生石灰與三氧化硫聯合污泥干化處理研究

陳一帆，于 洋，張亞寧，鄧大鵬

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

1 引言

隨著人們生活水平的提高，以及對生活用水水質要求的提高，原有的污水處理各項指標都有所提升，同時也添加了多項指標。污泥是污水處理產生的副產品，污泥產量占所處理的污水總量的 0.3%～0.5%，而用于污泥的處理費用支出卻占總費用支出的30%～40%[1]，隨著處理指標的升高，以及污水處理量的大幅增加，伴隨著污水處理產生污泥量也同步增加，更加有效、更加環保的污泥處置方式亟待發掘。污泥管理對大氣環境的影響和對市容環境的影響是直接的、即時的，對水環境的影響、對土地資源的影響，則可能是長期的、潛在的[2]。污泥的處理過程中通常存在許多困難，除了污泥中的含水量高，還存在著微生物種類多數量大以及在污泥中有著大量的寄生蟲卵等等多種問題，若是沒有經過慎重的處理處置，極大可能會對環境造成二次污染。我國存在嚴重的“重水輕泥”現象，目前剩余污泥的減量化和資源化是急需解決的關鍵問題[3]。2015年我國出臺《水污染防治行動計劃》，計劃中要求：截至2020年，中國污泥的處理程度要突破90%[4]。如今國家越來越注重生態環境的保護，對于城市生活污泥的處理也愈加重視，更多的工作人員投入到相關領域的研究當中，污泥的高效合理的處理處置得到了越來越多的關注。

1.1 普通生石灰干化法

將污泥與生石灰(其中主要成分氧化鈣)均勻混合，會發生如下反應：

1.00 kg CaO+0.32 kg H2O → 1.32 kg Ca(OH)2+1177 kJ

根據此反應，每向污泥中投加1 kg的氧化鈣就會有0.32 kg的水參與反應，隨之形成氫氧化鈣，使得污泥中的含水率下降[5]。同時，在反應過程中所釋放的熱量基本與蒸發0.5 g的水所需要的熱量相當，即反應過程中會有0.5 g左右的水分隨之蒸發，進一步降低了污泥中的含水率。同時，投加的氧化鈣與污泥中的水反應所生成的氫氧化鈣，會與污泥及空氣中的其他物質發生進一步的反應，如氫氧化鈣與空氣中大量存在的CO2的反應，形成碳酸鈣的固體物質，不僅進一步增加了污泥中的固體物質總量，而且反應過程中所產生的熱量也可以進一步蒸發一定的水分，進而提高處理后污泥的含固率，降低污泥的含水率。但是由于污泥中的氫氧化鈣含量較高，出產污泥大部分呈現堿性，不利于后續的污泥處理。

1.2 微波干化法

微波通常指頻率在300 MHz至300 GHz之間，波長在1 mm至1 m 左右的電磁波[6]。微波污泥干化法主要是利用微波的熱效應和非熱效應對污泥產生作用。熱效應主要是污泥中的一般分子會吸收微波能量后，將微波能量轉化為分子的內能，隨著分子內能的升高，分子的熱運動加劇，一些存在于污泥中的微生物體內的極性分子在微波高頻電場的作用下，受到電場力的作用，快速的做圓周轉動從而進行大量的摩擦生熱;存在于污泥中的微生物體內的離子在微波作用下產生振動，并將振動能量轉化為熱量[7]。微波的非熱效應指污泥中的生物大分子在微波場中極化部分定向排列而導致維持大分子高級結構的氫鍵等化學鍵發生斷裂，失活變性。微波加熱有以下特點: ①能進行選擇性加熱物質吸收微波的能力，不同種類的物質具有不同的介質損耗系數，一般的，具有較強的微波吸收能力的物質的介質損耗因數大，同理，吸收微波能力較弱的物質的介質損耗因數小。由于各物質的損耗因數存在差異，對微波的吸收能力不同，因而展現出微波的選擇性加熱的性質; ②微波具有較長的波長，因此微波的穿透性較強; ③微波的熱慣性較小，可以瞬間快速加熱介質材料，溫度可以快速升高[8]。另一方面，由于微波的輸出功率隨時可調，介質溫度可及時的隨之改變，不存在"余熱"現象，溫度改變時間極短，對實現自動化控制和推進連續化生產具有極大的推動作用。李思宇[9]等發現超聲/微波處理后對污泥餐廚垃圾發酵中有機質的水解有促進作用，但這兩種預處理方法運用到實際工程中的設施設備還有待進一步研發。微波技術在環境工程中的應用目前僅處于研究階段，大部分僅處于實驗室小試階段，并未廣泛的投入實際生產當中。但是隨著人們對微波及其相關技術的進一步深入的了解和探索，以及日后對環境友好型技術的追求，微波技術在環境污染治理方面必將展現出它過人的一面[10]。

1.3 污泥熱干化

污泥熱干化技術包括多種類型，熱干化分為直接干化和間接干化，污泥經熱干化處理后性質穩定，同時在干化過程中可以殺滅污泥中帶有的細菌等微生物，在推動污泥的穩定化處理的同時實現污泥的無害化處理，一舉兩得[11]。直接干化技術通過使污泥與熱介質直接接觸，通過熱傳遞的方式，直接將熱介質中的熱量傳遞給污泥，使得污泥中的水分蒸發，由于此方法熱傳遞效率高，所以污泥中的水分得以較快的大量蒸發，污泥干化效果良好。但同時會在此過程中產生大量的廢熱和熱蒸汽，不利于后期的管理與操作，不利于實現自動化控制，從而導致了整體污泥處置費用的升高。相比于直接干化，間接干化技術是通過接觸加熱或熱傳導完成的，污泥和熱介質沒有直接接觸，因此較好的解決了直接干化帶來的問題，而且熱介質能夠循環利用，降低了能耗，但是熱傳遞效率較低。例如蒸汽干化法是利用蒸汽作為能源，使污泥中的水分蒸發，降低污泥含水率，實現污泥減量目的[12]。

1.4 太陽能污泥干化

太陽能作為當今一種新型清潔能源，具有獲取方便、發展潛力大、不會對環境造成污染等優勢。污泥太陽能干化的原理主要是利用太陽能的輻射加熱功能和非飽和自然風的吸水能力使污泥中的水分進行蒸發干化。根據陽光是否直接照射在污泥上，太陽能干化技術又可分為溫室型和集熱器型[13]。而太陽能污泥熱干化技術是利用吸收太陽能輻射產生的熱量，將其作為污泥處理過程中所需要的熱量的主要來源，是一種污泥得以穩定干化的工藝技術。與傳統的污泥干化處理方式相較而言，太陽能污泥干化運行費用低，符合可持續發展戰略。但是由于太陽能污泥干化效果受到天氣條件的影響較大，現多采用太陽能聯合熱泵污泥干化技術，以應對不良天氣對污泥干化效率的影響。傅偉良等[14]發現利用熱泵干燥的低溫污泥干化技術相較于一般的污泥干化方式，不光降低了處理過程產生的能耗，同時使得整個干化過程的操作更加簡便、易于人工操作，提高了生產過程的安全性。徐政[15]等發現太陽集熱器和光伏-熱泵的綜合光熱轉換效率分別約為25%和40%,兩種方案均能大幅降低常規能耗,整個處理過程具有污泥干化處置效果良好、溫度把控精準的優點，同時整個系統能夠穩定處于常態運行。由此看來，太陽能聯合熱泵污泥干化技術有著廣闊的運用前景。

2 實驗流程

本研究以張家口地區污水處理廠產生的、經過初步脫水的污泥為主要研究對象，初始污泥含水率約為80%，以三氧化硫和生石灰為主要處理藥劑，通過對比在不同的藥品添加量對污泥干化處置的效果的影響，并且通過調控三氧化硫和生石灰兩種藥品的量，使得最終處置后的污泥達到理想的處理效果。其中將污泥與生石灰(其中主要成分氧化鈣)均勻混合，會發生如下反應：1 kg CaO+0.32 kg H2O→1.32 kg Ca(OH)2；污泥與三氧化硫混合，會發生如下反應：1 kg SO3+0.225 kg H2O→1.225 kg H2SO4；將處理后的兩部分污泥混合后會發生如下反應：Ca(OH)2+H2SO4→CaSO4·2H2O，以上反應都會釋放大量的熱量促進污泥中的水分蒸發，從而降低污泥中的含水率。

3 實驗結果

實驗結果見表1～3。

表1 不同生石灰添加量對污泥干化效果的影響

表2 不同三氧化硫添加量對污泥干化效果的影響

表3 同步添加生石灰與三氧化硫添加量對污泥干化效果

4 結論

與一般的污泥熱干化技術相比較，使用生石灰配合三氧化硫聯合干化污泥，無需從外部獲取熱能，從而可以節約大量的熱力資源，達到節能減排的目的，推動行業綠色發展。與普通的生石灰干化技術相比較而言，普通的生石灰干化出產污泥pH值較高，不利于后續的處理處置，而利用生石灰配合三氧化硫聯合干化產出的污泥性質溫和，基本處于中性狀態，后續的處理處置更為方便。

最終的出產污泥中含有大量的硫酸鈣物質，即為一般的石膏類物質，可以考慮在后期對其進行進一步的深度處理，將其中的有害物質部分分離出來，能夠達到一般的建筑材料用的石膏標準，進一步的提高污泥的利用率，變廢為寶，創造更高的價值。