥的处理及处置的新工艺，符合污泥减量化、稳定化、无害化的要求。 

背景技术

我国城镇污水处理设施的工艺仍以生物法为主，在处理废水的过程中，会产生大量的剩余污泥。根据住房和城乡建设部《中国城镇排水与污水处理况公报2006-2010》的相关统计，2010年全国脱水污泥(含水率以80％计)的总产量接近2200万吨。《中国污泥处理处置市场分析报告(2011版)》指出，2015年年末，我国脱水污泥年产量将超过2600万吨。 

污泥是以胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，简称EPS)为骨架的亲水性有机聚集体，含有丰富的有机质，也含有大量病原菌，寄生虫(卵)、重金属、盐类以及难降解的有毒有害物。污泥中EPS所形成的大量亲水性污泥絮体结构是污泥脱水研究关注的焦点。由于污泥中有机物含量高、颗粒细小、EPS亲水性强、比表面积大、强胶体结构的特性导致了污泥可压缩性能差，在过滤的后期会堵塞滤饼的孔隙，阻塞了水的过滤通道，导致目前机械脱水效率较低，脱水困难。 

污泥脱水困难与污泥中水的存在形式有很大关系，一般可以将污泥中的水划分为自由水(Free Water)和结合水(Bound Water)两大类。自由水为在污泥中可以自由流动而不受固体颗粒影响的水分，约占70％；结合水为受固体颗粒的存在而影响其性能的水分，约占30％，包括毛细水、吸附水及颗粒内部水(见图1)。通常认为，污泥中自由水含量是污泥机械脱水的上限。所以，怎样将污泥中的结合水有效转变为自由水是污泥处理与处置技术的一个关键技术难题。 

因此，为提高污泥脱水性能，污泥机械脱水前一般需采用物理化学方法进行调理，改变污泥中水的结合方式，改善污泥EPS的亲水结构，从而提高污泥脱水效率。 

目前，国内大多数污水处理厂采用的污泥脱水工艺是用聚丙烯酰胺(PAM)高分子絮凝剂调理污泥，经过离心脱水或带式压滤脱水后，仅能得到含水率80％左右的脱水泥饼。该工艺虽然能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中机械脱水污泥含水率小于80％的要求，但无法满足《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋泥质》(CJ／T249-2007)中要求的污泥混合填埋含水 率≤60％。也无法满足国家环境保护部办公厅环办[2010]157号文件要求“污水处理厂以贮存(即不处理处置)为目的将污泥运出厂界的，必须将污泥脱水至含水率50％以下”。 

中国专利文献《一种无机复合污泥脱水调理剂及其应用》(公开号CN101851053A)公开了一种污泥脱水用调理剂及调理方法，具体为加入占污泥干基重量10100％的污泥调理剂(十二烷基苯磺酸钠和氢氧化钠)调理污泥，用板框压滤机对调理污泥进行脱水，但是只能获得含水率70-75％脱水污泥。 

中国专利文献《一种污泥浓缩、脱水处理方法》(公开号CN102617013A)公开了一种污泥脱水用调理剂及调理方法，具体为在含水率为99％的剩余污泥中加入占污泥干重0.3％的聚丙烯酰胺调理污泥，对调理污泥进行浓缩；再往浓缩后污泥中加入占污泥干重15％的生石灰及5％的聚合氯化铝对污泥做进一步的调理，然后采用隔膜板框压滤机对调理污泥进行压滤，脱水后泥饼含水率可降至60％以下。 

中国专利文献《污泥脱水用调理剂及调理方法》(公开号CN102001814A)公开了一种污泥脱水的调理剂及调理方法，具体为对含水率80％的污水处理厂脱水污泥，按1∶1.1的质量比加水稀释搅拌，投加占待处理污泥干重30-60％的调理药剂(包括铁盐、生石灰、煤矸石及高锰酸钾)。调理后通过高压板框压滤机(压力6.5MPa)进行脱水，泥饼含水率可降至60％以下。 

如上所述，目前常用的污泥深度脱水工艺对污泥进行调理改性，再通过板框压滤机对污泥进行深度脱水。但是此方法有如下几个弊端：一是机械占地面积较大，需要单独建设厂房等配套设施，所以初期投资费用较多；二是板框压滤机脱水过程是间歇式的，不能连续进泥脱水，所以脱水效率较低；三是如果以污水处理厂现有脱水污泥(含水率80％左右)为处理对象，通常需要加水稀释污泥(含水率90％左右)，加入的无机调理剂才能与污泥搅拌均匀，但这种做法是对水资源及脱水工艺的浪费；四是要得到较好的脱水效果，需要投加大量的无机调理剂，一般为污泥干重的30％以上，造成泥饼增容增重，加大了后续处置的成本；五是调理剂中如果含有生石灰，脱水滤液必然呈高碱性，pH达到12以上，滤液不经过单独处置而回流到污水厂会影响污水处理厂中微生物的活性。 

人们对电渗透技术的研究已有很长时间，20世纪初，德国人最早运用电渗透脱水技术于泥煤的脱水上。之后，电渗透技术主要应用于土壤的原位修复中，主要去除土壤中的重金属和有机污染物。近几十年来，随着城市污泥问题的日益突出，有研究人员便将该技术应用于污泥的脱水中。 

机械脱水与电渗透脱水机理有本质不同。机械脱水是通过对污泥施加一定的机械压力，使污泥中的水分通过过滤介质，污泥颗粒则被截留，因此实现了污泥中泥水的分离。但是，生物处理产生的污泥有机物含量高，在脱水过程中， 过滤介质附近的粒子层受流体压力的作用而逐渐密实，致使过滤通道逐渐堵塞，过滤速度减小。 

而电渗透脱水过程中，在电场力的作用下，带负电的污泥颗粒向正极移动，带正电的水溶液向负极移动，因此，电渗透脱水过程中过滤介质附近的孔隙率不受影响，不会出现过滤介质堵塞滤布的现象。 

电渗透脱水过程中，一般用Helmholtz-Smo1uchowski(H-S)方程来表示由电渗透作用驱动的液体流动速率，反映污泥的电渗透脱水效果。影响电渗透脱水效果的主要包括污泥本身的性质如zeta电位、电导率、液体的介电常数及液体介质的粘度。同时也要考虑外加电场的参数，如电压梯度等。所以，可以通过化学改性的方法改变污泥的特性来提高污泥的电渗透脱水效果。 

电渗透脱水工艺，专利技术主要集中在电渗透设备方面，关于电渗透脱水工艺的研究较少。目前主要是以含水率为80％的污水处理厂脱水污泥为研究及实验对象，进行电渗透脱水，由于污水处理厂脱水污泥仅加入了高分子絮凝剂调理污泥，并没有针对电渗透脱水工艺对污泥进行改性，所以直接对脱水污泥进行电渗透深度脱水效果并不理想。同时，在污泥脱水的相关专利技术中，基本上没有将电渗透深度脱水工艺与污水厂原有的初步机械脱水技术复合使用的新工艺介绍，也没有同时针对提高污泥初步机械脱水及后续电渗透脱水能力的污泥复合调理方法及深度脱水工艺的专利介绍。 

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种用于市政污泥深度脱水的复合调理剂，包括絮凝剂、混凝剂和助凝剂中的一种或以上，还包括无机盐类，其重量百分比为5095％，余量为絮凝剂、混凝剂和助凝剂中的一种或以上，其中，絮凝剂的重量百分比不超过1％。所述复合调理剂由上述组分按照上述比例复合组成。所述无机盐类为钾盐、钠盐、钙盐、镁盐、铜盐、铁盐、铝盐、锌盐、铵盐、锰盐、钡盐中的一种或以上。所述絮凝剂和混凝剂为聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚苯乙烯磺酸盐、聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合氯化铁、聚合硫酸铁、聚合硫酸铝铁中的一种或以上。所述助凝剂为石灰、硅藻土、粉煤灰、石膏粉中的一种或以上。 

所述复合调理剂中絮凝剂、混凝剂及助凝剂的投加能提高污泥的机械脱水能力。絮凝剂中聚合物的高分子链在污泥悬浮颗粒中发生架桥作用，通过聚合物分子上不同链段吸附在不同颗粒上，促进污泥颗粒的相互聚集。所述复合调理剂中絮凝剂的投加是为了配合污水处理厂现有脱水设备进行污泥初步脱水而使用的，污泥粒径太小的话，不能通过离心机脱水设备进行泥水分离，所以需要投加一定量的絮凝剂，通过絮凝剂的絮凝性(电中和及吸附架桥作用)、粘合性(机械的、物理的及化学的作用)及增稠性(网捕作用)使絮体变大，再进 过离心等机械脱水设备进行初步的泥水分离。混凝剂的投加是为了提供正电荷去中和污泥颗粒表面的负电，使污泥颗粒“脱稳”，于是，颗粒间通过碰撞、表面吸附、范德华引力等作用，互相结合变大，从而压缩污泥颗粒表面的亲水的带负电荷的双电层结构，有利于结合水的释放。助凝剂的投加可以提高污泥的混凝效果以及改善泥饼的可压缩性。 

所述复合调理剂中无机盐类为钾盐、钠盐、钙盐、镁盐、铜盐等，混凝剂及助凝剂的投加都能提高污泥的盐度，污泥的电导率增加，在恒定的电压梯度下，污泥电渗透脱水过程中的电流密度上升，能提高污泥的电渗透脱水效率。由于污泥颗粒的双电层结构，污泥颗粒表面会吸附介质中带相反电荷的离子构成双电层。在电场作用下，污泥表面吸附的阳离子因受到电力吸引而向阴极移动，随着阳离子边界层的移动，污泥中的水分子被携带出来，结果是污泥中部分结合水在电场力作用下被脱除。 

根据本发明所述的复合调理剂，由于同时含有无机盐类和絮凝剂、混凝剂及助凝剂的一种或几种，不但具备提高初步机械脱水效率的功效，同时具备提高后续电渗透深度脱水效率的双重功效。 

本发明的另一目的在于提供一种采用上述复合调理剂进行市政污泥深度脱水的方法，采用化学调理强化初步机械脱水结合电渗透两级深度脱水，旨在解决现有污水处理厂已有脱水技术不能将污泥含水率降到国家的规定要求，及现有深度脱水工艺存在的种种弊病。同时，本发明尤其适合现有污水处理厂污泥处理方面改建，扩建及应急预案的设计要求。 

根据本发明所述的脱水方法包括以下步骤： 

(1)采用上述复合调理剂对所述市政污泥进行调理改性。所述调理改性具体而言是指，将一定剂量的复合调理剂配成水溶液或悬浮液加入到改性调理罐中，与所述市政污泥充分混合反应，一定时间后得到改性好的调理污泥。复合调理剂具备提高污泥初步机械脱水效率的功效，同时具备提高后续电渗透污泥深度脱水效率的双重功效。将所述复合调理剂加水配成溶液或者悬浮液，复合调理剂干基投加量为浓缩污泥干基重量的3～30％。 

在此步骤之前，还可以包括浓缩处理步骤，即对含水率为99％左右的剩余活性污泥进行浓缩处理，得到含水率为97％左右的浓缩污泥，并将浓缩污泥输送至污泥调理池或污泥调理罐中。 

(2)利用机械脱水设备对改性后污泥进行初步脱水，得到含水率为70～85％初步机械脱水污泥。改性好的调理污泥通过污泥输送设备输送到污水处理厂的污泥初步机械脱水设备，对调理污泥进行初步机械脱水，得到含水率为70～85％初步机械脱水污泥。 

(3)利用电渗透脱水设备对初步脱水污泥再进行深度脱水，得到含水率为40～60％深度脱水污泥。所述初步脱水后污泥可以通过螺旋输送机、皮带输送 机等一种或几种输送设备输送至程控可变的电渗透脱水装置进行电渗透深度脱水。该步骤中，还可以包括通过生物除臭、活性炭吸附等技术对污泥电渗透深度脱水过程进行除臭处理。 

进一步的，可根据污泥的处置要求调节深度脱水污泥的含水率。具体的，要求脱水污泥含水率降到40～50％时，可提高电渗透装置脱水时的电压梯度，及污泥脱水过程中的停留时间。而要求脱水污泥含水率降到50～60％时，可减小电渗透装置脱水时的电压梯度，及污泥脱水过程中的停留时间。 

初步机械脱水污泥通过污泥输送设备输送到程控电渗透脱水机进行电渗透深度脱水，得到含水率为40～60％深度脱水污泥 

(4)对深度脱水后的污泥泥饼进行后续处理与处置。深度脱水污泥可直接进行填埋处置，或者进行焚烧处理，或者制备建材，或者热解、气化等处理处置与资源化利用。 

上述步骤中，污泥初步脱水滤液回流到污水处理厂污水处理单元。 

本发明具有以下优点效果： 

1、该污泥深度脱水新方法中使用的污泥调理剂为复合调理剂，包括无机盐类、絮凝及混凝剂等一种或几种，复合调理剂具备提高初步机械脱水效率的功效，同时具备提高后续电渗透深度脱水效率的双重功效。 

2、由于电渗透产生的脱水驱动力与传统过滤全然不同，故电渗透脱水过程中过滤介质的损伤小，基本不会出现孔眼堵塞现象。 

3、该污泥脱水新方法中的初步机械脱水污泥的含水率可降低至70～85％，深度电渗透脱水污泥的含水率可降低至40～60％，通过调整复合调理剂的组成、投加量及电渗透脱水设备的工作参数(电压及脱水时间)，实现初步机械脱水污泥含水率及深度电渗透脱水污泥含水率的调控，可适应后续不同的污泥处理处置、或资源化利用方式。 

4、针对板框压滤脱水设备，该污泥脱水新方法中电渗透脱水装置占地面积较小，不需要单独建设厂房，自动化程度较高，日常维护简单，可实现污泥脱水的连续运行，处理效率高。 

5、该污泥脱水新方法中初步机械脱水主要脱除自由水，电渗透可有效脱除污泥中的结合水，脱水效果好，深度脱水泥饼含水率低。 

6、该污泥脱水新方法适用于新建的污水处理厂。 

7、该污泥脱水新方法适合于现有污水处理厂污泥脱水处理的改建，扩建及应急预案的设计要求，可在保留污水处理厂原有污泥脱水设备的同时，加入电渗透深度脱水设备可将污泥含水率降至40～60％。 

8、该污泥脱水新方法中，污泥含固量与调理前无明显增加，脱水后污泥可直接进行填埋处置，或者进行焚烧处理，或者制备建材，或者热解、气化等处理处置与资源化利用。 

附图说明

图1为污泥中4种水的存在形式。 

图2为本发明的工艺流程图。 

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述： 

以广西某生活污水处理厂预浓缩污泥为例，测定浓缩污泥的含水率、有机物含量、污泥比阻、毛细吸水时间等指标如表1： 

表1浓缩污泥的特性指标 

实施例1 

首先将污水处理厂含水率为99.2％的剩余活性污泥通过螺杆泵输送到污泥浓缩池中，通过重力浓缩，得到含水率96.8％的浓缩污泥。将浓缩污泥通过螺杆泵输送到污泥调理池中，投加约合污泥干基重量4.5％的复合调理剂。控制调理池中搅拌电机工作频率为30Hz，搅拌20min，得到改性好的调理污泥。将调理污泥通过螺杆泵输送至带式压滤机进行初步脱水，得到含水率75.4％的柔软状的初步脱水污泥，初步脱水过程中的脱水滤液回流到污水处理厂的污水处理单元。 

然后将含水率75.4％的初步脱水污泥用螺旋输送机输送至电渗透脱水设备进行深度脱水，同时进行除臭处理，电渗透脱水设备工作电压设定为76V，脱水时间为10分钟，经过电渗透深度脱水后污泥含水率降为54.2％，电渗透深度脱水滤液回流到污水处理厂的污水处理单元。用皮带输送机将颗粒状的深度脱水污泥输送至自然风干机，风干后的污泥含水率44.6％，最后将风干污泥、助剂，按5∶5的比例输送至混捏机成型制成污泥燃料，测定混合燃料热值为3500kcal／kg，达到褐煤热值，供电厂和热力公司使用。 

实施例2 

首先将污水处理厂含水率为99.4％的剩余活性污泥通过螺杆泵输送到污泥浓缩池中，通过重力浓缩，得到含水率97.3％的浓缩污泥。将浓缩污泥通过螺杆泵输送到污泥调理池中，投加约合污泥干基重量25.4％的复合调理剂。控制调理池中搅拌电机工作频率为30Hz，搅拌20min，得到改性好的调理污泥。将调理污泥通过螺杆泵输送至离心机进行初步脱水，得到含水率72.6％的柔软 状的初步脱水污泥，初步脱水过程中的脱水滤液回流到污水处理厂的污水处理单元。 

然后将含水率75.6％的初步脱水污泥用皮带输送机输送至电渗透脱水设备进行深度脱水，同时进行除臭处理，电渗透脱水设备工作电压设定为80V，脱水时间为10分钟，经过电渗透深度脱水后污泥含水率降为40.8％，电渗透深度脱水滤液回流到污水处理厂的污水处理单元。用皮带输送机将颗粒状的深度脱水污泥输送至自然风干机，风干后的污泥含水率36.2％，最后将风干污泥、助剂，按5∶5的比例输送至混捏机成型制成污泥燃料，测定混合燃料热值为3800kcal／kg，达到褐煤热值，供电厂和热力公司使用。 

实施例3 

首先将污水处理厂含水率为99.3％的剩余活性污泥通过螺杆泵输送到污泥浓缩池中，通过重力浓缩，得到含水率96.6％的浓缩污泥。将浓缩污泥通过螺杆泵输送到污泥调理池中，投加约合污泥干基重量9.4％的复合调理剂。控制调理池中搅拌电机工作频率为30Hz，搅拌20min，得到改性好的调理污泥。将调理污泥通过螺杆泵输送至离心机进行初步脱水，得到含水率75.5％的柔软状的初步脱水污泥，初步脱水过程中的脱水滤液回流到污水处理厂的污水处理单元。 

然后将含水率75.5％的初步脱水污泥用皮带输送机输送至电渗透脱水设备进行深度脱水，同时进行除臭处理，电渗透脱水设备工作电压设定为78V，脱水时间为10分钟，经过电渗透深度脱水后污泥含水率降为45.8％，电渗透深度脱水滤液回流到污水处理厂的污水处理单元。将电渗透深度脱水污泥拖出厂区进行填埋处置。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本发明主要针对生活污水处理厂二沉池排出的最难脱水的剩余活性污泥，对于有些污水处理厂将二沉池排出的剩余活性污泥与初沉池排出的初沉污泥组成的混合污泥同样适用于本发明专利。本发明专利主要针对生活污水处理厂排放的市政污泥，对于其它难脱水的造纸污泥、油泥等同样适用于本发明专利。并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。