污泥化学调质深度脱水技术的神秘面纱

揭开污泥化学调质+深度脱水技术的神秘面纱最近一个时期，业内开始流行一种所谓“污泥深度脱水”技术，一些厂家宣传其机械脱水动辄可以达到含固率50~60%以上，吨泥饼的处理成本只有区区几十元。随着环保部12月刚刚发布的通知，要求市政污水厂的污泥出厂含固率必须达到50%以上。根据业内目前的处置水平和投资情况，这一政策几乎是给“深度脱水技术”量身定做的一般。这种技术的潜在影响力和前景，激发了我的好奇心。根据常识，一般生物污泥采用加高分子聚合物的机械脱水，只能脱到含固率10~30%。再深脱，就非得做些特殊的处理了，这种处理叫做“调质”(conditioning)。调质有多种方法，有热物理法，如“热水解”、“水热干化”、“湿性氧化”等等；有物理法，如超声波、微波等；最多的是化学法，通过添加某些无机化学盐类，可以起到改变污泥分子电荷极性，增加颗粒孔隙、改善压滤特性等效果。不难发现，目前市场上最普遍也最便宜的技术都是这种化学调质+高压压滤处理的组合。本文就是我一周来学习的结果，敬希方家指正。一、神秘配方后面的心态十分有趣的是，每个做化学法调质+深度脱水的技术设备商，都倾向于把自己的技术搞得神秘兮兮的。参观可以，但是不能进混合和配料车间。远远看一眼可以，但不能取样。参观者只能站在板框压滤机旁边，看着源源不断出来的干得像石头的泥饼，惊讶地合不上嘴。面对如此神奇的技术，怎能不啧啧称赞？作为业内人士，我十分反感这种遮遮掩掩、故弄玄虚、掩耳盗铃般的技术保密。如果参观者不懂技术，你这么防范也没必要；如果是懂行的，盖住关键部位，就以为别人看不到了、看不懂了？再说，我还发现了一个这些人共同的毛病，我称之为“此地无银三百两综合症”：恨不能每件事都要注册一个专利，以求“自我保护”。殊不知，一旦在专利中公布了工艺原理或过程，所谓化学调质技术其实不过是一捅就破的一层窗户纸而已。有趣之处还在于，这些技术专利的内容实质基本是一样的！都是采用氯化铁（或硫酸铁、聚合硫酸铁）加生石灰进行调质，个别的还要用到矿化剂，采用板框机或高压板框机进行压滤而已！简单搜了一下，就找到了以下专利，以申请时间先后排序如下：[2003.11.24]曾智勇污泥高效脱水调理剂[2003.11.24]曾智勇一种纳米高效污泥脱水调理剂[2006.11.15]广州普得环保污泥深度脱水的添加剂[2007.01.19]广州普得环保污泥制砖简易低能耗干燥方法[2007.04.17]同济大学一种污泥胶凝固化剂及其应用[2008.03.26]山东省科学院新材料研究所高干度压榨脱水[2009.08.31]江汉大学污泥调理剂及其污泥脱水方法[2009.10.01]厦门水务集团一种污泥脱水方法[2009.12.11]广州普得环保污泥二次加压脱水方法[2009.12.21]杭州兴源过滤污泥深度脱水方法[2010.06.13]东南大学污泥深度脱水的调质混凝剂[2010.06.13]东南大学一种脱水污泥的二次深度脱水方法[2010.06.13]东南大学一种污泥深度脱水的方法我搜的不一定完全，仅从上述专利分析，让我觉得是一个湖南的曾先生首先想到了这种方法，三年后一家广州的公司才有了类似的尝试。之后，才是一流、二流科研院所的教授们回过味儿来，大炒冷饭……专利中所言的配方当然都不会是准确的，而是一个个很宽的范围值。我很怀疑这种专利的意义何在。仍做个喝汤的比喻，你喝汤的方法再精妙，都离不开嘴巴；别人也都要用嘴巴吃饭、喝汤。你总不能不准别人用嘴巴吧？污泥的化学调质都得用到一个铁盐或铝盐，这两种金属盐也同时不是氯盐就是硫酸盐，剩下的钙盐（石灰）、镁盐似乎更没什么可争议的，其它盐类活性差且昂贵，写出来也不过是障眼法罢了。所有的专利其实都是这几种基本成分的组合，我真不知论争起来，这专利如何“专”法。既然原理层面没什么可做区别的，唯一可形成差异的也就是实际应用时的药剂种类、纯度、用量，压滤的压力、时间以及由此造成的压滤效果不同而已。其实，说得更准确些，应该是污泥的性状不同，一定会造成用量和效果的不同罢了。二、“新大陆”何以能被重复“发现”中国的事情常常就是这么奇怪。国内这些理工科大学的技术创新实在不怎么“新”，而实际上，中国的曾先生又何尝发现了“新大陆”！翻看一下美国国家环保局1979年出版的、供全体地球人随意下载的《污泥处理处置工艺设计手册》（ProcessDesignManualforSludgeTreatmentandDisposal）一书，在第8章“调质”和第9章“脱水”中，可以查到中国这些专利中几乎所有的实质内容，而且其中的原理、应用方法、类型、经验、造价、运行成本要完整和权威得多。为了后面分析方便，兹从这本三十年前的美国工程手册中做一些摘录如下：“第8.4节无机化学调质无机化学调质与污泥脱水相关，主要配合真空压滤。最常用的无机化学药剂是氯化铁（三氯化铁）和生石灰（氧化钙），也有使用硫酸铁的。首先添加氯化铁，水合后形成正电荷，以中和污泥颗粒的负电荷，使之絮凝；氯化铁也与污泥中的两价碳酸盐形成氢氧化铁，作为絮凝剂。氧化钙一般配合氯化铁的使用，主要目的是调节pH值、除臭和消毒，此外可增强颗粒结构，提供孔隙，减少其压缩性。铁盐添加量一般为每吨干基污泥20~63公斤，而生石灰添加量则为75~277公斤。添加铁盐和生石灰将会造成污泥增量，可估算为每增加1公斤药剂，增加1公斤污泥干固体，并减低焚烧热值。石灰有结垢问题，氯化铁则对设备产生腐蚀。第9.4.6节关于板框机美国早在1920年就有了第一台用于市政污泥脱水的板框机（列举了板框机的优缺点）。板框机的运行压力为两种，低压在6.9巴，高压为15.5-17.3巴。进料时间一般为20-30分钟，压滤保持时间为1-4小时。各种污泥及其不同比例的混合污泥脱水特性不一样，因此有着不同的无机化学药剂添加量和脱水效果（手册以表格形式列举了多组理论设计值、实际运行值，包括添加矿化剂的概念，下详）”。三十年前的美国工程手册已经如此完备地讲述过的无机化学调质，在21世纪作为“新大陆”一次又一次被中国的科技精英们“发现”，有些还是留学的博士什么的，这现象多少显露出中国工程界的浮躁和浅薄。教授们应该是懂英文的，否则职称也通不过；留洋博士们更是大桶喝过洋墨汁，想来英文应该是滚瓜烂熟于胸中的，竟然没有一个看过美国环保局的这本书（想来如果看过这本书，也就不好意思去做专利了吧），真是咄咄怪事。查了查美国专利，从上世纪30年代开始，找到了很多石灰法处理污泥，然后焚烧再生，重新获得氧化钙的内容，看来北京奥利爱得的专利也并非头一个。也许我的英文还不够好，我居然连一个关于“污泥+氧化钙/石灰+氯化铁/硫酸铁/铁盐+脱水/压滤”的组合也没找到。能够找到的“污泥+氧化钙/石灰+氯化铁/硫酸铁/铁盐”都是日本关于污泥焚烧灰制备水泥或土壤硬化材料的应用。我想，也许是国外的人不屑于把喝汤的技巧也注册为专利的缘故吧。一个众所周知的化学常识，恐怕也没有太多可保护的空间。三、化学品用量与脱水效果工程不是做戏。扔几个烟幕弹，终有烟幕散去、尘埃落定的时候。无机化学是最基础的科学，是科学就可以定量分析，让我们来看看这些专利在定量方面与美国手册中的数据有何区别。1、曾智勇专利《污泥高效脱水调理剂》透露，复合重量计为：无机高分子脱水调理剂（聚合硫酸铁）40~90份，有机高分子脱水调理剂（聚丙烯酰胺）0.5~12份，石灰粉（CaO计）5~55份。较佳重量计为：无机高分子脱水调理剂50~80份，有机高分子脱水调理剂2~8份，石灰粉（CaO计）15~45份。最佳重量计为：无机高分子脱水调理剂65份，有机高分子脱水调理剂5份，石灰粉（CaO计）30份。由于没有用法实例，无法判断其效果。《一种纳米高效污泥脱水调理剂》透露，复合重量计为：无机高分子脱水调理剂（聚合硫酸铁）85~98份，有机高分子脱水调理剂（聚丙烯酰胺）0.5~6份，羟甲基纤维素钠(NaCMC)0.5~6份，纳米材料(TiO2,ZnO,SiO2)0.5~3份。同上，由于没有用法实例，无法判断其效果，不论。2、广州普得环保设备有限公司专利《污泥深度脱水的添加剂》介绍，对已脱水泥饼进行二次深度脱水，调质添加剂含Fe3+盐0.3~2%和Ca2+盐0.5~5%。首先将污泥稀释为含水90%，按湿基比例，先加入铁盐，搅拌若干分钟后，再加入钙盐，搅拌后采用板框机在1.5~2.5MPa下保压30~70分钟，可脱水至含固率35~45%。该专利列举了6个应用实例，列表如下（三氯化铁价格取1500元/吨、氧化钙取300元/吨、聚丙烯酰胺取36000元/吨，下同）：123456初始泥饼含固率%19.40%21.60%19.80%20.50%18.40%19.10%干固体量kg/h194216198205184191三氯化铁添加比例%0.50%1.00%0.30%0.70%1.00%0.80%氧化钙添加比例%1.50%2.00%2.50%3.00%0.50%2.50%脱水后含固率%42.70%44.20%41.30%46.70%40.90%44.40%干基三氯化铁添加量kg/t.DS50100307010080干基氧化钙添加量kg/t.DS15020025030050250吨湿泥药剂总成本yuan/t23.345.423.840.030.437.2吨脱水药剂成本yuan/t.H2O53.8136.168.3112.263.994.7《污泥二次加压脱水方法》与前面一个专利的不同之处在于，它是针对浓缩污泥脱水的，对浓缩污泥脱水前进行调质，采用三氯化铁溶液浓度≥35%，投加量为污泥干基0.3-10%；氧化钙含量≤60%的石灰投加量为污泥干基质量的3-150%。以18-25MPa压力保压，脱水后泥饼含固率可达40-65%。根据所给出的实例，应用效果如下（石灰中氧化钙70%）：含固率%5%3%1%三氯化铁溶液投加比例%4.50%5.00%6.50%三氯化铁溶液浓度%38.00%38.80%38.80%石灰投加比例%12.50%15.00%20.00%最终含固率%35.5%62.0%58.0%压滤压力MPa393325实际吨干固体量投加三氯化铁kg/t.DS17.119.425.22实际吨干固体量投加氧化钙kg/t.DS87.5105140药剂成本yuan/h3.22.20.7以原含固率20%泥饼计的药剂耗yuan/t12.614.819.6很显然，采用如此之高的压力进行脱水，药剂耗可能非常低，但设备处理量、电耗就会相应提高。3、同济大学专利《一种污泥胶凝固化剂及其应用》透露，污泥胶凝固化剂由A、B两种组分组成，A组分由氧化镁50-70份、氧化钙10-15份、二氧化硅15-20份、氧化铁3-5份和三氧化二铝2-3份组成；B组分由六水氯化镁45-60份、七水硫酸镁30-50份、硅酸钠5-10份、氯化钠3-5份、氯化钾3-5份组成。先将A、B按1~10比1的比例混合，再将固化剂以1比5~100与湿泥混合，此外还可加入0-5份的固化调理剂（4份磷酸与10份磷酸氢铵组成）。所有专利中，以同济大学的专利最为花哨，体现了国内一流理工大学的障眼法水平确实高人一等。其特点似乎是以镁系盐为主要成分。赵由才教授曾在2010年北京的一次讲座中回答提问时提到，此添加剂的售价为800元/吨。由于与主流钙系-铁系添加剂不同，无从比较，这里略过不论。4、山东省科学院新材料研究所专利《高干度压榨脱水》透露，脱水剂为硅改性聚铝絮凝剂和PAM的复合剂，质量配比17比65，溶液浓度0.1-1.5%，溶液用量10-35公斤/吨。压榨压力5-40MPa。由于主要以PAM为主，与这里讨论的钙-铁系添加剂差别较大，略过不论。5、江汉大学专利《污泥调理剂及其污泥脱水方法》透露，采用生物质燃烧后的产物30-95%、生石灰5-20%、粉煤灰0-50%制成调理剂，机械脱水可将污泥脱水至含固率40-60%。大量添加废弃物来源矿化剂，尽管也在美国工程手册中提及，但其降低含固率的作用更多在“稀释”而非“调质脱水”，这里略过不提。该项目也在2010年7月的上海水业热点论坛上被选为十大推荐污泥