دراسة خصائص تجفيف الحمأة البلدية

باستخدام حمأة نزح المياه في محطة معالجة مياه الصرف الصحي التابعة لبلدية منطقة تشينغبو كمواد خام، تدرس هذه الورقة الاختلافات في خصائص الحمأة قبل وبعد التجفيف من جوانب التحليل الصناعي، والتشكل المجهري، والتركيب الأساسي والقيمة الحرارية، وتوفر بيانات أساسية عن تحقيق تجفيف وحرق الحمأة.

الحمأة هي منتج ثانوي لعملية معالجة مياه الصرف الصحي، ذات محتوى مائي مرتفع (بشكل عام حوالي 98%)، وحجم كبير، ويصعب التخلص من خصائصها، كما أن تركيب الحمأة معقد، حيث تحتوي على عدد كبير من المواد العضوية، والمعادن الثقيلة، والأملاح. من الصعب تحلل المواد والكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض والبيض الطفيلي وما إلى ذلك. مع تعميق معالجة مياه الصرف الصحي، أصبحت المعالجة المعقولة والتخلص من الحمأة ذات أهمية متزايدة، وتشكل الحمأة غير المعالجة تهديدًا كبيرًا للبيئة.

وفقًا لبيانات معهد أبحاث E20، تتم معالجة أكثر من نصف الحمأة الناتجة عن محطات معالجة مياه الصرف الصحي والتخلص منها عن طريق المطامر الصحية، ويتم فقدان أكثر من 18٪ من الحمأة. يتم التخلص من أكثر من 50% من المحتوى المائي لـ 80% من الحمأة المنزوعة الماء عن طريق الطريقة البسيطة لطمر النفايات. طريقة التخلص هذه لا تسبب تلوثًا بيئيًا ثانويًا خطيرًا فحسب، بل تشغل أيضًا مساحة كبيرة، ولن تكون هناك أرض لدفنها على المدى الطويل. أدى اقتراح متطلبات معالجة الحمأة والتخلص منها في "خطة المياه العشرة" و"الخطة الخمسية الثالثة عشرة" إلى تعزيز نمو سوق معالجة الحمأة والتخلص منها في ظل ظروف السياسات المواتية، كما تطورت تكنولوجيا ومعدات المعالجة ذات الصلة بسرعة .

"إن أفضل المبادئ التوجيهية التقنية الممكنة لمعالجة الحمأة والتخلص منها في محطة معالجة مياه الصرف الصحي" تعتقد أن تجفيف الحمأة وحرقها هو الاتجاه الذي تؤيده بلادنا في المستقبل. من أجل تحقيق تجفيف الحمأة وحرقها بكفاءة عالية واستهلاك منخفض للطاقة، من الضروري دراسة خصائص الحمأة بشكل منهجي قبل وبعد التجفيف من زوايا متعددة.

في هذا البحث تمت دراسة خصائص الحمأة المجففة قبل وبعد التجفيف من جوانب التحليل الأساسي، الميكرومورفولوجي، التركيب الأساسي والقيمة الحرارية، والتي وفرت بيانات أساسية لتحقيق تجفيف وحرق الحمأة.

المعدات التجريبية

يتم تجفيف حمأة نزح المياه البلدية باستخدام مجفف الأغشية الرقيقة، ويظهر الرسم التخطيطي لهيكل مجفف الطبقة الرقيقة في الشكل. تتكون آلة تجفيف الأغشية الرقيقة من الغلاف، الدوار وجهاز القيادة. ينشر الدوار الحمأة المجففة إلى طبقة رقيقة على الجدار الداخلي للغلاف الصدفي، ويجفف الحمأة بواسطة البخار ذو درجة الحرارة العالية أو زيت التوصيل الحراري في الغلاف.

التحليل الأساسي والمقارنة قبل وبعد تجفيف الحمأة

تم تمرير البخار المحموم بمقدار 160 درجة مئوية و0.6Mpa إلى مجفف الأغشية الرقيقة لتجفيف الحمأة المنزوعة الماء بمحتوى رطوبة يبلغ حوالي 80% إلى محتوى رطوبة أقل من 30%. تم أخذ عينات من الحمأة قبل وبعد التجفيف وتحليلها عدة مرات. أظهرت النتائج أن المحتوى المتطاير للحمأة انخفض بعد التجفيف، كما انخفض المحتوى المتطاير لقاعدة التجفيف بنسبة 4.53%~8.66%. وفي الوقت نفسه، زاد محتوى الرماد في الحمأة، وانخفضت القيمة الحرارية العالية لقاعدة التجفيف بمقدار 0.335 ~ 1.15 ميجا جول / كجم. ويرجع ذلك أساسًا إلى أنه في عملية التجفيف الحراري، تصبح المركبات العضوية المتطايرة الموجودة في الحمأة وبعض جزيئات الحمأة الدقيقة غازًا خلفيًا للتجفيف مع بخار ماء التجفيف وتدخل إلى قسم معالجة الغاز الخلفي اللاحق.

مقارنة البنية المجهرية للحمأة قبل وبعد التجفيف

ويوضح الشكل التالي البنية المجهرية للحمأة قبل وبعد التجفيف. كما يتبين من الشكل، فإن بنية الحمأة قبل التجفيف تكون فضفاضة نسبيًا، ويتم لف عدد كبير من البوليمرات خارج الخلية وتجميعها خارج المادة الغروية، مما يشكل بنية مجمعة واضحة. بهذه الطريقة، يتم تغليف الماء المرتبط والماء الخلالي والمياه داخل الخلايا في الحمأة في كتلة الحمأة، بحيث يكون من الصعب زيادة الجفاف من خلال الإجراءات الفيزيائية والكيميائية. بالمقارنة مع الحمأة بعد التجفيف، فإن الحمأة قبل التجفيف لديها مسامية أعلى، ومساحة سطح محددة أكبر، وانضغاط قوي، ويمكن تدمير كتلة الحمأة عن طريق تطبيق قوة ميكانيكية أقل أو توفير الحرارة. مع تبخر الماء في الحمأة، ينهار هيكل كتلة الحمأة تدريجيًا، ويشكل هيكلًا مجمعًا بهيكل سطحي محكم ويتقلص الفراغات تدريجيًا في الشكل الموجود على اليمين. ومع ذلك، فإن كفاءة تبخر الماء ستنخفض أيضًا مع انخفاض نسبة فراغ الحمأة.

مقارنة تكوين الحمأة قبل وبعد التجفيف

يوضح الشكل نتائج تحليل المسح الطيفي بالأشعة تحت الحمراء قبل وبعد تجفيف الحمأة. المجموعات الوظيفية التمثيلية لمجموعة الحمأة الجافة هي بشكل أساسي H2O، -OH، -CH2، -CH3، الحلقة العطرية، C = C، CO، الهيدروكربونات المهلجنة، وما إلى ذلك. ويشير ذلك إلى أن محتوى المادة العضوية في الحمأة مرتفع، و قد تكون أنواع المواد العضوية هي البروتين والدهون والنشا والسليلوز. أظهرت الدراسات أن محتوى البروتين في المواد العضوية في الحمأة يزيد عن 60%، والدهون حوالي 20%، والنشا والسليلوز حوالي 15%، وتحلل هذه المواد العضوية سينتج NH3 وH2S والمركبات العضوية المتطايرة وغازات الرائحة الأخرى.

EPS عبارة عن بوليمر عالي يتكون من البروتين والسكريات وكمية صغيرة من الدهون والحمض النووي والدبال. يشير الكشف عن مركبات EPS المميزة إلى وجود كمية كبيرة من EPS في الحمأة. باعتباره مكونًا عضويًا مهمًا للحمأة، يحدد محتوى EPS كثافة امتصاص الأشعة تحت الحمراء للمجموعات الوظيفية المميزة للحمأة. من خلال مقارنة أطياف الأشعة تحت الحمراء للحمأة قبل وبعد التجفيف واستبعاد التداخل الدقيق للشوائب في الحمأة أثناء عملية التحليل، يمكن ملاحظة أن كثافة امتصاص الأشعة تحت الحمراء للحمأة قبل التجفيف أعلى بكثير من تلك الخاصة بالحمأة بعد التجفيف. بالمقارنة مع الحمأة قبل التجفيف، أظهرت أطياف الحمأة بعد التجفيف أن قمم الكتف عند 1654 و1543 سم-1 (C = C)، 2924 سم-1 (CH) و1076 سم-1 (CO) كانت أصغر، مما يشير إلى تحلل المواد الشبيهة بالبروتين أثناء عملية تجفيف الحمأة. وهذا ما يفسر أيضًا انخفاض محتوى المادة العضوية ومحتوى المواد المتطايرة بعد تجفيف الحمأة.

مقارنة محتوى الرطوبة والمادة العضوية والقيمة الحرارية للحمأة قبل وبعد التجفيف

تعتبر المادة العضوية الموجودة في الحمأة المزود الرئيسي للقيمة الحرارية للحمأة، في حين أن محتوى الرطوبة في الحمأة له أيضًا تأثير كبير على القيمة الحرارية. يحتوي المحتوى الرطوبي العالي للحمأة على قيمة حرارية منخفضة منخفضة، مما سيؤثر حتما على حرق الحمأة. علاوة على ذلك، فإن استهلاك طاقة النظام في عملية تجفيف الحمأة يستخدم بشكل أساسي لتبخير الماء الموجود في الحمأة.

انخفض محتوى المادة العضوية للحمأة بعد التجفيف قليلاً، كما انخفضت أيضًا قيمة السعرات الحرارية العالية المقابلة للقاعدة الجافة قليلاً. تمت دراسة العلاقة بين محتوى رطوبة الحمأة وقيمة السعرات الحرارية، والعلاقة بين المادة العضوية للحمأة وقيمة السعرات الحرارية على التوالي، وتم الحصول على معامل الارتباط بين المتغيرات عن طريق الانحدار الخطي، وتم إجراء تحليل الارتباط.

توجد علاقة عكسية بين المحتوى الرطوبي للحمأة الجافة وانخفاض قيمتها الحرارية والتي تتناقص مع زيادة المحتوى الرطوبي. ومع ذلك، فإن معامل الارتباط بين محتوى رطوبة الحمأة الجافة وقيمة السعرات الحرارية المنخفضة هو 0.882، والقيمة P لاختبار F هي 0.061 تحت ثقة 95٪. نظرًا لأن قيمة F-test P أكبر من 0.05، فإن محتوى الرطوبة في الحمأة الجافة لا يُظهر ارتباطًا خطيًا كبيرًا مع قيمة السعرات الحرارية المنخفضة.

كان معامل الارتباط بين محتوى المادة العضوية للحمأة الخام وقيمة السعرات الحرارية العالية للأساس الجاف 0.997، وكانت القيمة P لاختبار F 0.0033 تحت مستوى الثقة 95٪. تكون قيمة اختبار F أقل من 0.05، وبالتالي فإن محتوى المادة العضوية في الحمأة الخام له علاقة كبيرة بقاعدتها الجافة ذات القيمة الحرارية العالية.

ارتبط محتوى المادة العضوية في الحمأة الجافة بشكل إيجابي مع القيمة الحرارية العالية للقاعدة الجافة، وتزداد القيمة الحرارية العالية للقاعدة الجافة مع زيادة محتوى المادة العضوية. علاوة على ذلك، كان معامل الارتباط بين محتوى المادة العضوية للحمأة الجافة وقيمة السعرات الحرارية العالية للركيزة الجافة 0.973، وكانت القيمة P لاختبار F 0.014 تحت مستوى الثقة 95٪. نظرًا لأن القيمة p لاختبار F أقل من 0.05، فيمكن ملاحظة أن هناك علاقة ذات دلالة إحصائية بين محتوى المادة العضوية في الحمأة الجافة وقيمة السعرات الحرارية العالية للقاعدة الجافة.

من التحليل أعلاه، يمكن ملاحظة أن قيمة السعرات الحرارية للحمأة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بمحتوى الرطوبة ومحتوى المادة العضوية، وهناك علاقة إيجابية كبيرة بين محتوى المادة العضوية للحمأة وقيمة السعرات الحرارية لقاعدة الحمأة الجافة. يوضح هذا أيضًا أنه إذا تم استخدام عدد كبير من الإضافات غير العضوية لتكييف وتجفيف الحمأة من محطة معالجة مياه الصرف الصحي، على الرغم من أنها يمكن أن تلعب تأثيرًا كبيرًا في الجفاف، فإن إدخال عدد كبير من المواد غير العضوية لن يؤدي فقط إلى تحسين النظام تحميل عملية تجفيف الحمأة، ولكن أيضًا يقلل بشكل كبير من محتوى المادة العضوية للحمأة، مما سيؤدي إلى آثار ضارة على تجفيف الحمأة وحرقها لاحقًا.

خاتمة

في هذا البحث، تم تحليل خصائص الحمأة المجففة قبل وبعد التجفيف باستخدام الحمأة المجففة من منطقة تشينغبو في شنغهاي كمواد خام.

(1) مع تقدم عملية التجفيف، يتم إغلاق الهيكل السطحي للحمأة تدريجيًا، وتقل الفجوة تدريجيًا، وتنخفض كفاءة التجفيف تدريجيًا.

(2) ستحدث عملية تجفيف الحمأة كمية صغيرة من تحلل المواد العضوية، بحيث يتم تقليل محتوى المواد العضوية والمواد المتطايرة للحمأة بعد التجفيف قليلاً.

(3) ترتبط قيمة السعرات الحرارية المنخفضة للحمأة سلبًا بمحتواها من الرطوبة، ولكن لا توجد علاقة خطية واضحة؛ كان هناك ارتباط خطي موجب بين القيمة الحرارية العالية للحمأة ومحتواها من المادة العضوية. لذلك، من الضروري تقليل محتوى الرطوبة في الحمأة وتقليل فقدان محتوى المادة العضوية في الحمأة لضمان القيمة الحرارية للحمأة.