污泥加鈣二級(jí)處理的工藝基礎(chǔ)與應(yīng)用
來(lái)源： 閱讀：4711 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(guó)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(jiǎn)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(lái)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(lái)滿足污泥的填埋的工藝要求。另外，處理過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)理論計(jì)算來(lái)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(méi)有考慮系統(tǒng)散熱和水分蒸發(fā)吸熱而帶來(lái)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(méi)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(jiàn)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^(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)程影響因素
通過(guò)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(kāi)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)，但從微觀上看，氧化鈣一旦與污泥接觸反應(yīng)就開(kāi)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(guò)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(jiàn)德國(guó)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(guò)程及堆積過(guò)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(guò)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(jiàn)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(lái)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(lái)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(guò)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(shuō)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(guó)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(lái)后經(jīng)螺桿輸送至混合反應(yīng)器的污泥入口。存放在料倉(cāng)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(guò)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。混合反應(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(chē)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(jiàn)圖6。部分分析數(shù)據(jù)參見(jiàn)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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||||
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1
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2%
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28℃
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30.8%
|
33.1%
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12.5
|
|
2
|
4.6%
|
30℃
|
35.9%
|
38.0%
|
12.6
|
|
3
|
6.9%
|
43℃
|
39.2%
|
41.4%
|
12.6
|
|
4
|
9%
|
45℃
|
48.1%
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未測(cè)
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12.6
|
|
5
|
11%
|
58℃
|
51.7%
|
未測(cè)
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12.6
|
|
6
|
14.4%
|
59℃
|
54.8%
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未測(cè)
|
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(wèn)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(lái)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(lái)說(shuō)明這一技術(shù)雖然沒(méi)有直接實(shí)現(xiàn)減量化，但可以用較低的成本和簡(jiǎn)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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