污泥改性深度脫水的資源化利用
一、現狀和要求
所謂污泥是指污水處理廠的終端廢棄物，即生活污泥，同時也指各行各業(yè)（如印染、造紙、電鍍、冶煉、機械、煉油、釀造、化工制藥等）的終端廢棄物，即統(tǒng)稱工業(yè)污泥，另外還有江河、湖泊、池塘的污泥，即統(tǒng)稱河道污泥。這些污泥含有大量的微生物、病原體，散發(fā)著惡臭，有的還含有重金屬。如果不予控制、處理、處置，任其泛濫，其后果不堪設想。據目前不完全統(tǒng)計，僅已建污水廠的脫排污泥年排放量約3000多萬噸，如果把各行各業(yè)的工業(yè)排放污泥連在一起，年需處理處置的源頭污泥就有約10—15億噸，而且這個數字還隨著國民經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高在不斷遞增。因此，正確、合理、科學地處理處置污泥是擺在我們面前的一個繁重任務。
我國對污泥處理處置的總方針是“減量、安全、資源化”。要合理處理處置污泥問題，首要是把水分降下來。我們如果把污泥水分從97%降至40 %，其減容率可達0.05，這首先是能實現顯著減量的目的。因為一旦水分減至40%，對污泥最普通的處置——填埋，一方面解決了污泥運輸問題，同時也大大延長了填埋場的服務年限。對于某些有毒有害必須焚燒處理的污泥，由于每一公斤水進爐氣化焚燒約需內耗800—1000大卡熱量，不管何種爐型這是硬指標，如爐前降低水分可大大降低助燃熱耗。所以對于那些必須焚燒的污泥處置，深度脫水可以形成徹底完整的污泥處置鏈。再從資源化而言，由于污泥品種非常繁多，成分復雜，有些污泥具有不同的利用價值，一旦污泥水分降至50%以下，凡污泥中賦有熱值可作為低熱值燃料搭配利用，有些污泥如有其他貴重金屬，水分降至 40%就為冶煉提供了條件，即使有些污泥無其他可取之材，那么制磚、制陶粒作為建材，水分也需降至40%—50%，才可實施后道工序。總之，污泥的深度脫水是關鍵。對于如何降低污泥中的水分，這是當前業(yè)內一直困惑的問題，污泥的脫水，有一個基本要求就是既要降低水分，但又不能破壞污泥中的原生物，它不是一般意義上的“烘干”而是干化。所謂“干化”，是指介質含氧量不能大于4%，溫度不能高于180℃。我國目前行業(yè)中常用污泥干化、脫水大致有如下幾種類型：
1.熱力干化。目前市上所見方式諸多，例如回轉套筒干化、園盤干化機、低溫流化床、漿葉干燥機、煙氣余熱干化等。但不管用何種形式，都是以熱能去除水分且不破壞污泥中原賦熱值，因此是以能量置換，是“以熱換熱”，而且是“以大置小”，但這在技術理念上是不允許的。在現實應用中的結果是效率低、投資大，運行成本高。目前市場上雖有應用，但此是無奈之舉。
2.機械脫水。目前市上常見的機械脫水有板框壓濾、離心脫水、帶式壓濾脫水、螺旋壓榨等。凡此種類型，脫水后的污泥終水分均在75%—85%左右，減容不徹底，水分下降不顯著，終端資源化利用仍是困難重重。同樣的弊病是投資大，運行成本高，效果不理想，對后道的資源化利用未具可能。
3.熱力機械疊加組合脫水。如機械成球、熱力干化，市場上也可看到。但此法僅是在原有基礎的某一環(huán)節(jié)中提高了一點效率，沒有解決根本性的問題。雖然有的在特定條件下有余熱可用，但這種對熱的依賴局限性很大，因為目前各行各業(yè)都在節(jié)能減排，可依賴的余熱越來越少。另一方面，如自備熱源，投資更為驚人。因此市場上出現一些個別例子僅為特例，要說普遍推廣是難以實現的。
鑒于當前污泥處理處置的形勢，把污泥水分降到40%左右，已成了一道難以逾越的“坎”。凡探求新的技術路線， 首先要考慮的是污泥中賦水源頭的“自然”狀態(tài)。污泥中的水分是呈菌膠團和懸浮固體形成膠體結構，其賦存水分可分為自由水和束縛水。由于污泥顆粒表面特性和污泥團的結構所決定，污泥顆粒表面吸附有各種荷電離子以及由微生物在其代謝過程中分泌于細胞體外的胞外聚合物等組成。這些荷電離子和胞外聚合物具有很強的持水性。這些污泥顆粒組成了污泥團，形成許許多多的毛細孔道，因此，污泥除了裂隙水外，另有相當一部分水分都是由污泥顆粒表面所持的水和毛細孔道中的水組成，這些都為結合水，而這種束縛的結合水是不能用單純的機械法除掉的。一般污泥裂隙水約占70%左右，其余約為30%左右。（見圖1）
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圖1 污泥中賦存水結構示意圖
鑒于上述污泥中水分賦存的自然狀態(tài)，說明束縛水是不能簡單地用機械壓榨可以脫水的。如用俗例譬喻之：我們吃的米飯，不能簡單地靠壓榨可以出水的，F在的壓濾脫水其實出的是部分裂隙自由水，有的采用低溫熱力雖有些改性和助濾作用，但其效果十分有限。因此，要使污泥深度脫水，一是要提高裂隙水的出水率，二是要解放束縛水。
二、污泥深度脫水技術路線的探求
按照污泥的賦水特點去思考新的技術路線，這是符合自然法則的。只有這樣，才有可能取得有效的技術對策。筆者研究認為：這一技術路線是“化學改性+高壓壓濾”，采取化學+物理的綜合處理方法，將含水97%—85%的污泥脫水得到含水40%的半干污泥，為后道順序的徹底處置或資源化利用創(chuàng)造條件。
1.新技術路線基本機理描述：污泥中的束縛水是被固體顆粒吸附或被包裹在細胞內部，所謂“束縛”的水分子其外圍被十分強大的負電荷緊固著，它與水核內的正電荷取得平衡。而化學改性劑以比表面大很多、具有足夠的陽離子能與其置換，通過破壞了原水核的正負平衡而導致介脫束縛形成“自由”，使機械壓濾出水成為可能。
2.技術路線的核心技術簡述：
（1）化學改性。這是一種具有納米級的比表面積，它具有足夠的陽離子置換特性，并具有疏水親油及疏油、親水的雙親性。要實現高效改性，還要匹配偶聯橋架致以助濾，共同形成最佳表面活性。改性劑是一種無機與有機數種藥劑的復合體，由于不同污泥其性質各異，因此要達到有效改性。需要有針對性的復合配方，某一種改性劑只能適合一種污泥，世上沒有“一方治百病”的改性劑，但這種配置并不復雜，只要化驗污泥的成分即可形成相應配比，一旦確定了對某種污泥配置針對性的改性劑后，就形成可控操作，這與其他常規(guī)水處理加藥設施并無兩樣。改性劑的主體和組合，并不貴重稀有，只要物化性質相符，即可因地制宜取得，藥劑的成本空間是很大的，它應是今后市場中的一種普通產品，這為推廣普及奠定了基礎。
（2）高速碰撞機理。由于改性劑是一種納米級的材料，是由幾種藥劑合成的綜合體，其摻入量的比例很小，因此，改性劑摻入污泥中要求設置高速碰撞的機能和環(huán)境。鑒于目前高速碰撞一次容量不能過大，因此目前在工藝實施中，常？紤]分級高速碰撞，再予綜合均化，以達到連續(xù)生產目的。
（3）脫水壓力。任何一種機械都有一個效率問題，目前常規(guī)的壓濾機其效率一般約為 50%左右，當前一般的污水廠是加了絮凝劑。聚凝粒徑大了，旨在有利壓濾效果，但相對而言束縛水的比例也大了。所以一般壓濾的終端水分達到65—70%已致極限，經過改性后的污泥，為達到系統(tǒng)效率，對常規(guī)壓濾機的機理應予增設壓榨功能。
上述三點構成了一套系統(tǒng)的改性+壓濾的新技術路線（見圖 2）。它一方面解放了束縛水，另一方面提高了機械脫水的效率。由此為最終水分達到40%左右提供了技術保證。對于上述綜合技術，我國業(yè)界的一些先知同仁的開發(fā)研究已達8—10年，目前已有一些地區(qū)形成生產實例，但無奈于市場經濟價值觀念各異的原因，盡管機理大致相同，但所念的這本“經”不一，妨礙了普及、推廣和提高。矛盾和差異，是技術發(fā)展的根本動力。可以相信，不會太久我國的污泥脫水現狀會出現一個新的局面。
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圖2 新技術路線工藝流程框圖
三、推廣和普及新技術路線的意義
1.本技術具有學科交叉，技術嫁接的創(chuàng)新特點，而且工藝簡單、操作方便、費用低廉、成果有效，具有經濟實用性，其特點有以下五個方面：
一是整個處理過程冷態(tài)操作，不依賴任何外界條件，不需要熱源，更不消耗一次能源。以改性和壓濾簡單工藝，就可以把各種不同類型的污泥含水率叢97%—85%左右直接脫水到40%以下，為后續(xù)污泥處置創(chuàng)造了根本性的條件。
二是整個系統(tǒng)自動化程度高。參數輸入，全程電腦自動控制操作，流水線生產，簡潔流暢，無臭味，無超音，無焚燒加熱造成的尾氣排放，僅有壓濾水回流污水廠處理，工作條件和環(huán)境界面極其良好，符合滿足安全、文明操作要求。
三是脫水污泥遇水不再還原。具有疏水性，并在自然狀態(tài)下水分繼續(xù)蒸發(fā)，泥餅自然碎裂成顆粒狀，在實現“減量化”的同時，污泥中的有害物質也得以“穩(wěn)定化”。
四是不影響污泥原有元素構成。污泥固體不增量，也不損失熱值。
五是占地面積小。建設投資明顯低于目前常規(guī)，處理費僅為目前常規(guī)的1/2左右。
2.形成了一條新的技術路線。不但使污泥得到深度脫水，也為已建污水處理廠的終端改造和分散零星的污泥源實現分散處理、集中處置提供了新的思路和模式。
一是現有的污水處理廠由于原終端定位的原因，一般都是在濃縮污泥中（含水分97%左右）投加絮凝劑，經板框壓濾，離心脫水或帶式脫水，其終端水分一般都在85%—75%之間，這個水分對后道的資源化利用或徹底焚燒帶來很大困難，由于絮凝劑與化學改性劑其機理相勃，如將價格昂貴的絮凝劑改為普通改性劑，并匹配相應設施，適當改造后道壓濾設備，這樣可將已建成污水廠終端污泥含水分降到40%左右，供資源化利用，這無疑是十分經濟、合理的。其最終效果是一方面能使處理費用明顯下降，同時也達到了污泥深度脫水的目的。
二是對于面廣、分散、零星的工業(yè)污泥源，如分散建污泥干化設施，投資大、效率低，成本高，而且場地也有困難。如集中建設污泥深度脫水設施，零星高水分的污泥運輸又將十分困難。因此面對繁多、分散、零星污泥源集中處理有難度，但分散處理也有難度。在這個面層，目前處于十分尷尬的局面。如采用污泥改性、機械壓濾新技術，由于該技術占地面積小，對周圍無特殊依賴，因此可裝備移動式“污泥流動脫水車”。如果日處理10—20噸污泥，用一個平板車就可解決，然后將含水分40%半干污泥集中作資源化處置。
上述系統(tǒng)技術目前已有成熟實例，當然優(yōu)化改性和系統(tǒng)裝備尚須完善，但筆者認為對市容環(huán)境的建設來說，這是一條很有前途的技術路線。
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