氧化法在污泥處理中的應用研究

郭 敏

（太原市城市排水管理中心，山西 太原 030006）

引言

污泥是城市污水處理后的產(chǎn)物，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，水資源日益緊張，城市污水處理技術(shù)逐漸成熟，以緩解城鄉(xiāng)居民用水困難的問題，但隨著污水處理量的增大，污水處理后產(chǎn)生的污泥逐漸成為一種新型的污染物，對人們的生活環(huán)境產(chǎn)生不利影響[1]。污染水循環(huán)處理后產(chǎn)生的污泥具有含水率高、有機雜質(zhì)含量高、微生物豐富的特點，部分污泥內(nèi)部包裹著有害蟲卵，直接集中拋置會對拋置點的水土環(huán)境造成嚴重污染，傳統(tǒng)的填埋方法仍會對填埋點下的水土資源造成污染[2]。利用濕式氧化法對污泥進行脫水滅菌處理，可以使處理后的污泥達到土壤改良的使用標準，在降低污泥對環(huán)境污染的同時，可以提取部分稀缺資源，如單質(zhì)硫等，緩解我國資源不足的現(xiàn)狀[3]。

1 氧化法污泥處理

氧化法污泥處理利用浸沒燃燒原理，把污泥和氧化劑混合后加壓升溫，使污泥中的還原物質(zhì)發(fā)生氧化分解反應，從而使污泥中的有機物氧化分解為無機物，再進行過濾脫水后進行處理，經(jīng)氧化分解后的污泥進行脫水時，濾餅含水量明顯降低，設備結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。

圖1 氧化法污泥處理裝置結(jié)構(gòu)簡圖

如圖1 所示，圖中1 區(qū)為蒸汽鍋爐，2 區(qū)為反應容器，3 區(qū)為吸收罐。氧化法處理污泥過程中，把污泥和氧化劑從反應器上部放入反應器內(nèi)部，充分攪拌后，1 區(qū)蒸汽鍋爐向反應器中輸送高溫蒸汽，反應器內(nèi)溫度和壓力逐漸上升，直至達到反應器設計壓力和溫度，同時電動機帶動反應器內(nèi)攪拌裝置運轉(zhuǎn)，使污泥和氧化劑拌合均勻。反應器內(nèi)的污泥和氧化劑充分反應后，反應器內(nèi)高溫高壓的蒸汽經(jīng)排除管道送入3區(qū)吸收罐，高溫高壓的蒸汽在吸收罐中冷卻凝結(jié)后進行循環(huán)使用。反應完成的污泥經(jīng)反應器下方出口排出反應器，進行下一步壓濾脫水，或從含硫較高的硫泥中萃取單質(zhì)硫后壓濾脫水。利用氧化法處理后城市污泥指標符合《土地改良用泥質(zhì)》標準要求。同時，可以通過調(diào)整氧化劑用量和反應時溫度和壓力提高排除反應器污泥的質(zhì)量。

2 氧化法污泥處理機理

污泥中的還原劑與氧化劑充分發(fā)生氧化分解反應，產(chǎn)生水、二氧化碳和無毒物質(zhì)，以碳水化合物和硫化氫為例，其氧化分解反應如式（1）、式（2）：

如上式所示，當污泥中有機物含量較多時，在反應器內(nèi)加入適量的Fe-Cu 均相催化劑，污泥中有機物和氧化劑在Fe-Cu 均相催化劑作用下發(fā)生氧化分解反應，產(chǎn)生水和二氧化碳；當污泥中硫化氫等有毒有害物質(zhì)較多時，在反應器內(nèi)加入適量的碳酸鈉作為催化劑，硫化氫氧化分解，產(chǎn)生水和單質(zhì)硫，單質(zhì)硫經(jīng)過高溫萃取循環(huán)利用。

3 氧化法污泥處理影響因素

氧化法處理污泥過程中，生成無害的水、二氧化碳，或可以萃取的單質(zhì)硫，從而改良污泥的質(zhì)量，其反應過程的影響因素有：反應溫度。氧化反應是自由基相互作用的鏈式反應，反應溫度越高，反應物質(zhì)的分子狀態(tài)越活躍，越容易產(chǎn)生自由基進行鏈式反應。加水量。水是化學反應發(fā)生的良好載體，與固體污泥相比，水或膠體內(nèi)更容易發(fā)生化學反應。反應時間。反應時間越長，污泥中的還原物質(zhì)剩余量越少。綜上所屬，選定加水量、反應溫度、反應時間最為實驗對象，研究加水量、反應溫度、反應時間對污泥與氧化劑之間氧化反應充分性的影響。

4 氧化法污泥處理參數(shù)設計

根據(jù)污泥氧化法處理設備特點和氧化反應機理，在實驗室條件下對氧化法污泥處理因素進行實驗，在其他條件相同時研究加水量、反應溫度、反應時間對氧化法處理污泥過程的影響，利用處理后污泥中剩余的還原物質(zhì)的化學需氧量（COD）對氧化法處理污泥方法進行考量。

4.1 加水量因素

在實驗室中建立相似模型，選取300 g 污泥，在反應溫度、反應時間等其他因素不變的條件下，對污泥進行氧化法處理，統(tǒng)計經(jīng)氧化反應后污泥中剩余還原物質(zhì)的化學需氧量（COD），研究加水量的影響，實驗結(jié)果如表1。

表1 加水量對氧化法的影響

對實驗得到的數(shù)據(jù)進行整理，排除一組明顯錯誤數(shù)據(jù)（加水量80g，污泥COD 值298g/L），對剩余數(shù)據(jù)進行擬合得到加水量與污泥經(jīng)氧化法處理后剩余的還原物質(zhì)的化學需氧量之間的關(guān)系圖，如圖2。

圖2 加水量與氧化法處理后污泥COD 值之間的關(guān)系

去除掉一組無效數(shù)據(jù)（加水量=80g，污泥COD=298g/L）后，加水量與污泥經(jīng)氧化法處理后剩余的還原物質(zhì)以化學需氧量的擬合曲線如圖2 所示。實驗結(jié)果表明，在初始加水階段，隨著加水量的增加，經(jīng)氧化法處理的污泥COD 逐漸增加，這是因為，向污泥中加水的過程中，原本包裹在污泥中的有機物、微生物等逐漸釋放到污泥表面，部分轉(zhuǎn)移到液體水中；當加水量在55 g～100 g 區(qū)間內(nèi)變化時，經(jīng)氧化法處理后的污泥COD 逐漸減少，在該區(qū)間后段，隨著加水量的增加，經(jīng)氧化法處理后的污泥COD 數(shù)值降低幅度逐漸變小，綜合考慮經(jīng)濟性和使用性因素，確定90g為氧化法處理污泥的最佳加水量。

4.2 反應溫度因素

與加水量因素實驗過程相似，選取300 g，氧化反應加水量為90 g，反應時間等其他條件不變的條件下，對污泥進行氧化法處理，統(tǒng)計經(jīng)氧化反應后污泥中剩余還原物質(zhì)的化學需氧量（COD）研究反應溫度對氧化法處理污泥的影響，實驗結(jié)果如表2。

表2 反應溫度對氧化法的影響

對實驗數(shù)據(jù)進行擬合得到反應溫度與污泥經(jīng)氧化法處理后剩余的還原物質(zhì)的化學需氧量之間的關(guān)系圖，如圖3。

圖3 反應溫度與氧化法處理后污泥的COD 值之間的關(guān)系

如圖3 所示，當反應溫度處于0 ℃～160 ℃時，經(jīng)氧化處理后污泥中剩余還原物質(zhì)的化學需氧量快速升高至210 g/L，因為隨著溫度的升高，污泥中的還原物質(zhì)逐漸析出，釋放到污泥表面；當反應溫度在160 ℃～200 ℃范圍內(nèi)變化時，經(jīng)氧化處理后污泥中剩余還原物質(zhì)的化學需氧量緩慢升高至230 g/L；當反應溫度大于200 ℃時，經(jīng)氧化處理后污泥中剩余還原物質(zhì)的化學需氧量急速下降。為了兼顧可行性和實用性，選定230 ℃為氧化法的最佳反應溫度。

4.3 反應時間因素

在最佳反應溫度和最佳加水量條件下，選取300g 污泥，其他條件相同情況下，對污泥進行氧化法處理，統(tǒng)計經(jīng)氧化反應后污泥中剩余還原物質(zhì)的化學需氧量（COD），研究反應時間對氧化法處理污泥的影響，實驗結(jié)果如表3。

表3 反應時間對氧化法的影響

對實驗得到的數(shù)據(jù)進行整理，對實驗數(shù)據(jù)進行擬合得到反應時間與污泥經(jīng)氧化法處理后剩余的還原物質(zhì)的化學需氧量之間的關(guān)系圖，如第130 頁圖4。

如圖4 所示，當反應時間在處于0 min～60 min時，隨著反應時間的增加，經(jīng)氧化處理后的污泥的COD 值快速升高至290 g/L；當反應時間大于60 min時，隨著反應時間的增加，經(jīng)氧化處理后的污泥的COD 值快速降低至趨近于183 g/L。為了兼顧可行性和實用性，選定75 min 作為氧化法的最佳反應時間。

圖4 反應時間與氧化法處理后污泥的COD 值之間的關(guān)系

5 最佳反應條件驗證

上述實驗結(jié)果表明，氧化法的最佳反應條件為：加水量為90 g，反應溫度為230 ℃，反應時間為75 min，利用最佳反應條件對污泥進行氧化法處理后結(jié)果如表4。

表4 最佳反應條件驗證

利用統(tǒng)計方法對實驗結(jié)果進行分析，結(jié)果表明，使用氧化法對污泥進行處理后，污泥中的水分含量下降約55.7%，水分下降幅度約為83.1%；有機質(zhì)含量下降了約10.9%，有機質(zhì)含量下降幅度約為37.6%；銅離子含量下降了368.4mg/kg，銅離子下降幅度約為82.5%；經(jīng)氧化法處理后，污泥的COD 下降了162.6 g/L，下降幅度約為70.1%，經(jīng)氧化處理后的污泥滿足國家污泥排放標準的要求。

驗證結(jié)果表明，在氧化法處理污泥過程中，設定加水量為90 g，反應溫度為230 ℃，反應時間為75 min作為氧化法的最佳反應條件，符合現(xiàn)場實用性和經(jīng)濟性要求。

6 結(jié)論

1）闡述了氧化法處理污泥的設備結(jié)構(gòu)特點和作用機理，分析了氧化法處理污泥的主要影響因素為加水量、反應溫度、反應時間。

2）實驗數(shù)據(jù)表明，氧化法處理污泥的最佳反應條件為：加水量為90 g，反應溫度為230 ℃，反應時間為75 min，經(jīng)實驗驗證，該最佳反應參數(shù)滿足現(xiàn)場經(jīng)濟性和實用性要求，處理后的污泥符合國家污泥排放質(zhì)量標準要求。