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污泥脱水预处理技术综述

目录:新闻列表发布时间:2020-08-05 08:48点击率:

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随着经济社会的发展和城市化进程的不断加快,公众的环保意识大大提高,“重水轻污”的概念已经改变,污水处理产生的剩余污泥的处理植物,已经越来越重视处理问题。目前,目前污泥脱水的预处理方法主要包括铁盐,铝盐和生石灰等。然而,脱水污泥的缺点是灰分增加,脱水后污泥燃烧热值低,污泥碱度增加。污泥脱水的方法主要包括自然干燥,污泥浓缩,机械脱水和污泥干燥。通过上述方法脱水后,污泥的含水率降低到60%〜80%,仍高于“城市污水处理”。 《植物污泥处置混合填埋场的污泥处置》(GB / T 23485-2009)要求水含量低于目标值60%,以加强污泥的深度脱水,降低污泥处理和运输成本为了提高污泥减量,资源利用,无害化和稳定化的效率,污泥脱水的预处理技术应运而生。

污泥脱水预处理是通过向污泥中添加能量或化学试剂,采用物理,化学等方法破坏污泥的絮状结构,使部分细胞内水和孔隙水被释放而达到的目的。目的是减少污泥中的水分含量。由于污泥成分复杂,是有机碎片,无机颗粒和细菌细胞的复合物,包裹在细菌细胞周围的细胞外聚合物(EPS)是一种表面呈负电荷的亲水性凝胶状物质约占污泥总重量的60%至80%。细胞外聚合物对污泥表面的物理和化学性质具有重要影响。它被包裹在污泥的外部以形成保护层,以防止污泥单元的破裂和溶解,从而使污泥的脱水性能恶化。因此,在污泥脱水之前,有必要对污泥进行预处理,破坏稳定的污泥絮凝结构,改变细胞外聚合物中不同水形态的分布,从而提高污泥脱水性能。本文主要回顾了科学研究所关注的当前污泥脱水预处理的物理和化学方法,并介绍了各种预处理方法对污泥脱水的影响。

第1部分物理预处理方法

1.1超声预处理

超声预处理是在声波(20〜40 kHz)传播期间进行周期性压缩,然后扩展在介质中形成微小气泡,微小气泡的破裂会产生空化,从而产生大量的活性自由基(H·和·OH),并产生高能振动剪切力,从而破坏微生物细胞的细胞壁,改变不同细胞外聚合物的比例,合理释放细胞内物质的目的,从而提高污泥的脱水效率。空化的影响主要包括物理和化学影响。物理作用,即超声波在传播过程中产生微湍流和振动波,从而在介质中产生强对流并破坏污泥絮凝物的结构。化学作用意味着在所产生的微气泡瞬态崩溃期间,将产生极端的工作条件(温度为5000 K,压力为5×104 kPa),以促进溶剂蒸气的离解,从而产生大量的溶剂。活性自由基的破坏和破坏污泥絮状物的结构有利于污泥絮状物内部水分的释放。另外,在声波的传播过程中,可以在介质中产生海绵状结构,形成海绵效应,从而使污泥中的水通过声音产生的通道释放到污泥絮凝物的外部。波传输,以及脱水性能。

Feng等。研究了毛细管吸力时间(CST),比过滤阻力(SRF),细胞外聚合物浓度和粒径在不同能量密度分布变化下的作用,以探讨超声预处理对污泥脱水性能的影响。结果表明,在低能量密度超声[4400 kJ /(kg TS)]的作用下,污泥的脱水性能有所改善,污泥的电阻率从之前的2.35×1010 m / kg降低到处理至1.20×1010 m / kg。这主要是由于以下事实:在低能量密度超声波的作用下,污泥的絮凝物被破坏,减小了絮凝物颗粒的粒径,释放了污泥中所含的水分,并提高了污泥的脱水能力。当超声波的能量密度超过4400 kJ /(kg TS)时,污泥的脱水性能变差。这主要归因于高密度超声处理对污泥絮凝物的破坏,这会产生大量小的污泥絮凝物颗粒。污泥絮凝物的总面积增加,污泥的亲水性增强,从而减少了污泥的脱水。薛向东等。通过比较污泥超声预处理前后的混合水特性和过滤比电阻,确定了超声预处理对污泥脱水性能的影响。试验结果表明,较低的超声波预处理强度(0.1〜0.15 W / mL)和较短的超声波预处理时间(2〜3 min)可以有效降低污泥过滤的比电阻,降低污泥中结合水的含量。马德刚等。研究了声强和预处理时间对超声预处理过程中污泥电脱水性能的影响。试验结果表明,在试验过程中,声波频率,电场强度和压力相同时,适当的声波强度和超声波预处理时间有利于提高污泥电渗脱水的效率,并达到最佳的预处理条件。为0.510W / cm 2,预处理时间为3.5分钟。

1.2微波预处理

用于微波预处理的微波波长为1 mm〜1 m,频率为0.3〜300 GHz。微波预处理的原理主要包括热效应和非热效应。热效应是在振荡电磁场的作用下,偶极子的旋转会产生热量,从而将污泥中的水加热到水的沸点,从而导致污泥絮状细胞破裂。非热效应主要是由极性分子的偶极子方向变化引起的。非热效应可能导致氢键断裂,并可能使复杂的生物分子展开并使其变性。微波预处理可以分解污泥絮凝物的结构,释放细胞中的有机物,降解大分子有机物,改善污泥的脱水。

乔伟等研究表明,在微波处理过程中,其热效应可以加快有机物的水解反应速率,破坏细菌的细胞结构,提高脱水性能。当水解温度为170℃,反应时间为10分钟时,离心后污泥的水含量降至65.5%。傅大方等。通过研究对应于不同微波辐射功率的水含量得出结论:微波处理是一种有效的污泥脱水方法。方等。发现影响因素对微波处理过程中活性污泥脱水特性的影响发现,当污泥用1 000 W和2 450 MHz微波照射时,污泥中蛋白质的分子结构可能被破坏,并且污泥絮凝。人体周围的可溶性蛋白质增加,但对污泥的脱水特性没有显着影响。当微波辐照时间增加时,污泥颗粒分解成较小的颗粒,这增加了污泥的表面积和结合水的能力,使污泥的沉降性能变差。另外,微波辐射破坏了污泥絮状物的内部结构,使得更多的多糖溶解在上清液中,从而使污泥的脱水性能变差。

1.3电渗析

电渗脱水的机理主要是基于施加的电场与污泥絮凝颗粒表面电荷的相互作用。由于电场的作用,固体-电离的流动液体在液体界面处的移动确保了水的迁移,从而通过粘性动量的传递驱动液体在中央通道中的迁移,从而使带负电的污泥絮凝物颗粒在滤布的作用下,朝着阳极方向运动,将污泥和水分离,从而达到阳极处污泥浓缩的目的。另外,电渗析处理还涉及诸如电化学氧化,电阻加热和pH梯度效应的机制。

华海街的研究发现,电渗析可以破坏污泥颗粒表面的毛细管结构,并促进毛细管水的沉淀。同时,它可以破坏污泥细胞的结构,使污泥中的吸附水和内部水分离出来,从而提高了污泥的脱水效率。 Yuan等。通过比较污泥CST,SRF,EPS浓度和污泥粉碎度(DDSCOD)的变化,研究了电化学条件对污泥脱水的影响。测试结果表明,当电解电压低于20 V时,污泥絮体中的水分被破坏,污泥絮体变小,EPS含量略有增加,污泥絮体中的水释放到污泥中。提高污泥的脱水性能。电解电压为15〜20 V,电解时间为15〜20 min时,污泥脱水效果最佳。当电解电压超过30 V时,污泥的絮凝结构和完整性被破坏,产生大量细小颗粒,这加速了细胞内蛋白质和多糖的释放,增加了污泥的粘度,不利于

1.4热水解

热水解预处理温度为40〜180°C。在此温度下,污泥絮凝物的细胞壁破裂,污泥细胞中的脂肪,多糖和蛋白质等有机物被释放出来,污泥中难处理的有机氮和难处理的有机碳的含量增加。胶束表面上的微生物及其代谢物溶解,从而使包裹在污泥絮状物中的颗粒与污泥絮状物分离,从而改变了污泥絮状物的结构。当温度高于一定阈值时,污泥中的有机物将转化为难降解的COD化合物,并且有污泥脱水性能恶化的风险。

Higgins等。研究了不同热水解温度对厌氧消化,脱水和滤液特性的影响。研究结果表明,热水解温度越高,污泥中溶解有机物的浓度越高,污泥还原效果明显,甲烷产量相应增加。在高水解温度下,污泥的粘度降低,表明污泥中的结合水更快地释放到液相中,从而提高了污泥的脱水性能。通过研究热水解过程中污泥网络结构的变化,Zhang等人。发现热水解预处理可以破坏污泥的多孔网络结构,使污泥的絮状颗粒更小,更均匀,并最终使热量升高。水解的预处理污泥的脱水性能提高了4.6%±0.5%。表1列出了不同物理预处理方法的污泥脱水效果。

 

第2部分化学预处理方法

2.1混凝(絮凝)处理

混凝(絮凝)预处理手段污泥脱水之前在污泥中添加适当浓度的凝结剂或絮凝剂以调节污泥,从而提高污泥的脱水性能。其作用机理主要包括:电中和,吸附桥联,双电层压缩,泥沙清扫和骨架作用。

牛美清和其他四种混凝剂,如氯化铁,液态聚氯化铝(PAC),液态高效聚氯化铝(HPAC)和阳离子聚丙烯酰胺(PAM),研究了无机物。条件。研究表明,无机混凝剂和有机混凝剂的用量和顺序对污泥脱水效果有显着影响。当混凝剂用量为10%PAC + 0.5%PAM时,污泥的脱水效果最佳,污泥的电阻率从172×1010 m / kg降至12.8×1010〜2.51×1010 m / kg和Zeta电势从-21.6 mV增加到(2.2±0.3)mV,污泥的脱水性能显着提高。

2.2酸/碱处理

酸/碱预处理是指添加酸(HCl,H2SO4,H3PO4,HNO3等)或碱[NaOH,KOH,Ca(OH)如图2所示,Mg(OH)2,CaO等改变了污泥中不同EPS的分布比例,破坏了污泥絮凝物的孔结构,从而促进了结合水的释放,从而改善了污泥的脱水。酸预处理可以使污泥絮凝物中的带负电荷的官能团(羧基和氨基等)质子化,从而将污泥的Zeta电势从负值增加到接近0,从而减少静电排斥并提高污泥的絮凝效果。污泥的聚集和脱水作用。碱预处理通过溶解膜蛋白和皂化膜脂质来破坏污泥的细胞结构,将污泥中的EPS溶解,并将污泥絮状物中的TB-EPS转化为有机物形式的液体。表2列出了不同化学预处理方法对污泥脱水的影响。

He和其他污泥用硫酸预处理,以水解污泥中的细胞外聚合物,破坏微生物的细胞结构,改变污泥中水分的分配比例,并使污泥内部的间隙水和细胞内的间隙水被转化为游离水,并与污泥分离,以改善污泥的脱水。 Devlin等。发现盐酸预处理对污泥厌氧消化和脱水性能的影响发现,盐酸预处理可以溶解污泥中的碳水化合物,多糖,化学需氧量等,增加反应系统中可溶性碳水化合物的浓度,并使污水产生泥浆中可溶性碳水化合物和蛋白质的含量分别增加了4倍和6倍。另外,酸预处理可以减少污泥絮凝物的总负电荷,形成分形尺寸较小,颗粒较小的污泥絮凝物,这有利于后续聚合物在污泥上的絮凝,改善了污泥的脱水效果。 Su等。使用碱性预处理可增强污泥的脱水性能。试验结果表明,当Ca(OH)2与NaOH的比例增加时,污泥的脱水性能得到改善。这主要是由于Ca(OH)2可以增强污泥的絮凝能力,增加污泥絮凝物的强度和密度,减少污泥中的结合水和污泥絮凝物之间的水分,从而提高了污泥的脱水性能。 。

2.3氧化方法

氧化方法是通过向污泥中添加一定比例的氧化剂(如臭氧,Fenton试剂和过硫酸盐等)来破坏污泥絮体的结构。污泥细胞的细胞壁降解大分子有机物,释放污泥中的间隙水和细胞内水,从而提高了污泥的脱水性能;此外,污泥絮凝物中的细胞外聚合物和难降解有机物可以被氧化生成溶解的有机物,并且甚至直接氧化产生二氧化碳和水,可以达到减少污泥的目的。氧化方法通常包括臭氧氧化,Fenton试剂氧化,Fe2 +活化的过硫酸盐氧化和高锰酸盐氧化。氧化方法涉及的机制主要包括:污泥絮凝物的氧化,松散结合的细胞外聚合物(LB-EPS)的分解,结合水的释放和转化,细胞结构的破坏,污泥颗粒的絮凝等。

2.3.1臭氧氧化

臭氧氧化是应用最广泛的氧化过程之一。臭氧可以破坏细胞膜和胶束的结构,加速细胞内物质的释放,并使其氧化生成小分子物质,从而提高污泥的脱水性能。臭氧氧化污泥的预处理机理如图1所示。

 

Meng等在臭氧法连续处理污泥的过程中发现了臭氧氧化污泥的机理。通过改变细胞外聚合物浓度,官能团,分子量水平机制研究了臭氧和污泥的作用。研究发现,在12小时的连续处理过程中,臭氧在开始的4小时内与溶液强烈反应,臭氧大量消耗,细胞外聚合物中的蛋白质含量降低了30%±12%,并且TOC浓度降低了(158±7)mg / L,降至(138±7)mg / L。这主要是因为臭氧与蛋白质中的酪氨酸,色氨酸和苯丙氨酸残基反应,攻击蛋白质链上的特定残基,从而迅速降低蛋白质的浓度和荧光物质的浓度。臭氧氧化后,污泥中蛋白质和多糖的平均分子量降低了4个数量级,表明某些细胞外聚合物被臭氧氧化降解,从而将大分子量物质转化为小分子量物质。 Dytczak等。通过以污泥体积指数(SVI)和CST为参考,通过比较两个间歇式反应器中添加的臭氧量,研究了部分臭氧化对回流污泥脱水性能的影响。实验结果表明,臭氧预处理可以破坏污泥絮状物中TB-EPS的结构,并将其转化为可溶性S-EPS。

2.3.2 Fenton氧化

Fenton氧化预处理是指在酸性条件下,催化剂Fe2 +和H2O2反应生成具有强氧化活性(·OH)的羟基,从而降解细胞外污泥和污泥细胞的聚合物,释放细胞内物质和结合水,从而达到污泥脱水的目的。 Fenton反应的效果主要取决于试剂的浓度,H2O2与Fe2 +的比例,反应时间,初始pH和反应温度。 Fenton氧化污泥预处理的机理如图2所示。

 

He等人。通过破坏细胞外聚合物,污泥细胞的溶解,结合水的释放以及污泥絮凝物中典型金属浓度的变化,研究了类似Fenton的方法对污泥脱水的作用。结果表明,污泥经Fenton类试剂处理后,含水量从80.0%降至66.1%,污泥絮凝物分解,重金属(Zn,Mn,Cu,污泥絮体中的Cd,Pb)和Ni)释放到上清液中。污泥中结合水的含量从原来的1.22 g /(g DS)降低到0.30 g /(g DS),这主要是由于污泥的接触角和Zeta电位更大。负值逐渐增加,静电排斥力变小,并且污泥池的疏水性得到改善。污泥池的疏水表面热力学特性促进了游离水和地表水的释放,从而提高了污泥的脱水性能。通过界面响应法优化了H2O2浓度,Fe2 +浓度和初始pH等测试参数。测试结果表明,当H2O2的浓度为178 mg /(g VSS)时,Fe2 +的浓度为211 mg /(g VSS),初始pH值为3。参照图8,由Fenton试剂和微生物引起的污泥絮凝当溶解时,污泥的CST降低,并且显着改善了污泥的脱水性能。潘胜等。 Fenton试剂通过污泥CST和泥饼含水量的变化研究了Fenton试剂对污泥脱水性能的影响。试验结果表明:在抽滤脱水过程中,当反应pH为3时,H2O2的加入量为3 g / L,H2O2 / Fe2 +的质量比为8〜12时,水的含水量为2。泥饼最低,处理后污泥的粒径变小,上清液中蛋白质和多糖的含量明显增加,提高了污泥的脱水性能。

2.3.3过硫酸盐氧化

过硫酸盐氧化是指过硫酸盐在高温,紫外线照射和过渡金属激发下可生成具有氧化能力的硫酸根自由基宽度= 56,高度= 15,dpi = 110,从而破坏破坏荧光物质的特定官能团,导致聚合物链断裂,并破坏污泥细胞,导致结合水,细胞内物质和细胞外聚合物中的细胞内水的释放增强污泥的脱水性能。 Fe3 +和Fe0活化的过硫酸盐的氧化过程如图3所示。

 

Zhen等人。研究了铁活化过硫酸盐在不同温度条件下的氧化(25、40、60、80°C),中温厌氧消化污泥脱水性能的影响。试验结果表明,采用铁活化过硫酸盐氧化预处理后,厌氧消化污泥在不同温度下的CST显着降低,并且在相同的过硫酸盐剂量下,污泥的脱水性能随着温度的升高而增加。这主要是因为过硫酸盐可以通过高温引发反应。当温度升高时,过硫酸盐分解产生宽度= 30,高度= 14,dpi = 110,以增强铁激活的过硫酸盐反应并促进细胞外聚合物的生长。污泥细胞的降解和裂解。另外,当将铁盐和过硫酸盐添加到污泥中时,污泥的Zeta电位也增加。这主要是由于添加了铁盐和过硫酸盐,污泥絮凝物的结构被生成的宽度= 30,高度= 14,dpi = 110破坏,并且反应体系中的Fe2 +和Fe3 +具有电中和作用。因此,减少了污泥絮凝物之间的静电排斥,有利于污泥的絮凝和沉淀。

第三部分联合预处理

尽管上述各种预处理方法可以在一定程度上提高污泥的脱水效率,但这些方法也存在一些局限性,如高能耗,高表3列出了污泥脱水中不同预处理方法的优缺点。

联合预处理是指将上述物理,化学和其他预处理方法按一定顺序组合,以消除或削弱单一预处理方法的不足之处,并充分发挥各种预处理技术的潜力。加强污泥脱水效果的途径。

 

Xiao等。结合超声波预处理和酸性预处理,探索了影响污泥脱水的主要有机化合物的性质。结果表明,在高超声功率条件下,污泥中生物聚合物的浓度增加,污泥的过滤性能变差。但是,当与后续酸化预处理结合使用时,污泥中的有机物浓度降低,Zeta电位从(-12.45±0.07)mV增加到(0.58±0.02)mV,污泥絮凝物增加,从而增加了污水排放量。泥浆脱水。刘等。 [结合微波处理和酸化处理以改善污泥的脱水。试验结果表明,高能微波辐射有利于污泥絮凝物的破碎和污泥中聚合有机物的释放,但会导致污泥表面絮凝度降低,降低了污泥的脱水能力。通过微波酸化预处理(温度100°C,pH = 2.5),增加了聚合有机物的释放,酸化处理通过质子化作用降低了Zeta电位,从而将污泥的CST从最初的37.7 s降低至At 9.2 s,结合水的含量从(1.96±0.19)g /(g干污泥)降低到(0.88±0.24)g /(g干污泥),以改善污泥的脱水。

第4部分结论

4.1物理预处理方法

超声波预处理本质上是一个不会产生次生毒性化合物的物理过程。在超声处理过程中,将产生大量的活性自由基,这些自由基会分解污泥中的有毒和难降解的有机物质,例如芳香族化合物,表面活性剂,有机染料等。此外,超声预处理还具有以下优点:效率高,可控性好,处理均匀。在较高的超声辐射能量下,污泥絮凝物的颗粒尺寸变小,从而降低了污泥的边界效应。尽管再次有利于污泥的絮凝,但它会使污泥颗粒吸附大量的自由水,从而使污泥的脱水效果变差。另外,超声预处理的效果受超声强度,处理时间和工作频率的影响,并且作用机理复杂。有必要优化控制参数,以实现处理效率和能耗之间的平衡。

微波预处理通过大量加热实现污泥的预处理。与传统的传热加热方法不同,在微波处理过程中不会因传热而损失能量,并且加热速度快((约200°C / min),加热均匀,热效率高,响应灵敏等)。但是,由于微波预处理过程中污泥絮状物中蛋白质,多糖,核酸和其他高分子有机聚合物的释放,污泥的比电阻和黏度会增加,从而降低了污泥的可过滤性。

电渗析预处理受电场强度,溶液pH值,电极形状等因素的影响,电渗析设备具有脱水效率高,运行稳定性好,调理剂用量少等优点。然而,由于在电渗析过程中阴极和阳极之间的作用机理不同,因此存在缺点,例如两个电极之间的电阻率和脱水效率差异较大。

在热水解过程中,由于含水量高,比热容量大,传热效率低等特点,污泥在热水解过程中的传热和能耗均不均匀。高腐蚀和强腐蚀的特性限制了其大规模推广。当前的热水解技术主要用于污泥消化等相关领域。借助于污泥的热分解,有机聚合物降解产生的有机分子可以加速细菌和污泥的反应速度,从而增加甲烷的产生。 。

通常,单一的物理预处理方法有一定的局限性,污泥的物理预处理过程将与其他预处理方法结合使用以提高脱水效果。

4.2化学预处理

混凝预处理具有投药设备简单,操作方便,成本效益高等优点。同时,由于混凝剂种类繁多,有必要根据不同的加工条件选择合适的混凝剂类型。由于凝结剂对计量设备具有腐蚀性,因此需要根据实际情况更改剂量。

酸/碱预处理具有反应速度快,加药设备简单,控制方便的优点。然而,不同的酸/碱预处理方法具有不同的作用机理,对不同的污泥脱水效果影响更大。同时,酸碱预处理法还存在设备腐蚀等缺点,难以确定用量。

氧化预处理具有操作简单,设备投资相对较小,反应迅速的特点。同时,氧化预处理的剂量难以确定。当剂量相对较小时,不能达到氧化破坏污泥絮凝结构的目的,从而降低了污泥的脱水效果。当用量超过最佳用量时,会产生二次污染物,这与无害化处理的目标背道而驰,因此需要优化反应条件。

4.3组合预处理

目前,通过组合和处理提高污泥的脱水效果受到了广泛的关注。联合预处理方法可以减少或消除单一预处理方法的局限性,充分发挥每种预处理方法的优点,从而更好地提高污泥的脱水效果。但是,与单一预处理方法相比,目前的预处理方法存在设备复杂,能耗高,经济性差的问题,因此有必要对过程中涉及的控制参数进行优化,以充分发挥脱水潜力。每种预处理方法的改进,并提高了组合预处理方法的应用前景。

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