活性污泥微波熱解法脫水工藝研究

張 霞 陽 杰 丁愛琴 董 強(qiáng) 姚 李 徐堅博 吳 勰 劉川銀

（合肥學(xué)院，安徽 合肥 230601）

活性污泥微波熱解法脫水工藝研究

張 霞 陽 杰 丁愛琴 董 強(qiáng) 姚 李 徐堅博 吳 勰 劉川銀

（合肥學(xué)院，安徽 合肥 230601）

文章針對污泥處理處置的關(guān)鍵技術(shù)，將連續(xù)微波輻射引入污泥的脫水預(yù)處理及低溫?zé)崴馓幹弥?，研究了在連續(xù)微波場中的不同停留時間對污泥脫水性能的影響，以及在停留時間10min不同潰入功率對污泥脫水性能的影響以及研究在潰入功率800W下溫度對污泥脫水性能的影響。研究結(jié)果表明，在潰入功率800W下停留10min使污泥含水率最低，而其真空抽濾后的含水率卻由原污泥直接抽濾的81%降至67%左右，在95℃左右污泥含水率最低并趨于穩(wěn)定；因此適宜的微波輻射和適宜的溫度能明顯改善了污泥脫水效果。

污泥；脫水；微波；水熱法；工藝流程

1 引言

城市污水處理廠污泥具有含水率高，體積大，易腐敗，有惡臭的特點，污泥處理處置的原則是減容化，穩(wěn)定化，無害化，資源化。城市污水處理廠污泥處理處置費(fèi)用高，污泥處理處置越來越引起人們的重視。在污泥處理過程中，脫水處理起著重要作用并大大影響著處理費(fèi)用。如果在污泥處理前破壞污泥的持水結(jié)構(gòu)，則能有效的提高污泥的脫水率。目前正在開發(fā)的污泥焚燒的替代技術(shù)一一熱解法，就能夠在熱干化的基礎(chǔ)上，保證污泥焚燒優(yōu)越性的同時，又能克服焚燒過程中的二次污染問題。由于熱解法可以實現(xiàn)污泥處理與能源回收的雙重效果，發(fā)展前景較好，越來越受到國內(nèi)外研究者的重視[1-3]。該技術(shù)對實現(xiàn)污泥的減量化、無害化、資源化有重大意義。污泥的熱化學(xué)處理方法（污泥受熱發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使之穩(wěn)定、減容的方法）具有無害化徹底，處理迅速，占地相對較少，處置后污泥穩(wěn)定并可利用其所含有機(jī)物實施能源回收等優(yōu)點，在污泥處理中的地位已逐漸增強(qiáng)，被認(rèn)為是很有前途的污泥處理方法[4-5]。污泥可采用多種熱化學(xué)處理方式以達(dá)到減容化、穩(wěn)定化、無害化和資源化，主要方式包括污泥的焚燒和熱解。污泥熱解技術(shù)是指污泥在常壓無氧或低于理論氧氣量的條件下加熱干燥污泥至一定溫度（高溫：500℃～1000℃，低溫：＜500℃），由于干餾和熱分解作用將污泥中的脂類和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變成碳?xì)浠衔铮罱K產(chǎn)物為油、反應(yīng)水、不凝性氣體和炭四種，部分產(chǎn)物的燃燒可作前置干燥與熱解的熱源，剩余能量以油的形式回收。無氧熱分解可促使污泥中有機(jī)物發(fā)生還原作用，產(chǎn)生可供回收利用的低碳石化燃料，如甲烷或乙烷等。無氧熱分解技術(shù)是近些年來為改進(jìn)污泥焚燒而發(fā)展起來的污泥處理技術(shù)，其能量平衡優(yōu)于污泥焚燒[6-8]。

2 實驗部分

上述對污泥的處理和處置中，很大程度上是對降低污泥含水率的處理，脫水處理起著重要作用并大大影響著處理費(fèi)用，如果在污泥脫水前進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，則能有效的提高污泥的脫水率。本文將連續(xù)微波輻射引入污泥的脫水預(yù)處理及低溫?zé)崴馓幹弥?，研究污泥在連續(xù)微波場中的不同停留時間對污泥脫水性能的影響，并研究取停留時間 10min各潰入功率對污泥脫水性能的影響以及研究在潰入功率 800W下溫度對污泥脫水性能的影響。

2.1實驗儀器設(shè)備

SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司），BOT1-YZ1515抽水機(jī)（天津市協(xié)達(dá)偉業(yè)電子有限公司），GZX-9030MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠），EM-232ES2微波爐（合肥榮事達(dá)三洋電器股份有限公司），WSC-411數(shù)字溫度儀（上海浦東三聯(lián)儀表廠）。

2.2實驗藥品試劑

活性污泥（合肥經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)污水處理廠）。

2.3實驗方法

熱重分析法。

3 實驗步驟

①微波熱調(diào)質(zhì)

將活性污泥倒入2L的大燒杯中，攪拌均勻后將活性污泥通過塑料皮管抽入微波爐中。在80W、150W、300W、450W和800W的微波功率下，分別停留1min、5min、10min、20min和30min后用數(shù)字溫度儀測定微波處理后污泥的溫度。

②抽濾及烘干

將微波處理后的污泥冷卻至室溫后，取100ml污泥倒入布氏漏斗中，用循環(huán)水式真空泵進(jìn)行抽濾。將抽濾好的污泥用塑料袋裝好，并標(biāo)好標(biāo)簽。取一部分抽濾好的污泥放入已經(jīng)標(biāo)好標(biāo)簽并稱量重量的坩堝內(nèi)，稱重，然后放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥6個小時，溫度保持在105℃，干燥好后待坩堝冷卻后再稱量坩堝質(zhì)量，并將坩堝中的污泥用塑料袋密封裝好。

③空白組實驗

取100ml污泥，直接進(jìn)行抽濾，將抽濾好的污泥放入已經(jīng)標(biāo)好標(biāo)簽并稱量重量的坩堝內(nèi)，稱重，干燥6個小時至恒重，溫度保持在105℃，干燥好后待坩堝冷卻后再稱量坩堝質(zhì)量，并將坩堝中的污泥用塑料袋密封裝好。

④含水率的計算

空坩堝質(zhì)量W1，空坩堝和抽濾后污泥質(zhì)量W2，空坩堝和烘干后污泥質(zhì)量W3。含水率=(W2-W3)/(W2-W1)×100%

4 實驗數(shù)據(jù)

（1）空白組污泥含水率的實驗數(shù)據(jù)，如表1：

表1　空白組污泥含水率實驗數(shù)據(jù)

（2）潰入功率80W下污泥的含水率實驗數(shù)據(jù)，如表2：

表2　80W功率下污泥含水率實驗數(shù)據(jù)

（3）潰入功率150W下污泥的含水率實驗數(shù)據(jù)，如表3：

表3　150W功率下污泥含水率實驗數(shù)據(jù)

（4）潰入功率300W下污泥的含水率實驗數(shù)據(jù)，如表4：

表4　300W功率下污泥含水率實驗數(shù)據(jù)

（5）潰入功率450W下污泥的含水率實驗數(shù)據(jù)，如表5：

表5　450W功率下污泥含水率實驗數(shù)據(jù)

（6）潰入功率800W下污泥的含水率實驗數(shù)據(jù)，如表6：

表6　800W功率下污泥含水率實驗數(shù)據(jù)

（7）潰入功率800W不同溫度下污泥的含水率數(shù)據(jù)，如表7：

表7　潰入功率800W不同溫度下污泥的含水率

5 實驗結(jié)果與討論

5.1相同功率下停留時間對污泥脫水性能的影響

（1）潰入功率80W污泥的含水率。

圖1　潰入功率80W不同停留時間下的含水率

由圖1得出在潰入功率80W下，隨著停留時間的增長，污泥的含水率緩慢減少，很長時間還沒趨于穩(wěn)定。

（2）潰入功率150W污泥的含水率。

圖2　潰入功率150W功率不同停留時間下的含水率

由圖2得出在潰入功率150W下，隨著停留時間的增長，污泥的含水率緩慢減少，并于停留時間為20min時污泥的含水率慢慢趨于穩(wěn)定。

（3）潰入功率300W污泥的含水率。

圖3　潰入功率300W功率不同停留時間下的含水率

由圖3得出在潰入功率300W下，隨著停留時間的增長，污泥的含水率較快地降低，但污泥的含水率還沒穩(wěn)定下來。

（4）潰入功率450W污泥的含水率。

圖4　潰入功率450W不同停留時間下的含水率

由圖4得出在潰入功率450W下，隨著停留時間的增長，污泥的含水率較快地降低，并于停留時間為 20min時污泥的含水率慢慢趨于穩(wěn)定。

（5）潰入功率800W污泥的含水率。

圖5　潰入功率800W不同停留時間下的含水率

由圖5得出在潰入功率800W下，隨著停留時間的增長，污泥的含水率急速下降，并于停留時間為10min時污泥的含水率已趨于穩(wěn)定。

綜上所述，在小功率下，污泥的含水率隨著停留時間的增長而緩慢下降，并不能快速穩(wěn)定。而在大功率下，污泥的含水率隨著停留時間急速下降，并能很快趨于穩(wěn)定。由此可見，在潰入功率800W下停留10min使污泥含水率下降最為有效，因此適宜的停留時間能降低能耗。

5.2相同停留時間下功率對污泥脫水性能的影響

圖6　停留時間10min，潰入功率不同下的含水率

由圖 6可以得出在停留時間為 10min時，在潰入功率800W下污泥含水率最低，而其真空抽濾后的含水率卻由原污泥直接抽濾的81%降至67%左右，因此適宜的微波輻射明顯改善了污泥脫水效果。

5.3溫度對污泥含水率影響

圖7　不同溫度下污泥的含水率

梁鵬、黃霞、錢易等認(rèn)為不同溫度下，細(xì)胞被破壞的部位不同。在 45～65℃時，細(xì)胞膜破裂，rRNA 被破壞；50～70℃時 DNA被破壞；在65～90℃時細(xì)胞壁被破壞；70～95℃時蛋白質(zhì)變性。不同的溫度使細(xì)胞釋放的物質(zhì)也不同，在溫度從80℃上升到100℃時，TOC和多糖釋放的量增加，而蛋白質(zhì)的量減少?？梢詫⒓?xì)胞在加熱條件下釋放的物質(zhì)分為兩類：低分子量的C2～C5羧酸碎片和其他溶解的有機(jī)碳，前者可以被生物迅速利用，而后者（性質(zhì)類似于腐殖質(zhì)）的生物降解性則要低得多。

由圖 7可以得出，溫度對熱水解污泥脫水效果的影響顯著，88℃前污泥的含水率緩慢下降。當(dāng)超過88℃時，污泥含水率急劇下降。至95℃時含水率趨于穩(wěn)定。由于65℃時細(xì)胞壁開始被破壞，胞內(nèi)物質(zhì)溢出，污泥粒徑細(xì)小化，進(jìn)而破壞污泥脫水性，因此在65～88℃前污泥的含水率緩慢下降；自從70℃起，蛋白質(zhì)變性凝固，出現(xiàn)顆粒粗大化現(xiàn)象，進(jìn)而改善污泥脫水性，又由于細(xì)胞壁被破壞的影響，則在88℃時，污泥含水率才出現(xiàn)明顯的下降趨勢。

5.4潰入功率對污泥形貌的影響

圖 8和圖 9分別是未經(jīng)處理的活性污泥和在微波功率800W及停留時間30min處理過后的活性污泥在顯微鏡10× 40倍的焦距下拍得的照片。

圖8　未經(jīng)處理的活性污泥

圖9　潰入微波功率800W停留30min

尹小延，曾科，司瓊磊在微波能對化學(xué)污泥脫水性能的影響（化工設(shè)計2009,19，鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院）提到：一般來講，細(xì)小污泥顆粒所占比例越大，脫水性能就越差。因為污泥顆粒越小，其總體比表面積就越大，水合程度就越高。

由圖8和圖9可得經(jīng)過微波處理后的活性污泥比未經(jīng)處理的活性污泥要密集，可以得出微波高頻電場促使污泥及其中的水分子不斷移動、旋轉(zhuǎn)，促進(jìn)污泥顆粒脫穩(wěn)（穩(wěn)定性取決于靜電斥力力與范德華力(分子間作用力)何者占主導(dǎo)地位，當(dāng)距離很近時，范德華力占優(yōu)勢，合力為引力，兩個顆?？梢曰ハ辔?，膠體脫穩(wěn)。當(dāng)距離較遠(yuǎn)時，庫侖力占優(yōu)勢，合力為斥力，顆粒間相互排斥，膠體將保持穩(wěn)定）、絮凝，出現(xiàn)顆粒粗大化現(xiàn)象，進(jìn)而改善試驗污泥脫水性。

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Dehydration process of activated sludge by microwave pyrolysis

This paper according to the key technology of sludge disposal introduce a continuous microwave radiation in sludge dewatering pretreatment and disposal of low-temperature heat hydrolysis. Study on the different retention time of sludge dewatering properties in continuous microwave field, each of sludge dewatering crush power properties during retention time 10min and under the crush of the power 800W temperature properties of sludge dewatering.Research results show that,under the crush of the power 800W and stayed 10min, the sludge moisture content is lowest. By original sludge 81% water drop to 67% at the vacuum suction filter. Sludge moisture content is the lowest, and be more stable in 90℃. So in appropriate microwave radiation and temperature can improvement of sludge dewatering effects obviously.

Slurry; sludge; microwave; thermal hydrolysis; process

TQ09;X7

A

1008-1151(2015)10-0029-04

2015-09-12

國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201411059018,201511059012,201511059013）；安徽省自然科學(xué)基金（1508085QB31）；合肥學(xué)院科研發(fā)展項目（12KY02ZR）。

張霞（1981－），女，安徽合肥人，合肥學(xué)院講師，碩士，研究方向為環(huán)境化工及應(yīng)用。

陽杰（1984－），男，安徽合肥人，合肥學(xué)院講師，碩士，研究方向為分子模擬計算、環(huán)保和清潔生產(chǎn)、無機(jī)化工及應(yīng)用。