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水热改性污泥的水分布特征与脱水性能研究(下)  

2017-12-01 07:19:02|  分类: 废水污泥处理和资 |  标签: |举报 |字号 订阅

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水热处理释放了污泥中的束缚水,脱水泥饼中的束缚水、自由水和固体含量的相对比例发生明显变化。图6给出了脱水泥饼中固体、自由水及束缚水的组成分布。可以看出,水热处理后,脱水泥饼中的束缚水比例大幅降低,由未处理污泥泥饼的70%降低约至30%?40%之间,自由水的比例一直保持在10%左右,没有显著的变化,可见脱水泥饼中的自由水是脱水操作过程中由于设备等引起的没有去除的自由水,与污泥的性质基本无关。自由水被机械力去除的效率取决于设备类型和能耗的因素,这些可以通过改进脱水设备和工艺来改进;非自由水(束缚水)由于与污泥中的固体具有较强的结合力而不能被常规的机械力分离,也就是无法进一步降低机械脱水泥饼含水率的原因。这也可由泥饼中水分组成变化情况来证明。水热处理后泥饼中的固体含量由原来的20%增加至50% ?60%之间,可见泥饼中总固体含量的上升和总含水率的下降的决定性因素是束缚水含量的变化,束缚水含量决定了污泥的脱水效果,污泥水热处理将污泥中的束缚水含量大大降低,从而极大地改善了污泥脱水效果,使脱水泥饼含水率降低。

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2.3 水热条件下污泥固体颗粒对水束缚强度的变化

污泥固体颗粒的巨大表面积对水分具有吸持力,降低了水分的自由能[21,22],这部分能量正是由于固体表面对水分的束缚作用引起。利用DSC的热力学实验可以考察这部分能量的变化,其作用强度定义为束缚强度EB[23,24]

根据Lee等[6]的理论,污泥中的束缚水在热力学中定义为液相体系,一种含有nB (mol)溶质和nA (mol)水的理想溶液,其化学势由于束缚强度EB的存在而减少。假设束缚水在某极限温度Tsh以上都不结冻,可认为在温度Tsh下结冰的固相水与未结冰的束缚水热力学平衡。

在0Tf)、1.013× 105 Pa的标准状态下,纯水的固态和液态平衡,能态为G0。束缚水的固相吉布斯自由能Gs及其液相偏摩尔自由能水热改性污泥的水分布特征与脱水性能研究(下) - 不在眉头愁 - 吉建斌的网易博客在1.013× 105 Pa及Tsh下可以表示为:

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在冰和束缚水之间的能量状态平衡,自由能改变换算成:

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假定为稀溶液(水热改性污泥的水分布特征与脱水性能研究(下) - 不在眉头愁 - 吉建斌的网易博客),将式(1)和式(2)积分后代入式(3),得到:

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固液相平衡,存在:

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假设温度变化很小,并且溶液浓度很低,式(4)、式(5)联立可得:

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式中,XB = nB/(nA + nB)。

公式(6)描述了束缚水冰点的降低来源于两方面,即溶液中溶质的存在和束缚强度的存在。溶质的存在也会降低水分的自由能,这部分能量水平成为溶质势;但由于研究污泥中水分脱水过程中的行为时,并不存在污泥溶液通过半透膜的过程,所以忽略这部分的势能影响,认为XB= 0。设定极限温度Tsh= ?60XB= 0,对不同的污泥泥饼进行DSC实验(实验条件与测束缚水实验相同),得到Tf0ΔHf,由公式(6)可以得到原污泥脱水泥饼以及水热改性污泥的水分束缚强度EB,结果见表2。

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污泥束缚强度是影响污泥脱水能耗的重要因素[25]。从表2可以看出,不同污泥的处理条件下脱水泥饼的含水率不同,泥饼最终的束缚水含量也不同,但最终的束缚强度基本在同一水平,说明压滤脱水所能克服的能量状态是相同的。另外极限温度的设定对于束缚强度的测定有一定影响,Lee等[6]的研究表明在Tsh = ?4时,束缚强度为4.9 kJ/kg;Tsh = ?24时,束缚强度为29.4 kJ/kg;Tsh = ?46时,束缚强度为50.87 kJ/kg,可见极限温度越低,定义下的束缚强度越大。

2.4 污泥水热处理的脱水特性

对污泥进行170下不同处理时间及不同温度下30 min的水热处理,再进行压滤脱水,考察污泥的脱水性能。如图7所示,污泥经170水热处理后泥饼含水率呈现了显著的下降,随热处理时间的延长而下降的幅度降低,与未处理污泥脱水泥饼含水率80%相比,处理后污泥脱水泥饼的含水率均降低至50%以下。温度是影响污泥热水解反应的重要因素,随温度的增加表现为有机物溶解率的增大,引起脱水后污泥含水率的下降,如图8所示。随着水热处理温度的增加,污泥脱水的泥饼含水率有显著的降低,在170时降低至50%以下。水热处理的温度条件变化与时间条件变化相比,对污泥的脱水性能影响更大。

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3 结论

(1)利用DSC实验可以测得污泥中的束缚水含量,污泥中的束缚水在常规机械脱水作用下无法去除,自由水可去除。束缚水的含量决定了污泥脱水的效果。

(2)污泥经过水热改性处理后,其单位固体颗粒的束缚水含量由3.6 g/g降低至1.0 g/g以下,相应的压滤实验验证其脱水性能得到了改善,泥饼含水率由80%降低至50%左右,其决定性原因是由于水热处理使污泥中大部分的束缚水转变为自由水。

(3)泥饼的组成中自由水的含量基本不变,这部分自由水的存在与污泥的性质及其处理无关,而是由脱水装置的效率决定的,束缚水含量的变化及相应比例是决定脱水泥饼含水率的关键因素。

(4)利用对污泥中的水分能量态进行热力学解析得到固体对水分的束缚强度,不同污泥经脱水后污泥的束缚强度均达到65 kJ/kg左右,证明机械脱水不能逾越这一束缚强度水平。

参考文献

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