污泥加鈣二級處理的工藝基礎與應用
來源： 閱讀：4634 更新時間：2011-07-26 10:22介紹了脫水污泥加鈣二級處理的基本原理、工藝組成、國外有關研究與工程經驗，歸納了工藝主要影響因素，設計原則及注意事項。
關鍵詞：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用
污泥加鈣處理是脫水污泥進一步處理中最早得到應用的方法之一，由于工藝簡單，能耗低等原因，至今仍是污泥處理處置中的一個常用的手段。較為經典的應用分別是利用加入氧化鈣后PH和溫度的升高來實現污泥的殺菌；或利用添加氧化鈣及其他物質（如飛灰、水泥、碳酸鈣等）后污泥的固化效果來滿足污泥的填埋的工藝要求。另外，處理過程中選擇適宜的混合條件可有效改變污泥的性質，由致密、粘稠變成疏松、流動性能好、便于儲存和運輸的物料。
隨著污泥處理與利用的多樣性化，污泥加鈣二級處理的應用也相應拓寬，圖1根據污泥加鈣處理后物料性能的變化來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生如下反應：
1kgCaO+0.32kgH2O->1.32 kgCa(OH)2+1177kJ （1）
根據這一反應，每投加1公斤的氧化鈣有0.32的水被結合成為氫氧化鈣，反應所生成的熱約相當于蒸發約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合成固體物質氫氧化鈣，還有一部分得到蒸發。氧化鈣以及與水反應所生成的氫氧化鈣，會與污泥中的其他物質發生進一步的反應，如氫氧化鈣與空氣中CO2的反應：
1.32 kg Ca(OH)2 +0.78kg CO2 -> 1.78kg CaCO3 + 0.32 kg H2O + 2212 kJ （2）
這一反應會進一步增加固體物的總量、所產生的熱量也可以進一步蒸發一定的水分，進而增加處理后污泥的含固量。
脫水污泥成分復雜，除此上述主要反應外，氧化鈣、氫氧化鈣還可以與污泥中所含的SiO2、Al2O3、磷酸根等發生一系列反應，如
1.32 kg Ca(OH)2 +1.45 kg AlPO4 -> 1.84 Ca3(PO4)2 + 0.93 Al(OH)3 （3）
這些反應的最終結果會對脫水污泥產生以下效果:
(1)由于堿性物質的作用致使的PH植增高
(2)由于反應反熱導致污泥溫度升高
(3)反應生成物中結合了游離水,同時由于放熱反應,一部分游離的水被蒸發.
通過這些反應,污泥處理后可以達到以下目的:
（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程中的衛生安全性；
（2）脫水：由含水率80%-85%脫水到20%-80%（依氧化鈣投加量而定），實現半干化、固化的效果，便于后續處理處置；
（3）鈍化重金屬離子：投加一定量的氧化鈣使污泥成堿性，可以結合污泥中的部分金屬離子形成無害的化合物達到鈍化重金屬離子的效果；
（4）改性、顆粒化：從而改善儲存和運輸條件，避免二次飛灰、滲濾液泄漏；
3 溫度、含固量和硬度等參數的變化
3.1 溫度
根據氧化鈣與水的反應放熱（1）并考慮污泥中固體物和水的比熱，可以通過理論計算來推測反應后污泥的溫度增加（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，由于污泥成分復雜，除了主反應外，還有其他反應同時進行，會在一定程度上影響體系的溫度。另外式（3）并沒有考慮系統散熱和水分蒸發吸熱而帶來的溫度降低。所以特別是當氧化鈣加量大（此時反應放熱量較高）時實際溫度會明顯低于計算溫度。
3.2 含固率
根據氧化鈣與水的反應，可以計算污泥由反應（1）而產生的物體物質變化理論值。
 （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）沒有考慮反應放熱導致的水分蒸發。實際中，由于水分的蒸發以及其他的反應，含固率會不同程度地略高于計算值。
3.3 強度
處理后污泥的強度隨著加鈣量的增加而增加。由于污泥成分復雜，難于用計算公式對強度的增加進行推測。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處理后的固體物含量的影響外，對強度的增加也有明顯影響（參見式（3）），實際當中通常有化學除磷的污水處理廠的污泥，在同樣的加鈣量下處理后的強度高于其他污泥。
3.4 關于總量的變化及含固率、有機分的測定
處理中，當加鈣量較高時，污泥中干物質總量會顯著增加。如根據式（1），含水80%的污泥，加入15%的氧化鈣時，干物質的總量增加約一倍。但與此同時，污泥中的水被結合以及還有一部分水被蒸發，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總量的增加。
實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）測定中常常會出現誤差，測量得到的數值高于真實的實際值。這是因為試樣的烘干過程中，樣品中所含有的氫氧化鈣與空氣中的CO2反應生成造成碳酸鈣（參見反應式（2））。采用真空干燥會避免這一影響。
同樣的現象會出現在固體物中的有機分（或灰分）的測定中，雖然在600oC時有機物會被分解，但分解過程中所放出的CO2會與氫氧化鈣反應生成碳酸鈣，從而增加了所測到的灰分含量。
4 反應速度及過程影響因素
通過檢測加鈣后系統溫度升高的速度，可以間接觀察不同品質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），同樣攪拌條件下發現，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的時間相差約10分鐘。這表明污泥水中的濁度明顯延緩了反應速度。
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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對脫水污泥進行實驗，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80分鐘后才開始變緩或下降。對照圖2，由于污泥的存在，污泥中的水與氧化鈣粉末或粉末團之間的傳質速度遠低于攪拌條件下氧化鈣粉末與污泥濾液的反應速度。
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脫水污泥是一個粘稠、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最重要的環節。North等[i]對同樣的污泥來源（華盛頓污水處理廠）用兩種不同的工藝條件處理并對處理后的污泥進行微觀形態學分析，發現氧化鈣與污泥的結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。華盛頓污水處理廠通過改進混合技術與條件，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果顯示，污泥加鈣處理反應過程的影響因素有以下幾個方面：
（1）氧化鈣本身的活性受純度、粒度、比表面積等影響，通過選擇高活性的氫氧化鈣，可以加速反應。
（2）由于污泥的特殊性，反應是一個緩慢的過程，遠低于與純水的反應速度。
（3）混合后氧化鈣在微觀上與污泥的混合程度及分散度對反應很重要，加入的氧化鈣在污泥中的分散度越高，對提高反應速度和節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時間較長，但從微觀上看，氧化鈣一旦與污泥接觸反應就開始進行。所以工程實施中的基本原則為：
（1）對污泥-水-氧化鈣這樣一個體系，應在盡量短的時間內使氧化鈣粉末盡量均勻地與污泥混合，盡快實現接觸表面的最大化；
（2）由于污泥的觸變性以及污泥-水-氧化鈣體系的傳質是反應速度的控制步驟，過程中應盡量避免“擠壓”，盡量在“柔和”的條件下進行，以便保護污泥自有的較松散結構并有利于粉料與污泥的混合與擴散（參見德國廢水協會ATV污泥手冊4）。
（3）由于整個反應進行較慢，混合后反應仍將持續一段時間，污泥在后續的輸送過程及堆積過程中仍在進一步反應，設計中應優化工藝條件有利于污泥的后續反應及水蒸汽的蒸發。
North等介紹了華盛頓污水處理廠污泥加鈣處理工藝優化的實施[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輸送過程中的停留時間為進一步的反應提供有利條件。
5.2 工藝組成
污泥加鈣處理的工藝主要有以下幾個部分組成（參見圖5）：
（1） 脫水污泥給料
（2） 氧化鈣計量投加系統，
（3） 混合反應系統
（4） 處理后污泥出料輸送系統
（5） 蒸發氣體凈化（主要是針對加鈣量較高的應用場合）
機械脫水設備出來的污泥最好直接進入混合反應設備，因為一般脫水設備出來的污泥在量上較為穩定，通常不再進行在線計量，直接進入混合反應器。
氧化鈣經過計量輸送設備后，進入混合反應設備。
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在加鈣量較高時，會有明顯的氨氣蒸發，需要實施廢氣凈化單元。
值得說明的是，在很多情況下也可以向污泥中混入多種物料，如當處理污泥后進行填埋時，可以污泥中添加飛灰和少量水泥，達到節省氧化鈣和增加強度的效果。
6 工程實施案例
下面介紹一個德國的污水處理廠加鈣二級處理[i]，系統設計和實施中為了適應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） 向機械作用的流化床混合反應器中加入石灰
（2） 混合設備：機械驅動流化床混合器
（3） 石灰：細生石灰，CaO含量>90％
（4） 污泥含固率：約23％
（5） 設計的處理后污泥含固率：可在23－80％之間自由選擇
污泥從脫水機出來后經螺桿輸送至混合反應器的污泥入口。存放在料倉中的石灰由螺桿輸送至中間儲料罐，該儲料罐與石灰計量加料裝置配套，將氧化鈣粉末加入混合反應器的粉料入口。
密閉的混合反應器中安裝有特殊的混合元件，通過機械力將污泥拋起并使其分散，形成一個流化床的效果，在疏松的狀態下與氧化鈣相混合[ii]。為了避免部分物料短路行進到物料出口，攪拌元件始終將向反應器出口移動的物料的三分之二拋向進口方向，形成走三步退兩步的效果，以保證體系的均勻混合。混合反應器上方配置有氣體出口，可將反應中產生的水蒸氣引出。物料在混合反應器的停留時間約1分鐘。處理后的物料被輸送至卡車或就地堆積。
污泥經不同加鈣量的處理后的外觀變化參見圖6。部分分析數據參見表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
（與圖6對應））
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石灰與污泥的重量比
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溫度
（處理后30分鐘測量）
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在相應時間后的含固率
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pH值
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50小時
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一周
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1
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2%
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28℃
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30.8%
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33.1%
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12.5
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2
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4.6%
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30℃
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35.9%
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38.0%
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12.6
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3
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6.9%
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43℃
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39.2%
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41.4%
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12.6
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4
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9%
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45℃
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48.1%
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未測
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12.6
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5
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11%
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58℃
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51.7%
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未測
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12.6
|
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6
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14.4%
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59℃
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54.8%
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未測
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12.6
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實際運行中，加鈣量在5%時，可以滿足農用的殺菌要求，在10%時可以滿足填埋場填埋工藝要求。
6、小結
隨著城市污水處理的發展，污泥的安全處置與利用已經成為一個急待解決的問題。
加鈣處理是歷史上脫水污泥進一步處理中最早采用的手段之一，至今仍在得到應用。由于工藝較老，所以近十多年來相關的科技文獻較少。本文旨在介紹一些典型的研究結果來說明這一技術雖然沒有直接實現減量化，但可以用較低的成本和簡單的工藝實現半干化、固化和殺菌的作用，并同時改善污泥的特性便于儲存與運輸。很多情況下該工藝是污泥應用于農業、林業、衛生填埋、水泥、建材利用和異地焚燒的一個較有效的預處理手段。
已有的研究與工程經驗表明，污泥-水-氧化鈣的傳質是該處理方法的速度、質量控制環節。從工藝角度，應該在盡量短的時間內實現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度和時間需要控制。工程上在實現污泥與氧化鈣的充分混合后需要優化后續的輸送與儲運。
參考文獻
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