摘要：以颗粒煤为助滤剂，采用二段过滤方式来强化城市污泥的脱水，并对滤饼进行热值分析，探讨城市污泥资源化利用前景。在研究中，具体分析探讨了煤的类型、煤的添加比、煤的粒径、搅拌强度、过滤压力以及煤的添加方式对过滤过程中相关参数的影响。得到以下结论：在污泥和煤的添加比为1∶2，颗粒煤粒度为0.15~0.18 mm，低强度搅拌，常温下，一段过滤滤饼含水率为57.06%，二段过滤滤饼含水率为38.40%，滤饼热值达14 276 kJ/kg。
关键词：二段过滤 污泥脱水 助滤剂 颗粒煤 热值 含水率
中图分类号：TQ 051.8
0·引言
根据《中国环境统计年报·2007》，2007年，全国共统计1 258座城市污水处理厂，全年共处理废水190.4亿t。城市污水处理厂的污泥产量大，按80%水分计约占处理水量的0.1%，我国年排放污泥量（湿重）已高达约1 900万t，占全国年总固体废弃物排放量的3%以上。
污泥处理的投资和运行费用相当大，约占污水处理厂总投资及运行费用的20%~60%。污泥的资源化技术已逐渐成为研究的热点，国内外所采用的污泥资源化技术主要有：污泥堆肥、消化制沼气、污泥燃料化、用于建材等[1-2]。无论是何种污泥处理技术，污泥的脱水预处理必不可少。目前，国内外关于强化污泥脱水的研究主要有：改进污泥脱水机，以达到更好的污泥脱水效果[3]；添加絮凝剂、助滤剂，改变污泥的过滤性能，从而强化污泥脱水效果[4-5]；附加电场（电絮凝、高渗透、高压静电等）、高温突跃法、超声波、磁场强化污泥脱水等[6-8]。
本研究将综合考虑污泥脱水及其资源利用两方面，选择颗粒煤做助滤剂，改变滤饼的可压缩性和渗透性；同时采用真空、压榨两段不同的脱水方式组合，强化脱水过程；最终使污泥与煤混合滤饼达到12 000 kJ/kg以上的热值，直接作为燃料利用，从而实现污泥彻底的无害化、资源化，为城市污水处理厂的污泥处理处置提供全新的途径。
1·实验部分
1.1原料与仪器
原料：沈阳北部污水处理厂消化污泥，含水率96.41%，pH值7.12；颗粒煤；滤布。
仪器：真空过滤设备（自制）、加压过滤设备（自制）、黏度计、热量计、干燥箱、浊度仪、电子天平、pH计、搅拌器。
1.2实验及检测方法
1.2.1一段真空过滤实验
取100 mL消化污泥，按一定配比添加颗粒煤助滤剂，搅拌均匀后倒入真空过滤漏斗内，在漏斗下放置一个干净量筒，启动真空抽滤机进行一段式真空过滤作业，开始计时并记录滤液量。
1.2.2二段压榨过滤实验
取200 mL消化污泥，按一定配比添加颗粒煤助滤剂，对其进行一段真空过滤。然后，取一段真空过滤后的污泥滤饼，将其放入压榨过滤容器罐中，在压榨容器罐的下部出水口放置一个干净量筒，开启空气压缩机升压至所需压力，打开三通阀，以空气压力推动压芯进行二段式压榨过滤作业，开始计时并记录滤液量。
1.2.3滤饼含水率测定
在105℃温度下，用电热鼓风干燥箱将污泥样烘干24 h，称重，计算滤饼含水率。
1.2.4浊度、黏度及热值的测定
使用HANNA HI 93703-11浊度仪测量滤液浊度；使用NDJ-1旋转黏度计测量污泥浆黏度；使用XRY-1A数显氧弹热量计测量热值。
2·结果与讨论
2.1颗粒煤类型对过滤效果的影响
取两种不同类型的颗粒煤，经热量计测定其热值分别为22 972、16 522 kJ/kg，将其分别标记为1#煤和2#煤。对每一种颗粒煤进行一组实验，每组取5份100 mL消化污泥样品，各加入0、1.80 g、3.59 g、7.18 g、10.77 g粒径为0.15~0.18 mm颗粒煤，使其泥煤比（污泥按干重计，下同）分别为1∶0、1∶0.5、1∶1、1∶2、1∶3，搅拌均匀，进行真空过滤实验，测定滤饼含水率。实验结果如图1所示。
从图1中可以看出，不同类型、热值的颗粒煤，作为助滤剂对过滤效果的影响很大，但是其之间的差别却不是很大，基本处于相同水平。
2.2泥煤比对过滤效果的影响
取5份100 mL消化污泥样品，各加入0、1.80g、3.59 g、7.18 g、10.77 g粒径为0.15~0.18 mm颗粒煤，使其泥煤比分别为1∶0、1∶0.5、1∶1、1∶2、1∶3，搅拌均匀，进行真空过滤实验，记录过滤时间、滤液量并测量滤液浊度。结果如图2所示。 （参考www.rfilter.com）
从图2中可以看出，以颗粒煤作为助滤剂对污泥的过滤效果有着重要影响。一方面，在污泥中掺煤本身就可以使污泥的含水率有所下降，下降的幅度不大，这从图2中添加煤之后的换算出来的理论含水率曲线就可以看出来。
另一方面，以颗粒煤为助滤剂，污泥过滤的效果得到了提升，这从图2中也可以看出。随着泥煤比的增大，这种提升也越大，由不掺煤时88%左右的含水率，下降到泥煤比1∶3时58%左右的含水率，下降的幅度很大。
同时，在对滤液浊度的测量中也发现，添加颗粒煤为助滤剂后，滤液的浊度也有显著的下降，并且随着颗粒煤添加量的增加，滤液的浊度也随之明显下降，如图3所示。另外，在对滤液量的记录中还发现，添加颗粒煤为助滤剂后，污泥的过滤速度也有显著的提升，并且随着颗粒煤添量的增加，过滤速度的提升也更为显著。
2.3颗粒煤粒度对过滤效果的影响
取6份100 mL消化污泥样品，按1∶2比例分别加入粒径为0（空白）、0.43~0.88 mm、0.25~0.43mm、0.18~0.25 mm、0.15~0.18 mm、0.11~0.15 mm的颗粒煤，搅拌均匀，进行真空过滤实验，记录过滤时间、滤液量并测量滤液浊度。
从图4中可以看出，颗粒煤的粒度对污泥饼含水率有较大影响，随着颗粒煤粒度的减小，污泥饼的含水率也随之降低，最大幅度达10%多；同时还可以发现，滤液的浊度也随粒度的减小而减小。须特别注意的是，粒度的变化对过滤速度的影响最为明显。
从图5中可以看到，随着粒度的减小，污泥过滤速度呈明显加快趋势，最快的过滤时间只用了不到空白样的一半时间。另外，在含水率和过滤时间图中，在0.15~0.18 mm处都出现了一个拐点，这说明，颗粒煤的目数不是越小越好，太细小的助滤剂反而会影响滤饼骨架之间的空隙建立，进而影响滤饼的含水率和过滤速度。
2.4搅拌强度对过滤效果的影响
取5份200 mL消化污泥样品，按污泥干重1∶2比例加入粒径为0.15~0.18 mm的煤粉，用搅拌器分别以0、100、200、300、400 r/min的转速搅拌20 min，然后用旋转黏度计测量其黏度。接着进行真空过滤30 min，记录滤液量，然后取出1/4滤饼测量其含水率，剩余3/4滤饼再进行压榨过滤，记录过滤时间、滤液量并测量滤液浊度。
从图6中可以看出，对于真空过滤而言，搅拌强度对过滤效果有正反两方面的影响，但影响都不大。适当的低速低强度搅拌能够促进污泥和颗粒煤的混合，改善污泥过滤效果，促进滤饼含水率降低和过滤速度的提高；
而高速高强度的搅拌则不利于污泥过滤效果的改善，反而会使滤饼含水率偏高，过滤速度降低。在对滤液浊度的测量中也发现，搅拌会增高滤液的浊度，并且搅拌强度越大影响越明显。对压榨过滤而言，搅拌强度对其过滤效果的影响不大。
2.5过滤压力对过滤效果的影响
取5份200 mL消化污泥样品，第1份为空白样，其余4份按污泥干重1∶2的比例加入7.18 g粒径为0.15~0.18 mm的煤粉，搅拌均匀，对第1份样品用压榨过滤设备以0.1 MPa压力进行直接过滤，其余4份样品分别以0.1 MPa、0.2 MPa、0.3MPa、0.4 MPa压力进行过滤，记录过滤时间及滤液量。
从图7中可以看出：按1∶2比例加入颗粒煤的样品，最终的含水率在40%左右，而没有加入煤粉的样品最终含水率为79.40%，表明加入颗粒煤作为助滤剂之后，滤饼的含水率有显著下降。同时，可以看出：加入颗粒煤的样品过滤速度明显加快。
取滤液量达到总滤液量80%的时刻为比较点，在同一过滤压力下，我们发现不加煤粉的样品需要的时间为75 min，而加入煤粉的样品只需要30 min；对于加入煤粉的样品，压力越大，过滤时间就越短，由30 min缩减到了19 min，而且含水率也呈现下降趋势，不过变化不太显著。
2.6泥煤混合方式对过滤效果的影响
取4份200 mL消化污泥样品，第1、3份按1∶2比例加入7.18 g粒径为0.15~0.18 mm颗粒煤，第2、4份按1∶1比例加入3.59 g粒径为0.15~0.18 mm颗粒煤，搅拌均匀，对4份样品先进行真空过滤30 min，然后取出1/4滤饼测量其含水率，剩余3/4滤饼再分别混合0、2.69 g、2.69 g、5.39 g粒径为0.15~0.18 mm颗粒煤，使其最终泥煤比分别为1∶2、1∶2（记为1∶1+1）、1∶3（记为1∶2+1）、1∶3（记为1∶1+2），然后对其进行压榨过滤，记录过滤时间及滤液量。
从图8可以看出，在真空过滤阶段，泥煤比越大，则真空过滤后泥饼的含水率就越小，例如第1、3两份的真空过滤泥饼含水率就比第2、4两份下降了11%左右；
同时其过滤时间也有所缩短，1、3两份的污泥结饼时间比2、4两份提前了约4min，为15 min，而2、4两份的污泥结饼时间为19 min。对真空过滤后的滤饼掺不同比例的煤，也能使滤饼的含水率有所下降，但掺煤所带来的效果，比不上将这些煤在真空阶段用来作为助滤剂的效果。
例如，对于第1、2两份样品，其掺煤后最终泥煤比都是1∶2，但第1份样品的含水率要小于第2份样品；第3、4两份样品也是这样，但随着所掺煤的比重增大，这样的差异随之减小。
在加压过滤阶段，总体上来说，泥煤比越大，最终泥饼的含水率也就越小；同时，分别对比1、2样品和3、4样品可以发现，对于相同泥煤比的样品，在加压过滤之前掺煤的样品，其过滤效果要优于没有掺煤或是掺煤比小的样品，不过差异不显著。
2.7滤饼热值的测定
取上述实验过程中样品以1∶2比例混合，颗粒煤的粒度为0.15~0.18 mm，经过一、二段过滤后将其滤饼作为样品烘干，分别测量煤粉、干污泥、泥煤混合滤饼的热值。结果表明，煤粉、干污泥、泥煤混合滤饼的热值分别为16 521、11 042、14 276 kJ/kg，泥煤混合滤饼完全可以直接作为燃料来使用。
3·结论
（1）对于助滤剂颗粒煤而言，其类型对过滤效果的影响不大，但其热值对最终滤饼的热值有决定性影响，直接关系到滤饼的后继资源化利用。
（2）泥煤比是影响过滤效果的一个关键因素，泥煤比越大，过滤效果越好，对含水率、过滤速度和滤液澄清度都有显著提升。
（3）助滤剂的粒度大小也是影响过滤效果的一个重要因素，粒度在0.15~0.18 mm时，过滤效果较好，对含水率、过滤速度和滤液澄清度都有明显改善。
（4）搅拌强度对过滤效果影响不大，低强度的搅拌有益于过滤效果的改善，高强度的搅拌则会产生负面影响。
（5）过滤压力的增大对过滤速度和最终含水率都有一定程度的改善。
（6）煤的添加方式对过滤效果有一定影响，在每段过滤前掺混煤，对该段过滤效果都有一定的改善作用。
（7）在污泥和煤的添加比为1∶2，颗粒煤粒度为0.15~0.18 mm，低强度搅拌，常温下，一段过滤滤饼含水率为57.06%，二段过滤滤饼含水率为38.40%，滤饼热值达14 276 kJ/kg。
来源： www.rfilter.com
