市政污泥干化特性研究

毛夢梅 戴 勇

（上海康恒環(huán)境股份有限公司 上海 201703）

引言

污泥是污水處理過程的副產(chǎn)物，具有含水量高（一般約98%）、體積大、不易處置的特點，且污泥成分復(fù)雜，含有大量的有機(jī)物質(zhì)、重金屬、鹽類、難降解物質(zhì)及病原微生物、寄生蟲卵等。隨著污水處理的深化，污泥的合理處理處置日益重要，未處理的污泥是環(huán)境的一大威脅[1]。

根據(jù)E20研究院數(shù)據(jù)可知，目前我國污水處理廠產(chǎn)生的污泥，一半以上是采用衛(wèi)生填埋的方式進(jìn)行處理處置，超過18%的污泥不知去向。超過50%的含水率80%的脫水污泥使用填埋的簡易方法處置，這種處置方法不但環(huán)境二次污染嚴(yán)重，而且占地大，長此以往將無地可埋?！八畻l”、“十三五”規(guī)劃中關(guān)于污泥處理處置要求的提出，政策利好的條件下促進(jìn)了污泥處理處置市場的增長，相關(guān)的處理技術(shù)和設(shè)備也隨之迅速發(fā)展。

《污水處理廠污泥處理處置最佳可行技術(shù)導(dǎo)則》認(rèn)為：污泥干化焚燒是今后我國提倡的方向。為實現(xiàn)污泥高效、低能耗干化焚燒，需要多角度對污泥干化前后的特征進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文以上海市青浦區(qū)脫水污泥為原料，從基本分析、微觀形態(tài)、基本成分及熱值等方面研究了脫水污泥干化前后的性狀差異，為實現(xiàn)污泥的干化焚燒提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗設(shè)備

利用薄層干化機(jī)對市政脫水污泥進(jìn)行干化，薄層干化機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。薄層干化機(jī)由殼體、轉(zhuǎn)子、驅(qū)動裝置三大部分組成，在殼體夾套內(nèi)壁上轉(zhuǎn)子將脫水污泥攤鋪成薄層，依靠夾套內(nèi)的高溫蒸汽或?qū)嵊蛠砀苫勰唷?/p>

圖1 薄層干化機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 實驗結(jié)果及分析討論

2.1 污泥干化前后的基本分析比較

將160℃、0.6Mpa的過熱蒸汽通入薄層干化機(jī)將含水率約80%的脫水污泥干化至含水率為30%以下，對干化前后的污泥進(jìn)行了多次取樣分析，所得結(jié)果如表1所示。

表1 污泥干化前后工業(yè)分析、元素分析及高位熱值對比表

由表1可知，污泥經(jīng)過干化后，揮發(fā)分含量有所降低，干燥基揮發(fā)分含量降低了4.53%~8.66%，同時污泥的灰分含量有所上升，干燥基高位熱值降低了0.335~1.15MJ/kg。這主要是因為在熱干化過程中，污泥中的易揮發(fā)性有機(jī)物、部分細(xì)小污泥顆粒隨干化的水蒸氣一并成為了干化尾氣，進(jìn)入了后續(xù)的尾氣處理工段。

2.2 污泥干化前后的微觀結(jié)構(gòu)比較

圖2 干化前（左）后（右）的污泥在掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)圖

圖2 展示了污泥干化前后的微觀結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，干化前的污泥結(jié)構(gòu)較為松散，大量胞外聚合物包裹聚集于膠體外部，形成明顯的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，這樣使得污泥中的結(jié)合水、間隙水和胞內(nèi)水被包裹在污泥絮體中，從而較難通過物理化學(xué)作用進(jìn)一步脫水。相對于干化后的污泥，干化前的污泥孔隙率較高，比表面積較大，有較強(qiáng)的可壓縮性，施加較低的機(jī)械作用力或提供熱量，污泥絮體即可被破壞。隨著污泥中水分的蒸發(fā)，污泥絮體結(jié)構(gòu)逐漸坍塌，形成右圖中表面結(jié)構(gòu)緊密、空隙逐漸縮小的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)。但是水分蒸發(fā)效率也會隨著污泥空隙率的減小而降低。

2.3 污泥干化前后的成分比較

圖3 污泥干化前后紅外光譜分析

圖3為污泥干化前后紅外光譜掃描分析的結(jié)果。污泥干基的代表官能團(tuán)主要為游離 H2O、-OH、-CH2、-CH3、芳環(huán)、C=C、CO、鹵代烴等。表明污泥中的有機(jī)物含量較高，有機(jī)物類型可能為蛋白質(zhì)、脂類、淀粉和纖維素等。研究表明，污泥的有機(jī)物中蛋白質(zhì)含量超過60%，脂類約為20%，淀粉和纖維素類約為15%[1]，這些有機(jī)物質(zhì)的分解會產(chǎn)生NH3、H2S及VOCs等惡臭氣體。

EPS是由蛋白質(zhì)、多糖以及少量的脂類、核酸和腐殖質(zhì)類等多種化合物組成的高聚物。EPS特征化合物的檢出表示了污泥中大量EPS的存在。EPS作為污泥的重要有機(jī)組成部分，其含量高低決定了污泥特征官能團(tuán)的紅外吸收強(qiáng)度[2]。對比污泥干化前后的紅外光譜，排除分析過程中污泥中雜質(zhì)的差別對透光率的細(xì)微干擾，可以看出干化前污泥的紅外吸收強(qiáng)度明顯高于干化后污泥。相比于干化前的污泥，干化后污泥的光譜圖中顯示位于1654和1543cm-（1C=C）、2924cm-（1C-H）和1076cm-（1C-O）處的肩峰變小，這表示污泥干化過程中類蛋白物質(zhì)的分解。這也解釋了污泥干化后有機(jī)質(zhì)含量降低、揮發(fā)分含量降低的現(xiàn)象。

2.4 污泥干化前后含水率、有機(jī)質(zhì)及熱值的比較

污泥中的有機(jī)質(zhì)是污泥熱值的主要提供者，而污泥的水分含量對熱值也有極大影響。污泥含水率過高，其低位熱值較低，這必然影響污泥的焚燒。并且，污泥干化過程中的系統(tǒng)能耗主要用于蒸發(fā)污泥中的水分。表2列出了污泥干化前后含水率、有機(jī)質(zhì)含量和熱值的對應(yīng)關(guān)系。由表2可知，干化后的污泥有機(jī)質(zhì)含量略有下降，相應(yīng)的干基高位熱值也略有下降。

表2 污泥干化前后含水率、有機(jī)質(zhì)含量和熱值的變化

分別對污泥含水率和熱值相關(guān)性、污泥有機(jī)質(zhì)和熱值的相關(guān)性進(jìn)行研究，通過線性回歸得到各變量之間的相關(guān)系數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)性分析。

圖4 干污泥含水率與低位熱值回歸模型

圖4 為干污泥含水率與其低位熱值的線性回歸模型圖。由圖4可知，干污泥含水率與其低位熱值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，低位熱值隨含水率的增加而降低。但是，干污泥含水率和低位熱值相關(guān)系數(shù)為0.882，在置信度95%下，F(xiàn)檢驗P值為0.061；由于F檢驗P值大于0.05，干污泥含水率與低位熱值并未顯示出顯著的線性相關(guān)關(guān)系。

圖5為原污泥有機(jī)質(zhì)含量與其干基高位熱值的回歸模型圖。原污泥有機(jī)質(zhì)含量與其干基高位熱值的相關(guān)系數(shù)為0.997，在置信度95%下，F(xiàn)檢驗P值為0.0033；F檢驗P值小于0.05，因而原污泥有機(jī)質(zhì)含量與其干基高位熱值具有顯著相關(guān)性。

圖5 原污泥有機(jī)質(zhì)含量與其干基高位熱值回歸模型

圖6 為干污泥有機(jī)質(zhì)含量與其干基高位熱值的回歸模型圖。干污泥有機(jī)質(zhì)含量與干基高位熱值呈正相關(guān)，干基高位熱值隨有機(jī)質(zhì)含量的增加而升高。并且，干污泥有機(jī)質(zhì)含量和干基高位熱值的相關(guān)系數(shù)為0.973，在置信度95%下，F(xiàn)檢驗P值為0.014；由于F檢驗P值小于0.05，可見干污泥有機(jī)質(zhì)含量與干基高位熱值具有顯著的相關(guān)性。

圖6 干污泥有機(jī)質(zhì)含量與其干基高位熱值回歸模型

從以上分析可知，污泥的熱值與含水率、有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)，且污泥有機(jī)質(zhì)含量與污泥干基熱值存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。這也說明若污水處理廠出廠污泥采用大量無機(jī)添加劑進(jìn)行調(diào)理脫水，雖能起到顯著的脫水效果，但引入的大量無機(jī)物不僅會提高污泥干化過程的系統(tǒng)負(fù)荷，還會顯著降低污泥的有機(jī)質(zhì)含量，對后續(xù)污泥的干化和焚燒都會造成不利影響。

結(jié)語

本文以上海市青浦區(qū)脫水污泥為原料，分析了脫水污泥干化前后的特征，發(fā)現(xiàn)：

（1）隨著干化的進(jìn)行，污泥表面結(jié)構(gòu)逐漸緊密、其空隙逐漸縮小，干化效率逐漸降低。

（2）污泥的干化過程會發(fā)生少量有機(jī)物質(zhì)的分解，使得干化后的污泥有機(jī)質(zhì)含量、揮發(fā)分含量略有降低。

（3）污泥的低位熱值與其含水率呈負(fù)相關(guān)，但沒有明顯的線性關(guān)系；污泥的高位熱值與其有機(jī)質(zhì)含量呈明顯的線性正相關(guān)關(guān)系；因此，污泥熱值的保證需要降低污泥含水率，減少污泥中有機(jī)質(zhì)含量的損失。