introductory

城市污泥是城市生活污水處理過程中產生的固體廢物，其主要特性是有機物含量高，含有相當的熱值，其熱值為煤炭的1/3~1/2,含水率高且不易脫水“句。同時，污泥中往往還含有一些有毒有害難降解的有機物、寄生蟲（卵）、致病微生物及重金屬等。若不加以適當處置，這些有害物質將在污泥排放后通過各種途徑給生態環境、人類以及動物的健康帶來嚴重危害。我國目前污泥處置方式中，土地填埋占65%,堆肥占15%,污泥自然干化占6%,污泥焚燒占3%,污泥露天堆放和外運等占11%,事實上，土地填埋、污泥露天堆放和外運絕大部分屬隨意處置，真正實現安全處置的比例不超過25%污泥未能妥善處置引起的污染與二次污染問題突顯，對生態環境造成威脅，引起了社會各界的關注，而在發達國家（如美國、日本），污泥填埋的比例不斷減少（W15%）,而污泥的資源化利用的比例迅速增加（＞85%）,資源化利用已成為發達國家處理城市污泥最主要的措施。

城市污泥水分高，脫水困難是制約污泥資源化利用的共性技術難題。因此，污泥脫水方法與技術成為目前城市污泥資源化利用領域的研究熱點與難點。作者所在研究團隊在污泥的能源化利用中發現：用半焦對城市污泥調質能顯著改善污泥的脫水性能,真空抽濾脫水泥餅含水率由原污泥的76.02%降低至調質后61.14%”‘J,但其水分依然較高，不能滿足污泥資源化利用的要求（W40%）。考慮到機械壓濾是實現污泥深度脫水的有效方法，目前有一些污水處理廠采用板框壓濾脫水設備對經化學藥劑（如PAM、PAC.H2O2,FeCl3等）調質的城市污泥進行壓濾脫水，泥餅含水率從現有的80%左右降至60%左右，實現了城市污泥的減量化,為此，作者所在研究團隊進行了基于半焦的城市污泥調質與機械壓濾脫水研究，發現采用半焦調質城市污泥和機械壓濾脫水方法能將半焦調質城市污泥機械壓濾脫水泥餅的水分降至35%以下，且脫水后的泥餅可直接燃燒發電。

實驗部分

1.1實驗材料及儀器

城市污泥取自湖南省株洲市白石港水質凈化中心，系生活污水經活性污泥法處理后的剩余污泥，其含水率為95%,污泥的粒徑由激光粒度分布儀測定，主要分布在1-174微米,平均粒徑為30微米：將內蒙古褐煤在500℃下熱解1.5h得到半焦，半焦的粒徑由激光粒度分布儀測定，粒徑在1~200微米,平均粒徑為45微米半焦及城市污泥的工業分析結果。

主要儀器與設備：2XZ-2型片式真空泵；101-1型電熱鼓風干燥箱；GZ-12。型攪拌器；BT-2002激光粒度分布儀;WS-G606型自動工業分析儀;WS-C503型量熱儀；RFP-03型智能測力儀。

1.2實驗方法

1.2.1城市污泥的調質

用量筒量取100mL的城市污泥置于250mL的燒杯中，加入一定量的半焦，用攪拌器對其進行攪拌（轉速為240r/min）,污泥與半焦在攪拌條件下相互作用10min,完成半焦對城市污泥的調質。

1.2.2城市污泥真空抽濾脫水

首先將巾9cm的濾紙平鋪于布氏漏斗中，然后將一定量的污泥迅速轉移到布氏漏斗中，打開真空泵，調節真空度為-0.08MPa進行污泥真空抽濾脫水。待真空度改變、泥餅開裂時關掉真空泵，取出泥餅供污泥壓濾脫水實驗使用。

1.2.3城市污泥機械壓濾脫水實驗

城市污泥機械壓濾脫水實驗裝置如圖1所示。首先稱取經真空抽濾脫水后的泥餅10g放入濾布袋（濾布的平均孔徑300目）中，然后將裝有污泥泥餅的濾布袋放入卡槽中，并將卡槽置于底座上開始污泥機械壓濾脫水實驗。通過儀器的程序控制面板設定壓濾壓力，儀器達到指定壓力后恒壓10min后卸壓，取出污泥濾餅，完成城市污泥壓濾脫水實驗。

1.2.4壓榨污泥濾餅含水率的測定

將蒸發皿預先放置在溫度為105t的鼓風干燥箱內干燥30min后取出，并置于干燥器內冷卻至室溫，稱量并記錄干燥的蒸發皿的質量砰；取經機械壓榨后的污泥濾餅置于干燥的蒸發皿上稱量，記錄污泥濾餅與蒸發皿的總質量m；并將其放入105Y的鼓風干燥箱內干燥3h；取出蒸發皿放置在干燥器中冷卻至室溫，稱量，并記錄蒸發皿和干燥后污泥濾餅的總質量；重復上述干燥、冷卻、稱量步驟，直至干燥的污泥濾餅質量至恒重，記錄此時干燥的污泥濾餅的質量。

2.1半焦添加量對城市污泥調質與機械壓濾脫水泥餅含水率的影響

為了探討半焦添加量對城市污泥調質與機械壓濾脫水泥餅含水率的影響，在相同壓榨壓力（1.6MPa）、相同城市污泥量（100mL,干泥量為5g）下,改變半焦的添加量（分別為1,2,3,4,5g）進行城市污泥經半焦調質后的機械壓濾脫水實驗，壓濾脫水泥餅的含水率與半焦添加量的關系見圖2。可知：當半焦添加量為0g/100mL污泥時，壓濾泥餅含水率為73.18%,當半焦添加量為Ig/10。mL污泥時，濾餅含水率下降到52.30%,相比未添加半焦的原污泥濾餅的含水率下降了20.88%,表明半焦調質城市污泥對城市污泥深度脫水有顯著效果。當半焦添加量由1g/100mL污泥增加到3g/100mL污泥時，濾餅含水率由52.30%下降到45.50%,下降過程較緩慢，泥餅水分下降率為13%,說明半焦添加量對污泥調質與機械壓濾脫水有一定效果，但變化趨勢平緩；當半焦添加量從3g/100mL污泥增加到4g/100mL污泥時，濾餅含水率從45.50%降低到32.19%,泥餅水分下降率為29%,壓濾泥餅含水率下降趨勢顯著；當半焦添加量為5g/100mL污泥時，壓濾泥餅含水率為30.30%,相比添加量為4g/100mL污泥時的壓濾泥餅含水率略有下降，二者壓濾泥餅含水率僅相差1.89%。

上述實驗結果表明：隨著半焦添加量的增加，壓濾泥餅含水率降低，其變化趨勢非線性而呈臺階式。究其原因：

1）半焦能顯著改善城市污泥的脫水性能因而，當其添加量由0g/100mL污泥增加到1g/100mL污泥時，壓濾泥餅含水率急劇降低（由73.18%降低到52.3%）；

2）半焦添加量為4g/100mL污泥時，半焦對城市污泥調質處于較理想狀態，導致濾餅含水率降幅最大。綜合考慮半焦的成本和城市污泥直接能源化利用的可行性，適宜的半焦添加量為4g/100mL污泥，故后續實驗采用半焦最佳添加量為4g/100mL污泥，即干基污泥：半焦的質量比為1：0.8。

2.2壓榨壓力對城市污泥調質前后機械壓濾泥餅含水率的影響

為揭示壓榨壓力對城市污泥經半焦調質前后的機械壓濾脫水泥餅含水率的影響，在相同城市污泥量（100mL）、半焦添加量（4g）下，改變壓榨壓力（分別為0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0MPa）進行城市污泥機械壓濾脫水實驗，污泥機械壓濾脫水泥餅含水率與壓力的關系所示。可知：未經半焦調質的原污泥機械壓濾脫水濾餅含水率隨著壓力的增加而降低。壓力從0.2MPa增加到0.6MPa時，原污泥濾餅含水率由82.21%降低到77.98%,表明在機械壓濾脫水的實驗中，增加壓力對降低污泥濾餅的含水率有一定效果，但此時濾餅含水率仍然較高，脫水效果不佳。當壓力從0.6MPa增加到1.2MPa時，原污泥濾餅含水率從77.98%降低到75.97%,此下降過程較平緩，原污泥濾餅含水率變化不大。當壓力從1.2MPa增加到2.0MPa時，原污泥濾餅含水率由75.97%降低到70.86%,原污泥濾餅的含水率下降趨勢變快，但是此時仍不能滿足城市污泥直接能源化利用的要求。總體來看，壓榨壓力對原污泥的深度脫水效果非常有限，與現行的城市污泥脫水生產實際相吻合，這可能是由于原污泥顆粒細密，在經過機械壓榨形成泥餅后，易堵塞輸水通道，導致原污泥濾餅多孔性不強，阻礙了分子吸附水脫離污泥顆粒，同時導致原污泥濾餅有較大的可壓縮性。隨著壓力的增加泥餅易變形，因此其滲透性低，脫水能力差，因此原污泥泥餅經在2.0MPa壓力壓濾后，泥餅含水率也仍然較高。但壓榨壓力對經半焦調質后的城市污泥的深度脫水效果有良好表現：當壓力從0.2MPa增加到0.6MPa時，經半焦調質后的城市污泥濾餅含水率呈穩定下降趨勢，污泥濾餅含水率由67.14%降低到58.72%O當壓力從0.6MPa增加到1.6MPa時，污泥濾餅含水率由58.72%迅速降低到32.19%,趨勢顯著。當壓力＞1.6MPa時，污泥濾餅的含水率隨著壓力的增加繼續降低，但是下降趨勢平緩，壓力為1.6MPa時污泥濾餅含水率與2.0MPa時污泥濾餅含水率僅相差3.06百分點。

可知，壓榨壓力對經半焦調質后的城市污泥深度脫水有顯著效果，隨著壓力的增加，機械壓濾泥餅的含水率變化趨勢由穩定降低-急劇降低-非常平緩稍有降低，其可能原因如下：

1）半焦調質城市污泥能顯著改善污泥的脫水性能，降低污泥顆粒對水分子的束縛力，從而在一定壓力條件下能克服污泥顆粒對絕大部分水分子的束縛力而將水釋放出來；

2）污泥顆粒的結合水以毛細結合水、分子吸附水和分子結合水3種形態賦存，污泥顆粒對水分子束縛力是上述污泥毛細結合力、分子吸附力和分子鍵合力的總和,但三者中毛細結合力〈分子吸附力，分子鍵合力，因此在施加壓力脫水時，優先脫除的是毛細結合水，其次是分子吸附水，而分子結合水以分子鍵鍵合，基本上不能脫除，導致機械壓濾泥餅含水率隨著壓力增加而呈穩定降低-急劇降低-非常平緩稍有降低趨勢。兼顧城市污泥機械脫水泥餅含水率目標及生產能耗，選擇1.6MPa作為半焦調質城市污泥機械壓濾脫水壓力。

總之,采用半焦調質城市污泥和機械壓濾脫水的方法，能實現城市污泥深度脫水。當半焦添加量為4g/100mL城市污泥（含水率95%）,壓榨壓力為1.6MPa時，城市污泥機械壓濾脫水泥餅的含水率可由現行80%左右降低到32.19%,大大提升了污泥資源利用的可行性。

3基于半焦的城市污泥調質與機械壓濾脫水半工業試驗

為驗證半焦調質城市污泥和機械壓濾脫水一體化技術對城市污泥深度脫水的效果，評價其推廣應用前景，在珠海科創環境資源有限公司進行了半工業試驗。

3.1試驗設備與主要材料

Diaphragm plate and frame filter press：隔膜板5塊，規格為1.0mx1.0mx0.09m,壓濾壓力W1.8MPa。污泥給料泵：給料壓力W1.0MPa,污泥調理罐：4m3帶攪拌裝置。濾布：0.8mx0.8m,濾布的平均孔徑為300目，污泥：珠海市前山污水處理廠，系污水經活性污泥法處理后的剩余污泥經機械脫水后的污泥，含水率80%。半焦：粒度≤0.01mm,平均粒徑45微米。

3.2操作歩驟

首先，將0.5m3的水放入污泥調理罐中，稱取150kg污泥投入調理罐中同時攪拌，將80%含水污泥調配成含水率為95.38%的城市污泥，隨后向調理罐中投加24kg的半焦，調理攪拌20min,得到濃度為6.51%的半焦調質城市污泥。再啟動隔膜板框filter press開始壓濾脫水，設定給料壓力為L0MPa,給料時間為60min,壓濾壓力為1.6MPa,壓濾時間為40min,污泥壓濾脫水完成后，得到壓濾脫水泥餅供后續分析測試使用。

3.3實驗結果與應用前景

珠海前山污水處理廠污泥經半焦調質與機械壓濾脫水后的泥餅含水率的檢測結果為31.89%,與相同壓濾實驗條件下的實驗室實驗結果（32.19%）基本吻合，證明半焦調質城市污泥+機械壓濾脫水能實現城市污泥深度脫水。由于半焦具有孔隙發達、吸附性能強、疏水性能強、熱值高等特點，用半焦對城市污泥調質，不僅能顯著改善城市污泥的脫水性能，顯著降低污泥機械壓濾脫水泥餅的含水率，還能顯著提高污泥的熱值。由表2可知：珠海前山壓濾泥餅的熱值由原污泥的7.82MJ/kg提高到15.29MJ/kg,可直接代替煤炭燃燒發電、實現城市污泥的高效能源化利用。因此，基于半焦的城市污泥調質與機械壓濾脫水技術可為實現城市污泥能源化利用提供有力的技術支持，具有廣闊的應用前景。4結論

1)半焦添加量對基于半焦的城市污泥調質與機械壓濾脫水效果有顯著影響，在相同壓濾條件下，機械壓濾泥餅含水率隨著半焦添加量的增加而降低，適宜的半焦添加量為4g/100mL污泥(對應含水率為95%)。

2)壓榨壓力對原污泥的機械壓濾脫水泥餅含水率的影響有限。在相同壓濾條件下，壓濾泥餅含水率隨著壓榨壓力的增加而降低，當壓力為2.0MPa時，原污泥壓濾泥餅含水率依然高達70.86%；壓榨壓力對經半焦調質城市污泥的機械壓濾脫水泥餅含水率有顯著影響，隨著壓力的增加，機械壓濾泥餅的含水率降低，但其變化趨勢由穩定降低(0.2~0.6MPa時)一急劇降低(0.6~1.6MPa時)一緩慢降低(1.6-2.0MPa時)，當壓力為1.6MPa時，污泥濾餅含水率可降低到32.19%。

3)采用半焦調質城市污泥+機械壓濾脫水的方法，能實現城市污泥深度脫水。當半焦添加量為4g/100mL城市污泥(對應含水率95%),壓榨壓力為16.0MPa時，城市污泥機械壓濾脫水泥餅的含水率由現行80%左右降低到32%左右,有利于污泥的后續資源化利用。

4)基于半焦的城市污泥調質與機械壓濾脫水的半工業試驗結果顯示：珠海前山污泥經半焦調質與機械壓濾脫水后的泥餅含水率為31.89%,與相同壓濾實驗條件下的實驗室實驗結果(32.19%)基本吻合，驗證了該技術路線的有效性。同時發現，前山壓濾泥餅的熱值由原污泥的7.82MJ/kg提高到15.29MJ/kg,可直接代替煤炭燃燒發電，為實現城市污泥的高效能源化利用創造了條件。