污泥間接熱干化過程尾氣排放特性及生成機理分析

余 莉，邱 銳，陳文迪，王 飛

（1.深圳市水務工程建設管理中心，廣東 深圳 518048；2.浙江大學熱能工程研究所能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

目前，污泥干化尾氣的分析與控制已受到國內外學者的重視，浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室著重對污泥干化尾氣成分進行檢測，還進行了一定的機理分析［1-4］，張鵬［5］研究發現氧化鈣的添加對污泥干化過程H2S、NH3的生成有良好的抑制和吸收效果，翁煥新等［6］研究表明低溫干燥能有效降低污泥干化過程中NH3的釋放強度。國外的研究著重于對污泥干化過程和污水處理廠產生的惡臭氣體分析，其內容包括惡臭氣體化合物的分析、惡臭氣味的官能表征及減輕臭味的措施與方法［7-9］。

筆者首先對污泥的有機質、還原糖、總糖和蛋白質含量進行了測定，然后利用小型槳葉式污泥干化機進行污泥干化試驗，針對污泥干化過程中污染性氣體的排放，比較干化過程前后污泥的成分變化，測定干化過程中尾氣排放特性曲線，從而分析污泥成分與干化尾氣之間的聯系，推測污泥干化尾氣的生成機理。

1 實驗部分

1.1 污泥成分測定方法

污泥樣品采用紹興某城市污水處理廠的城市污水污泥，含水率為82.8%。污泥有機質含量測定方法參考土壤中有機質含量測定［10］，采用重鉻酸鉀容量法；污泥還原糖總糖含量測定參考食品中的測定方法［11-12］，使用DNS（3，5-二硝基水楊酸）比色法。目前對于污泥蛋白質測定方法鮮有文獻報道，筆者利用土壤養分分析儀將污泥樣品中的速效氮，即無機氮成分檢測出來；再利用元素分析儀將泥樣品中的總氮檢測出來，利用這2個數據即可得到有機氮含量，乘以氮-蛋白質轉化系數即可算出其中的蛋白質含量。

1.2 污泥干化試驗系統

污泥干化試驗系統如圖1所示，該試驗系統使用小型槳葉式間歇污泥干化機，干化機由夾套、空心雙軸和楔形槳葉組成，轉速由調速器經過調速電機控制，干化機熱軸轉速設定為10 r/min，導熱油箱內的導熱油用加熱棒進行電加熱，溫控儀控制導熱油溫，加熱后的導熱油經油泵送入污泥干化機的夾套、空心熱軸和空心槳葉對污泥進行間接傳熱干化。電阻絲的加熱功率約為1 040 W，槳葉軸攪拌功率約為26 W，干化過程中用抽氣泵為干化機提供新鮮的空氣載氣，并維持干化機內負壓運行。污泥干化產生的水蒸氣隨載氣進入冷凝器，在冷凝器出口A點設置氣體采樣點，冷凝液由錐形瓶收集，并放置于電子天平上，由冷凝液質量選擇干化終點。干化尾氣分析采用芬蘭Gasmet公司生產的基于傅立葉變換紅外光譜的Gasmet DX-4000煙氣分析儀。冷凝液中的NH4+濃度由Lovibond ET99730多參數水質分析儀測定。

1.3 污泥干化試驗工況設置

污泥干化試驗每批進樣500g左右濕污泥，并選取2個污泥干化溫度工況，分別為140℃和180℃，為了重點探究蛋白質對干化尾氣生成的影響，另取各500 g左右污泥分別準確加入10 g胰蛋白胨，同樣進行140℃和180℃的干化試驗，并將其有機質含量和蛋白質含量進行折算，數據匯總于表1。

表1 試驗物料及工況

2 試驗結果與分析

2.1 干化前后污泥成分變化

經過測定，該紹興污水處理廠的城市污水污泥有機質含量為38.16%，還原糖含量為0，總糖含量為0.210 7%，蛋白質含量為17.29%。由于污泥存放時間較長，含有的糖類已經被微生物所消耗，因此將重點考察污泥干化前后有機物和蛋白質含量的變化。

干化前后污泥成分變化如表2所示。

表2 干化前后污泥成分變化（干基） %

從表2中可看出，污泥經過干化之后，干基有機質和蛋白質含量均減小，且可以明顯地發現，加入10 g胰蛋白胨的工況的蛋白質及有機質減小幅度比純污泥的減小幅度大，而相應成分的減小與干化尾氣生成的關系密不可分。因此，干化尾氣的生成大都來自于有機物的化學反應，而蛋白質作為污泥中有機質的主要成分，是干化尾氣生成過程的重要反應物。

2.2 NH3排放特性及生成機理分析

4個工況的NH3排放特性曲線如圖2所示，4條曲線的整體趨勢相似，干化剛開始階段，NH3的排放濃度迅速達到1個峰值，然后經歷1個平穩下降階段，從圖中可以看出，180℃的工況排放濃度要比140℃的工況高，說明高溫使NH3的生成反應加劇，單從排放特性曲線上看，加不加蛋白質對NH3的排放特性并無明顯影響，但經過冷凝器后的尾氣的NH3濃度已經大大減小，絕大部分的NH3都被吸收于冷凝液中，所以關鍵還是對冷凝液中NH3濃度的考察。

圖2 NH3排放特性

表3 各工況冷凝水氨氮濃度

有研究表明，在污泥干化時，可通過污泥中的蛋白質成分的熱水解反應而排放NH3［13］。當污泥中的蛋白質溶解時，可以水解為多肽、二肽和氨基酸，氨基酸進一步水解產生有機酸、NH3和CO2。上述的試驗結果進一步證明了這一研究，相關的反應方程式如下：

1） 蛋白質的典型一級結構（化學鍵）就是肽鍵R-CO-NH-R’，每個肽鍵水解后生成1個氨基和1個羧基，生成多肽、二肽和氨基酸：

2） 蛋白質的最終水解產物為氨基酸，結構通式如下：

3） 氨基酸進一步產生有機酸、NH3和CO2：

需要補充的是，當R為H或者CH3或者C2H5時，RCOOH即為甲酸、乙酸、丙酸，統稱為揮發性脂肪酸，此類物質的排放在以往的文獻中已有提到［14］，筆者提到揮發性脂肪酸的釋放是由有機物熱水解而來，由于設備原因，本試驗未對此類氣體進行檢測，在此略作補充，上面提出的反應方程式即為揮發性脂肪酸生成的1種形式。

此外，氨基酸在氧氣充足的情況下經過生物化學反應會生成尿素，尿素通過熱水解也會生成NH3，這也是污泥干化過程中NH3的一種生成機理，相關反應方程式如下：

1） 氨基酸在氧氣充足的情況下經過生物化學反應會生成尿素：

2） 尿素通過熱水解生成NH3：

2.3 CH4排放特性及生成機理分析

4個工況的CH4排放特性曲線如圖3所示，CH4的排放處于干化早期，之后都趨近于零，且180℃工況的排放濃度大，時間短，排放總量與140℃工況相近，即比140℃工況CH4的排放來得迅速，這說明，CH4生成是一個需要在加熱條件下進行的反應，溫度越高反應越劇烈，且蛋白質的添加對CH4生成并沒有任何影響。生成CH4的反應物是原本就存在于污泥之中且含量一定，干化溫度高，反應劇烈，則CH4排放濃度高，排放時間短；干化溫度低，反應相對緩慢，則排放濃度低，排放時間長。

圖3 CH4排放特性

該城市生活污水污泥呈弱堿性，CH4作為有機物，不可能通過無機反應得到，醋酸鹽在堿性環境下生成碳酸鹽和CH4是生成CH4的常見反應，而醋酸鹽可以本來就存在于污泥之中，或者由更高級的有機物分解得到，所以污泥干化工況滿足該反應條件，下面以醋酸鈉為例寫出該反應方程式：

2.4 SO2生成機理分析

從污泥干化尾氣檢測結果來看，冷凝后的尾氣成分幾乎沒有SO2，原因是SO2被冷凝液中的NH3吸收而進入冷凝液，相關反應方程式如下：

為了證實這一猜測，取一定量的冷凝液于燒杯中，在燒杯中加入過量的2 mol/L的BaCl2溶液，溶液變渾濁，靜止后燒杯底部有細小顆粒晶體析出，這就證明在污泥干化過程中確實有SO2的排放，相關反應方程式如下：

在相同干化溫度下，取等量是否加入蛋白質的2個工況的冷凝液，分別加入等量的2 mol/L的BaCl2溶液，靜止后發現，燒杯底部的沉淀量未有明顯差別，這說明蛋白質對SO2的產生沒有明顯影響，SO2是由污泥中除蛋白質之外的有機物反應生成，污泥中含有的硫醚、硫醇、硫酚等一些含硫化合物應是生成SO2的重要反應物，以硫醇為例，它可分解為CO、CO2和SO2，相關反應方程式如下：

3 結論

1） 污泥樣品取自紹興市某污水處理廠的城市污水污泥，通過成分分析，得到該污泥含水率為82.8%，有機質含量為38.16%，還原糖含量為0，總糖含量為0.210 7%，蛋白質含量為17.29%。

2） 對4個工況干化后污泥的成分進行了測定，發現污泥經過干化后，干基有機質和蛋白質含量均減小，干化尾氣的生成大部分都來自于有機物的物理化學反應，蛋白質是干化尾氣生成機理的重要反應物。

3） 結合干化過程前后污泥成分變化和干化過程中尾氣排放特性曲線測定，對污泥干化過程尾氣的生成機理進行了分析，比較發現蛋白質對NH3的生成產生很大影響，蛋白質的水解產物氨基酸和尿素是反應生成NH3的主要來源。

4） CH4的排放具有明顯的規律，發生在干化早期，且排放量大致相同，推測CH4可能由醋酸鹽在堿性環境下轉化生成。

5） 研究證實了污泥干化過程中確實有SO2的生成，但蛋白質對SO2的產生并無影響，推測可能由其他含硫有機物，如硫醚、硫醇反應生成。

［1］ 王飛，朱小玲，李博，等.污泥干化焚燒過程中污染物排放的研究［J］.給水排水，2011，37（5）：22-26.

［2］ 鄧文義，嚴建華，李曉東，等.造紙污泥干化及焚燒系統污染物排放特性［J］.燃燒科學與技術，2008，14（6）：545-550.

［3］ 魯南，李博，王飛，等.深圳市污水處理廠剩余污泥干化特性研究［J］.環境污染與防治，2011，33（10）：59-63.

［4］ 李博，王飛，嚴建華，等.污水處理廠污泥干化焚燒處理可行性分析［J］.環境工程學報，2012，6（10）：3399-3404.

［5］ 張鵬.CaO處理污泥干化臭氣的實驗研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2012.

［6］ 翁煥新，章金駿，劉瓚，等.污泥干化過程氨的釋放與控制［J］.中國環境科學，2011，31（7）：1171-1177.

［7］ Winter P，Duckham S C.Analysis of volatile odour compounds in digested sewage sludge and aged sewage sludge cake［J］.Water Sci Technol，2000，41（6）：73-78.

［8］ Gostelow P，Parsons S A，Stuetz R M.Odour measurements for sewage treatment works［J］.Water Res，2001，35（3）：579-597.

［9］ Lambert S D，Beaman A L，Winter P.Olfactometric characterization of sludge odours［J］.Water Sci Technol，2000，41（6）：49-55.

［10］ 盧雙，張勝業，孫書武.重鉻酸鉀容量法測定素土中有機質含量［J］.河南建材，2008（4）：7-8.

［11］ 趙凱，許鵬舉，谷廣燁.3，5-二硝基水楊酸比色法測定還原糖含量的研究［J］.食品科學，2008，29（8）：534-536.

［12］ 楊柳，王建立，王淑英，等.糖類物質測定方法評價［J］.北京農學院學報，2009，24（4）：68-71.

［13］ Ren L H，Nie Y F，Liu J G，et al.Impact of hydrothermal process on the nutrient ingredients of restaurant garbage［J］.J Environ Sci，2006，18（5）：1012-1019.

［14］ DengWY，YanJH，LiXD，etal.Emissioncharacteristicsofvolatile compounds during sludges drying process［J］.J Hazard Mater，2009，162（1）：186-192.

天津推出1 469億元PPP項目大單

中國固廢網訊日前，天津市公布31個政府和社會資本合作 （PPP）推介項目，涉及交通運輸、水利、環境保護、林業、重大市政工程、特色小鎮及棚戶區6個領域，總投資1 469億元。這是黨的十九大以后，天津首次集中推介PPP項目。

2015年，天津出臺了 《天津市推進政府和社會資本合作指導意見》，市和各區相繼設立了PPP工作機構。相關部門在完善制度、制定政策、建立機制、籌劃儲備項目、組織宣傳培訓等方面做了大量工作。市發展改革委、市財政局組織行業主管部門、各區籌劃了一批項目，建立了全市PPP項目儲備庫。目前儲備庫項目總規模達到164個，總投資4 570億元，一批公共服務和基礎設施項目已經具備合作條件。