Studie über die Trocknungseigenschaften von kommunalem Klärschlamm
Nehmen Sie die Entwässerungsschlammder Stadtverwaltung des Bezirks Qingpu Abwasserbehandlung In dieser Arbeit werden Pflanzen als Rohstoff verwendet. Dabei werden die Unterschiede in den Eigenschaften von Klärschlamm vor und nach der Trocknung hinsichtlich industrieller Analyse, Mikromorphologie, Grundzusammensetzung und Heizwert untersucht. Es werden grundlegende Daten für die Realisierung der Trocknung und Verbrennung von Klärschlamm bereitgestellt.
Schlamm ist ein Nebenprodukt von AbwasserbehandlungsverfahrenKlärschlamm zeichnet sich durch einen hohen Wassergehalt (in der Regel ca. 98 %), ein großes Volumen und schwierige Entsorgungseigenschaften aus. Seine Zusammensetzung ist komplex und enthält zahlreiche organische Substanzen, Schwermetalle, Salze, schwer abbaubare Stoffe sowie pathogene Mikroorganismen, Parasiteneier usw. Mit der zunehmenden Bedeutung der Abwasserbehandlung gewinnt die sachgerechte Behandlung und Entsorgung von Klärschlamm immer mehr an Bedeutung, da unbehandelter Klärschlamm eine erhebliche Umweltbelastung darstellt.
Laut Daten des Forschungsinstituts E20 wird mehr als die Hälfte des in Kläranlagen anfallenden Klärschlamms auf Deponien entsorgt, wobei über 18 % des Schlamms verloren gehen. Mehr als 50 % des Wassergehalts von 80 % des entwässerten Schlamms werden auf herkömmliche Weise deponiert. Diese Entsorgungsmethode führt nicht nur zu erheblichen sekundären Umweltbelastungen, sondern beansprucht auch große Flächen, sodass langfristig keine ausreichenden Deponieflächen mehr zur Verfügung stehen. Der Vorschlag von Schlammbehandlung Die Entsorgungsvorschriften des „Wasser-Zehn-Jahres-Plans“ und des „13. Fünfjahresplans“ haben unter günstigen politischen Bedingungen das Wachstum des Schlammbehandlungs- und Entsorgungsmarktes gefördert, und auch die damit verbundenen Behandlungstechnologien und -geräte haben sich rasant weiterentwickelt.
Die „Bestmöglichen technischen Richtlinien für die Schlammbehandlung und -entsorgung in Kläranlagen“ gehen davon aus, dass die Schlammtrocknung und -verbrennung der zukunftsweisende Ansatz in unserem Land ist. Um eine hocheffiziente und energiearme Schlammtrocknung und -verbrennung zu realisieren, ist es notwendig, die Eigenschaften des Schlamms vor und nach der Trocknung systematisch und umfassend zu untersuchen.
In dieser Arbeit wurden die Eigenschaften von entwässertem Klärschlamm vor und nach der Trocknung hinsichtlich der Grundlagenanalyse, der Mikromorphologie, der Grundzusammensetzung und des Heizwerts untersucht. Dies lieferte grundlegende Daten für die Realisierung der Trocknung und Verbrennung von Klärschlamm.
Experimentelle Ausrüstung
Die Gemeinde Entwässerungsschlamm Die Trocknung erfolgt mittels eines Dünnschichttrockners. Das Strukturdiagramm des Dünnschichttrockners ist in der Abbildung dargestellt. Die Dünnschichttrocknungsanlage besteht aus Gehäuse, Rotor und Antriebseinheit. Der Rotor verteilt den entwässerten Schlamm als dünne Schicht an der Innenwand des Gehäusemantels und trocknet ihn anschließend durch Hochtemperaturdampf oder Wärmeleitöl im Mantel.
Grundlegende Analyse und Vergleich vor und nach der Schlammtrocknung
Überhitzter Dampf (160 °C, 0,6 MPa) wurde in einen Dünnschichttrockner geleitet, um den entwässerten Schlamm mit einem Feuchtigkeitsgehalt von ca. 80 % auf unter 30 % zu trocknen. Der Schlamm wurde vor und nach der Trocknung mehrfach beprobt und analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen im Schlamm nach der Trocknung abnahm und der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen im Trocknungssubstrat um 4,53 % bis 8,66 % sank. Gleichzeitig stieg der Aschegehalt des Schlamms, und der Heizwert des Trocknungssubstrats sank um 0,335 bis 1,15 MJ/kg. Dies ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass während der thermischen Trocknung flüchtige organische Verbindungen im Schlamm und feine Schlammpartikel zusammen mit dem Trocknungswasserdampf in das Abgas gelangen und der nachfolgenden Abgasreinigung zugeführt werden.
Mikrostrukturvergleich des Schlamms vor und nach der Trocknung
Die folgende Abbildung zeigt die Mikrostruktur des Klärschlamms vor und nach der Trocknung. Wie aus der Abbildung ersichtlich, ist die Klärschlammstruktur vor der Trocknung relativ locker. Zahlreiche extrazelluläre Polymere umhüllen und umgeben die Kolloidpartikel und bilden so eine deutliche Aggregatstruktur. Dadurch werden das gebundene, das interstitielle und das intrazelluläre Wasser im Klärschlamm von den Klärschlammflocken umschlossen, sodass eine weitere Entwässerung durch physikalische und chemische Einwirkungen erschwert wird. Im Vergleich zum getrockneten Klärschlamm weist der ungetrocknete Klärschlamm eine höhere Porosität, eine größere spezifische Oberfläche und eine stärkere Kompressibilität auf. Die Klärschlammflocken lassen sich bereits durch geringe mechanische Krafteinwirkung oder Wärmezufuhr auflösen. Mit der Verdunstung des Wassers im Klärschlamm kollabiert die Klärschlammflockenstruktur allmählich und bildet eine Aggregatstruktur mit einer dichten Oberfläche und sich allmählich verkleinernden Poren (siehe Abbildung rechts). Die Effizienz der Wasserverdunstung nimmt jedoch mit sinkendem Porenanteil im Klärschlamm ab.
Zusammensetzungsvergleich des Klärschlamms vor und nach der Trocknung
Die Abbildung zeigt die Ergebnisse der Infrarotspektralanalyse vor und nach der Schlammtrocknung. Die repräsentativen funktionellen Gruppen des getrockneten Schlamms sind hauptsächlich freies H₂O, -OH, -CH₂, -CH₃, aromatische Ringe, C=C-Bindungen, CO, halogenierte Kohlenwasserstoffe usw. Dies deutet auf einen hohen Gehalt an organischer Substanz im Schlamm hin, wobei es sich bei dieser organischen Substanz um Proteine, Lipide, Stärke und Cellulose handeln kann. Studien haben gezeigt, dass der Proteingehalt der organischen Substanz im Schlamm über 60 %, der Lipidgehalt etwa 20 % und der Anteil an Stärke und Cellulose etwa 15 % beträgt. Die Zersetzung dieser organischen Substanz führt zur Bildung von NH₃, H₂S, VOCs und anderen geruchsintensiven Gasen.
EPS ist ein hochpolymeres Material, das aus Proteinen, Polysacchariden und geringen Mengen an Lipiden, Nukleinsäuren und Humus besteht. Der Nachweis charakteristischer EPS-Verbindungen weist auf einen hohen EPS-Gehalt im Klärschlamm hin. Als wichtiger organischer Bestandteil des Klärschlamms bestimmt der EPS-Gehalt die Infrarot-Absorptionsintensität der charakteristischen funktionellen Gruppen des Klärschlamms. Durch Vergleich der Infrarotspektren des Klärschlamms vor und nach der Trocknung und unter Ausschluss geringfügiger Störungen durch Verunreinigungen während der Analyse zeigt sich, dass die Infrarot-Absorptionsintensität des Klärschlamms vor der Trocknung deutlich höher ist als die des Klärschlamms nach der Trocknung. Im Vergleich zum Klärschlamm vor der Trocknung weisen die Spektren des Klärschlamms nach der Trocknung schwächere Schulterpeaks bei 1654 und 1543 cm⁻¹ (C=C), 2924 cm⁻¹ (CH) und 1076 cm⁻¹ (CO) auf, was auf den Abbau proteinähnlicher Substanzen während des Trocknungsprozesses hinweist. Dies erklärt auch die Abnahme des Gehalts an organischer Substanz und flüchtigen Bestandteilen nach der Schlammtrocknung.
Vergleich des Feuchtigkeitsgehalts, des Gehalts an organischer Substanz und des Heizwerts von Klärschlamm vor und nach der Trocknung
Die organische Substanz im Klärschlamm ist der Hauptlieferant seines Heizwerts, wobei der Feuchtigkeitsgehalt ebenfalls einen großen Einfluss darauf hat. Klärschlamm mit hohem Feuchtigkeitsgehalt weist einen niedrigen Heizwert auf, was die Verbrennung zwangsläufig beeinträchtigt. Darüber hinaus wird der Energieverbrauch des Systems beim Klärschlammtrocknungsprozess hauptsächlich für die Verdunstung des im Klärschlamm enthaltenen Wassers verwendet.
Der Gehalt an organischer Substanz im Klärschlamm sank nach dem Trocknen leicht, wodurch sich auch der Heizwert der Trockenmasse geringfügig verringerte. Der Zusammenhang zwischen Klärschlammfeuchte und Heizwert sowie der Zusammenhang zwischen Klärschlammgehalt an organischer Substanz und Heizwert wurden untersucht. Der Korrelationskoeffizient zwischen den Variablen wurde mittels linearer Regression ermittelt und eine Korrelationsanalyse durchgeführt.
Es besteht eine negative Korrelation zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt von Trockenschlamm und seinem Heizwert, der mit steigendem Feuchtigkeitsgehalt abnimmt. Der Korrelationskoeffizient zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt von Trockenschlamm und seinem Heizwert beträgt jedoch 0,882, und der p-Wert des F-Tests liegt bei 0,061 (95 % Konfidenzintervall). Da der p-Wert des F-Tests größer als 0,05 ist, besteht keine signifikante lineare Korrelation zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt von Trockenschlamm und seinem Heizwert.
Der Korrelationskoeffizient zwischen dem Gehalt an organischer Substanz im Rohschlamm und dem Brennwert (bezogen auf die Trockenmasse) betrug 0,997, und der p-Wert des F-Tests lag bei 0,0033 (Konfidenzniveau 95 %). Da der p-Wert des F-Tests unter 0,05 liegt, besteht ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem Gehalt an organischer Substanz im Rohschlamm und seinem Brennwert (bezogen auf die Trockenmasse).
Der Gehalt an organischer Substanz im Trockenschlamm korrelierte positiv mit dem Heizwert des Trockensubstrats, und der Heizwert des Trockensubstrats stieg mit zunehmendem Gehalt an organischer Substanz. Der Korrelationskoeffizient zwischen dem Gehalt an organischer Substanz im Trockenschlamm und dem Heizwert des Trockensubstrats betrug 0,973, und der p-Wert des F-Tests lag bei 0,014 (Konfidenzniveau 95 %). Da der p-Wert des F-Tests unter 0,05 liegt, besteht ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem Gehalt an organischer Substanz im Trockenschlamm und dem Heizwert des Trockensubstrats.
Aus der obigen Analyse geht hervor, dass der Heizwert von Klärschlamm eng mit dem Feuchtigkeits- und dem Gehalt an organischer Substanz zusammenhängt. Zwischen dem Gehalt an organischer Substanz im Klärschlamm und dem Heizwert des Trockenschlamms besteht eine signifikante positive Korrelation. Dies zeigt auch, dass der Einsatz großer Mengen anorganischer Zusätze zur Konditionierung und Entwässerung des Klärschlamms zwar eine signifikante Entwässerungswirkung erzielen kann, die Zugabe großer Mengen anorganischer Substanzen jedoch nicht nur die Systembelastung des Schlammtrocknungsprozesses erhöht, sondern auch den Gehalt an organischer Substanz im Schlamm erheblich reduziert. Dies wirkt sich negativ auf die nachfolgende Schlammtrocknung und -verbrennung aus.
Abschluss
In dieser Arbeit wurden die Eigenschaften des entwässerten Schlamms vor und nach der Trocknung analysiert, wobei entwässerter Schlamm aus dem Bezirk Qingpu in Shanghai als Rohmaterial verwendet wurde.
(1) Mit fortschreitender Trocknung schließt sich die Oberflächenstruktur des Schlamms allmählich, die Spalten verringern sich allmählich und die Trocknungseffizienz nimmt allmählich ab.
(2) Beim Trocknungsprozess des Klärschlamms kommt es zu einer geringen Zersetzung organischer Stoffe, sodass der Gehalt an organischen Stoffen und flüchtigen Bestandteilen im Klärschlamm nach der Trocknung geringfügig abnimmt.
(3) Der niedrige Heizwert des Klärschlamms korreliert negativ mit seinem Feuchtigkeitsgehalt, jedoch besteht kein eindeutiger linearer Zusammenhang. Zwischen dem hohen Heizwert des Klärschlamms und seinem Gehalt an organischer Substanz besteht hingegen eine positive lineare Korrelation. Daher ist es notwendig, den Feuchtigkeitsgehalt und den Verlust an organischer Substanz im Klärschlamm zu reduzieren, um dessen Heizwert zu erhalten.