污泥噴霧熱干化特性

苑宏英，范文淵，湯韜，張攀攀，蘇潤西，費學寧

（1天津城建大學環境與市政工程學院，天津 300384；2天津市水質科學與技術重點實驗室，天津 300384）

根據“十二五”規劃，到2015年，城市污水處理率將達到85%[1]，但污泥處理處置相對污水處理嚴重落后。目前，全國污泥安全處理率不足10%[2]，由此產生的二次污染已經受到人們的重視，并且成為城市污水處理行業發展的瓶頸。因此，最大程度地實現污泥“減量化、穩定化、資源化、無害化”處理，是今后污泥處理處置所面臨的重大問題。

常用的脫水技術主要有干化脫水和機械脫水兩類。干化脫水是利用干化場，使其自然干化，其主要缺點為占地面積大、環境衛生條件惡劣、適用地區范圍小[3]；機械脫水是利用過濾介質兩側的壓力差，使其強制脫水，目前常用方法主要有壓濾脫水法、真空吸濾脫水法和離心脫水法等[4]。經機械脫水后污泥的含水率在80%左右，難以滿足污泥后續處理的要求。采用污泥熱干化技術能滿足含水率的要求，但能耗較大。張攀攀等[5]實驗采用太陽能集熱聯合污泥噴霧技術，集熱器采用真空管槽式太陽能集熱器，集熱效率可達35%～50%，出口溫度可達150～200℃。污泥經霧化后粒徑分布在50～200μm，增大了污泥顆粒的表面積，利于污泥的熱干化，熱能利用率也高。在干燥塔內，霧化后的污泥能在1.5h之內達到150℃，且在此溫度下能運行5h左右。本研究充分利用了清潔能源——太陽能，克服了傳統能源消耗帶來的污染問題，實現污泥深度脫水，為后續污泥填埋或堆肥處理提供了便利，具有一定的工程意義。

1 方法與材料

1.1 實驗的操作流程

操作過程如下：利用鼓風機將槽式太陽能集熱器加熱的高溫氣體送入塔中。當塔內的溫度達到150℃時，啟動空氣壓縮機和污泥泵，污泥經過霧化噴頭噴霧后與熱空氣逆向接觸（圖1）。從塔底收集干化后的污泥，測定其含水率、氨氮、磷酸鹽、陰陽離子和重金屬。從冷凝塔中收集冷凝水，測定其氨氮、磷酸鹽、陰陽離子和重金屬。

圖1 污泥噴霧干化設備

1.2 實驗方法

對含水率、氨氮、磷酸鹽、陰陽離子和重金屬的測定采用的儀器及型號見表1所示。

1.3 污泥的來源和初始特性

考慮噴霧過程中噴頭堵塞的問題，實驗樣品取自污水處理廠含水率為99%的AAO回流污泥，初始特性如表2所示。

表1 儀器及型號

表2 污泥的初始特性 單位：mg/L

2 結果與分析

2.1 污泥脫水效果

污泥的脫水效果與噴入量關系見表3所示。從表3中可以看出，隨著噴入量減小，污泥的含水率逐漸減小，在噴入量為12 L/h時，脫水后污泥的含水率降低到25.9%。這是由于隨著污泥噴入量的增加，污泥霧化效果變差，污泥脫水所需的熱量增加，然而塔內的熱空氣不足以提供所需的能量，導致污泥脫水效果變差。

2.2 磷酸鹽與氨氮的含量變化

圖2和圖3是在相同溫度（150℃）下，干化后 污泥溶出的及冷凝水中的磷酸鹽和氨氮的變化趨勢。

表3 脫水效果與噴入量的關系

圖2 干化后污泥溶出的磷酸鹽和氨氮的變化趨勢

圖3 冷凝水中磷酸鹽和氨氮的變化趨勢

污泥中的氮主要以蛋白質的形式存在，氮是組成細胞壁、細胞膜的重要成分，而污泥中含有大量的細菌和真菌[6]。磷主要以無機磷的形式存在。從圖2可得，干化后污泥中的磷酸鹽和氨氮隨著噴入量的減少呈現出升高的趨勢，在污泥噴入量小于25L/h時，磷酸鹽與氨氮的濃度分別分布在59.4～61.7mg/L與156.4～165.3mg/L，滿足污泥農用的標準[7]。且與原污泥相比，氨氮的濃度增大幅度較大，磷酸鹽濃度增大幅度較小。這是由于污泥干燥過程發生蛋白質的溶解、水解，生成多肽、氨基酸，氨基酸進一步水解為小分子有機酸、氨和二氧化碳[8]，而磷酸鹽只是得到了濃縮。

從圖3可知，隨著噴入量增加，冷凝水中磷酸鹽基本不變，氨氮呈下降的趨勢。這是由于噴入量越少，蛋白質等水解得越充分，揮發得也越多；而磷酸鹽不能以氣態形式揮發。還可以得知，無論噴入量多大，冷凝水中都含有一定量的磷酸鹽和氨氮，可能是由于污泥在霧化狀態下被熱風和水蒸氣帶入冷凝塔中所致。

2.3 陰陽離子的含量變化

圖4 干化后污泥溶出的陽離子變化趨勢

圖5 干化后污泥溶出的陰離子變化趨勢

圖6 冷凝水中陽離子的變化趨勢

圖7 冷凝水中陰離子的變化趨勢

圖4～圖7分別為相同溫度（150℃）下，干化 后污泥溶出的及冷凝水中的陽離子（Na+、Mg2+、Ca2+、K+）和陰離子（Cl-、SO42-、NO3-、NO2-）的變化趨勢圖。

在干化時，污泥內部的無機鹽的變化是復雜的，既有細胞裂解[9]后胞內的無機鹽釋放到溶液中，也有絡合反應的發生[10]，還有被熱風吹入和水蒸氣帶走至冷凝塔中的污泥所含有的無機鹽。

從圖4與圖5可知，干化后污泥溶出的陰陽離子的變化趨勢相同，且隨著含水率的升高，呈現增大趨勢；其中鈉離子與氯離子在噴入量為36L/h時發生突變。這可能是因為在噴入量小于36L/h時，污泥中水分蒸發得較快，部分可溶解物質被脫出后未進入干化后污泥中，而是附著在塔壁上。而鈣離子和鎂離子則呈現出無規律的變化趨勢，可能與蛋白質水解生成的二氧化碳[11]有關，也可能與磷酸 鹽[9]的變化有關。

從圖6與圖7可知，冷凝水中的陰陽離子呈現先上升后下降的趨勢。在噴入量為12～56L/h時，呈現出增大趨勢。這可能是由于隨著噴入量的增大，進入冷凝塔的水蒸氣減少，冷凝水減少，使離子濃度變大；當噴入量大于56L/h后，離子又呈現下降趨勢，這是由于大量污泥的噴入使塔下部的水蒸氣不能進入冷凝塔，而是被后噴入的污泥帶到塔底，進入冷凝塔的離子的量減少。

2.4 重金屬含量變化

本實驗研究了污泥中重金屬的變化規律，著重考察了污泥干化達到不同含水率時，銅、鐵、鉛、鎘、鋅的變化。從表4和表5中可以看出，污泥中的重金屬除了鎘之外，均隨著干化后污泥含水率的降低呈增長趨勢，同時冷凝水中的重金屬離子除了鎘之外也處于較大的水平，通過計算發現經過噴霧干化后，污泥中重金屬總量除了鎘以外均呈現升高的趨勢，其原因是污泥中各種重金屬的存在形態不同[11]，且與董濱等[12]的研究結果基本相符。此外，各設備中重金屬的析出，也會造成所測結果的增加。

3 結 論

（1）污泥的含水率與噴入量有關，隨著噴入量減小，污泥的含水率逐漸減小，在噴入量為12L/h時，干化后污泥的含水率降低到25.9%，效果最好。

（2）干化后污泥溶出的磷酸鹽和氨氮隨著噴入量的減少呈現出升高的趨勢，在噴入量小于25L/h時，磷酸鹽與氨氮的濃度分別分布在59.4～61.7mg/L與156.4～165.3mg/L，滿足污泥農用的標 準，利于污泥的資源化利用。隨著噴入量的增加，冷凝水中磷酸鹽基本不變，氨氮呈下降的趨勢。

表4 噴霧前后污泥中重金屬變化 單位：mg/kg干污泥

表5 冷凝水中重金屬含量 單位：mg/L

（3）干化后污泥溶出的陰陽離子的變化趨勢相同，且隨著含水率的升高，呈現增大趨勢；其中鈉離子與氯離子在噴入量為36L/h時突變程度較大；冷凝水中的陰陽離子呈現先上升后下降的趨勢。干化后污泥中的重金屬除鎘之外其余略有增加。

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