公路工程中的污泥微波預處理及無害化工藝研究

李義

（河北遷曹高速公路開發(fā)有限公司，河北 唐山 063000）

1 污泥微波預處理工藝

1.1 微波技術理論

在以往的污泥處置方案中，基于熱處理的方式存在工效差、效果不顯著等弊端，而通過研究發(fā)現(xiàn)，相比以往方案，微波處置能具備更好的熱處理效果，因此得到了業(yè)內(nèi)的普遍推廣。作為電磁波的一個分支，微波的波長范圍較寬，可達1～1000mm，而頻率則介于0.3～300GHz之間。微波在現(xiàn)代化新興技術領域的應用較為廣泛，如雷達、通信以及信息等方面。另外，鑒于其波長處于無線電波與紅外線區(qū)間，實踐中也可作為一種能源開展利用，如對需要升溫的物體進行加熱或烘干等，并具備一定的除菌效果。在加熱時，其原理是中介物體通過自身電能的消耗，進而引發(fā)相應的熱量，實現(xiàn)加熱效果。對于同一物質(zhì)而言，不同的微波磁場的加熱效應存在不同。其中，將微波加熱工藝應用于污泥處置時，可提高微生物細胞的破壞效果，改進脫水率，并基于生物降解功能，實現(xiàn)更快更好的污泥處置效果。

1.2 污泥微波預處理細胞破壁脫水

為提高工程污泥的處置效率，可采取微波預處理技術，通過該工藝能將絮體和微生物細胞結構裂解，使細胞及有機質(zhì)破壞解體，從而加快污泥處置速度，節(jié)約處理成本并減少污染，具有較好的實際價值。本文依托某公路工程中的污水處理廠，開展污泥處理試驗分析?，F(xiàn)場所選取的污泥中有機質(zhì)含量約為40%，呈現(xiàn)黑臭形貌，具黏稠糊狀。經(jīng)檢測，污泥含水量接近90%，其成分分析見表1。項目試驗中應用的裝置為微波管式加熱爐。

表1 污泥的工業(yè)分析和元素分析

1.3 污泥微波脫水

本次試驗中的污泥含水率將近90%，如此多的水分常規(guī)措施難以完全脫除干凈，擬采用微波脫水工藝開展處理。污泥中的水分既包括微生物細胞里的水，也包括以游離形式存在并與膠狀物懸浮于污泥構造中的水（該部分水占絕大多數(shù)）。試驗中，將微波脫水功率設定至0.8kW，在此基礎上分析微波作用時間下的含水率變化情況，數(shù)據(jù)見表2。由表可知，微波作用初期，污泥中的水分脫除速度較快，隨著時間增加，水分脫除速度逐漸趨于緩慢，直至微波作用10min后，污泥中的水分基本被去除完全。

表2 污泥水分含量變化

1.4 實際微波能量利用率估算

為分析微波功率作用中起到有效脫水部分的占比，從圖1可知，在沒有脫水量時，微波無效作用功約為30kJ。而在實驗室工況下，當功率為0.8kW且作用于污泥4min時，40g污泥的微波能量利用效率達36%左右，由此分析可得，30kJ的無用功等同于0.8kW微波照射時間35s的效果。與此同時，鑒于微波本身效率約為90%，則針對30kJ無用功，獲知在實驗室工況下的最終實際微波利用效率為48%，相較于理論數(shù)據(jù)，該利用率提升約12%。

圖1 0.8kW下脫水量隨微波輸入功的變化曲線

2 污泥微波無害化處理工藝研究

2.1 污泥在微波場中的升溫特性

本次試驗中為研究污泥在微波條件下的升溫規(guī)律，擬采取10kW功率的微波源作用于含水量約為90%的污泥中，同時設置含水量為0的污泥，采取同樣試驗條件作為對照分析。其中的污泥試樣均為40g，氣氛主要為氮氣。兩者的試驗升溫情況見圖2。

根據(jù)圖2可知，實驗組和對照組最終的升溫均達到250℃。本次實驗組中的污泥含水量約達90%之多，從升溫曲線可知，早期污泥溫升較快，至100℃后趨于平緩，當溫度升至200℃時，升溫速度再次加快，原因是此時污泥中的水分基本完全被脫除，最終溫度升至250℃。而對于干燥污泥的對照組而言，其升溫曲線在200℃前均保持較快速度，直至作用時間約為20min后，溫度上升趨勢減緩，最終達到250℃左右。為進一步分析微波功率與污泥溫升之間的關系，擬選取0.6、0.8以及1.0kW三種功率數(shù)值，分析相應污泥的升溫曲線，見圖3。

圖2 干、濕污泥在微波場中的升溫曲線

圖3 吸波劑條件下濕污泥的升溫曲線

由圖3分析可知，0.6kW的功率條件下，當作用時間達35min時，污泥的最終溫度約為90℃，而在相同作用時間下，0.8kW作用下的污泥溫度約為150℃，10kW下的污泥則為250℃。據(jù)此可得，含水量為0的干燥污泥屬于吸波能力較差的物體，將其直接放置于微波管式爐中將難以得到理想的溫升效果，為此，在實踐中需要摻加適量的吸波劑，以提升污泥的吸波率，改善溫升水平，繼而降低熱處理時間，節(jié)約費用。

2.2 吸波劑種類的選擇

本次試驗為提升污泥的吸波水平，擬將摻入適當?shù)奈▌?，如SiC、Fe2O3以及活性炭等，從而探究不同吸波劑的溫升改善效果，不同吸波劑污泥在微波作用下的試驗數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 添加不同吸波劑濕污泥的升溫曲線

由圖4可知，當污泥升溫至約100℃時，污泥處于水分脫除狀態(tài)，該狀態(tài)一般持續(xù)3min左右。相比摻入吸波劑的實驗組，污泥中沒有吸波劑時，其在作用35min后的最終溫度僅約為200℃，遠小于摻入吸波劑后污泥的最終溫度（約600℃以上），其中加入SiC吸波劑材料的污泥最終溫度達到700℃以上。該曲線對比表明，摻入吸波劑的污泥具有更好的溫升作用，其能有效吸收微波作用功率，相比未摻吸波劑的污泥，溫升改進效果顯著，尤其是吸波劑SiC的溫升改善效果最佳。

2.3 污泥熱處理產(chǎn)物分析

將有一定含水率的污泥經(jīng)過微波處理之后，其中的水分由于蒸發(fā)而以熱解氣體的形式被收集下來。在微波功率0.8kW、吸波劑SiC摻量為10%的工況下，經(jīng)微波處理35min后，使用氣相色譜儀對熱解氣體進行分析。結果顯示，微波處置過的污泥雖還存在一定量的有害物，但相比處置前的類型和數(shù)量均大幅降低，表明微波加熱時，大部分的有機毒性高分子得到了反應降解，濕污泥的微波熱處理具有較好的無害化水平。與此同時，可將熱解氣體經(jīng)冷凝得到液體收集物，再將其返回污水處理廠實現(xiàn)后續(xù)處理。

圖5和圖6分別是污泥在不同微波處理階段的外觀性狀。由圖可知，熱處理前的濕污泥呈現(xiàn)濕潤態(tài)，微波加熱后顏色變深，呈現(xiàn)干燥的硬態(tài)。而對于污泥處置后所得的產(chǎn)物，其中的吸波劑SiC基本沒有改變，可以回收再利用；而固體污泥中的有機物含量經(jīng)檢測僅不到1%，且水分基本被脫除，臭度等級低于2級，實現(xiàn)了高效的無害化處置要求。

圖5 污泥熱處理前后對比圖

圖6 處理后樣品的分離效果圖

3 應用效果分析

通過分析污泥的微波加熱處置工藝可知，污泥微波處置過程主要包括幾個階段，如水分蒸發(fā)、有機物裂解、新物質(zhì)生成等。經(jīng)檢測，氣體冷凝后的液體中出現(xiàn)了較多的吲哚，其屬于無毒的化學物質(zhì)，而成分中的苯甲腈、對甲酚等則具輕微毒性。獲得的干燥污泥中，其含水率已大幅降低，所含的有毒物質(zhì)基本得到脫除，本次試驗證明了微波加熱處理污泥工藝的有效性，其能高效地對濕污泥中的有毒有機物質(zhì)進行反應脫除，實現(xiàn)了無害化處理。

4 結語

本文針對濕污泥的處理難題，針對傳統(tǒng)方法的不足，嘗試利用微波加熱工藝實現(xiàn)脫水處理。通過試驗，分析了微波輔助處置技術的無害化機制，經(jīng)過對微波處置后污泥以及液體產(chǎn)物成分的探究，認為濕污泥最佳的微波處理工況為功率0.8kW，處理時間35min，且宜摻入的吸波劑為SiC，摻量為10%。試驗證明，處理后獲得的干燥污泥中，有毒有機物質(zhì)基本得到了反應脫除，表明微波加熱處置污泥的工藝具有較好的無害化效果。