基于骨架构建体污泥脱水及其泥饼固化体土工性能

中国环境学会  2011年 06月22日


  杨家宽1,杨晓1,李亚林1,梁梅1,张铭1,何姝2,杨恋2
  1. 华中科技大学 环境科学与工程学院,湖北 武汉 430074;

        2. 宇星科技发展(深圳)有限公司 广东 深圳 518057
   
  摘  要:以原污泥为研究对象,添加粉煤灰、石灰等无机复合调理剂进行污泥脱水实验及比阻测定,脱水泥饼进行了土工性能测试。实验结果表明,添加粉煤灰与石灰,起骨架构建体作用,比阻从原污泥的109 s2/g降低2个数量级,可以显著改善污泥脱水性能。脱水后的泥饼,在不外掺水泥等其他固化剂的条件下,对泥饼固化体的最大干密度、渗透系数、无侧限抗压强度等土工性能进行了测试研究,为固化泥饼的填埋处置提供了依据。
  关键词:污泥脱水;骨架构建体;污泥固化;土工试验
   
  Dewatering of sewage sludge with skeleton builder and engineering properties of dewatered sludge
  Yang Jia-kuan1, Yang Xiao1, Li Ya-lin1, Liang Mei1, Zhang Ming1, He Shu2, Yang Lian2
  (1. School of Environmental Science and Engineering, Wuhan 430074, China; 2. Universtar Science & Technology (Shenzhen) Co., Ltd., Shenzheng 518057, China)
  Abstract: Raw sewage sludge was dewatered with conditioners of fly ash and quick lime, and specific resistance to filtration (SRF) was investigated. Soil tests were carried out on dewatered sludge. Results showed that fly ash and lime acted as skeleton builders for conditioning sewage sludge. SRF of sludge decreased from 109 s2/g of raw sludge to 107 s2/g of conditioning sludge. It was indicated that fly ash and lime could improve the dewatering properties of sludge. Moreover, physical properties of dewatered sludge were tested, i.e. maximum dry density, permeability coefficient, and unconfined compressive strength, which provided experimental support for landfill disposal of dewatered sludge.
  Keywords: sludge dewatering; skeleton builder; solidification of sludge; soil test
   
  为了使机械脱水污泥达到填埋场的要求,固化处理是常用的方法。现有污泥固化研究一般是以70~85%的高分子絮凝脱水泥饼作为研究对象,外加水泥、粉煤灰、石灰等无机材料作为固化剂[1-4]。由于泥饼含水率高,固化剂加入后搅拌过程中污泥很容易团块化,导致固化剂分散不均,降低固化效果。
  水泥、粉煤灰、石灰等无机材料本身可以作为污泥脱水的物理调理剂,起骨架构建体作用,改善污泥的可压缩性问题,提高污泥的脱水性能[5-6]。本文以污水处理厂原污泥为研究的起始物,将石灰、粉煤灰作为骨架构建体进行污泥脱水实验研究,同时对后续的脱水泥饼固化后的土工性能进行测试,为基于骨架构建体的污泥脱水与固化填埋的一体化技术提供初步实验依据。
   
  1 试验材料及方法


  1.1 污泥来源及基本特性
  原污泥样品取自武汉市龙王嘴污水处理厂初沉池和二沉池排出的混合污泥。该污水处理厂处理规模为15万m3/d,采用活性法A2-O工艺。实验所用原污泥基本特性见表1。
  表1 原污泥的基本特性
  Tab 1 Characteristics of raw sewage sludge

  pH

含水率

/%

DOC

/(mg·L-1)

COD

/(mg·L-1)

SCOD

/(mg·L-1)

TSS

/(g·L-1)

VSS

/(g·L-1)

6.72

98.5%

548.8

13090.6

252.2

13.0

7.5


  1.2 无机调理剂
  粉煤灰是一种常用的无机调理剂,取自河南平顶山某燃煤电厂提供的一级粉煤灰。生石灰为建筑石灰,有效氧化钙为60.0%。
   
  1.3 污泥真空抽滤脱水及比阻测定
  污泥调理实验:取200 mL污泥置于500 mL烧杯中,按配比加入无机调理剂,采用DBJ-621型定时变速六联搅拌机进行搅拌,设置快速(200 r/min)搅拌15 s,慢速(50 r/min)搅拌15 min,取100 mL搅拌均匀后的混合液进行比阻测试。
  采用自制实验装置进行真空抽滤脱水及比阻实验测量。污泥比阻的计算方法根据卡门公式[7]。
   
  1.4 板框压滤脱水实验
  在上述比阻测定实验的基础上,自制板框压滤脱水实验装置,进行污泥放大脱水实验。实验装置照片见图1。将粉煤灰和石灰按一定配比加入污泥中,快速(200 r/min)搅拌15 s,慢速(50 r/min)搅拌15 min后进行板框压滤脱水,恒压脱水时压力保持在0.4 MPa。
   
  1.5 脱水泥饼土工试验
  污泥板框压滤脱水泥饼进行土工试验测试,试验方法均参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)进行。
   
  2 结果与讨论


  2.1 真空抽滤脱水及比阻测定结果
  在前期初步探索实验中发现粉煤灰与石灰联合投加对污泥调理后脱水性能改善效果显著[8]。本实验方案中,粉煤灰和生石灰的等投加量联合投加进行污泥调理-真空抽滤脱水实验,其对应脱水滤液pH与COD见表2,比阻变化见图2。
  表2 污泥真空抽滤脱水实验结果
  Tab 2 Experimental results of sludge dewatering with the vacuum filter

  编号

粉煤灰投加量

/(g·L-1)

生石灰投加量

(g·L-1)

滤液pH

滤液COD

/(mg·L-1)

T1

0

0

6.72

252.20

T2

10

10

12.22

371.33

T3

20

20

12.20

398.00

T4

30

30

12.24

533.86

T5

40

40

12.24

531.33

T6

50

50

12.24

591.33

  从表2可以看出,当加入粉煤灰和生石灰后,滤液的pH值增大,随着投加量的增加并基本保持稳定在12左右。当粉煤灰和生石灰的投加量在0-30 g/L范围增加时,COD逐渐增大;当粉煤灰和生石灰的投加量在30-50 g/L变化时,COD趋于稳定。因此,添加粉煤灰与石灰无机调理剂,能够明显增加污泥调理液的pH值;另外压滤过程中能够破坏污泥有机絮体结构,部分有机物溶解到滤液中。
  从图2可以看出,当粉煤灰和生石灰的投加量增加时,比阻逐渐变小。当粉煤灰和生石灰投加量均为30 g/L时,污泥比阻从原污泥的109 s2/g降至107 s2/g,降低2个数量级。当粉煤灰和生石灰的投加量均大于30 g/L后,比阻随着投加量的增加变化不明显。
   
  2.2 板框压滤脱水实验结果
  在上述比阻实验基础上,进行了等投加量粉煤灰/石灰复合调理的板框压滤脱水实验。粉煤灰/石灰的等投加量分别设计为10 g/L、20 g/L、30 g/L、40 g/L、50 g/L。脱水后泥饼含水率结果见图3。从图3可以看出,随着粉煤灰/生石灰投加量的增加,泥饼含水率直线下降,当粉煤灰和生石灰投加量均为50 g/L时,泥饼含水率可降至45%。
   
  2.3 脱水泥饼土工性能测试结果
  对3种不同配比(T4、T5、T6)板框脱水的泥饼进行土工性能实验。按照土工试验规程,先进行击实试验,获得不同配比泥饼的最佳含水率和最大干密度。以T5为例,脱水泥饼的干密度与含水率关系曲线如图5所示。然后按照最佳含水率和最大干密度参数条件制样,进行渗透系数测定以及7 d无侧限抗压强度的测定。脱水泥饼的土工试验性能结果总结于表3。
  表3 脱水泥饼土工性能试验结果
  Tab 3 Results of physical properties of different dewatered sludge specimens

  配方

最佳含水率

/%

最大干密度

/(g·cm-3)

渗透系数

/(cm·s-1)

7 d无侧限抗压强度

/kPa

T4

35.0

1.166

3.8×10-7

118.4

T5

32.5

1.168

3.1×10-7

190.2

T6

34.5

1.188

1.5×10-7

268.5

  从表3可以看出,不同调理剂投加量下,最大干密度和最佳含水率变化不明显。泥饼的渗透系数很小,数量级都在10-7 cm·s-1,随着调理剂投加量增加,渗透系数略有减小。脱水泥饼固化体试件7 d无侧限抗压强度均在100 kPa以上,超过了填埋要求,即无侧限抗压强度≥50 MPa[9]。随着粉煤灰与石灰投加量的增加,7 d无侧限抗压强度有明显增加的趋势。
  结合污泥脱水和脱水泥饼固化效果来看,粉煤灰和石灰不但在污泥脱水中作为无机复合调理剂,在机械压滤中发挥骨架构建体作用,显著降低比阻,明显改善污泥脱水性能。而且粉煤灰和石灰能够均匀分散在脱水泥饼中,改善污泥的自然干化中水份的挥发性能,在20 ℃左右的室温条件下,自然存放1周,泥饼的含水率能够从初始含水率65%左右降低到45%以下。另外,粉煤灰中的活性SiO2和活性Al2O3在石灰和水的作用下,能够发生类似火山灰的水化反应,生成C-S-H等水化产物,起到类似水泥固化的效果。其水化反应可以用下列方程式表示[10]。因此,脱水泥饼在不再外掺水泥等固化剂条件下,也具有较高的早期强度。
  xCa(OH)2 + SiO2 + mH2O → xCaO·SiO2·nH2O              (1) 
  xCa(OH)2+ Al2O3 + mH2O → xCaO·Al2O3·nH2O           (2)
   
  3 结论


      在污泥中添加粉煤灰与石灰作为无机复合调理剂,起骨架构建体作用,能够将原污泥的比阻从109 s2/g降低到107 s2/g,有效改善污泥脱水性能。脱水泥饼在不再添加水泥等其他固化剂条件下,脱水泥饼进行土工性能测试,脱水泥饼固化体试件7 d无侧限抗压强度均在100 kPa以上,显示出较好的早期强度。试验结果初步证明了基于骨架构建体的污泥脱水与固化填埋的一体化技术的可行性。
   
  参考文献
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