污泥噴霧熱干化特性

苑宏英，范文淵，湯韜，張攀攀，蘇潤西，費學(xué)寧

（1天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津 300384；2天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，天津 300384）

根據(jù)“十二五”規(guī)劃，到2015年，城市污水處理率將達到85%[1]，但污泥處理處置相對污水處理嚴(yán)重落后。目前，全國污泥安全處理率不足10%[2]，由此產(chǎn)生的二次污染已經(jīng)受到人們的重視，并且成為城市污水處理行業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此，最大程度地實現(xiàn)污泥“減量化、穩(wěn)定化、資源化、無害化”處理，是今后污泥處理處置所面臨的重大問題。

常用的脫水技術(shù)主要有干化脫水和機械脫水兩類。干化脫水是利用干化場，使其自然干化，其主要缺點為占地面積大、環(huán)境衛(wèi)生條件惡劣、適用地區(qū)范圍小[3]；機械脫水是利用過濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差，使其強制脫水，目前常用方法主要有壓濾脫水法、真空吸濾脫水法和離心脫水法等[4]。經(jīng)機械脫水后污泥的含水率在80%左右，難以滿足污泥后續(xù)處理的要求。采用污泥熱干化技術(shù)能滿足含水率的要求，但能耗較大。張攀攀等[5]實驗采用太陽能集熱聯(lián)合污泥噴霧技術(shù)，集熱器采用真空管槽式太陽能集熱器，集熱效率可達35%～50%，出口溫度可達150～200℃。污泥經(jīng)霧化后粒徑分布在50～200μm，增大了污泥顆粒的表面積，利于污泥的熱干化，熱能利用率也高。在干燥塔內(nèi)，霧化后的污泥能在1.5h之內(nèi)達到150℃，且在此溫度下能運行5h左右。本研究充分利用了清潔能源——太陽能，克服了傳統(tǒng)能源消耗帶來的污染問題，實現(xiàn)污泥深度脫水，為后續(xù)污泥填埋或堆肥處理提供了便利，具有一定的工程意義。

1 方法與材料

1.1 實驗的操作流程

操作過程如下：利用鼓風(fēng)機將槽式太陽能集熱器加熱的高溫氣體送入塔中。當(dāng)塔內(nèi)的溫度達到150℃時，啟動空氣壓縮機和污泥泵，污泥經(jīng)過霧化噴頭噴霧后與熱空氣逆向接觸（圖1）。從塔底收集干化后的污泥，測定其含水率、氨氮、磷酸鹽、陰陽離子和重金屬。從冷凝塔中收集冷凝水，測定其氨氮、磷酸鹽、陰陽離子和重金屬。

圖1 污泥噴霧干化設(shè)備

1.2 實驗方法

對含水率、氨氮、磷酸鹽、陰陽離子和重金屬的測定采用的儀器及型號見表1所示。

1.3 污泥的來源和初始特性

考慮噴霧過程中噴頭堵塞的問題，實驗樣品取自污水處理廠含水率為99%的AAO回流污泥，初始特性如表2所示。

表1 儀器及型號

表2 污泥的初始特性 單位：mg/L

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥脫水效果

污泥的脫水效果與噴入量關(guān)系見表3所示。從表3中可以看出，隨著噴入量減小，污泥的含水率逐漸減小，在噴入量為12 L/h時，脫水后污泥的含水率降低到25.9%。這是由于隨著污泥噴入量的增加，污泥霧化效果變差，污泥脫水所需的熱量增加，然而塔內(nèi)的熱空氣不足以提供所需的能量，導(dǎo)致污泥脫水效果變差。

2.2 磷酸鹽與氨氮的含量變化

圖2和圖3是在相同溫度（150℃）下，干化后 污泥溶出的及冷凝水中的磷酸鹽和氨氮的變化趨勢。

表3 脫水效果與噴入量的關(guān)系

圖2 干化后污泥溶出的磷酸鹽和氨氮的變化趨勢

圖3 冷凝水中磷酸鹽和氨氮的變化趨勢

污泥中的氮主要以蛋白質(zhì)的形式存在，氮是組成細胞壁、細胞膜的重要成分，而污泥中含有大量的細菌和真菌[6]。磷主要以無機磷的形式存在。從圖2可得，干化后污泥中的磷酸鹽和氨氮隨著噴入量的減少呈現(xiàn)出升高的趨勢，在污泥噴入量小于25L/h時，磷酸鹽與氨氮的濃度分別分布在59.4～61.7mg/L與156.4～165.3mg/L，滿足污泥農(nóng)用的標(biāo)準(zhǔn)[7]。且與原污泥相比，氨氮的濃度增大幅度較大，磷酸鹽濃度增大幅度較小。這是由于污泥干燥過程發(fā)生蛋白質(zhì)的溶解、水解，生成多肽、氨基酸，氨基酸進一步水解為小分子有機酸、氨和二氧化碳[8]，而磷酸鹽只是得到了濃縮。

從圖3可知，隨著噴入量增加，冷凝水中磷酸鹽基本不變，氨氮呈下降的趨勢。這是由于噴入量越少，蛋白質(zhì)等水解得越充分，揮發(fā)得也越多；而磷酸鹽不能以氣態(tài)形式揮發(fā)。還可以得知，無論噴入量多大，冷凝水中都含有一定量的磷酸鹽和氨氮，可能是由于污泥在霧化狀態(tài)下被熱風(fēng)和水蒸氣帶入冷凝塔中所致。

2.3 陰陽離子的含量變化

圖4 干化后污泥溶出的陽離子變化趨勢

圖5 干化后污泥溶出的陰離子變化趨勢

圖6 冷凝水中陽離子的變化趨勢

圖7 冷凝水中陰離子的變化趨勢

圖4～圖7分別為相同溫度（150℃）下，干化 后污泥溶出的及冷凝水中的陽離子（Na+、Mg2+、Ca2+、K+）和陰離子（Cl-、SO42-、NO3-、NO2-）的變化趨勢圖。

在干化時，污泥內(nèi)部的無機鹽的變化是復(fù)雜的，既有細胞裂解[9]后胞內(nèi)的無機鹽釋放到溶液中，也有絡(luò)合反應(yīng)的發(fā)生[10]，還有被熱風(fēng)吹入和水蒸氣帶走至冷凝塔中的污泥所含有的無機鹽。

從圖4與圖5可知，干化后污泥溶出的陰陽離子的變化趨勢相同，且隨著含水率的升高，呈現(xiàn)增大趨勢；其中鈉離子與氯離子在噴入量為36L/h時發(fā)生突變。這可能是因為在噴入量小于36L/h時，污泥中水分蒸發(fā)得較快，部分可溶解物質(zhì)被脫出后未進入干化后污泥中，而是附著在塔壁上。而鈣離子和鎂離子則呈現(xiàn)出無規(guī)律的變化趨勢，可能與蛋白質(zhì)水解生成的二氧化碳[11]有關(guān)，也可能與磷酸 鹽[9]的變化有關(guān)。

從圖6與圖7可知，冷凝水中的陰陽離子呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在噴入量為12～56L/h時，呈現(xiàn)出增大趨勢。這可能是由于隨著噴入量的增大，進入冷凝塔的水蒸氣減少，冷凝水減少，使離子濃度變大；當(dāng)噴入量大于56L/h后，離子又呈現(xiàn)下降趨勢，這是由于大量污泥的噴入使塔下部的水蒸氣不能進入冷凝塔，而是被后噴入的污泥帶到塔底，進入冷凝塔的離子的量減少。

2.4 重金屬含量變化

本實驗研究了污泥中重金屬的變化規(guī)律，著重考察了污泥干化達到不同含水率時，銅、鐵、鉛、鎘、鋅的變化。從表4和表5中可以看出，污泥中的重金屬除了鎘之外，均隨著干化后污泥含水率的降低呈增長趨勢，同時冷凝水中的重金屬離子除了鎘之外也處于較大的水平，通過計算發(fā)現(xiàn)經(jīng)過噴霧干化后，污泥中重金屬總量除了鎘以外均呈現(xiàn)升高的趨勢，其原因是污泥中各種重金屬的存在形態(tài)不同[11]，且與董濱等[12]的研究結(jié)果基本相符。此外，各設(shè)備中重金屬的析出，也會造成所測結(jié)果的增加。

3 結(jié) 論

（1）污泥的含水率與噴入量有關(guān)，隨著噴入量減小，污泥的含水率逐漸減小，在噴入量為12L/h時，干化后污泥的含水率降低到25.9%，效果最好。

（2）干化后污泥溶出的磷酸鹽和氨氮隨著噴入量的減少呈現(xiàn)出升高的趨勢，在噴入量小于25L/h時，磷酸鹽與氨氮的濃度分別分布在59.4～61.7mg/L與156.4～165.3mg/L，滿足污泥農(nóng)用的標(biāo) 準(zhǔn)，利于污泥的資源化利用。隨著噴入量的增加，冷凝水中磷酸鹽基本不變，氨氮呈下降的趨勢。

表4 噴霧前后污泥中重金屬變化 單位：mg/kg干污泥

表5 冷凝水中重金屬含量 單位：mg/L

（3）干化后污泥溶出的陰陽離子的變化趨勢相同，且隨著含水率的升高，呈現(xiàn)增大趨勢；其中鈉離子與氯離子在噴入量為36L/h時突變程度較大；冷凝水中的陰陽離子呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。干化后污泥中的重金屬除鎘之外其余略有增加。

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