印染污泥废水处理新技术

2017-03-15 08:53:35 5

  1 引言

  印染废水有机物浓度及色度高、组分复杂,通常采用物理化学与生物法对其进行处理.印染污泥是印染污水处理的副产物,是由有机残片、细菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体,若不经处理直接排放,可对环境造成较大的污染.而污泥焚烧处理能彻底、迅速和最大限度地减容减量,可望成为今后印染污泥处理处置的主流技术.

  江苏省印染行业历史悠久,印染产能位居全国第二,印染加工业出口份额占全国印染加工出口总量的1/3.印染企业主要分布于苏南和苏中地区,其中,太湖流域最为集中,全省960多家重点印染企业中有570余家坐落在太湖流域.本文拟在了解江苏省印染行业分布情况的基础上,选取17家印染污水处理厂为考察对象,调研污泥处理处置情况,取样分析脱水后印染污泥的含水率、热值、灰分、氯离子和重金属含量,探究江苏省印染污泥的特点及特性,以期为研究印染污泥焚烧处置的适应性和污染防治工作提供依据.

  2 调研及分析方法

   2.1 调研方法

  选取南通(5家)、无锡(6家)、常州(3家)和苏州(3家)4个地区的17家印染污水处理企业为考察对象,调查污水厂的日处理量、污泥产量、脱水方式和处置方式,取样分析脱水后印染污泥的含水率、热值、灰分、氯离子和重金属含量.为充分体现污泥的代表性,在不同的产泥地方多次采样并混合均匀后装入密封袋封存编号(南通1~5号、无锡6~11号、常州12~14号、苏州15~17号)用作后续分析.

  2.2 分析方法

  污泥含水率的测定参照《森林土壤含水率的测定》(LY/T 1213—1999),将污泥样品在103~105 ℃的烘箱中烘至恒重,样品的质量损失与初始质量的比值即为印染污泥的含水率.

  用《城市污水处理厂污泥检验方法》(CJ/T 221—2005)中的重量法测定污泥中的灰分含量,热值的测定参照《煤的发热量测定方法》(GB/T 213-87).氯离子测定采用《土壤氯离子含量的测定》(NY/T 1378—2007)中的硝酸盐滴定法.

  重金属元素镉(Cd)、铅(Pb)、总铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)和镍(Ni)选用王水-高氯酸消煮、火焰原子吸收分光光度法测定.

  3 结果与分析

   3.1 印染污水处理及污泥处置

  17家印染污水处理厂中,3家以棉布印染废水为主,4家以化纤印染废水为主,1家以牛仔印染废水为主,剩余9家则综合了棉、麻、丝、化纤、牛仔等多种类型废水.各处理厂的规模大小不等,污水日处理量为400~50000 t · d-1,相应的脱水污泥产量为10~100 t · d-1,表 1给出了17家印染污水厂的基本情况.

  表1 江苏省17家印染污水厂基本情况

 

 

  如表 1所示,污泥量与污水处理量并不成正比关系,这是由于污泥的产量不仅与污水处理量有关,还与污水的来源、处理工艺方法、污泥的含水率等有关.为排除污泥含水率对污泥产量的影响,表 1同时出了污水绝干污泥的产率(处理每千吨污水产生的绝干污泥量),可以看出,污水绝干污泥的产率变化范围较大(0.21~5.04 g · kg-1).绝干污泥产率大的污水处理以沉淀过滤为主,污水厂中的杂质绝大部分转换为污泥,如10号污水处理厂.而污水处理以生物法为主的污泥产率极低,如16号污水处理厂.本文调研的污水厂的污泥处置方式比较单一,污泥脱水后均是送到热电厂或垃圾焚烧厂进行焚烧,处置费用为160~200元 · t-1.

  3.2 印染污泥助燃焚烧条件分析

  3.2.1 印染污泥含水率

  由图 1可知,17家印染污水处理企业污泥含水率的变化范围为18.3%~83.9%,大部分集中在60%~80%,平均含水率为66.88%.11号污泥采用了热干化处理,含水率最低,仅为18.3%;另外7家(编号为2、6、7、8、9、10、14)对污泥进行了深度脱水,污泥含水率为53.7%~66.6%,平均为60.61%.采用常规方法脱水的污泥含水率较高,为69.2%~83.9%,平均为77.15%.

  图 1 印染污水厂污泥的含水率

  各家企业污泥采用的脱水方法不尽相同,4号采用叠锣式脱水,污泥含水率最高为83.9%;12号采用滚筒脱水,其含水率为80.8%;13号和16号采用离心脱水,污泥含水率分别为74.8%和82.2%;其余全部采用板框压滤,污泥的平均含水率为66.42%.相对而言,板框压滤得到的污泥含水率最低.因此,对于以低含水率为前提的污泥处理处置方式,如焚烧、填埋,印染污泥脱水应优先选择板框压滤.

  3.2.2 印染污泥热值和灰分

  污泥热值是污泥焚烧处理的重要参数,与污泥中有机物的含量密切相关.表 2和图 2给出了各地区印染污泥灰分和热值的平均值.污水来源、处理方法(生物法、物化法等)和工艺、添加的药剂(有机药剂、无机药剂等)等显著影响污泥的性质,使得其灰分、热值含量波动范围较大.

  图 2 不同地区污泥的灰分及低位热值

  图 2和表 2结果表明,17个污泥样品中,灰分含量最小为9.7%,最大为88.0%,平均为46.0%.不同地区的污泥灰分含量高低顺序为无锡>南通>常州>苏州.印染污泥的低位热值变化范围为0~17960 kJ · kg-1,在17个样品中,4、7、12、16号污泥的低位热值高于10000 kJ · kg-1.

  表2 印染污泥的灰分、热值的测量结果

 

  一般来说,污泥中的灰分含量越高,热值越低.8号和11号污泥的灰分含量分别高达88.0%和77.7%,这是由于在污水处理过程中加入了大量的无机物(如氧化钙、硫酸亚铁等),导致污泥中无机成分所占比例极大,低位热值较低;而灰分含量低于26.4%的污泥,热值均高于10000 kJ · kg-1.

  3.2.3 助燃焚烧分析

  根据《城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质》(GB/T 24602—2009)规定的污泥理化指标及限值可知,污泥助燃焚烧时低位热值需大于3500 kJ · kg-1,17家印染污水处理厂中有8家污泥的低位热值低于该值,达不到污泥助燃焚烧的条件.

  已知污泥的含水率和低位热值,可得出污泥的干基热值和助燃焚烧时的最高限含水率(即满足污泥助燃焚烧(低位热值为3500 kJ · kg-1)时所需的最大含水率),公式如下:

  式中,LHV为污泥的低位热值(kJ · kg-1),p为污泥的含水率,Qg为污泥的干基热值(kJ · kg-1),r 为水的汽化潜热,取值为2 512 kJ · kg-1.

  表 3给出了上述8家污水厂污泥的含水率、低位热值、干基热值和助燃焚烧时的最高限含水率.由表 3可知,1号和3号污泥虽然干基热值较高,但污泥含水率也高,无法满足助燃焚烧所需热量,建议对两家污水厂污泥进行深度脱水,将含水率降低到60%左右,以满足污泥助燃焚烧要求.5、8、9、10和11号污泥的干基热值相对较低,建议在污水污泥处理过程中改进工艺、减少无机物的添加.

  表3 不能自持燃烧的污泥分析结果

 

  3.3 印染污泥氯离子分析

  印染污泥中氯离子含量在82~6923 mg · kg-1之间变化,主要来源于污水污泥处理过程中加入的含有氯离子的药剂.其中,未加入含氯离子药剂的污泥氯离子含量仅为82 mg · kg-1(14号污泥);南通4家污水厂在污水污泥处理过程中加入了含氯药剂,污泥氯离子含量分别高达3444、5256、6923和3116 mg · kg-1.

  污泥焚烧时,氯元素会使烟气中产生一定量的HCl气体和二 英等,从而引起一系列的环境问题.污泥中的氯元素主要以金属化合物和有机结合态存在,不管是有机氯还是无机氯在焚烧过程中都能反应生成二 英,二者对二 英的形成没有多大差别.当污泥中氯的质量分数高于0.8%~1.1%时,二 英的生成量随氯含量的提高而增加.17种印染污泥氯离子含量最高值为0.69%,低于上述值.但二 英的生成量不完全取决于氯含量,污泥焚烧过程中,燃烧温度、氧气的含量、重金属含量等也会对二 英的生成产生影响,其中,Cu2+作为前驱物合成二 英的催化剂,在二 英前驱物的合成中起决定作用.

  表 4给出了部分污泥Cu和Cl-的检测结果,可以看出,2、3、4和5号污泥中的Cl-含量较高,为了抑制焚烧时二 英的生成,建议在污水污泥处理过程中减少氯的投加.3号污泥Cl-及Cu的含量都较高,焚烧时生成二 英的几率大,建议焚烧时多关注烟气中二 英的监测和分析.

  表4 部分污泥Cu和Cl-的检测结果

 

  3.4 印染污泥重金属分析

  污泥中的重金属由于具有生物毒性,其带来的环境问题是人们关注的焦点,并已成为污泥资源化利用的主要障碍因素之一.污泥中重金属含量是决定飞灰重金属含量的主要因素,在高温焚烧的过程中,部分重金属会大量挥发并富集在烟气净化系统的焚烧飞灰上,从而增加了飞灰中重金属化合物的含量.

  3.4.1 污泥重金属含量

  表 5给出了印染污泥中各重金属含量的统计结果.由表可知,同一种重金属在不同污泥中的含量变化较大,如Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的含量变化范围分别为0~2.10、0~130.5、8.54 ~726.00、4.58~194.00、32.70~3610.00、1.09~109.00 mg · kg-1.6种重金属平均含量的大小顺序为Zn(922.67 mg · kg-1)>Cr(217.82 mg · kg-1)>Pb(116.04 mg · kg-1)>Cu(97.06 mg · kg-1)>Ni(59.38 mg · kg-1)>Cd(0.40 mg · kg-1).

  表5 印染污泥重金属含量统计结果

 

  按照我国《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)规定的三级标准(为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值),污泥样品中Cu和Ni含量未超标,其他则都有超标现象.与江苏省城市污水处理厂污泥中重金属平均含量(郑翔翔等,2007)相比,17家印染污水处理厂的污泥重金属平均含量较市政污泥低,尤其是Cd、Cu和Ni.

  为更好地反映江苏省印染污泥的重金属情况,图 3统计分析了6种重金属的分布情况.可以看出,17家印染污泥中,76%的印染污泥中含Cd量在0.5 mg · kg-1以内,70%的污泥中含Pb量在50 mg · kg-1以下,污泥中的Zn含量大多在200 mg · kg-1以内且53%集中在90~120 mg · kg-1之间,Cr、Cu和Ni的含量分布相对均匀.

 

  图 3 不同重金属含量的分布频率图

  3.4.2 不同地区印染污泥重金属污染指数

  污泥中的重金属与织物种类、加工的花色品种、所用染料、浆料和助剂有关.表 6给出了4个地区印染污泥的重金属平均含量,其大小顺序为:Cd:苏州>无锡>常州>南通,Pb:南通>无锡>苏州>常州,Cr:无锡>苏州>常州>南通,Cu:常州>无锡>苏州>南通,Zn:南通>苏州>无锡>常州;Ni:常州>无锡>南通>苏州.4个地区中Cd、Pb、Cu和Ni的平均含量均低于《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)规定的三级标准;无锡和苏州两地的Cr含量超过标准值;除常州地区,其他3个地区污泥中的Zn含量都严重超标,这可能与目前污水管道普遍采用镀锌管道有关.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  表6 不同地区印染污泥重金属平均含量

 

  自然界中重金属的污染多为伴生性或综合性的复合污染(陈怀满,1996),在评价重金属元素的危害时不仅要考虑一种元素在单体系中的临界值,还要考虑多因素的综合影响效应.常用的评价重金属污染方法是内梅罗指数法(余剑东等,2002):

  式中,Pi为第i种重金属元素的污染指数,Ci为第i种重金属含量实测值,Si为第i种重金属含量的评价标准值,P综为污泥的综合污染指数,Pimax为采样污泥重金属污染物单项污染指数中的最大值,

  为单因子指数平均值,

  如果P>1,说明样品中重金属含量超过了评价标准的要求;P=1,说明样品中重金属含量处于临界状态;P<1,说明样品中重金属含量低于评价标准.图 4给出了4个地区印染污泥重金属单项污染指数和综合污染指数.由图可知,同一种重金属在不同地区的污染指数相差很大,同一地区不同重金属的污染程度也不相同,其综合污染指数由大到小依次为南通>苏州>无锡>常州,其中,苏州和南通的相应值都高于1,南通更是高达3.08左右,因此,这两个地区的印染污泥处置要特别关注重金属的污染问题.

  图 4 不同地区印染污泥重金属污染指数统计

  4 结论

  1)本文调研的印染污泥的脱水方式多采用板框压滤,含水率低至53.7%;有将近1/2的印染污泥并没有达到污泥助燃焚烧的条件,建议改进污泥的处理工艺和脱水方式,以减少灰分降低含水率.

  2)考察的印染污泥中氯离子变化范围较大,为82~6923 mg · kg-1,差异主要源于污水及污泥处理过程中添加的含氯药剂.为减少二 英等污染物的产生,污水污泥处理过程中应尽量避免氯离子的加入,焚烧时应严格控制焚烧条件并加强对二 英类物质的监测.

  3)调研的印染污泥中重金属平均含量的排序为Zn(922.67 mg · kg-1)>Cr(217.82 mg · kg-1)>Pb(116.04 mg · kg-1)>Cu(97.06 mg · kg-1)>Ni(59.38 mg · kg-1)>Cd(0.40 mg · kg-1),均低于江苏省城市污泥重金属平均含量;不同地区印染污泥中重金属的综合污染指数差异较大,排序为南通>苏州>无锡>常州,其中,苏州和南通地区超过了评价标准,因此,要严格关注污泥焚烧后产生的飞灰重金属含量.

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