市政污泥干化特性研究

毛夢梅 戴 勇

（上海康恒環境股份有限公司 上海 201703）

引言

污泥是污水處理過程的副產物，具有含水量高（一般約98%）、體積大、不易處置的特點，且污泥成分復雜，含有大量的有機物質、重金屬、鹽類、難降解物質及病原微生物、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，未處理的污泥是環境的一大威脅[1]。

根據E20研究院數據可知，目前我國污水處理廠產生的污泥，一半以上是采用衛生填埋的方式進行處理處置，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境二次污染嚴重，而且占地大，長此以往將無地可埋。“水十條”、“十三五”規劃中關于污泥處理處置要求的提出，政策利好的條件下促進了污泥處理處置市場的增長，相關的處理技術和設備也隨之迅速發展。

《污水處理廠污泥處理處置最佳可行技術導則》認為：污泥干化焚燒是今后我國提倡的方向。為實現污泥高效、低能耗干化焚燒，需要多角度對污泥干化前后的特征進行系統的研究。本文以上海市青浦區脫水污泥為原料，從基本分析、微觀形態、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，為實現污泥的干化焚燒提供基礎數據。

1 實驗設備

利用薄層干化機對市政脫水污泥進行干化，薄層干化機結構圖如圖1所示。薄層干化機由殼體、轉子、驅動裝置三大部分組成，在殼體夾套內壁上轉子將脫水污泥攤鋪成薄層，依靠夾套內的高溫蒸汽或導熱油來干化污泥。

圖1 薄層干化機結構圖

2 實驗結果及分析討論

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行了多次取樣分析，所得結果如表1所示。

表1 污泥干化前后工業分析、元素分析及高位熱值對比表

由表1可知，污泥經過干化后，揮發分含量有所降低，干燥基揮發分含量降低了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，污泥中的易揮發性有機物、部分細小污泥顆粒隨干化的水蒸氣一并成為了干化尾氣，進入了后續的尾氣處理工段。

2.2 污泥干化前后的微觀結構比較

圖2 干化前（左）后（右）的污泥在掃描電鏡下的微觀結構圖

圖2 展示了污泥干化前后的微觀結構圖。從圖中可以看出，干化前的污泥結構較為松散，大量胞外聚合物包裹聚集于膠體外部，形成明顯的團聚結構，這樣使得污泥中的結合水、間隙水和胞內水被包裹在污泥絮體中，從而較難通過物理化學作用進一步脫水。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，有較強的可壓縮性，施加較低的機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，污泥絮體結構逐漸坍塌，形成右圖中表面結構緊密、空隙逐漸縮小的團聚結構。但是水分蒸發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果。污泥干基的代表官能團主要為游離 H2O、-OH、-CH2、-CH3、芳環、C=C、CO、鹵代烴等。表明污泥中的有機物含量較高，有機物類型可能為蛋白質、脂類、淀粉和纖維素等。研究表明，污泥的有機物中蛋白質含量超過60%，脂類約為20%，淀粉和纖維素類約為15%[1]，這些有機物質的分解會產生NH3、H2S及VOCs等惡臭氣體。

EPS是由蛋白質、多糖以及少量的脂類、核酸和腐殖質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組成部分，其含量高低決定了污泥特征官能團的紅外吸收強度[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的差別對透光率的細微干擾，可以看出干化前污泥的紅外吸收強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的分解。這也解釋了污泥干化后有機質含量降低、揮發分含量降低的現象。

2.4 污泥干化前后含水率、有機質及熱值的比較

污泥中的有機質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能耗主要用于蒸發污泥中的水分。表2列出了污泥干化前后含水率、有機質含量和熱值的對應關系。由表2可知，干化后的污泥有機質含量略有下降，相應的干基高位熱值也略有下降。

表2 污泥干化前后含水率、有機質含量和熱值的變化

分別對污泥含水率和熱值相關性、污泥有機質和熱值的相關性進行研究，通過線性回歸得到各變量之間的相關系數，并進行相關性分析。

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相關關系，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系數為0.882，在置信度95%下，F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關系。

圖5為原污泥有機質含量與其干基高位熱值的回歸模型圖。原污泥有機質含量與其干基高位熱值的相關系數為0.997，在置信度95%下，F檢驗P值為0.0033；F檢驗P值小于0.05，因而原污泥有機質含量與其干基高位熱值具有顯著相關性。

圖5 原污泥有機質含量與其干基高位熱值回歸模型

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

圖6 干污泥有機質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、有機質含量密切相關，且污泥有機質含量與污泥干基熱值存在顯著的正相關關系。這也說明若污水處理廠出廠污泥采用大量無機添加劑進行調理脫水，雖能起到顯著的脫水效果，但引入的大量無機物不僅會提高污泥干化過程的系統負荷，還會顯著降低污泥的有機質含量，對后續污泥的干化和焚燒都會造成不利影響。

結語

本文以上海市青浦區脫水污泥為原料，分析了脫水污泥干化前后的特征，發現：

（1）隨著干化的進行，污泥表面結構逐漸緊密、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生少量有機物質的分解，使得干化后的污泥有機質含量、揮發分含量略有降低。

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