堆存污泥深度脫水及其干化泥餅焚燒特性研究

趙旭遠， 張 露， 冒小丹， 洪國軍， 江 帥

1.疏浚技術裝備國家工程研究中心， 上海 200120 2.航道疏浚技術交行業重點實驗室， 上海 200120

隨著經濟的快速發展，我國城鎮化速度不斷加快，同時城市污水量逐年遞增，導致污水處理過程中產生的污泥量也不斷增加[1-2]. 2020年，我國的污泥產量預計會突破 6 000×104t(以含水率80%計)[3]. 隨著全球范圍內對環境衛生設施和污水處理設施的需求與標準不斷提高，污泥的處理與處置已經成為污水處理廠面臨的主要挑戰之一[4]. 污泥填埋處置處理量大、運行成本低，處置量占我國污泥總處置量的60%[5-6]. 污泥填埋場的污泥經過長時間的堆存降解，高含水率堆存污泥產生的滲濾液、填埋氣會對周邊生態系統造成嚴重的影響[7-8]. 焚燒是實現污泥最大量減容的處置方法，同時可以有效殺滅污泥中的病原菌，是實現污泥減量化和安全化的有效途徑[9-11]. 在沒有多余區域可供污泥填埋時，將堆存污泥進行焚燒處置是實現垃圾填埋場污泥減容的可選途徑. 由于堆存污泥含水率高，會制約污泥焚燒的效率，因此堆存污泥的深度脫水干化是污泥焚燒處置的首要步驟.

國內外科研工作者開發了眾多污泥脫水的方法，如物理化學處理法[12-14]、熱處理法[15-16]、超聲處理法[17-20]及生物酶處理法[21-23]. 其中大多數的污泥調質方法主要是通過破壞污泥胞外聚合酶的結構和釋放胞內多聚物以達到污泥吸附水、結合水向自由水的轉化. 然而由于方法的可操作性、經濟可行性、設備的局限性等原因，一些在實驗室內有較好效果的方法在工程上卻難以適用. 目前，工程應用較廣的仍然是“化學調理+機械脫水”的物化聯合法.

傳統的活性污泥脫水通過石灰、FeCl3、PAM等藥劑壓縮污泥雙電子層、脫穩聚集、增大污泥絮體，從而增強脫水性能[1,24-26]. 堆存污泥通過了初步的調質脫水后，在填埋場內通過厭氧降解等過程，其容重、密度、含水率和有機物含量發生了較大的變化[27]，進一步深度脫水難度增加. 因此，探索適合城市堆存污泥特性的組合調理劑是深度脫水的必要條件. 此外，在機械壓濾過程中，污泥濾餅的可壓縮性是影響深度脫水的關鍵，濾餅的堵塞與變形致使疏水通道閉合，故構建濾餅的骨架結構有利于后續的機械脫水過程[28-31].

該研究通過聚合氯化鋁(PAC)聯合秸稈粉末，在基礎常規添加物生石灰的作用下，探究組合調理劑對堆存污泥深度脫水的效果，分析壓濾泥餅燃燒特性. 通過正交試驗分析不同添加劑對污泥脫穩、電性中和以及構建骨架結構所起到的作用，并探究其影響大小關系；同時通過單因素試驗優化組合調理劑中各成分的添加量，設計小型壓濾機模擬工程應用中機械壓濾效果，驗證優化試驗參數的深度脫水效果；通過熱重試驗對比分析脫水干化前后污泥與泥餅的燃燒特性，并系統分析PAC-生石灰-秸稈粉末組合調理劑的經濟成本，以期為堆存污泥深度脫水及后續的焚燒處置提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用生石灰有效鈣含量為65%，堆存污泥取自某污泥填埋場，含水率為84.38%～85.25%，黏度大，流動性極弱，考慮到工程泵的輸送難度[32]以及前期預試驗的結果，將污泥稀釋至92%用于調理〔毛細吸水時間(CST)為1 500 s〕.

1.2 試驗流程

正交試驗：以PAC、生石灰、秸稈粉末作為3個參考因素，每個因素設置3個水平，以CST作為參考目標，以CST值最小為最優方案，選用L9(34)正交表安排試驗，對比3種調理劑對污泥脫水的影響大小，因素水平設置見表1. 分別量取50 mL污泥樣品，按照正交試驗設計依次加入不同量的生石灰、PAC、秸稈粉末，置于磁力攪拌器上以250 r/min的速率攪拌5 min，混合均勻后靜置5 min，取適量的調理污泥測定CST.

表1 正交設計因素及水平Table 1 The factors and lever of the orthogonal design

優化試驗與模擬試驗：單因素優化試驗中，每次試驗選取50 mL污泥加入燒杯中，并分別加入已確定量的生石灰，然后加入不同預設含量的PAC(干基比為20%～40%，下同)和秸稈粉末(干基比為20%～40%). 將燒杯置于磁力攪拌器上以250 r/min的速率攪拌5 min，混合均勻后靜置5 min，真空抽濾，壓力為-0.1 MPa，記錄量筒內滴落水的體積，以抽濾30 s內無液滴滴落或者泥餅出現龜裂為終點，并繪制抽濾效率曲線. 模擬試驗中，每次試驗選取200 mL污泥加入燒杯中，按照單因素試驗中配比與攪拌參數調理，之后將調理污泥倒入小型模擬壓濾機壓濾，壓力控制在0.4 MPa，壓濾時間為25 min. 收集壓濾泥餅，檢測含水率.

1.3 指標檢測

CST指標：取10 mL待測污泥，采用毛細吸水時間測定儀(DFC-10A，北京同德創業科技有限公司)測定CST.

泥餅含水率：稱取15～20 g壓濾后的泥餅，置于含水率檢測儀(JT-K8，泰州市精泰儀器儀表有限公司)，溫度設定為105 ℃，測定脫水后泥餅的含水率.

熱重檢測：將樣品約10.00 mg放入熱重分析儀(TGA/DSC1/1600HT，Mettler Toledo，美國)，設置升溫區間為30～900 ℃、升溫速率為20 ℃/min、空氣流量為30 mL/min.

浸出液重金屬檢測：浸出液重金屬含量檢測方法參照HJ/T 300—2007《固體廢物 浸出毒性浸出方法 醋酸緩沖溶液法》，采用浸提劑1#(即加5.7 mL冰醋酸至500 mL試劑水中，加64.3 mL 1 mol/L的氫氧化鈉溶液稀釋至1 L)，按照固液比10∶1加入浸提劑振蕩18 h，將浸出液消解處理后送入ICP-OES(iCAP7600，Thermal，美國)測定重金屬含量.

1.4 數據處理方法

正交試驗結果分析可采用直觀分析法或SPSS軟件計算得到極差(R)；通過Origin 9.0軟件對不同時間與不同添加劑下濾液體積進行繪圖得到抽濾效率曲線；泥餅含水率與CST直接由分析檢測儀讀數得到，同樣由Origin 9.0軟件繪圖得到，并根據數據添加誤差棒.

熱重數據分析根據熱重檢測得到不同溫度下樣品的失重量，通過Origin 9.0軟件繪圖得到TG失重曲線，在軟件內求一階導數得到微商熱重分析(DTG)曲線，在燃燒過程中DTG曲線頂點即為最大失重速率點(Tm)，過Tm做垂線與TG曲線相交，然后做交點切線，切線與熱重試驗起始位置水平線相交于Ti點，Ti點對應的溫度即為燃點溫度.

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果分析

以CST作為參考目標，分析3個因素(生石灰、秸稈粉末和PAC)在3種水平條件下的極差(見表1、2). 極差分析可以判定因素重要性的主次順序，極差越大的因素對參考目標的影響越顯著[33]. 因此可根據表3中極差(R)的大小判定3個因素(生石灰、秸稈粉末和PAC)對CST削減的影響順序.

由表2可知，PAC-生石灰-秸稈粉末的聯合調理方法可有效削減堆存污泥的CST，9種組合配比下CST的削減率在60.04%～95.43%之間，PAC-生石灰-秸稈粉末組合調理劑組合干基比添加量分別為20%-20%-25%和15%-25%-30%時，CST分別降至68.5和74.3 s，削減率分別增至95.43%和95.05%，展現了很好的削減效果.

表2 堆存污泥脫水性能正交試驗方案Table 2 Orthogonal test table for dehydration performance of stocked sludge

表3 堆存污泥脫水性能結果分析Table 3 Result analysis for dehydration performance of stocked sludge

不同影響因子的極差(R)大小表現為PAC(R=227.04)>生石灰(R=189.87)>秸稈粉末(R=177.83)，因此3種因子對于CST削減的影響順序也依次是PAC、生石灰和秸稈粉末. 根據壓縮雙子層模型和DLVO理論，PAC通過電中和作用結合污泥中帶負電的膠體物質，并通過吸附架橋使污泥顆粒脫穩促進吸附水向自由水的轉變[36-37]. 生石灰中CaO與污泥中的水發生反應生成Ca(OH)2，游離的Ca2+亦可以結合負電基團，同時反應放出大量的熱破壞污泥顆粒結構分離出結合水[38]. CST表征在無外加壓力作用下，污泥中的結合水向自由水的轉變能力及自由水分離的難易程度. 因此，PAC和生石灰的化學調理作用強化了結合水向自由水的轉變，加大了自由水的滲出量，對CST的削減起到較大作用. 而秸稈粉末的主要作用是構建骨架體和疏水通道，增強污泥強度，降低可壓縮性，從而促進自由水的分離，這種作用在外加壓力下才能得到更好的發揮.

綜上，正交試驗的最優組合為PAC(20%)-生石灰(20%)-秸稈粉末(25%)組合，在最優組合下，泥餅含水率仍然大于60%，因此需要按照影響因素來優化添加量，但過多的生石灰添加會導致泥餅的堿性過高，不利于后續處理，故該研究選擇20%作為生石灰添加量，進而優化其他影響因素的添加量.

2.2 優化試驗結果與模擬試驗分析

2.2.1PAC添加量對堆存污泥脫水影響

生石灰添加量為20%、秸稈粉末添加量為25%條件下，不同PAC添加量對污泥抽濾效率的影響如圖1所示. 由圖1可知，抽濾開始后，濾液體積迅速增加，隨著時間推移，濾液體積增加速度變緩直至濾餅龜裂，該現象主要是由于濾紙的堵塞以及泥餅中自由水的減少所致. 對比5條抽濾效率曲線，發現PAC添加量由20%增至35%時，抽濾效率明顯提高，且抽濾結束時間逐步縮短；當繼續增加PAC添加量至40%時，盡管泥餅龜裂時間與35%的添加量下持平，但抽濾效率明顯降低.

PAC添加量/%：1—20；2—25；3—30；4—35；5—40. 圖1 不同PAC添加量對堆存污泥脫水 抽濾效率的影響Fig.1 The effect of different PAC content on dewatering filtration efficiency of stocked sludge

圖2 不同PAC添加量對污泥CST和 壓濾泥餅含水率的影響Fig.2 The effect of different PAC content on CST and moisture content of sludge cake

同時，調理后污泥CST與模擬壓濾后的泥餅含水率的變化趨勢(見圖2)顯示，增加PAC添加量過程中，CST在PAC添加量為35%時取得最低值，為56.9 s，相比原狀污泥削減了96.2%. 在PAC添加量為20%～35%時，壓濾后泥餅含水率在59%～64%之間，表明該組合藥劑脫水效果較好，壓濾效果與抽濾效率結果相一致. PAC添加量為35%時脫水效果最好，壓濾后泥餅含水率為59%. PAC水解生成帶正電的多核絡合物產物電中和污泥負電顆粒，且PAC的高分子鏈通過吸附架橋和網捕卷掃作用使顆粒沉降[39-40]. 進一步增加PAC添加量時，泥餅含水率呈上升趨勢，可能是由于產生了膠體保護作用所致[41].

2.2.2秸稈粉末添加量對堆存污泥脫水影響

調節生石灰添加量為20%、PAC添加量為35%，以2%的梯度分析秸稈粉末添加量對污泥抽濾效率的影響，結果如圖3所示.

秸稈粉末添加量/%：1—25；2—27；3—29；4—31；5—33. 圖3 不同秸稈粉末添加量對堆存 污泥脫水抽濾效率的影響Fig.3 The effect of different powder straw content on dewatering filtration efficiency of stocked sludge

由圖3可知，秸稈粉末添加量為31%時，抽濾終點對應的濾液體積為17.5 mL，明顯低于其他組次抽濾終點濾液體積. 當秸稈粉末添加量為29%時，抽濾結束時間終點相比于秸稈粉末添加量為25%、27%和33%時提前，且泥餅龜裂時濾液體積與之基本持平，說明秸稈粉末添加量為29%時，調理泥漿抽濾效率最高.

調理后污泥CST與模擬壓濾后的泥餅含水率變化趨勢(見圖4)顯示，CST隨著秸稈粉末添加量的增加呈現鋸齒狀的波動，在添加量為29%時取得最低值，為47.9 s，較原狀污泥削減了96.80%；壓濾泥餅含水率呈現先降低再升高的趨勢，同樣在秸稈粉末添加量為29%時取得最低值，為56.3%. 對比圖4和圖2發現，秸稈粉末添加量在25%～33%之間時，其調理后污泥CST值為47.9～85.2 s；PAC添加量在20%～40%之間時，其調理后污泥CST值處于56.9～149.5 s之間；PAC變化引起的CST值變化范圍遠大于秸稈粉末引起的變化，這也驗證了正交試驗中PAC和秸稈粉末對CST影響原因的分析結果. 圖2顯示，在秸稈粉末添加量為25%時，PAC加入使得原狀堆存污泥的CST值大幅降低，但壓濾后泥餅含水率依然維持在60%左右無法進一步降低，主要是由于自由水無法通過更多的疏水通道流出. 圖4顯示，添加秸稈粉末后，壓濾泥餅含水率可降至56.3%，這是由于調整秸稈粉末添加量改變了污泥可壓縮性強的狀態，利于自由水的排出. 但過多秸稈粉末的添加導致顆粒物不均勻性層疊堵塞疏水通道，同時較大的添加量也會影響壓濾效率和運輸成本.

圖4 不同秸稈添加量對污泥CST和 壓濾泥餅含水量的影響Fig.4 The effect of different straw powder content on CST and moisture content of sludge cake

綜上，在組合調理劑作用下，堆存污泥深度脫水性能顯著提升，主要得益于以下兩個過程的優化：①添加劑PAC和生石灰促進吸附水向自由水轉變、促進污泥顆粒絮凝沉淀；②秸稈粉末改善了污泥可壓縮性，構建骨架結構，使壓濾過程中自由水快速排出. 只有以上兩個過程在最優條件下，污泥脫水性能才能達到最優. 通過以上試驗分析，確定了組合調理劑最優添加參數(干基比)：生石灰添加量為20%、PAC添加量為35%、秸稈粉末添加量為29%. 在最優參數配比情況下，核算此種市政堆存污泥處理成本約為 60元/t，而目前針對市政堆存污泥應用較廣泛的增壓式真空預壓法的處理成本約為 130元/t，對比可知組合調理劑處理法市場經濟優勢顯著.

2.2.3深度脫水泥餅焚燒性能研究

脫水干化泥餅在焚燒處置時，浸出液重金屬含量需要滿足GB/T 24602—2009《城鎮污水處理廠污泥處置單獨焚燒用泥質》的要求. 通過對比調理劑添加量為最優參數下的干化泥餅浸出液重金屬含量及最高允許濃度限值(見表4)發現，各項重金屬指標含量均滿足焚燒要求.

表4 浸出液重金屬含量及最高允許濃度限值Table 4 Heavy metal content and maximum allowable concentration limit of leaching solution

圖5 深度脫水泥餅和原狀堆存污泥的TG和DTG曲線Fig.5 The TG and DTG curves of dehydrated sludge cake through deep dewatering and original stocked sludge

最優參數下深度脫水泥餅和原狀污泥在空氣氛圍中的熱重曲線如圖5所示，通過對比其TG和DTG曲線研究泥餅焚燒性能的變化情況. 該研究采用TG-DTG 作圖方法計算燃點溫度(Ti)[42]，結果(見圖5)顯示，脫水泥餅的Ti值為213 ℃，比原狀污泥高出56 ℃，這可能是由于生石灰和PAC等不可燃組分的添加，增加了污泥點燃所需的難度. 深度脫水泥餅和原狀堆存污泥兩種樣品的燃燒行為差異較大，TG曲線在達到失重終點時，深度脫水泥餅總失重量為52.55%，較原狀堆存污泥樣品總失重量(45.94%)上升了6.61個百分點，這是由于秸稈粉末的添加，增加了深度脫水泥餅的可燃物成分，有利于物質在焚燒爐中燃燒的可持續性. 圖5顯示：深度脫水泥餅的DTG曲線出現了3個明顯的主峰，最高峰出現在335 ℃，其最大失重速率為3.828%/min；原狀堆存污泥的DTG曲線出現了4個主峰，最高峰為位于50～200 ℃區間內，最大失重速率為3.000%/min，對應溫度122 ℃. 對比深度脫水泥餅和原狀堆存污泥的DTG曲線可以發現，第一個峰區間均位于50～200 ℃之間，最大值對應溫度分別為115和122 ℃，該區間的失重是由于樣品吸熱內部失水導致的；在200～600 ℃區間內，DTG峰的形成可能是由于揮發分的損失、固體樣品的氣化、烴類和固定碳的燃燒等熱分解/燃燒過程造成，也是燃燒的第一個階段，原狀堆存污泥在該階段的最大失重速率(Tm)為2.223%/min，遠低于脫水泥餅在此階段的最大失重率(3.828%/min)；最后一段峰區間位于600～800 ℃內，是由于第二階段殘碳的燃燒所致，二者最大失重速率差別不大.

3 結論

a) 聯合調理劑中各成分對堆存污泥CST削減影響大小表現為PAC>生石灰>秸稈粉末，PAC和生石灰主要通過吸附架橋或壓縮雙電子層作用促進結合水向自由水的轉變，而秸稈粉末對壓濾過程中構建骨架結構起到重要作用.

b) 通過抽濾試驗和壓濾試驗確定聯合調理劑最優添加參數(干基比)：PAC添加量為35%、生石灰添加量為20%、秸稈粉末添加量為29%，在最優添加參數下堆存污泥的泥餅含水率和CST分別為56.3%、47.9 s. 聯合調理劑改善了污泥的化學性能和壓濾性能，使脫水性能達到最優. 聯合調理劑的經濟優勢明顯，此種市政堆存污泥處理費用約為60元/t.

c) 深度脫水后的泥餅點燃溫度相對原狀污泥有所提高，但由于秸稈粉末的添加保障了泥餅在焚燒過程中的可持續性燃燒，泥餅燃燒過程中最大燃燒失重速率(Tm)達到3.828%/min，優于原狀污泥燃燒最大失重速率(2.223%/min).