Nghiên cứu về đặc tính sấy khô của bùn thải đô thị

Lấy khử nước bùncủa thành phố trực thuộc quận Thanh Phủ Xử lý nước thải Sử dụng thực vật làm nguyên liệu thô, bài báo này nghiên cứu sự khác biệt về đặc điểm của bùn trước và sau khi sấy khô từ các khía cạnh phân tích công nghiệp, vi hình thái học, thành phần cơ bản và giá trị nhiệt lượng, đồng thời cung cấp dữ liệu cơ bản cho việc thực hiện quá trình sấy khô và đốt bùn.

Bùn thải là sản phẩm phụ của quá trình xử lý nước thảiBùn thải có hàm lượng nước cao (thường khoảng 98%), khối lượng lớn, khó xử lý và thành phần phức tạp, chứa nhiều chất hữu cơ, kim loại nặng, muối, các chất khó phân hủy và vi sinh vật gây bệnh, trứng ký sinh trùng, v.v. Với sự phát triển của xử lý nước thải, việc xử lý và tiêu hủy bùn thải hợp lý ngày càng trở nên quan trọng, và bùn thải chưa qua xử lý là mối đe dọa lớn đối với môi trường.

Theo dữ liệu của Viện Nghiên cứu E20, hơn một nửa lượng bùn thải từ các nhà máy xử lý nước thải được xử lý và thải bỏ bằng phương pháp chôn lấp hợp vệ sinh, và hơn 18% lượng bùn bị thất thoát. Hơn 50% lượng nước trong 80% lượng bùn đã khử nước được thải bỏ bằng phương pháp chôn lấp đơn giản. Phương pháp thải bỏ này không chỉ gây ô nhiễm thứ cấp nghiêm trọng cho môi trường mà còn chiếm diện tích lớn, và về lâu dài sẽ không còn đất để chôn lấp. Đề xuất của Xử lý bùn Các yêu cầu về xử lý chất thải trong "Kế hoạch 10 năm về nước" và "Kế hoạch 5 năm lần thứ 13" đã thúc đẩy sự phát triển của thị trường xử lý và thải bỏ bùn thải trong điều kiện chính sách thuận lợi, đồng thời công nghệ và thiết bị xử lý liên quan cũng phát triển nhanh chóng.

Tài liệu "Hướng dẫn kỹ thuật khả thi nhất về xử lý và thải bỏ bùn tại nhà máy xử lý nước thải" cho rằng việc sấy khô và đốt bùn là hướng đi mà nước ta nên hướng tới trong tương lai. Để thực hiện việc sấy khô và đốt bùn với hiệu quả cao và tiêu thụ năng lượng thấp, cần phải nghiên cứu một cách có hệ thống các đặc điểm của bùn trước và sau khi sấy khô từ nhiều góc độ khác nhau.

Bài báo này nghiên cứu các đặc điểm của bùn đã khử nước trước và sau khi sấy khô từ các khía cạnh phân tích cơ bản, hình thái vi mô, thành phần cơ bản và giá trị nhiệt lượng, cung cấp dữ liệu cơ bản cho việc thực hiện quá trình sấy khô và đốt bùn.

Thiết bị thí nghiệm

Thành phố khử nước bùn Bùn được làm khô bằng máy sấy màng mỏng, sơ đồ cấu tạo của máy sấy màng mỏng được thể hiện trong Hình vẽ. Máy sấy màng mỏng bao gồm vỏ máy, rôto và thiết bị truyền động. Rôto trải đều bùn đã khử nước thành một lớp mỏng trên thành trong của vỏ máy, và làm khô bùn bằng hơi nước ở nhiệt độ cao hoặc dầu dẫn nhiệt trong vỏ máy.

Phân tích và so sánh cơ bản trước và sau khi làm khô bùn.

Hơi nước quá nhiệt ở 160℃ và 0,6Mpa được dẫn vào máy sấy màng mỏng để sấy khô bùn đã khử nước có độ ẩm khoảng 80% xuống độ ẩm dưới 30%. Bùn trước và sau khi sấy được lấy mẫu và phân tích nhiều lần. Kết quả cho thấy hàm lượng chất dễ bay hơi trong bùn giảm sau khi sấy, và hàm lượng chất dễ bay hơi trong hỗn hợp sấy giảm từ 4,53% đến 8,66%. Đồng thời, hàm lượng tro trong bùn tăng lên, và giá trị nhiệt lượng cao của hỗn hợp sấy giảm từ 0,335 đến 1,15MJ/kg. Điều này chủ yếu là do trong quá trình sấy nhiệt, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong bùn và một số hạt bùn mịn cùng với hơi nước trong quá trình sấy trở thành khí thải và đi vào khu vực xử lý khí thải tiếp theo.

So sánh cấu trúc vi mô của bùn trước và sau khi sấy khô.

Hình dưới đây cho thấy cấu trúc vi mô của bùn trước và sau khi sấy khô. Như có thể thấy từ hình, cấu trúc bùn trước khi sấy khô tương đối lỏng lẻo, và một lượng lớn polyme ngoại bào được bao bọc và tập trung bên ngoài chất keo, tạo thành cấu trúc kết tụ rõ rệt. Bằng cách này, nước liên kết, nước kẽ và nước nội bào trong bùn được bao bọc trong các cụm bùn, khiến việc khử nước thêm bằng các tác động vật lý và hóa học trở nên khó khăn hơn. So với bùn sau khi sấy khô, bùn trước khi sấy khô có độ xốp cao hơn, diện tích bề mặt riêng lớn hơn, khả năng nén mạnh hơn, và các cụm bùn có thể bị phá hủy bằng cách tác dụng lực cơ học thấp hơn hoặc cung cấp nhiệt. Với sự bay hơi của nước trong bùn, cấu trúc cụm bùn dần dần bị phá vỡ, tạo thành cấu trúc kết tụ với cấu trúc bề mặt chặt chẽ và các lỗ rỗng dần dần co lại như trong hình bên phải. Tuy nhiên, hiệu quả bay hơi nước cũng sẽ giảm khi tỷ lệ lỗ rỗng của bùn giảm.

So sánh thành phần của bùn trước và sau khi sấy khô

Hình vẽ thể hiện kết quả phân tích quét quang phổ hồng ngoại trước và sau khi sấy bùn. Các nhóm chức năng tiêu biểu của nhóm bùn khô chủ yếu là H2O tự do, -OH, -CH2, -CH3, vòng thơm, C=C, CO, hydrocarbon halogen hóa, v.v. Điều này cho thấy hàm lượng chất hữu cơ trong bùn cao, và các loại chất hữu cơ có thể là protein, lipid, tinh bột và cellulose. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hàm lượng protein trong chất hữu cơ của bùn chiếm hơn 60%, lipid khoảng 20%, tinh bột và cellulose khoảng 15%, sự phân hủy các chất hữu cơ này sẽ tạo ra NH3, H2S, VOC và các khí gây mùi khác.

EPS là một loại polymer cao phân tử được cấu tạo từ protein, polysaccharid và một lượng nhỏ lipid, axit nucleic và mùn. Việc phát hiện các hợp chất đặc trưng của EPS cho thấy sự tồn tại của một lượng lớn EPS trong bùn thải. Là một thành phần hữu cơ quan trọng của bùn thải, hàm lượng EPS quyết định cường độ hấp thụ hồng ngoại của các nhóm chức đặc trưng của bùn thải. Bằng cách so sánh phổ hồng ngoại của bùn thải trước và sau khi sấy khô và loại trừ sự nhiễu loạn nhỏ của các tạp chất trong bùn thải trong quá trình phân tích, có thể thấy rằng cường độ hấp thụ hồng ngoại của bùn thải trước khi sấy khô cao hơn đáng kể so với bùn thải sau khi sấy khô. So với bùn thải trước khi sấy khô, phổ của bùn thải sau khi sấy khô cho thấy các đỉnh vai ở 1654 và 1543 cm⁻¹ (C=C), 2924 cm⁻¹ (CH) và 1076 cm⁻¹ (CO) nhỏ hơn, điều này cho thấy sự phân hủy các chất giống protein trong quá trình sấy khô bùn thải. Điều này cũng giải thích sự giảm hàm lượng chất hữu cơ và hàm lượng chất dễ bay hơi sau khi sấy khô bùn thải.

So sánh hàm lượng ẩm, chất hữu cơ và giá trị nhiệt lượng của bùn trước và sau khi sấy khô.

Chất hữu cơ trong bùn là nguồn cung cấp chính giá trị nhiệt lượng của bùn, trong khi hàm lượng ẩm của bùn cũng có ảnh hưởng lớn đến giá trị nhiệt lượng. Bùn có hàm lượng ẩm cao sẽ có giá trị nhiệt lượng thấp, điều này chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến quá trình đốt bùn. Hơn nữa, năng lượng tiêu thụ của hệ thống trong quá trình sấy bùn chủ yếu được sử dụng để làm bay hơi nước trong bùn.

Hàm lượng chất hữu cơ trong bùn sau khi sấy khô giảm nhẹ, và giá trị nhiệt lượng cao tương ứng của chất nền khô cũng giảm nhẹ. Mối tương quan giữa hàm lượng ẩm của bùn và giá trị nhiệt lượng, cũng như mối tương quan giữa chất hữu cơ trong bùn và giá trị nhiệt lượng đã được nghiên cứu riêng biệt, và hệ số tương quan giữa các biến được thu được bằng phương pháp hồi quy tuyến tính, và phân tích tương quan đã được thực hiện.

Có mối tương quan nghịch giữa hàm lượng ẩm của bùn khô và giá trị nhiệt lượng thấp của nó, mối tương quan này giảm khi hàm lượng ẩm tăng. Tuy nhiên, hệ số tương quan giữa hàm lượng ẩm của bùn khô và giá trị nhiệt lượng thấp là 0,882, và giá trị P của phép thử F là 0,061 ở độ tin cậy 95%. Vì giá trị P của phép thử F lớn hơn 0,05, nên hàm lượng ẩm của bùn khô không thể hiện mối tương quan tuyến tính đáng kể với giá trị nhiệt lượng thấp.

Hệ số tương quan giữa hàm lượng chất hữu cơ trong bùn thô và giá trị calo cao tính theo trọng lượng khô là 0,997, và giá trị P của phép thử F là 0,0033 ở mức độ tin cậy 95%. Giá trị P của phép thử F nhỏ hơn 0,05, do đó hàm lượng chất hữu cơ trong bùn thô có mối tương quan đáng kể với giá trị calo cao tính theo trọng lượng khô của nó.

Hàm lượng chất hữu cơ trong bùn khô có tương quan thuận với giá trị nhiệt lượng cao của chất nền khô, và giá trị nhiệt lượng cao của chất nền khô tăng lên khi hàm lượng chất hữu cơ tăng. Hơn nữa, hệ số tương quan giữa hàm lượng chất hữu cơ trong bùn khô và giá trị nhiệt lượng cao của chất nền khô là 0,973, và giá trị P của phép thử F là 0,014 ở mức độ tin cậy 95%. Vì giá trị p của phép thử F nhỏ hơn 0,05, có thể thấy rằng có mối tương quan đáng kể giữa hàm lượng chất hữu cơ trong bùn khô và giá trị nhiệt lượng cao của chất nền khô.

Từ phân tích trên, có thể thấy rằng giá trị nhiệt lượng của bùn có liên quan mật thiết đến hàm lượng ẩm và hàm lượng chất hữu cơ, và có mối tương quan dương đáng kể giữa hàm lượng chất hữu cơ trong bùn và giá trị nhiệt lượng trên cơ sở khô của bùn. Điều này cũng cho thấy rằng nếu sử dụng một lượng lớn phụ gia vô cơ để xử lý và khử nước bùn từ nhà máy xử lý nước thải, mặc dù có thể mang lại hiệu quả khử nước đáng kể, nhưng việc đưa vào một lượng lớn chất vô cơ không chỉ làm tăng tải trọng hệ thống của quá trình sấy bùn mà còn làm giảm đáng kể hàm lượng chất hữu cơ trong bùn, gây ảnh hưởng xấu đến quá trình sấy và đốt bùn tiếp theo.

Phần kết luận

Trong bài báo này, các đặc tính của bùn đã khử nước trước và sau khi sấy được phân tích bằng cách sử dụng bùn đã khử nước từ quận Thanh Phủ, Thượng Hải làm nguyên liệu thô.

(1) Khi quá trình sấy diễn ra, cấu trúc bề mặt của bùn dần dần khép lại, khe hở dần dần giảm đi và hiệu quả sấy dần dần giảm đi.

(2) Quá trình sấy bùn sẽ xảy ra sự phân hủy một lượng nhỏ chất hữu cơ, do đó hàm lượng chất hữu cơ và chất dễ bay hơi của bùn sau khi sấy sẽ giảm đi một chút.

(3) Giá trị nhiệt lượng thấp của bùn có tương quan nghịch với hàm lượng ẩm của nó, nhưng không có mối quan hệ tuyến tính rõ ràng; Có mối tương quan tuyến tính thuận giữa giá trị nhiệt lượng cao của bùn và hàm lượng chất hữu cơ của nó. Do đó, cần phải giảm hàm lượng ẩm của bùn và giảm sự mất mát hàm lượng chất hữu cơ trong bùn để đảm bảo giá trị nhiệt lượng của bùn.