引言

城市污泥是城市生活污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢物，其主要特性是有機(jī)物含量高，含有相當(dāng)?shù)臒嶂担錈嶂禐槊禾康?/3~1/2,含水率高且不易脫水“句。同時(shí)，污泥中往往還含有一些有毒有害難降解的有機(jī)物、寄生蟲（卵）、致病微生物及重金屬等。若不加以適當(dāng)處置，這些有害物質(zhì)將在污泥排放后通過(guò)各種途徑給生態(tài)環(huán)境、人類以及動(dòng)物的健康帶來(lái)嚴(yán)重危害。我國(guó)目前污泥處置方式中，土地填埋占65%,堆肥占15%,污泥自然干化占6%,污泥焚燒占3%,污泥露天堆放和外運(yùn)等占11%,事實(shí)上，土地填埋、污泥露天堆放和外運(yùn)絕大部分屬隨意處置，真正實(shí)現(xiàn)安全處置的比例不超過(guò)25%污泥未能妥善處置引起的污染與二次污染問(wèn)題突顯，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成威脅，引起了社會(huì)各界的關(guān)注，而在發(fā)達(dá)國(guó)家（如美國(guó)、日本），污泥填埋的比例不斷減少（W15%）,而污泥的資源化利用的比例迅速增加（＞85%）,資源化利用已成為發(fā)達(dá)國(guó)家處理城市污泥最主要的措施。

城市污泥水分高，脫水困難是制約污泥資源化利用的共性技術(shù)難題。因此，污泥脫水方法與技術(shù)成為目前城市污泥資源化利用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。作者所在研究團(tuán)隊(duì)在污泥的能源化利用中發(fā)現(xiàn)：用半焦對(duì)城市污泥調(diào)質(zhì)能顯著改善污泥的脫水性能,真空抽濾脫水泥餅含水率由原污泥的76.02%降低至調(diào)質(zhì)后61.14%”‘J,但其水分依然較高，不能滿足污泥資源化利用的要求（W40%）。考慮到機(jī)械壓濾是實(shí)現(xiàn)污泥深度脫水的有效方法，目前有一些污水處理廠采用板框壓濾脫水設(shè)備對(duì)經(jīng)化學(xué)藥劑（如PAM、PAC.H2O2,FeCl3等）調(diào)質(zhì)的城市污泥進(jìn)行壓濾脫水，泥餅含水率從現(xiàn)有的80%左右降至60%左右，實(shí)現(xiàn)了城市污泥的減量化,為此，作者所在研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了基于半焦的城市污泥調(diào)質(zhì)與機(jī)械壓濾脫水研究，發(fā)現(xiàn)采用半焦調(diào)質(zhì)城市污泥和機(jī)械壓濾脫水方法能將半焦調(diào)質(zhì)城市污泥機(jī)械壓濾脫水泥餅的水分降至35%以下，且脫水后的泥餅可直接燃燒發(fā)電。

實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料及儀器

城市污泥取自湖南省株洲市白石港水質(zhì)凈化中心，系生活污水經(jīng)活性污泥法處理后的剩余污泥，其含水率為95%,污泥的粒徑由激光粒度分布儀測(cè)定，主要分布在1-174微米,平均粒徑為30微米：將內(nèi)蒙古褐煤在500℃下熱解1.5h得到半焦，半焦的粒徑由激光粒度分布儀測(cè)定，粒徑在1~200微米,平均粒徑為45微米半焦及城市污泥的工業(yè)分析結(jié)果。

主要儀器與設(shè)備：2XZ-2型片式真空泵；101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱；GZ-12。型攪拌器；BT-2002激光粒度分布儀;WS-G606型自動(dòng)工業(yè)分析儀;WS-C503型量熱儀；RFP-03型智能測(cè)力儀。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1城市污泥的調(diào)質(zhì)

用量筒量取100mL的城市污泥置于250mL的燒杯中，加入一定量的半焦，用攪拌器對(duì)其進(jìn)行攪拌（轉(zhuǎn)速為240r/min）,污泥與半焦在攪拌條件下相互作用10min,完成半焦對(duì)城市污泥的調(diào)質(zhì)。

1.2.2城市污泥真空抽濾脫水

首先將巾9cm的濾紙平鋪于布氏漏斗中，然后將一定量的污泥迅速轉(zhuǎn)移到布氏漏斗中，打開真空泵，調(diào)節(jié)真空度為-0.08MPa進(jìn)行污泥真空抽濾脫水。待真空度改變、泥餅開裂時(shí)關(guān)掉真空泵，取出泥餅供污泥壓濾脫水實(shí)驗(yàn)使用。

1.2.3城市污泥機(jī)械壓濾脫水實(shí)驗(yàn)

城市污泥機(jī)械壓濾脫水實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。首先稱取經(jīng)真空抽濾脫水后的泥餅10g放入濾布袋（濾布的平均孔徑300目）中，然后將裝有污泥泥餅的濾布袋放入卡槽中，并將卡槽置于底座上開始污泥機(jī)械壓濾脫水實(shí)驗(yàn)。通過(guò)儀器的程序控制面板設(shè)定壓濾壓力，儀器達(dá)到指定壓力后恒壓10min后卸壓，取出污泥濾餅，完成城市污泥壓濾脫水實(shí)驗(yàn)。

1.2.4壓榨污泥濾餅含水率的測(cè)定

將蒸發(fā)皿預(yù)先放置在溫度為105t的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥30min后取出，并置于干燥器內(nèi)冷卻至室溫，稱量并記錄干燥的蒸發(fā)皿的質(zhì)量砰；取經(jīng)機(jī)械壓榨后的污泥濾餅置于干燥的蒸發(fā)皿上稱量，記錄污泥濾餅與蒸發(fā)皿的總質(zhì)量m；并將其放入105Y的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥3h；取出蒸發(fā)皿放置在干燥器中冷卻至室溫，稱量，并記錄蒸發(fā)皿和干燥后污泥濾餅的總質(zhì)量；重復(fù)上述干燥、冷卻、稱量步驟，直至干燥的污泥濾餅質(zhì)量至恒重，記錄此時(shí)干燥的污泥濾餅的質(zhì)量。

2.1半焦添加量對(duì)城市污泥調(diào)質(zhì)與機(jī)械壓濾脫水泥餅含水率的影響

為了探討半焦添加量對(duì)城市污泥調(diào)質(zhì)與機(jī)械壓濾脫水泥餅含水率的影響，在相同壓榨壓力（1.6MPa）、相同城市污泥量（100mL,干泥量為5g）下,改變半焦的添加量（分別為1,2,3,4,5g）進(jìn)行城市污泥經(jīng)半焦調(diào)質(zhì)后的機(jī)械壓濾脫水實(shí)驗(yàn)，壓濾脫水泥餅的含水率與半焦添加量的關(guān)系見(jiàn)圖2。可知：當(dāng)半焦添加量為0g/100mL污泥時(shí)，壓濾泥餅含水率為73.18%,當(dāng)半焦添加量為Ig/10。mL污泥時(shí)，濾餅含水率下降到52.30%,相比未添加半焦的原污泥濾餅的含水率下降了20.88%,表明半焦調(diào)質(zhì)城市污泥對(duì)城市污泥深度脫水有顯著效果。當(dāng)半焦添加量由1g/100mL污泥增加到3g/100mL污泥時(shí)，濾餅含水率由52.30%下降到45.50%,下降過(guò)程較緩慢，泥餅水分下降率為13%,說(shuō)明半焦添加量對(duì)污泥調(diào)質(zhì)與機(jī)械壓濾脫水有一定效果，但變化趨勢(shì)平緩；當(dāng)半焦添加量從3g/100mL污泥增加到4g/100mL污泥時(shí)，濾餅含水率從45.50%降低到32.19%,泥餅水分下降率為29%,壓濾泥餅含水率下降趨勢(shì)顯著；當(dāng)半焦添加量為5g/100mL污泥時(shí)，壓濾泥餅含水率為30.30%,相比添加量為4g/100mL污泥時(shí)的壓濾泥餅含水率略有下降，二者壓濾泥餅含水率僅相差1.89%。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著半焦添加量的增加，壓濾泥餅含水率降低，其變化趨勢(shì)非線性而呈臺(tái)階式。究其原因：

1）半焦能顯著改善城市污泥的脫水性能因而，當(dāng)其添加量由0g/100mL污泥增加到1g/100mL污泥時(shí)，壓濾泥餅含水率急劇降低（由73.18%降低到52.3%）；

2）半焦添加量為4g/100mL污泥時(shí)，半焦對(duì)城市污泥調(diào)質(zhì)處于較理想狀態(tài)，導(dǎo)致濾餅含水率降幅最大。綜合考慮半焦的成本和城市污泥直接能源化利用的可行性，適宜的半焦添加量為4g/100mL污泥，故后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用半焦最佳添加量為4g/100mL污泥，即干基污泥：半焦的質(zhì)量比為1：0.8。

2.2壓榨壓力對(duì)城市污泥調(diào)質(zhì)前后機(jī)械壓濾泥餅含水率的影響

為揭示壓榨壓力對(duì)城市污泥經(jīng)半焦調(diào)質(zhì)前后的機(jī)械壓濾脫水泥餅含水率的影響，在相同城市污泥量（100mL）、半焦添加量（4g）下，改變壓榨壓力（分別為0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0MPa）進(jìn)行城市污泥機(jī)械壓濾脫水實(shí)驗(yàn)，污泥機(jī)械壓濾脫水泥餅含水率與壓力的關(guān)系所示。可知：未經(jīng)半焦調(diào)質(zhì)的原污泥機(jī)械壓濾脫水濾餅含水率隨著壓力的增加而降低。壓力從0.2MPa增加到0.6MPa時(shí)，原污泥濾餅含水率由82.21%降低到77.98%,表明在機(jī)械壓濾脫水的實(shí)驗(yàn)中，增加壓力對(duì)降低污泥濾餅的含水率有一定效果，但此時(shí)濾餅含水率仍然較高，脫水效果不佳。當(dāng)壓力從0.6MPa增加到1.2MPa時(shí)，原污泥濾餅含水率從77.98%降低到75.97%,此下降過(guò)程較平緩，原污泥濾餅含水率變化不大。當(dāng)壓力從1.2MPa增加到2.0MPa時(shí)，原污泥濾餅含水率由75.97%降低到70.86%,原污泥濾餅的含水率下降趨勢(shì)變快，但是此時(shí)仍不能滿足城市污泥直接能源化利用的要求。總體來(lái)看，壓榨壓力對(duì)原污泥的深度脫水效果非常有限，與現(xiàn)行的城市污泥脫水生產(chǎn)實(shí)際相吻合，這可能是由于原污泥顆粒細(xì)密，在經(jīng)過(guò)機(jī)械壓榨形成泥餅后，易堵塞輸水通道，導(dǎo)致原污泥濾餅多孔性不強(qiáng)，阻礙了分子吸附水脫離污泥顆粒，同時(shí)導(dǎo)致原污泥濾餅有較大的可壓縮性。隨著壓力的增加泥餅易變形，因此其滲透性低，脫水能力差，因此原污泥泥餅經(jīng)在2.0MPa壓力壓濾后，泥餅含水率也仍然較高。但壓榨壓力對(duì)經(jīng)半焦調(diào)質(zhì)后的城市污泥的深度脫水效果有良好表現(xiàn)：當(dāng)壓力從0.2MPa增加到0.6MPa時(shí)，經(jīng)半焦調(diào)質(zhì)后的城市污泥濾餅含水率呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)，污泥濾餅含水率由67.14%降低到58.72%O當(dāng)壓力從0.6MPa增加到1.6MPa時(shí)，污泥濾餅含水率由58.72%迅速降低到32.19%,趨勢(shì)顯著。當(dāng)壓力＞1.6MPa時(shí)，污泥濾餅的含水率隨著壓力的增加繼續(xù)降低，但是下降趨勢(shì)平緩，壓力為1.6MPa時(shí)污泥濾餅含水率與2.0MPa時(shí)污泥濾餅含水率僅相差3.06百分點(diǎn)。

可知，壓榨壓力對(duì)經(jīng)半焦調(diào)質(zhì)后的城市污泥深度脫水有顯著效果，隨著壓力的增加，機(jī)械壓濾泥餅的含水率變化趨勢(shì)由穩(wěn)定降低-急劇降低-非常平緩稍有降低，其可能原因如下：

1）半焦調(diào)質(zhì)城市污泥能顯著改善污泥的脫水性能，降低污泥顆粒對(duì)水分子的束縛力，從而在一定壓力條件下能克服污泥顆粒對(duì)絕大部分水分子的束縛力而將水釋放出來(lái)；

2）污泥顆粒的結(jié)合水以毛細(xì)結(jié)合水、分子吸附水和分子結(jié)合水3種形態(tài)賦存，污泥顆粒對(duì)水分子束縛力是上述污泥毛細(xì)結(jié)合力、分子吸附力和分子鍵合力的總和,但三者中毛細(xì)結(jié)合力〈分子吸附力，分子鍵合力，因此在施加壓力脫水時(shí)，優(yōu)先脫除的是毛細(xì)結(jié)合水，其次是分子吸附水，而分子結(jié)合水以分子鍵鍵合，基本上不能脫除，導(dǎo)致機(jī)械壓濾泥餅含水率隨著壓力增加而呈穩(wěn)定降低-急劇降低-非常平緩稍有降低趨勢(shì)。兼顧城市污泥機(jī)械脫水泥餅含水率目標(biāo)及生產(chǎn)能耗，選擇1.6MPa作為半焦調(diào)質(zhì)城市污泥機(jī)械壓濾脫水壓力。

總之,采用半焦調(diào)質(zhì)城市污泥和機(jī)械壓濾脫水的方法，能實(shí)現(xiàn)城市污泥深度脫水。當(dāng)半焦添加量為4g/100mL城市污泥（含水率95%）,壓榨壓力為1.6MPa時(shí)，城市污泥機(jī)械壓濾脫水泥餅的含水率可由現(xiàn)行80%左右降低到32.19%,大大提升了污泥資源利用的可行性。

3基于半焦的城市污泥調(diào)質(zhì)與機(jī)械壓濾脫水半工業(yè)試驗(yàn)

為驗(yàn)證半焦調(diào)質(zhì)城市污泥和機(jī)械壓濾脫水一體化技術(shù)對(duì)城市污泥深度脫水的效果，評(píng)價(jià)其推廣應(yīng)用前景，在珠海科創(chuàng)環(huán)境資源有限公司進(jìn)行了半工業(yè)試驗(yàn)。

3.1試驗(yàn)設(shè)備與主要材料

隔膜板框壓濾機(jī)：隔膜板5塊，規(guī)格為1.0mx1.0mx0.09m,壓濾壓力W1.8MPa。污泥給料泵：給料壓力W1.0MPa,污泥調(diào)理罐：4m3帶攪拌裝置。濾布：0.8mx0.8m,濾布的平均孔徑為300目，污泥：珠海市前山污水處理廠，系污水經(jīng)活性污泥法處理后的剩余污泥經(jīng)機(jī)械脫水后的污泥，含水率80%。半焦：粒度≤0.01mm,平均粒徑45微米。

3.2操作歩驟

首先，將0.5m3的水放入污泥調(diào)理罐中，稱取150kg污泥投入調(diào)理罐中同時(shí)攪拌，將80%含水污泥調(diào)配成含水率為95.38%的城市污泥，隨后向調(diào)理罐中投加24kg的半焦，調(diào)理攪拌20min,得到濃度為6.51%的半焦調(diào)質(zhì)城市污泥。再啟動(dòng)隔膜板框壓濾機(jī)開始?jí)簽V脫水，設(shè)定給料壓力為L(zhǎng)0MPa,給料時(shí)間為60min,壓濾壓力為1.6MPa,壓濾時(shí)間為40min,污泥壓濾脫水完成后，得到壓濾脫水泥餅供后續(xù)分析測(cè)試使用。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與應(yīng)用前景

珠海前山污水處理廠污泥經(jīng)半焦調(diào)質(zhì)與機(jī)械壓濾脫水后的泥餅含水率的檢測(cè)結(jié)果為31.89%,與相同壓濾實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果（32.19%）基本吻合，證明半焦調(diào)質(zhì)城市污泥+機(jī)械壓濾脫水能實(shí)現(xiàn)城市污泥深度脫水。由于半焦具有孔隙發(fā)達(dá)、吸附性能強(qiáng)、疏水性能強(qiáng)、熱值高等特點(diǎn)，用半焦對(duì)城市污泥調(diào)質(zhì)，不僅能顯著改善城市污泥的脫水性能，顯著降低污泥機(jī)械壓濾脫水泥餅的含水率，還能顯著提高污泥的熱值。由表2可知：珠海前山壓濾泥餅的熱值由原污泥的7.82MJ/kg提高到15.29MJ/kg,可直接代替煤炭燃燒發(fā)電、實(shí)現(xiàn)城市污泥的高效能源化利用。因此，基于半焦的城市污泥調(diào)質(zhì)與機(jī)械壓濾脫水技術(shù)可為實(shí)現(xiàn)城市污泥能源化利用提供有力的技術(shù)支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。4結(jié)論

1)半焦添加量對(duì)基于半焦的城市污泥調(diào)質(zhì)與機(jī)械壓濾脫水效果有顯著影響，在相同壓濾條件下，機(jī)械壓濾泥餅含水率隨著半焦添加量的增加而降低，適宜的半焦添加量為4g/100mL污泥(對(duì)應(yīng)含水率為95%)。

2)壓榨壓力對(duì)原污泥的機(jī)械壓濾脫水泥餅含水率的影響有限。在相同壓濾條件下，壓濾泥餅含水率隨著壓榨壓力的增加而降低，當(dāng)壓力為2.0MPa時(shí)，原污泥壓濾泥餅含水率依然高達(dá)70.86%；壓榨壓力對(duì)經(jīng)半焦調(diào)質(zhì)城市污泥的機(jī)械壓濾脫水泥餅含水率有顯著影響，隨著壓力的增加，機(jī)械壓濾泥餅的含水率降低，但其變化趨勢(shì)由穩(wěn)定降低(0.2~0.6MPa時(shí))一急劇降低(0.6~1.6MPa時(shí))一緩慢降低(1.6-2.0MPa時(shí))，當(dāng)壓力為1.6MPa時(shí)，污泥濾餅含水率可降低到32.19%。

3)采用半焦調(diào)質(zhì)城市污泥+機(jī)械壓濾脫水的方法，能實(shí)現(xiàn)城市污泥深度脫水。當(dāng)半焦添加量為4g/100mL城市污泥(對(duì)應(yīng)含水率95%),壓榨壓力為16.0MPa時(shí)，城市污泥機(jī)械壓濾脫水泥餅的含水率由現(xiàn)行80%左右降低到32%左右,有利于污泥的后續(xù)資源化利用。

4)基于半焦的城市污泥調(diào)質(zhì)與機(jī)械壓濾脫水的半工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果顯示：珠海前山污泥經(jīng)半焦調(diào)質(zhì)與機(jī)械壓濾脫水后的泥餅含水率為31.89%,與相同壓濾實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果(32.19%)基本吻合，驗(yàn)證了該技術(shù)路線的有效性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，前山壓濾泥餅的熱值由原污泥的7.82MJ/kg提高到15.29MJ/kg,可直接代替煤炭燃燒發(fā)電，為實(shí)現(xiàn)城市污泥的高效能源化利用創(chuàng)造了條件。