污泥加鈣二級(jí)處理的工藝基礎(chǔ)與應(yīng)用
來源： 閱讀：4296 更新時(shí)間：2011-07-26 10:22介紹了脫水污泥加鈣二級(jí)處理的基本原理、工藝組成、國外有關(guān)研究與工程經(jīng)驗(yàn)，歸納了工藝主要影響因素，設(shè)計(jì)原則及注意事項(xiàng)。
關(guān)鍵詞：污泥加鈣；污泥干化；污泥固化；污泥殺菌
1 脫水污泥加鈣在污泥處理中的應(yīng)用
污泥加鈣處理是脫水污泥進(jìn)一步處理中最早得到應(yīng)用的方法之一，由于工藝簡單，能耗低等原因，至今仍是污泥處理處置中的一個(gè)常用的手段。較為經(jīng)典的應(yīng)用分別是利用加入氧化鈣后PH和溫度的升高來實(shí)現(xiàn)污泥的殺菌；或利用添加氧化鈣及其他物質(zhì)（如飛灰、水泥、碳酸鈣等）后污泥的固化效果來滿足污泥的填埋的工藝要求。另外，處理過程中選擇適宜的混合條件可有效改變污泥的性質(zhì)，由致密、粘稠變成疏松、流動(dòng)性能好、便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)奈锪稀?/p>
隨著污泥處理與利用的多樣性化，污泥加鈣二級(jí)處理的應(yīng)用也相應(yīng)拓寬，圖1根據(jù)污泥加鈣處理后物料性能的變化來匯總處理后各種可能的處理和利用途徑。
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2 污泥加鈣處理的基本原理
將污泥與氧化鈣均勻混合，氧化鈣與污泥中所含的水分發(fā)生如下反應(yīng)：
1kgCaO+0.32kgH2O->1.32 kgCa(OH)2+1177kJ （1）
根據(jù)這一反應(yīng)，每投加1公斤的氧化鈣有0.32的水被結(jié)合成為氫氧化鈣，反應(yīng)所生成的熱約相當(dāng)于蒸發(fā)約0.5公斤的水所需要的熱。所以處理后污泥中的一部分水被結(jié)合成固體物質(zhì)氫氧化鈣，還有一部分得到蒸發(fā)。氧化鈣以及與水反應(yīng)所生成的氫氧化鈣，會(huì)與污泥中的其他物質(zhì)發(fā)生進(jìn)一步的反應(yīng)，如氫氧化鈣與空氣中CO2的反應(yīng)：
1.32 kg Ca(OH)2 +0.78kg CO2 -> 1.78kg CaCO3 + 0.32 kg H2O + 2212 kJ （2）
這一反應(yīng)會(huì)進(jìn)一步增加固體物的總量、所產(chǎn)生的熱量也可以進(jìn)一步蒸發(fā)一定的水分，進(jìn)而增加處理后污泥的含固量。
脫水污泥成分復(fù)雜，除此上述主要反應(yīng)外，氧化鈣、氫氧化鈣還可以與污泥中所含的SiO2、Al2O3、磷酸根等發(fā)生一系列反應(yīng)，如
1.32 kg Ca(OH)2 +1.45 kg AlPO4 -> 1.84 Ca3(PO4)2 + 0.93 Al(OH)3 （3）
這些反應(yīng)的最終結(jié)果會(huì)對(duì)脫水污泥產(chǎn)生以下效果:
(1)由于堿性物質(zhì)的作用致使的PH植增高
(2)由于反應(yīng)反熱導(dǎo)致污泥溫度升高
(3)反應(yīng)生成物中結(jié)合了游離水,同時(shí)由于放熱反應(yīng),一部分游離的水被蒸發(fā).
通過這些反應(yīng),污泥處理后可以達(dá)到以下目的:
（1）殺菌：溫度的提高和pH的升高可以起到殺菌的作用，從而保證在利用或處置過程中的衛(wèi)生安全性；
（2）脫水：由含水率80%-85%脫水到20%-80%（依氧化鈣投加量而定），實(shí)現(xiàn)半干化、固化的效果，便于后續(xù)處理處置；
（3）鈍化重金屬離子：投加一定量的氧化鈣使污泥成堿性，可以結(jié)合污泥中的部分金屬離子形成無害的化合物達(dá)到鈍化重金屬離子的效果；
（4）改性、顆；簭亩纳苾(chǔ)存和運(yùn)輸條件，避免二次飛灰、滲濾液泄漏；
3 溫度、含固量和硬度等參數(shù)的變化
3.1 溫度
根據(jù)氧化鈣與水的反應(yīng)放熱（1）并考慮污泥中固體物和水的比熱，可以通過理論計(jì)算來推測(cè)反應(yīng)后污泥的溫度增加（Meyer等， Gehrke2）
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（4）
其中
ΔT： 溫度增加值oC
X: 1000kg脫水污泥中所加入的有效氧化鈣的量kg
TS： 原始脫水污泥固體物含量%
如上述，由于污泥成分復(fù)雜，除了主反應(yīng)外，還有其他反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，會(huì)在一定程度上影響體系的溫度。另外式（3）并沒有考慮系統(tǒng)散熱和水分蒸發(fā)吸熱而帶來的溫度降低。所以特別是當(dāng)氧化鈣加量大（此時(shí)反應(yīng)放熱量較高）時(shí)實(shí)際溫度會(huì)明顯低于計(jì)算溫度。
3.2 含固率
根據(jù)氧化鈣與水的反應(yīng)，可以計(jì)算污泥由反應(yīng)（1）而產(chǎn)生的物體物質(zhì)變化理論值。
 （5） |
其中：
TSo：原始污泥含固率%
TS：處理后污泥含固率%
X:一噸脫水污泥中所加入的氧化鈣的量kg
η：氧化鈣中有效成分含量%
式（5）沒有考慮反應(yīng)放熱導(dǎo)致的水分蒸發(fā)。實(shí)際中，由于水分的蒸發(fā)以及其他的反應(yīng)，含固率會(huì)不同程度地略高于計(jì)算值。
3.3 強(qiáng)度
處理后污泥的強(qiáng)度隨著加鈣量的增加而增加。由于污泥成分復(fù)雜，難于用計(jì)算公式對(duì)強(qiáng)度的增加進(jìn)行推測(cè)。通常處理后滿足填埋承壓要求的含固率在35-40%。
原始污泥的pH值以及所含的磷酸根除了對(duì)處理后的固體物含量的影響外，對(duì)強(qiáng)度的增加也有明顯影響（參見式（3）），實(shí)際當(dāng)中通常有化學(xué)除磷的污水處理廠的污泥，在同樣的加鈣量下處理后的強(qiáng)度高于其他污泥。
3.4 關(guān)于總量的變化及含固率、有機(jī)分的測(cè)定
處理中，當(dāng)加鈣量較高時(shí)，污泥中干物質(zhì)總量會(huì)顯著增加。如根據(jù)式（1），含水80%的污泥，加入15%的氧化鈣時(shí)，干物質(zhì)的總量增加約一倍。但與此同時(shí)，污泥中的水被結(jié)合以及還有一部分水被蒸發(fā)，所以污泥中水的總量被減少，最終，處理后污泥的總量的增加低于固體物質(zhì)總量的增加。
實(shí)際中特別值得注意的是，污泥加入氧化鈣后的固體物含量（含水率）測(cè)定中常常會(huì)出現(xiàn)誤差，測(cè)量得到的數(shù)值高于真實(shí)的實(shí)際值。這是因?yàn)樵嚇拥暮娓蛇^程中，樣品中所含有的氫氧化鈣與空氣中的CO2反應(yīng)生成造成碳酸鈣（參見反應(yīng)式（2））。采用真空干燥會(huì)避免這一影響。
同樣的現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)在固體物中的有機(jī)分（或灰分）的測(cè)定中，雖然在600oC時(shí)有機(jī)物會(huì)被分解，但分解過程中所放出的CO2會(huì)與氫氧化鈣反應(yīng)生成碳酸鈣，從而增加了所測(cè)到的灰分含量。
4 反應(yīng)速度及過程影響因素
通過檢測(cè)加鈣后系統(tǒng)溫度升高的速度，可以間接觀察不同品質(zhì)的氧化鈣的消化速度。
Gehrke將定量的高活性氧化鈣分別加入蒸餾水和污泥濾液中（圖2），同樣攪拌條件下發(fā)現(xiàn)，溶液上升到最高溫度分別需要12和18分鐘2。溶液從20 oC升溫到 60 oC的時(shí)間相差約10分鐘。這表明污泥水中的濁度明顯延緩了反應(yīng)速度。
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圖2：氧化鈣在蒸餾水和污泥濾液中的消化速度
Fries5對(duì)脫水污泥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將高活性氧化鈣（純度88%）與脫水污泥混合。圖3顯示添加量分別為10%和15%后溫度增加值的變化。污泥脫水污泥溫度不斷上升，持續(xù)80分鐘后才開始變緩或下降。對(duì)照?qǐng)D2，由于污泥的存在，污泥中的水與氧化鈣粉末或粉末團(tuán)之間的傳質(zhì)速度遠(yuǎn)低于攪拌條件下氧化鈣粉末與污泥濾液的反應(yīng)速度。
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脫水污泥是一個(gè)粘稠、致密及具有觸變性的物料，在既定的污泥和氧化鈣原料下，氧化鈣粉料如何在工程上均勻的與污泥混合，是污泥加鈣處理中的一個(gè)最重要的環(huán)節(jié)。North等[i]對(duì)同樣的污泥來源（華盛頓污水處理廠）用兩種不同的工藝條件處理并對(duì)處理后的污泥進(jìn)行微觀形態(tài)學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)氧化鈣與污泥的結(jié)合程度有明顯的差別。氧化鈣在污泥中的分散度越低，越不利于反應(yīng)。華盛頓污水處理廠通過改進(jìn)混合技術(shù)與條件，氧化鈣添加量從25%降至15%[ii]。
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上面列舉的一些研究結(jié)果顯示，污泥加鈣處理反應(yīng)過程的影響因素有以下幾個(gè)方面：
（1）氧化鈣本身的活性受純度、粒度、比表面積等影響，通過選擇高活性的氫氧化鈣，可以加速反應(yīng)。
（2）由于污泥的特殊性，反應(yīng)是一個(gè)緩慢的過程，遠(yuǎn)低于與純水的反應(yīng)速度。
（3）混合后氧化鈣在微觀上與污泥的混合程度及分散度對(duì)反應(yīng)很重要，加入的氧化鈣在污泥中的分散度越高，對(duì)提高反應(yīng)速度和節(jié)省氧化鈣用量越有利。
5 基本工藝
5.1 工藝原則
雖然氧化鈣與污泥的反應(yīng)時(shí)間較長，但從微觀上看，氧化鈣一旦與污泥接觸反應(yīng)就開始進(jìn)行。所以工程實(shí)施中的基本原則為：
（1）對(duì)污泥-水-氧化鈣這樣一個(gè)體系，應(yīng)在盡量短的時(shí)間內(nèi)使氧化鈣粉末盡量均勻地與污泥混合，盡快實(shí)現(xiàn)接觸表面的最大化；
（2）由于污泥的觸變性以及污泥-水-氧化鈣體系的傳質(zhì)是反應(yīng)速度的控制步驟，過程中應(yīng)盡量避免“擠壓”，盡量在“柔和”的條件下進(jìn)行，以便保護(hù)污泥自有的較松散結(jié)構(gòu)并有利于粉料與污泥的混合與擴(kuò)散（參見德國廢水協(xié)會(huì)ATV污泥手冊(cè)4）。
（3）由于整個(gè)反應(yīng)進(jìn)行較慢，混合后反應(yīng)仍將持續(xù)一段時(shí)間，污泥在后續(xù)的輸送過程及堆積過程中仍在進(jìn)一步反應(yīng)，設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)化工藝條件有利于污泥的后續(xù)反應(yīng)及水蒸汽的蒸發(fā)。
North等介紹了華盛頓污水處理廠污泥加鈣處理工藝優(yōu)化的實(shí)施[i]，其中的基本思路是（1）改善混合條件 （2）利用混合物料在后續(xù)輸送過程中的停留時(shí)間為進(jìn)一步的反應(yīng)提供有利條件。
5.2 工藝組成
污泥加鈣處理的工藝主要有以下幾個(gè)部分組成（參見圖5）：
（1） 脫水污泥給料
（2） 氧化鈣計(jì)量投加系統(tǒng)，
（3） 混合反應(yīng)系統(tǒng)
（4） 處理后污泥出料輸送系統(tǒng)
（5） 蒸發(fā)氣體凈化（主要是針對(duì)加鈣量較高的應(yīng)用場(chǎng)合）
機(jī)械脫水設(shè)備出來的污泥最好直接進(jìn)入混合反應(yīng)設(shè)備，因?yàn)橐话忝撍O(shè)備出來的污泥在量上較為穩(wěn)定，通常不再進(jìn)行在線計(jì)量，直接進(jìn)入混合反應(yīng)器。
氧化鈣經(jīng)過計(jì)量輸送設(shè)備后，進(jìn)入混合反應(yīng)設(shè)備。
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在加鈣量較高時(shí)，會(huì)有明顯的氨氣蒸發(fā)，需要實(shí)施廢氣凈化單元。
值得說明的是，在很多情況下也可以向污泥中混入多種物料，如當(dāng)處理污泥后進(jìn)行填埋時(shí)，可以污泥中添加飛灰和少量水泥，達(dá)到節(jié)省氧化鈣和增加強(qiáng)度的效果。
6 工程實(shí)施案例
下面介紹一個(gè)德國的污水處理廠加鈣二級(jí)處理[i]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中為了適應(yīng)污泥處理處置的靈活性，考慮了不同利用和處置的需求，分別為：
（1） 污泥加鈣處理作為殺菌，然后農(nóng)用
（2） 作為半干化用于異地焚燒
（3） 作為固化以便填埋
基本工藝
（1） 向機(jī)械作用的流化床混合反應(yīng)器中加入石灰
（2） 混合設(shè)備：機(jī)械驅(qū)動(dòng)流化床混合器
（3） 石灰：細(xì)生石灰，CaO含量>90％
（4） 污泥含固率：約23％
（5） 設(shè)計(jì)的處理后污泥含固率：可在23－80％之間自由選擇
污泥從脫水機(jī)出來后經(jīng)螺桿輸送至混合反應(yīng)器的污泥入口。存放在料倉中的石灰由螺桿輸送至中間儲(chǔ)料罐，該儲(chǔ)料罐與石灰計(jì)量加料裝置配套，將氧化鈣粉末加入混合反應(yīng)器的粉料入口。
密閉的混合反應(yīng)器中安裝有特殊的混合元件，通過機(jī)械力將污泥拋起并使其分散，形成一個(gè)流化床的效果，在疏松的狀態(tài)下與氧化鈣相混合[ii]。為了避免部分物料短路行進(jìn)到物料出口，攪拌元件始終將向反應(yīng)器出口移動(dòng)的物料的三分之二拋向進(jìn)口方向，形成走三步退兩步的效果，以保證體系的均勻混合；旌戏磻(yīng)器上方配置有氣體出口，可將反應(yīng)中產(chǎn)生的水蒸氣引出。物料在混合反應(yīng)器的停留時(shí)間約1分鐘。處理后的物料被輸送至卡車或就地堆積。
污泥經(jīng)不同加鈣量的處理后的外觀變化參見圖6。部分分析數(shù)據(jù)參見表1.
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表1：加鈣處理后污泥溫度、pH值及含固量變化
（原始污泥含固率22.7%）
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編號(hào)
（與圖6對(duì)應(yīng)））
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石灰與污泥的重量比
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溫度
（處理后30分鐘測(cè)量）
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在相應(yīng)時(shí)間后的含固率
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pH值
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50小時(shí)
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一周
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1
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2%
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28℃
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30.8%
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33.1%
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12.5
|
|
2
|
4.6%
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30℃
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35.9%
|
38.0%
|
12.6
|
|
3
|
6.9%
|
43℃
|
39.2%
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41.4%
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12.6
|
|
4
|
9%
|
45℃
|
48.1%
|
未測(cè)
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12.6
|
|
5
|
11%
|
58℃
|
51.7%
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未測(cè)
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12.6
|
|
6
|
14.4%
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59℃
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54.8%
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未測(cè)
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12.6
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實(shí)際運(yùn)行中，加鈣量在5%時(shí)，可以滿足農(nóng)用的殺菌要求，在10%時(shí)可以滿足填埋場(chǎng)填埋工藝要求。
6、小結(jié)
隨著城市污水處理的發(fā)展，污泥的安全處置與利用已經(jīng)成為一個(gè)急待解決的問題。
加鈣處理是歷史上脫水污泥進(jìn)一步處理中最早采用的手段之一，至今仍在得到應(yīng)用。由于工藝較老，所以近十多年來相關(guān)的科技文獻(xiàn)較少。本文旨在介紹一些典型的研究結(jié)果來說明這一技術(shù)雖然沒有直接實(shí)現(xiàn)減量化，但可以用較低的成本和簡單的工藝實(shí)現(xiàn)半干化、固化和殺菌的作用，并同時(shí)改善污泥的特性便于儲(chǔ)存與運(yùn)輸。很多情況下該工藝是污泥應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、衛(wèi)生填埋、水泥、建材利用和異地焚燒的一個(gè)較有效的預(yù)處理手段。
已有的研究與工程經(jīng)驗(yàn)表明，污泥-水-氧化鈣的傳質(zhì)是該處理方法的速度、質(zhì)量控制環(huán)節(jié)。從工藝角度，應(yīng)該在盡量短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)氧化鈣和污泥的高分散度的混合。由于污泥的觸變性，混合攪拌的能量輸入強(qiáng)度和時(shí)間需要控制。工程上在實(shí)現(xiàn)污泥與氧化鈣的充分混合后需要優(yōu)化后續(xù)的輸送與儲(chǔ)運(yùn)。
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