مطالعه ویژگیهای خشک کردن لجن شهری
گرفتن لجن آبگیریشهرداری ناحیه چینگپو تصفیه فاضلاب این مقاله با استفاده از گیاه به عنوان ماده اولیه، تفاوتهای موجود در ویژگیهای لجن قبل و بعد از خشک شدن را از جنبههای آنالیز صنعتی، میکرومورفولوژی، ترکیب اولیه و ارزش حرارتی بررسی میکند و دادههای اولیهای را برای تحقق خشک کردن و سوزاندن لجن ارائه میدهد.
لجن یک محصول جانبی است فرآیند تصفیه فاضلاببا محتوای آب بالا (عموماً حدود ۹۸٪)، حجم زیاد، دفع دشوار، ویژگیهایی مانند ترکیب پیچیده لجن، حاوی تعداد زیادی مواد آلی، فلزات سنگین، نمکها، موادی که به سختی تجزیه میشوند و میکروارگانیسمهای بیماریزا، تخمهای انگلی و غیره. با عمیقتر شدن تصفیه فاضلاب، تصفیه و دفع معقول لجن به طور فزایندهای اهمیت پیدا میکند و لجن تصفیه نشده تهدید بزرگی برای محیط زیست است.
طبق دادههای موسسه تحقیقاتی E20، بیش از نیمی از لجن تولید شده توسط تصفیهخانههای فاضلاب، تصفیه و از طریق دفن بهداشتی دفع میشود و بیش از ۱۸٪ لجن از بین میرود. بیش از ۵۰٪ از محتوای آب ۸۰٪ لجن آبگیری شده با روش ساده دفن زباله دفع میشود. این روش دفع نه تنها آلودگی ثانویه زیستمحیطی جدی دارد، بلکه مساحت زیادی را نیز اشغال میکند و در درازمدت زمینی برای دفن وجود نخواهد داشت. پیشنهاد تصفیه لجن و الزامات دفع در "برنامه ده ساله آب" و "سیزدهمین برنامه پنج ساله" رشد بازار تصفیه و دفع لجن را تحت شرایط سیاستهای مطلوب ارتقا داده است و فناوری و تجهیزات تصفیه مرتبط نیز به سرعت توسعه یافتهاند.
«بهترین دستورالعملهای فنی عملی برای تصفیه و دفع لجن در تصفیهخانه فاضلاب» معتقد است که خشک کردن و سوزاندن لجن، مسیری است که کشور ما در آینده از آن حمایت میکند. برای تحقق خشک کردن و سوزاندن لجن با راندمان بالا و مصرف انرژی کم، لازم است ویژگیهای لجن قبل و بعد از خشک شدن از زوایای مختلف به طور سیستماتیک مطالعه شود.
در این مقاله، ویژگیهای لجن آبگیری شده قبل و بعد از خشک شدن از جنبههای آنالیز پایه، میکرومورفولوژی، ترکیب پایه و ارزش حرارتی مورد بررسی قرار گرفت که دادههای اولیه را برای تحقق خشک کردن و سوزاندن لجن فراهم کرد.
تجهیزات آزمایشگاهی
شهرداری لجن آبگیری با استفاده از یک خشککن لایه نازک خشک میشود و نمودار ساختار خشککن لایه نازک در شکل نشان داده شده است. دستگاه خشککن لایه نازک از پوسته، روتور و دستگاه محرک تشکیل شده است. روتور، لجن آبگیری شده را به صورت یک لایه نازک روی دیواره داخلی پوسته پخش میکند و لجن را توسط بخار با دمای بالا یا روغن هدایت حرارتی در پوسته خشک میکند.
تجزیه و تحلیل اولیه و مقایسه قبل و بعد از خشک کردن لجن
بخار بیش از حد گرم شده با دمای ۱۶۰ درجه سانتیگراد و فشار ۰.۶ مگاپاسکال به خشککن لایه نازک منتقل شد تا لجن آبگیری شده با رطوبت حدود ۸۰٪ تا رطوبت کمتر از ۳۰٪ خشک شود. لجن قبل و بعد از خشک شدن بارها نمونهبرداری و آنالیز شد. نتایج نشان داد که محتوای فرار لجن پس از خشک شدن کاهش یافته و محتوای فرار پایه خشک شدن ۴.۵۳٪ تا ۸.۶۶٪ کاهش یافته است. در عین حال، محتوای خاکستر لجن افزایش یافته و ارزش حرارتی بالای پایه خشک شدن ۰.۳۳۵ تا ۱.۱۵ مگاژول بر کیلوگرم کاهش یافته است. این امر عمدتاً به این دلیل است که در فرآیند خشک شدن حرارتی، ترکیبات آلی فرار موجود در لجن و برخی از ذرات ریز لجن به همراه بخار آب خشک شده به گاز انتهایی خشک تبدیل شده و وارد بخش تصفیه گاز انتهایی بعدی میشوند.
مقایسه ریزساختار لجن قبل و بعد از خشک شدن
شکل زیر ریزساختار لجن را قبل و بعد از خشک شدن نشان میدهد. همانطور که از شکل مشاهده میشود، ساختار لجن قبل از خشک شدن نسبتاً شل است و تعداد زیادی از پلیمرهای خارج سلولی در خارج از کلوئید پیچیده و جمع میشوند و یک ساختار تجمعی آشکار را تشکیل میدهند. به این ترتیب، آب پیوندی، آب میان بافتی و آب درون سلولی موجود در لجن در لخته لجن پیچیده میشوند، به طوری که آبگیری بیشتر از طریق اقدامات فیزیکی و شیمیایی دشوار است. در مقایسه با لجن پس از خشک شدن، لجن قبل از خشک شدن دارای تخلخل بالاتر، سطح ویژه بزرگتر، تراکم پذیری قوی است و لخته لجن را میتوان با اعمال نیروی مکانیکی کمتر یا تأمین گرما از بین برد. با تبخیر آب در لجن، ساختار لخته لجن به تدریج فرو میریزد و یک ساختار تجمعی با ساختار سطحی محکم تشکیل میدهد و به تدریج حفرهها را در شکل سمت راست کوچک میکند. با این حال، با کاهش نسبت حفره لجن، راندمان تبخیر آب نیز کاهش مییابد.
مقایسه ترکیب لجن قبل و بعد از خشک شدن
شکل نتایج آنالیز طیفسنجی مادون قرمز قبل و بعد از خشک کردن لجن را نشان میدهد. گروههای عاملی معرف گروه خشک لجن عمدتاً H2O آزاد، -OH، -CH2، -CH3، حلقه آروماتیک، C=C، CO، هیدروکربن هالوژنه و غیره هستند. این نشان میدهد که میزان مواد آلی در لجن زیاد است و انواع مواد آلی ممکن است پروتئین، لیپید، نشاسته و سلولز باشند. مطالعات نشان دادهاند که میزان پروتئین مواد آلی لجن بیش از 60٪، لیپید حدود 20٪، نشاسته و سلولز حدود 15٪ است، تجزیه این مواد آلی باعث تولید NH3، H2S و VOC و سایر گازهای بو میشود.
EPS یک پلیمر با غلظت بالا است که از پروتئین، پلیساکارید و مقدار کمی لیپید، اسید نوکلئیک و هوموس تشکیل شده است. تشخیص ترکیبات مشخصه EPS نشان دهنده وجود مقدار زیادی EPS در لجن است. به عنوان یک جزء آلی مهم لجن، محتوای EPS شدت جذب مادون قرمز گروههای عاملی مشخصه لجن را تعیین میکند. با مقایسه طیفهای مادون قرمز لجن قبل و بعد از خشک شدن و حذف تداخل ظریف ناخالصیهای موجود در لجن در طول فرآیند تجزیه و تحلیل، میتوان مشاهده کرد که شدت جذب مادون قرمز لجن قبل از خشک شدن به طور قابل توجهی بیشتر از لجن پس از خشک شدن است. در مقایسه با لجن قبل از خشک شدن، طیفهای لجن پس از خشک شدن نشان داد که پیکهای شانه در 1654 و 1543cm-1 (C=C)، 2924cm-1 (CH) و 1076cm-1 (CO) کوچکتر بودند که نشان دهنده تجزیه مواد پروتئین مانند در طول فرآیند خشک شدن لجن است. این امر همچنین کاهش محتوای مواد آلی و محتوای مواد فرار پس از خشک شدن لجن را توضیح میدهد.
مقایسه میزان رطوبت، مواد آلی و ارزش حرارتی لجن قبل و بعد از خشک شدن
ماده آلی موجود در لجن، تأمینکننده اصلی ارزش حرارتی لجن است، در حالی که میزان رطوبت لجن نیز تأثیر زیادی بر ارزش حرارتی دارد. رطوبت بالای لجن، ارزش حرارتی پایینی دارد که به ناچار بر سوزاندن لجن تأثیر میگذارد. علاوه بر این، مصرف انرژی سیستم در فرآیند خشک کردن لجن عمدتاً برای تبخیر آب موجود در لجن استفاده میشود.
محتوای ماده آلی لجن پس از خشک شدن کمی کاهش یافت و مقدار کالری بالای مربوط به پایه خشک نیز کمی کاهش یافت. همبستگی بین محتوای رطوبت لجن و ارزش کالری و همبستگی بین ماده آلی لجن و ارزش کالری به ترتیب مورد مطالعه قرار گرفت و ضریب همبستگی بین متغیرها با رگرسیون خطی به دست آمد و تجزیه و تحلیل همبستگی انجام شد.
بین میزان رطوبت لجن خشک و ارزش حرارتی پایین آن همبستگی منفی وجود دارد که با افزایش رطوبت کاهش مییابد. با این حال، ضریب همبستگی بین رطوبت لجن خشک و ارزش حرارتی پایین 0.882 است و مقدار P آزمون F با اطمینان 95٪ برابر با 0.061 است. از آنجایی که مقدار P آزمون F بیشتر از 0.05 است، میزان رطوبت لجن خشک همبستگی خطی معناداری با ارزش حرارتی پایین نشان نمیدهد.
ضریب همبستگی بین محتوای ماده آلی لجن خام و ارزش کالری بالای پایه خشک 0.997 بود و مقدار P آزمون F در سطح اطمینان 95٪ برابر با 0.0033 بود. مقدار P آزمون F کمتر از 0.05 است، بنابراین محتوای ماده آلی لجن خام همبستگی معنیداری با ارزش کالری بالای پایه خشک آن دارد.
محتوای ماده آلی لجن خشک با ارزش حرارتی بالای پایه خشک همبستگی مثبت داشت و ارزش حرارتی بالای پایه خشک با افزایش محتوای ماده آلی افزایش یافت. علاوه بر این، ضریب همبستگی بین محتوای ماده آلی لجن خشک و ارزش حرارتی بالای بستر خشک 0.973 بود و مقدار P آزمون F در سطح اطمینان 95٪ 0.014 بود. از آنجایی که مقدار p آزمون F کمتر از 0.05 است، میتوان مشاهده کرد که بین محتوای ماده آلی لجن خشک و ارزش حرارتی بالای پایه خشک همبستگی معناداری وجود دارد.
از تجزیه و تحلیل فوق، میتوان دریافت که ارزش کالری لجن ارتباط نزدیکی با میزان رطوبت و محتوای مواد آلی دارد و همبستگی مثبت و معنیداری بین محتوای مواد آلی لجن و ارزش کالری پایه خشک لجن وجود دارد. این همچنین نشان میدهد که اگر تعداد زیادی از افزودنیهای معدنی برای آمادهسازی و آبگیری لجن از تصفیهخانه فاضلاب استفاده شود، اگرچه میتواند اثر آبگیری قابل توجهی داشته باشد، اما معرفی تعداد زیادی از مواد معدنی نه تنها بار سیستم فرآیند خشک کردن لجن را بهبود میبخشد، بلکه محتوای مواد آلی لجن را نیز به طور قابل توجهی کاهش میدهد که این امر اثرات نامطلوبی بر خشک کردن و سوزاندن لجن بعدی خواهد داشت.
نتیجهگیری
در این مقاله، ویژگیهای لجن خشکشده قبل و بعد از خشک شدن با استفاده از لجن خشکشده از منطقه Qingpu شانگهای به عنوان ماده خام مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.
(1) با پیشرفت خشک شدن، ساختار سطح لجن به تدریج بسته میشود، شکاف به تدریج کاهش مییابد و راندمان خشک شدن به تدریج کاهش مییابد.
(2) فرآیند خشک کردن لجن باعث تجزیه مقدار کمی مواد آلی میشود، به طوری که محتوای مواد آلی و مواد فرار لجن پس از خشک شدن کمی کاهش مییابد.
(3) ارزش کالری پایین لجن با میزان رطوبت آن همبستگی منفی دارد، اما هیچ رابطه خطی آشکاری وجود ندارد؛ همبستگی خطی مثبتی بین ارزش کالری بالای لجن و میزان مواد آلی آن وجود داشت. بنابراین، برای اطمینان از ارزش کالری لجن، لازم است که میزان رطوبت لجن کاهش یافته و از دست رفتن مواد آلی در لجن کاهش یابد.