凍融法對(duì)污泥干燥特性的研究

高 彬，劉 茜

（1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075；2.中國(guó)建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710018）

污泥是污水處理過(guò)程中形成的副產(chǎn)物，具有多種不利特性，如不妥善處理，會(huì)形成嚴(yán)重的二次污染[1-3]。但目前填埋、焚燒、堆肥等主要處理方法均存在費(fèi)用高、效率低等缺點(diǎn)[4-5]。而在處置前，所有污泥均需脫水處理，受限于污泥自身特性，傳統(tǒng)的干燥和壓濾等工藝最大僅能將含水率降至75%。故如何改變污泥特性，使得污泥釋放出更多易于處理的水分是當(dāng)前干燥工藝需要考慮的重點(diǎn)。本文選用簡(jiǎn)單的物理處理法，意在改變污泥特性，提高污泥干燥效率，從而改善污泥干燥性能，為污泥的后續(xù)處理和處置提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試污泥

本研究以馬鞍山市第一污水處理廠板框壓濾脫水后污泥為研究對(duì)象，污泥含水率為85.5%，pH為7.0左右。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 污泥含水率的測(cè)定方法

將蒸發(fā)皿放在105℃烘箱內(nèi)烘干2 h，干燥皿內(nèi)自然冷卻30 min后，稱(chēng)重w1；該蒸發(fā)皿中稱(chēng)取20 g污泥，水浴蒸干，移至105℃烘箱中，烘干2 h，干燥皿內(nèi)自然冷卻30 min后稱(chēng)重，恒重（Δm＜0.000 2 g）后記為w2。

1.2.2 污泥體積比

污泥體積比是指污泥干燥后體積與干燥10 min污泥體積的比率。

1.3 污泥預(yù)處理

將板框壓濾后的污泥作為原污泥，分別取5份500 g原污泥放入冷凍室冷凍0 h、8 h、16 h、24 h、48 h。取出，空氣中溶解，靜置12 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

污泥溫度上升后，表面水分首先蒸發(fā)汽化，表層污泥同時(shí)收縮并出現(xiàn)龜裂。龜裂使內(nèi)部污泥露出表面并增加了表面積，彌補(bǔ)了因表層水分減少而導(dǎo)致的蒸發(fā)速度降低。隨著污泥溫度繼續(xù)上升，表層龜裂繼續(xù)加大、加深，裂紋也由單一的縱向變?yōu)樾毕蚝蜋M向交錯(cuò)。當(dāng)污泥收縮性接近極限時(shí)，龜裂速率下降，進(jìn)而無(wú)法彌補(bǔ)表層單位面積蒸發(fā)的速率，致使整體蒸發(fā)速率下降。在污泥臨界含水率附近（含水率為1.76 kg（H2O）/kg（DS）），龜裂由表層淺層裂縫發(fā)展為貫穿裂縫直至污泥底部。因露出時(shí)間的先后，當(dāng)外層污泥已變干成為硬殼時(shí)，裂縫底部和污泥內(nèi)部卻仍較濕潤(rùn)。

不同冷凍時(shí)間污泥在相同干燥時(shí)間的表面龜裂程度有所不同，原污泥含水率在40～50 min時(shí)，表面已出現(xiàn)明顯裂痕，而冷凍16 h污泥在80～90 min時(shí)才出現(xiàn)明顯裂痕。12 h、24 h、48 h出現(xiàn)明顯裂痕時(shí)間介于上述兩者之間。

2.2 污泥含水率變化

污泥含水率變化如圖1所示。

圖1 含水率變化

原污泥的干燥速度開(kāi)始時(shí)維持恒速，到達(dá)1.76 kg（H2O）/kg（DS）左右時(shí)，速度開(kāi)始下降。恒速階段，因表層含水率較高，為表層水汽化階段，污泥表層溫度約等于環(huán)境濕球溫度，低于環(huán)境溫度。降速階段，污泥溫度由外至內(nèi)逐漸升高，污泥表層直接接觸熱空氣。整體上污泥凍融后相同干燥時(shí)間內(nèi)含水率明顯大于原污泥，其中又以冷凍8 h和16 h樣品含水率最高。這說(shuō)明16 h以上的完全冷凍能夠?qū)⒓?xì)胞內(nèi)水分釋放出來(lái)成為自由水，有利于污泥表面水的汽化，但因凍融后污泥黏度和顆粒粒徑增大，導(dǎo)致污泥內(nèi)水分散失難度較原污泥增大，而不利于污泥的干燥。

其他不同冷凍時(shí)間的預(yù)處理污泥的干燥特征與原污泥基本相似。冷凍8 h、48 h污泥的干燥速率轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別為3.28 kg（H2O）/kg（DS）和3.17 kg（H2O）/kg（DS）。冷凍16 h與24 h則無(wú)明顯干燥速率轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

2.3 污泥上清液pH變化

污泥浸出液pH變化如圖2所示。污泥浸出液的pH維持在6.2～7.1，呈弱酸性，波動(dòng)較小。干燥后期pH值變化相對(duì)較大，原因可能是二氧化碳等揮發(fā)性酸揮發(fā)導(dǎo)致的二氧化碳-重碳酸根緩沖體系失效。凍融16 h以上的污泥pH波動(dòng)較大，表明凍融引起的污泥細(xì)胞融胞作用對(duì)上清液中pH有一定影響。

圖2 污泥浸出液pH變化

2.4 污泥體積變化

污泥體積變化如圖3所示。

污泥的體積比與干燥時(shí)間基本呈線性關(guān)系，R2在0.90～0.98，表明水分的減少是污泥體積減小的主要原因。污泥干燥后與干燥10 min的體積比為1:6，說(shuō)明干燥方式具有污泥減量化的優(yōu)勢(shì)。由前文含水率變化可知，因凍融對(duì)污泥水分的汽化產(chǎn)生不利影響，故而凍融后的污泥在相同干燥時(shí)間內(nèi)，體積比均大于原污泥，說(shuō)明凍融不利于污泥內(nèi)間隙水的散失。

圖3 體積變化

2.5 污泥密度變化

從圖4可以看出，整體上，污泥密度隨污泥干燥時(shí)間的增加而增加，但增加幅度開(kāi)始緩慢，在干燥130 min后密度增加幅度有所上升。而原污泥在40～100 min時(shí)污泥密度低于1 g/cm3，100 min后原污泥密度重新大于1 g/cm3，130 min后密度增加趨勢(shì)上升。這是由于剛開(kāi)始加熱時(shí)，污泥整體尚未完全加熱，質(zhì)量減少的并不完全是水分，揮發(fā)性物質(zhì)已經(jīng)出現(xiàn)揮發(fā)。100 min后污泥揮發(fā)性物質(zhì)量減小，較水分蒸發(fā)，其對(duì)密度的影響能力低，所以密度增加趨勢(shì)上升。

圖4 污泥密度變化

凍融使得污泥表層水分含量增高，在人工干燥過(guò)程中，因干燥溫度較高，表層的自由水分汽化速度較快，從而使間隙水分?jǐn)U散速度小于表層水分汽化速度，造成結(jié)“殼”現(xiàn)象，使得第一階段中凍融的污泥密度大于原污泥[6]。進(jìn)入第二階段后，隨著污泥內(nèi)部溫度的上升，表層污泥理化性質(zhì)逐漸改變。例如，化合物聚合、纖維素收縮、固體微?？拷⑾嗷ノ?，使污泥表層的“殼”十分致密，毛細(xì)管路封閉，滲透性變差，增加了水分向表面擴(kuò)散的難度。加上凍融后污泥顆粒和黏度增加，“鎖住”更多水分，所以污泥密度小于原污泥。

3 結(jié)論

污泥的干燥主要分為兩階段，以1.76 kg（H2O）/kg（DS）即臨界含水率為分界點(diǎn)。凍融處理有利于污泥表面水分干燥，但不利于污泥間隙水分的干燥。凍融處理使污泥中的部分水分釋放出來(lái)，增大了污泥的黏度和顆粒粒徑，整體上不利于污泥脫水干燥。