การศึกษาลักษณะการอบแห้งของกากตะกอนเทศบาล

การนำ การแยกน้ำออกจากตะกอนเทศบาลเขตชิงปู การบำบัดน้ำเสีย โดยใช้พืชเป็นวัตถุดิบ งานวิจัยนี้ศึกษาความแตกต่างของลักษณะเฉพาะของกากตะกอนก่อนและหลังการอบแห้งในแง่ของการวิเคราะห์ทางอุตสาหกรรม สัณฐานวิทยาจุลภาค องค์ประกอบพื้นฐาน และค่าความร้อน และให้ข้อมูลพื้นฐานสำหรับการดำเนินการอบแห้งและการเผากากตะกอน

กากตะกอนเป็นผลพลอยได้จากกระบวนการ กระบวนการบำบัดน้ำเสียกากตะกอนมีปริมาณน้ำสูง (โดยทั่วไปประมาณ 98%) มีปริมาณมาก ยากต่อการกำจัด และมีองค์ประกอบที่ซับซ้อน ประกอบด้วยสารอินทรีย์ โลหะหนัก เกลือ สารที่ย่อยสลายยาก จุลินทรีย์ก่อโรค ไข่ปรสิต และอื่นๆ อีกมากมาย ด้วยความก้าวหน้าของการบำบัดน้ำเสีย การบำบัดและการกำจัดกากตะกอนอย่างเหมาะสมจึงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ และกากตะกอนที่ไม่ได้รับการบำบัดเป็นภัยคุกคามอย่างใหญ่หลวงต่อสิ่งแวดล้อม

จากข้อมูลของสถาบันวิจัย E20 พบว่า กากตะกอนที่เกิดจากโรงบำบัดน้ำเสียมากกว่าครึ่งหนึ่งถูกบำบัดและกำจัดโดยการฝังกลบแบบถูกสุขลักษณะ และกากตะกอนมากกว่า 18% สูญเปล่า โดยกากตะกอนที่ผ่านการแยกน้ำแล้วมากกว่า 50% และ 80% ของกากตะกอนทั้งหมดถูกกำจัดด้วยวิธีการฝังกลบแบบง่ายๆ วิธีการกำจัดนี้ไม่เพียงแต่ก่อให้เกิดมลพิษทางสิ่งแวดล้อมขั้นรุนแรงเท่านั้น แต่ยังใช้พื้นที่จำนวนมาก และในระยะยาวจะไม่มีที่ดินเหลือสำหรับฝังกลบ จึงขอเสนอแนวทางแก้ไขโดย... การบำบัดกากตะกอน และข้อกำหนดด้านการกำจัดของเสียใน "แผนน้ำ 10 ปี" และ "แผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติฉบับที่ 13" ได้ส่งเสริมการเติบโตของตลาดการบำบัดและกำจัดกากตะกอนภายใต้เงื่อนไขนโยบายที่เอื้ออำนวย และเทคโนโลยีและอุปกรณ์การบำบัดที่เกี่ยวข้องก็ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วเช่นกัน

เอกสาร "แนวทางปฏิบัติทางเทคนิคที่ดีที่สุดสำหรับการบำบัดและการกำจัดกากตะกอนในโรงบำบัดน้ำเสีย" เชื่อว่าการอบแห้งและการเผากากตะกอนเป็นทิศทางที่ประเทศของเราสนับสนุนในอนาคต เพื่อให้การอบแห้งและการเผากากตะกอนมีประสิทธิภาพสูงและใช้พลังงานต่ำ จำเป็นต้องศึกษาลักษณะของกากตะกอนก่อนและหลังการอบแห้งอย่างเป็นระบบจากหลายแง่มุม

ในบทความนี้ ได้ศึกษาลักษณะของกากตะกอนแห้งก่อนและหลังการอบแห้งจากแง่มุมของการวิเคราะห์พื้นฐาน โครงสร้างจุลภาค องค์ประกอบพื้นฐาน และค่าความร้อน ซึ่งเป็นข้อมูลพื้นฐานสำหรับการดำเนินการอบแห้งและการเผากากตะกอน

อุปกรณ์ทดลอง

เทศบาล การแยกน้ำออกจากตะกอน กากตะกอนจะถูกทำให้แห้งโดยใช้เครื่องอบแห้งแบบฟิล์มบาง โดยแผนภาพโครงสร้างของเครื่องอบแห้งแบบฟิล์มบางแสดงอยู่ในรูปที่ 1 เครื่องอบแห้งแบบฟิล์มบางประกอบด้วยตัวเรือน ใบพัด และอุปกรณ์ขับเคลื่อน ใบพัดจะกระจายกากตะกอนที่ผ่านการกำจัดน้ำแล้วให้เป็นชั้นบาง ๆ บนผนังด้านในของตัวเรือน และทำให้กากตะกอนแห้งโดยใช้ไอน้ำอุณหภูมิสูงหรือน้ำมันนำความร้อนภายในตัวเรือน

การวิเคราะห์เบื้องต้นและการเปรียบเทียบก่อนและหลังการอบแห้งตะกอน

ไอน้ำร้อนจัดที่อุณหภูมิ 160℃ และความดัน 0.6Mpa ถูกส่งเข้าไปในเครื่องอบแห้งแบบฟิล์มบางเพื่ออบแห้งตะกอนที่ผ่านการแยกน้ำแล้ว ซึ่งมีปริมาณความชื้นประมาณ 80% ให้เหลือน้อยกว่า 30% มีการเก็บตัวอย่างตะกอนก่อนและหลังการอบแห้งและวิเคราะห์หลายครั้ง ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าปริมาณสารระเหยในตะกอนลดลงหลังการอบแห้ง และปริมาณสารระเหยในฐานการอบแห้งลดลง 4.53% ถึง 8.66% ในขณะเดียวกัน ปริมาณเถ้าในตะกอนเพิ่มขึ้น และค่าความร้อนสูงของฐานการอบแห้งลดลง 0.335 ถึง 1.15 MJ/kg สาเหตุหลักเป็นเพราะในกระบวนการอบแห้งด้วยความร้อน สารประกอบอินทรีย์ระเหยง่ายในตะกอนและอนุภาคตะกอนละเอียดบางส่วนกลายเป็นก๊าซไอเสียจากการอบแห้งพร้อมกับไอน้ำที่เกิดจากการอบแห้ง และเข้าสู่ส่วนการบำบัดก๊าซไอเสียในขั้นตอนถัดไป

การเปรียบเทียบโครงสร้างจุลภาคของตะกอนก่อนและหลังการอบแห้ง

ภาพต่อไปนี้แสดงโครงสร้างจุลภาคของตะกอนก่อนและหลังการอบแห้ง ดังที่เห็นได้จากภาพ โครงสร้างของตะกอนก่อนการอบแห้งค่อนข้างหลวม และมีพอลิเมอร์นอกเซลล์จำนวนมากห่อหุ้มและรวมตัวกันอยู่นอกคอลลอยด์ ทำให้เกิดโครงสร้างรวมกลุ่มที่ชัดเจน ด้วยวิธีนี้ น้ำที่ถูกกักเก็บ น้ำแทรก และน้ำภายในเซลล์ในตะกอนจะถูกห่อหุ้มอยู่ในกลุ่มตะกอน ทำให้ยากต่อการทำให้แห้งต่อไปด้วยกระบวนการทางกายภาพและเคมี เมื่อเปรียบเทียบกับตะกอนหลังการอบแห้ง ตะกอนก่อนการอบแห้งมีความพรุนสูงกว่า มีพื้นที่ผิวจำเพาะมากกว่า มีความสามารถในการอัดตัวสูง และกลุ่มตะกอนสามารถถูกทำลายได้โดยการใช้แรงทางกลน้อยลงหรือการให้ความร้อน เมื่อน้ำในตะกอนระเหยออกไป โครงสร้างกลุ่มตะกอนจะค่อยๆ ยุบตัวลง ทำให้เกิดโครงสร้างรวมกลุ่มที่มีโครงสร้างพื้นผิวแน่นและช่องว่างค่อยๆ หดตัวลงในภาพด้านขวา อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการระเหยของน้ำก็จะลดลงตามไปด้วยเมื่ออัตราส่วนช่องว่างของตะกอนลดลง

การเปรียบเทียบองค์ประกอบของตะกอนก่อนและหลังการอบแห้ง

ภาพแสดงผลการวิเคราะห์สเปกตรัมอินฟราเรดก่อนและหลังการอบแห้งตะกอน กลุ่มฟังก์ชันหลักของกลุ่มตะกอนแห้ง ได้แก่ H2O อิสระ, -OH, -CH2, -CH3, วงแหวนอะโรมาติก, C=C, CO, ไฮโดรคาร์บอนที่มีฮาโลเจน เป็นต้น ซึ่งบ่งชี้ว่าปริมาณสารอินทรีย์ในตะกอนมีสูง และชนิดของสารอินทรีย์อาจเป็นโปรตีน ไขมัน แป้ง และเซลลูโลส จากการศึกษาพบว่าปริมาณโปรตีนในสารอินทรีย์ของตะกอนมีมากกว่า 60% ไขมันประมาณ 20% แป้งและเซลลูโลสประมาณ 15% การย่อยสลายของสารอินทรีย์เหล่านี้จะทำให้เกิด NH3, H2S และ VOCs และก๊าซที่มีกลิ่นอื่นๆ

EPS เป็นพอลิเมอร์ขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยโปรตีน พอลิแซ็กคาไรด์ และไขมัน กรดนิวคลีอิก และฮิวมัสในปริมาณเล็กน้อย การตรวจพบสารประกอบลักษณะเฉพาะของ EPS บ่งชี้ว่ามี EPS ในปริมาณมากในตะกอน เนื่องจาก EPS เป็นส่วนประกอบอินทรีย์ที่สำคัญของตะกอน ปริมาณ EPS จึงเป็นตัวกำหนดความเข้มของการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดของหมู่ฟังก์ชันลักษณะเฉพาะของตะกอน โดยการเปรียบเทียบสเปกตรัมอินฟราเรดของตะกอนก่อนและหลังการอบแห้ง และตัดการรบกวนเล็กน้อยจากสิ่งเจือปนในตะกอนระหว่างกระบวนการวิเคราะห์ออกไป จะเห็นได้ว่าความเข้มของการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดของตะกอนก่อนการอบแห้งสูงกว่าของตะกอนหลังการอบแห้งอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเปรียบเทียบกับตะกอนก่อนการอบแห้ง สเปกตรัมของตะกอนหลังการอบแห้งแสดงให้เห็นว่ายอดคลื่นที่ 1654 และ 1543 ซม.⁻¹ (C=C), 2924 ซม.⁻¹ (CH) และ 1076 ซม.⁻¹ (CO) มีขนาดเล็กลง ซึ่งบ่งชี้ถึงการสลายตัวของสารคล้ายโปรตีนในระหว่างกระบวนการอบแห้งตะกอน นอกจากนี้ยังอธิบายถึงการลดลงของปริมาณสารอินทรีย์และปริมาณสารระเหยหลังจากอบแห้งตะกอนด้วย

การเปรียบเทียบปริมาณความชื้น สารอินทรีย์ และค่าความร้อนของกากตะกอนก่อนและหลังการอบแห้ง

สารอินทรีย์ในกากตะกอนเป็นแหล่งพลังงานหลักของกากตะกอน ในขณะที่ปริมาณความชื้นในกากตะกอนก็มีอิทธิพลอย่างมากต่อค่าความร้อนเช่นกัน กากตะกอนที่มีความชื้นสูงจะมีค่าความร้อนต่ำ ซึ่งจะส่งผลกระทบต่อการเผาไหม้กากตะกอนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ นอกจากนี้ การใช้พลังงานของระบบในกระบวนการอบแห้งกากตะกอนส่วนใหญ่ใช้ในการระเหยน้ำในกากตะกอน

ปริมาณสารอินทรีย์ในกากตะกอนหลังการอบแห้งลดลงเล็กน้อย และค่าความร้อนสูงของฐานแห้งที่สอดคล้องกันก็ลดลงเล็กน้อยเช่นกัน ได้มีการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณความชื้นของกากตะกอนกับค่าความร้อน และความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณสารอินทรีย์ในกากตะกอนกับค่าความร้อน โดยได้ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรโดยใช้การถดถอยเชิงเส้น และทำการวิเคราะห์ความสัมพันธ์

มีความสัมพันธ์เชิงลบระหว่างปริมาณความชื้นของตะกอนแห้งกับค่าความร้อนต่ำ โดยค่าความร้อนต่ำจะลดลงเมื่อปริมาณความชื้นเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ระหว่างปริมาณความชื้นของตะกอนแห้งกับค่าความร้อนต่ำคือ 0.882 และค่า P ของการทดสอบ F คือ 0.061 ภายใต้ความเชื่อมั่น 95% เนื่องจากค่า P ของการทดสอบ F มากกว่า 0.05 ดังนั้นปริมาณความชื้นของตะกอนแห้งจึงไม่มีความสัมพันธ์เชิงเส้นอย่างมีนัยสำคัญกับค่าความร้อนต่ำ

ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ระหว่างปริมาณสารอินทรีย์ในกากตะกอนดิบและค่าพลังงานความร้อนสูงในหน่วยน้ำหนักแห้งเท่ากับ 0.997 และค่า P ของการทดสอบ F เท่ากับ 0.0033 ที่ระดับความเชื่อมั่น 95% ค่า P ของการทดสอบ F น้อยกว่า 0.05 ดังนั้นปริมาณสารอินทรีย์ในกากตะกอนดิบจึงมีความสัมพันธ์อย่างมีนัยสำคัญกับค่าพลังงานความร้อนสูงในหน่วยน้ำหนักแห้ง

ปริมาณสารอินทรีย์ในตะกอนแห้งมีความสัมพันธ์เชิงบวกกับค่าความร้อนสูงของฐานแห้ง และค่าความร้อนสูงของฐานแห้งจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณสารอินทรีย์ที่เพิ่มขึ้น ยิ่งไปกว่านั้น ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ระหว่างปริมาณสารอินทรีย์ในตะกอนแห้งและค่าความร้อนสูงของสารตั้งต้นแห้งคือ 0.973 และค่า P ของการทดสอบ F คือ 0.014 ที่ระดับความเชื่อมั่น 95% เนื่องจากค่า P ของการทดสอบ F น้อยกว่า 0.05 จึงเห็นได้ว่ามีความสัมพันธ์อย่างมีนัยสำคัญระหว่างปริมาณสารอินทรีย์ในตะกอนแห้งและค่าความร้อนสูงของฐานแห้ง

จากการวิเคราะห์ข้างต้น จะเห็นได้ว่าค่าความร้อนของกากตะกอนมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับปริมาณความชื้นและปริมาณสารอินทรีย์ และมีความสัมพันธ์เชิงบวกอย่างมีนัยสำคัญระหว่างปริมาณสารอินทรีย์ในกากตะกอนกับค่าความร้อนของกากตะกอนแห้ง นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่า หากใช้สารเติมแต่งอนินทรีย์จำนวนมากในการปรับสภาพและลดความชื้นของกากตะกอนจากโรงบำบัดน้ำเสีย แม้ว่าจะสามารถช่วยลดความชื้นได้อย่างมีนัยสำคัญ แต่การเติมสารอนินทรีย์จำนวนมากไม่เพียงแต่จะเพิ่มภาระของระบบในกระบวนการอบแห้งกากตะกอนเท่านั้น แต่ยังลดปริมาณสารอินทรีย์ในกากตะกอนลงอย่างมาก ซึ่งจะส่งผลเสียต่อกระบวนการอบแห้งและการเผากากตะกอนในขั้นตอนต่อไป

บทสรุป

ในบทความนี้ ได้วิเคราะห์ลักษณะของกากตะกอนแห้งก่อนและหลังการอบแห้ง โดยใช้กากตะกอนแห้งจากเขตชิงปู่ เมืองเซี่ยงไฮ้ เป็นวัตถุดิบ

(1) เมื่อกระบวนการอบแห้งดำเนินไป โครงสร้างพื้นผิวของตะกอนจะค่อยๆ ปิดลง ช่องว่างจะค่อยๆ ลดลง และประสิทธิภาพการอบแห้งจะค่อยๆ ลดลง

(2) กระบวนการทำให้แห้งของตะกอนจะทำให้เกิดการย่อยสลายของสารอินทรีย์ในปริมาณเล็กน้อย ดังนั้นปริมาณสารอินทรีย์และสารระเหยของตะกอนหลังการทำให้แห้งจึงลดลงเล็กน้อย

(3) ค่าความร้อนต่ำของตะกอนมีความสัมพันธ์เชิงลบกับปริมาณความชื้น แต่ไม่มีความสัมพันธ์เชิงเส้นที่ชัดเจน มีความสัมพันธ์เชิงเส้นในเชิงบวกระหว่างค่าความร้อนสูงของตะกอนกับปริมาณสารอินทรีย์ ดังนั้น จึงจำเป็นต้องลดปริมาณความชื้นของตะกอนและลดการสูญเสียปริมาณสารอินทรีย์ในตะกอนเพื่อให้มั่นใจได้ว่าค่าความร้อนของตะกอนอยู่ในระดับที่เหมาะสม