Étude sur les caractéristiques de séchage des boues municipales
En prenant le boues de déshydratationde la municipalité du district de Qingpu Traitement des eaux usées Cet article étudie, à partir de données végétales, les différences de caractéristiques des boues avant et après séchage, du point de vue de l'analyse industrielle, de la micromorphologie, de la composition de base et du pouvoir calorifique, et fournit des données fondamentales pour la réalisation du séchage et de l'incinération des boues.
Les boues sont un sous-produit de processus de traitement des eaux uséesLes boues d'épuration, caractérisées par une forte teneur en eau (généralement environ 98 %), un volume important et une élimination complexe, présentent une composition riche en matières organiques, métaux lourds, sels, substances difficilement biodégradables, micro-organismes pathogènes, œufs de parasites, etc. Avec le développement du traitement des eaux usées, le traitement et l'élimination appropriés de ces boues revêtent une importance croissante, les boues non traitées constituant une menace majeure pour l'environnement.
Selon les données de l'institut de recherche E20, plus de la moitié des boues produites par les stations d'épuration sont traitées et éliminées par enfouissement contrôlé, et plus de 18 % de ces boues sont perdues. Plus de 50 % de l'eau contenue dans 80 % des boues déshydratées est éliminée par simple enfouissement. Cette méthode d'élimination engendre non seulement une grave pollution secondaire, mais elle occupe également de vastes superficies, et il n'y aura plus de terrains disponibles pour l'enfouissement à long terme. La proposition de Traitement des boues Les exigences en matière d'élimination des boues d'épuration prévues par le « Plan quinquennal pour l'eau » et le « 13e plan quinquennal » ont favorisé la croissance du marché du traitement et de l'élimination des boues dans un contexte de politiques favorables, et les technologies et équipements de traitement connexes se sont également développés rapidement.
Le document « Meilleures directives techniques possibles pour le traitement et l’élimination des boues dans les stations d’épuration » préconise le séchage et l’incinération des boues comme voie d’avenir pour notre pays. Afin de parvenir à un séchage et une incinération des boues à haut rendement et à faible consommation d’énergie, il est nécessaire d’étudier systématiquement les caractéristiques des boues avant et après séchage, sous différents angles.
Dans cet article, les caractéristiques des boues déshydratées avant et après séchage ont été étudiées sous l'angle de l'analyse de base, de la micromorphologie, de la composition de base et du pouvoir calorifique, ce qui a fourni des données de base pour la réalisation du séchage et de l'incinération des boues.
Équipement expérimental
La municipalité boues de déshydratation Le séchage s'effectue à l'aide d'un séchoir à couche mince, dont le schéma structurel est présenté sur la figure. Ce séchoir est composé d'une enveloppe, d'un rotor et d'un dispositif d'entraînement. Le rotor étale la boue déshydratée en une fine couche sur la paroi interne de l'enveloppe et la sèche grâce à la vapeur d'eau à haute température ou à l'huile caloporteuse circulant dans cette enveloppe.
Analyse et comparaison de base avant et après séchage des boues
De la vapeur surchauffée à 160 °C et 0,6 MPa a été injectée dans le séchoir à film mince afin de sécher les boues déshydratées, dont la teneur en eau était d'environ 80 %, jusqu'à une teneur en eau inférieure à 30 %. Des échantillons de boues ont été prélevés et analysés à plusieurs reprises avant et après séchage. Les résultats ont montré une réduction de la teneur en matières volatiles des boues après séchage, et une diminution de la teneur en matières volatiles du support de séchage de 4,53 % à 8,66 %. Parallèlement, la teneur en cendres des boues a augmenté et le pouvoir calorifique supérieur du support de séchage a diminué de 0,335 à 1,15 MJ/kg. Ceci s'explique principalement par le fait que, lors du séchage thermique, les composés organiques volatils contenus dans les boues et certaines fines particules de boues se transforment en gaz résiduaires de séchage avec la vapeur d'eau et sont ensuite traités dans la section de traitement des gaz résiduaires.
Comparaison de la microstructure des boues avant et après séchage
La figure suivante illustre la microstructure des boues avant et après séchage. Avant séchage, la structure des boues est relativement lâche ; de nombreux polymères extracellulaires sont enrobés et regroupés à l’extérieur des colloïdes, formant une structure agrégée bien définie. Ainsi, l’eau liée, l’eau interstitielle et l’eau intracellulaire contenues dans les flocs de boues sont emprisonnées dans ces derniers, ce qui rend leur déshydratation ultérieure par des actions physico-chimiques difficile. Comparées aux boues séchées, les boues avant séchage présentent une porosité plus élevée, une surface spécifique plus importante et une forte compressibilité. Les flocs de boues peuvent être détruits par une force mécanique plus faible ou par un apport de chaleur. Avec l’évaporation de l’eau, la structure des flocs s’effondre progressivement, formant une structure agrégée à surface compacte et aux vides qui se réduisent progressivement (figure de droite). Cependant, l’efficacité de l’évaporation de l’eau diminue également avec la diminution de l’indice des vides des boues.
Comparaison de la composition des boues avant et après séchage
La figure présente les résultats de l'analyse par balayage spectral infrarouge avant et après séchage des boues. Les groupes fonctionnels représentatifs des boues séchées sont principalement l'eau libre (H₂O), les groupements -OH, -CH₂, -CH₃, les cycles aromatiques, les liaisons C=C, CO et les hydrocarbures halogénés. Ceci indique une teneur élevée en matière organique, composée probablement de protéines, de lipides, d'amidon et de cellulose. Des études ont montré que la teneur en protéines de la matière organique des boues est supérieure à 60 %, celle en lipides d'environ 20 %, et celle en amidon et cellulose d'environ 15 %. La décomposition de cette matière organique produit du NH₃, du H₂S, des COV et d'autres gaz odorants.
Les EPS sont des polymères complexes composés de protéines, de polysaccharides et de faibles quantités de lipides, d'acides nucléiques et d'humus. La détection de composés caractéristiques des EPS indique la présence d'une quantité importante d'EPS dans les boues. En tant que composant organique important des boues, la teneur en EPS détermine l'intensité d'absorption infrarouge des groupes fonctionnels caractéristiques des boues. En comparant les spectres infrarouges des boues avant et après séchage, et en éliminant les interférences mineures dues aux impuretés présentes lors de l'analyse, on constate que l'intensité d'absorption infrarouge des boues avant séchage est significativement plus élevée que celle des boues après séchage. Comparés aux spectres des boues avant séchage, les spectres des boues après séchage présentent des épaulements moins intenses à 1654 et 1543 cm⁻¹ (C=C), 2924 cm⁻¹ (CH) et 1076 cm⁻¹ (CO), ce qui indique la décomposition de substances de type protéique lors du séchage des boues. Ceci explique également la diminution de la teneur en matière organique et en matière volatile après le séchage des boues.
Comparaison de la teneur en eau, en matière organique et du pouvoir calorifique des boues avant et après séchage
La matière organique contenue dans les boues est le principal facteur déterminant leur pouvoir calorifique, mais leur teneur en eau influe également fortement sur ce dernier. Une forte teneur en eau entraîne un faible pouvoir calorifique, ce qui affecte inévitablement l'incinération des boues. Par ailleurs, l'énergie consommée par le système lors du séchage des boues est principalement utilisée pour l'évaporation de l'eau qu'elles contiennent.
Après séchage, la teneur en matière organique des boues a légèrement diminué, entraînant une légère baisse du pouvoir calorifique supérieur de la matière sèche. Les corrélations entre la teneur en eau des boues et leur pouvoir calorifique, ainsi qu'entre leur teneur en matière organique et ce même pouvoir calorifique, ont été étudiées. Le coefficient de corrélation entre les variables a été obtenu par régression linéaire, et une analyse de corrélation a été réalisée.
Il existe une corrélation négative entre la teneur en eau des boues sèches et leur pouvoir calorifique inférieur, ce dernier diminuant avec l'augmentation de la teneur en eau. Cependant, le coefficient de corrélation entre la teneur en eau des boues sèches et le pouvoir calorifique inférieur est de 0,882, et la valeur p du test F est de 0,061 avec un intervalle de confiance de 95 %. La valeur p du test F étant supérieure à 0,05, la teneur en eau des boues sèches ne présente pas de corrélation linéaire significative avec le pouvoir calorifique inférieur.
Le coefficient de corrélation entre la teneur en matière organique des boues brutes et leur pouvoir calorifique supérieur (sur matière sèche) était de 0,997, et la valeur p du test F était de 0,0033 avec un niveau de confiance de 95 %. La valeur p du test F étant inférieure à 0,05, la teneur en matière organique des boues brutes présente une corrélation significative avec leur pouvoir calorifique supérieur (sur matière sèche).
La teneur en matière organique des boues sèches était positivement corrélée au pouvoir calorifique supérieur de la matière sèche, ce dernier augmentant avec la teneur en matière organique. De plus, le coefficient de corrélation entre la teneur en matière organique des boues sèches et le pouvoir calorifique supérieur du substrat sec était de 0,973, et la valeur p du test F était de 0,014 (niveau de confiance de 95 %). La valeur p du test F étant inférieure à 0,05, on constate une corrélation significative entre la teneur en matière organique des boues sèches et le pouvoir calorifique supérieur de la matière sèche.
L'analyse précédente montre que le pouvoir calorifique des boues est étroitement lié à leur teneur en eau et en matière organique, et qu'il existe une corrélation positive significative entre la teneur en matière organique et le pouvoir calorifique des boues sèches. Elle indique également que l'utilisation d'une grande quantité d'additifs inorganiques pour le conditionnement et la déshydratation des boues issues de la station d'épuration, bien qu'efficace pour la déshydratation, augmente la charge du système de séchage et réduit considérablement la teneur en matière organique des boues, ce qui nuit aux étapes ultérieures de séchage et d'incinération.
Conclusion
Dans cet article, les caractéristiques des boues déshydratées avant et après séchage ont été analysées en utilisant comme matière première les boues déshydratées du district de Qingpu à Shanghai.
(1) Avec la progression du séchage, la structure de surface des boues se referme progressivement, l'espace se réduit progressivement et l'efficacité du séchage diminue progressivement.
(2) Le processus de séchage des boues entraînera une légère décomposition de la matière organique, de sorte que la teneur en matière organique et en matière volatile des boues après séchage sera légèrement réduite.
(3) Le faible pouvoir calorifique des boues est inversement corrélé à leur teneur en eau, mais sans relation linéaire évidente. En revanche, une corrélation linéaire positive existe entre le pouvoir calorifique élevé des boues et leur teneur en matière organique. Par conséquent, il est nécessaire de réduire la teneur en eau des boues et de limiter les pertes de matière organique afin d'optimiser leur pouvoir calorifique.