脫水污泥的流變特性及其對干燥特性影響的研究

文_章華熔 暢凱旋 陳菲琳 福建龍凈環保股份有限公司

隨著國家城鎮化建設，城鎮人口不斷增加，生活廢水量隨之不斷提升，進而導致污泥產量呈現增長趨勢。由于國家環保發展力度加大，污泥的處理處置越發受到關注。其中，污泥干化是實現污泥處理處置目標的重要途徑之一。目前，國內污泥干化工程應用案例很多，但由于各地污泥性質不同，工程應用過程中出現各式各樣的問題，其中包括污泥的粘滯特性影響污泥干化效果的問題。

目前研究集中在實驗條件下的污泥粘滯性的不利影響及降黏方法。然而，污泥干化過程中經歷了糊狀態—固化態—顆粒態的復雜轉變，污泥圓盤干化工程應用與實驗室條件存在很大差異，且實際污泥干化工程中污泥黏性對污泥圓盤干燥設備運行存在的影響沒有相應的研究報道。本文通過實驗室污泥的理化性能檢測與實際工程對比論證的方式，分析了污泥的黏滯特性對其干化過程產生的影響，為類似工程建設提供參考。

1 污泥理化性能測試

1.1 測試方法

本文分別對污泥的含水率、有機物及粘度等物理化學指標進行分析。其中，含水率、有機物測定方法參考《城市污水處理廠污泥檢驗方法》CJ/T221-2005，粘度測定參考《濃縮天然乳膠 硫化膠乳 黏度的測定》GB/T14797.2-2008，SiO2測定參考《土壤和沉積物11中元素的測定 堿熔—電感耦合等離子體發射光譜法》HJ974-2018。

污泥的靜態干燥實驗通過快速水分測定儀測定。取約20.00g污泥，平鋪在干燥托盤上，在110℃下干燥，每間隔15s記錄污泥的重量和濕基含水率，直至重量不再發生變化。其中污泥干燥速率如公式（1）。

式中 vn—干燥速率，g水/（g干污泥·s）；

wg(n-1)—n-1次記錄數據時污泥干基含水率，%；

Δt—表示數據記錄時間間隔，15s。

1.2 污泥樣品來源

樣品主要是含水率約80%的市政脫水污泥，分別來自A、B、C三個污水處理廠，產生的污泥分別命名為污泥A、污泥B、污泥C。

1.2.1 污水處理工藝及污泥產量

A廠設計處理污水水量2萬t/d，實際年均運行負荷80%，產泥量約7t/d，每萬噸水產泥約4.4t。污水處理主要采用AAO工藝，需額外添加乙酸鈉作為碳源調節C/N平衡，添加PAFC溶液達到化學除磷效果，添加PAM增加污泥的脫水能力。

B廠設計處理污水水量4萬t/d，實際年均運行負荷70%，產泥量約10t/d，每萬噸水產泥約3.4t。污水處理主要采用SBR工藝，通過添加PAFC溶液達到化學除磷目的，添加PAM絮凝脫水。

C廠設計處理污水水量10萬t/d，實際年均運行負荷90%，產泥量約80t/d，每萬噸水產泥約8.9t。污水處理工藝主要采用AAO工藝，通過添加磁粉深度除磷和除SS，添加PAC、PAM絮凝脫水。

2 結果與分析

2.1 污泥理化性質分析

有研究表明，污泥中有機物是影響污泥黏滯性的主要因素，有機物含量越低，污泥的黏滯力越差。根據表1所示，污泥C有機物含量最小，其粘度最小。污泥A的有機物含量大于污泥B有機物含量，但粘度卻截然相反，故污泥粘度還受其它因素影響。有研究表明，添加PAC會影響污泥粘性。另外，根據C廠中每萬噸水產生的污泥量遠高于其它兩個廠，這也可能是導致污泥C黏性較小的原因。

表1 3種污泥物理化學指標分析

2.2 污泥的靜態干燥特性

2.2.1 污泥的干燥速率曲線

污泥干化的過程中一般會經歷3個階段，即預熱干化階段、恒速干化階段和減速干化階段。污泥干燥速率隨干基含水率變化曲線可以反映出污泥所經歷的干化階段。

由圖1所示，在實驗室條件下，3種污泥都存在預熱干化階段和減速干化階段，不存在明顯的恒速干化階段，這與張曉敏的研究結果一致。另外，根據圖1所示，在相同干基含水率下，3種污泥的干燥速率達到最大，且最大干燥速率表現為污泥C＞污泥B＞污泥A，表明了實驗條件下，污泥C干燥過程中水分更易蒸發，更易達到干燥平衡。這可能是C相比其它兩種污泥，SiO2含量較高、有機物含量較少、粘性小，污泥間隙水含量較高易蒸發。

圖1 污泥的干燥速率隨干基含水率變化曲線

2.2.2 污泥靜態干燥表觀特征變化

在實驗條件下，觀測污泥靜態干燥前后的表觀特征。從外觀來看，3種污泥完全干燥后體積變小，最終形成大小完全不一的顆粒物，這是因為污泥在干化的過程中發生了龜裂、收縮等現象。與其它兩種污泥相比，污泥C的初態流動性較大，末態松散狀態更加明顯，顏色偏淺，這可能由于污泥C有機物含量較低所致。

2.3 不同含水率下污泥的流變性

從圖2可知，污泥粘度隨著含水率的減小呈現先增加后減小的趨勢。污泥含水率是決定污泥黏滯性的重要因素，且在含水率為45%～65%形成黏滯區。污泥A和污泥B粘度變化隨含水率變化的趨勢相近，污泥C與污泥A、污泥B粘度隨含水率變化的趨勢存在較大差異。其中，污泥A和污泥B在含水率為60%時，粘度分別達到最大值292.26×103mPa·s和297.82×103mPa·s。污泥C在含水率為70%時，粘度達到最大值261.84mPa·s。當污泥含水率＜50%，3種污泥的粘性消失。

圖2 不同含水率下污泥的粘度特性

3 案例分析

廣州某熱電廠建設一條污泥干化生產線，用于干化A、B、C污水廠產生的污泥。該生產線采用螺桿泵將污泥輸送至圓盤干化機，通過圓盤干化機將污泥從含水率80%干化至40%以下，設計處理量為100t/d。熱源蒸汽參數為0.6MPa，160℃，目前該生產線已成功投運。

3.1 干化機的出力情況判斷

污泥處理量和出泥口污泥含水率是判斷干化機出力的重要指標。有研究表明，干化機內污泥干濕界面所在區域是判斷干化機出口污泥含水率的重要依據。但這種判別手段需現場人員間斷觀察干化機內部運行情況，適合在調試階段使用。

如圖3所示，干化機運行時，出料口附近溫度測點和污泥泵輸送量可作為判斷干化機正常運行的重要指標，通過系統DCS界面觀察測點溫度和污泥泵運行頻率這兩項指標，可實時監控干化系統運行的效果。其中，溫度測點作為判斷干化機出口污泥含水率的依據，污泥泵運行頻率作為判斷干化機污泥處理量的依據。具體判斷方法：當干化機測點溫度下降，表明出泥口污泥含水率偏高，無法滿足干化要求；當干化機測點溫度正常，但螺桿泵運行頻率低于正常運行平頻率，表明干化機的處理量下降，無法滿足項目要求。

圖3 圓盤干化機外觀圖

3.2 干化系統對3種污泥干化時設備主要參數對比

干化機出口測點溫度在指定范圍內時，表示干化機出泥口污泥含水率在40%以下。從表2可以看出，干化機在保證污泥干化效果的前提下，干化污泥A和污泥B時，螺桿泵運行頻率在設計值范圍內，而干化污泥C時，螺桿泵低頻率運行，無法保證污泥C的處理量。由于干化機對污泥C的處理能力下降，干化機運行參數發生改變，干化機蒸汽用量下降至設計值的57.3%，從而導致污泥內部水分蒸發量下降，最終使得干化機出口廢氣壓力負壓值增大。

表2 干化三種污泥時干化系統主要運行參數

3.3 異常運行下干燥機內部運行特征

隨著污泥從干燥機進泥口端向出泥口端移動，污泥的含水率減小，污泥的盤片黏壁現象逐漸減小直至消失。這是因為隨著污泥內水分的不斷減小，污泥的流動性變差，污泥與盤片的相互作用減小，導致污泥的黏壁量減小，這與趙松輝實驗條件下的研究結果一致。

根據現場運行情況來看，干化機處理污泥C時，表現出出力不足現象。污泥C進入干化機后，無法在進泥口端盤片之間形成堆積，干化機盤片利用率降低，干化機處理能力下降。引起這種現象的原因可能是C污泥在含水率為80%時，相較于其它兩種污泥，粘度較小，導致流動性較大，進入干化機后快速從盤片邊緣與內筒體底部之間的縫隙向干化機出泥口端流動。從圖1可知，實驗條件下污泥C的蒸發速率最大，更容易干化，但利用圓盤設備干化污泥C時表現出截然相反的現象。可見，要使圓盤干化機達到設計處理能力，一方面要考慮污泥的干化速率；另一方面要考慮使污泥在圓盤干化機內形成有效的堆積，充分讓污泥與盤片接觸，從這個角度考慮的話則需要脫水污泥具有一定的粘性。

綜上所述，在避免污泥粘度太大造成污泥黏壁影響干化機傳熱效率前提下，也需要考慮污泥應具有一定粘性能夠在干化機盤片間形成有效堆積，使污泥充分與盤片接觸，增加盤片有效利用率。二者缺一不可，這兩者都與污泥的粘性有關。

4 結語

本文通過實驗室及工程應用相結合的方式，研究并分析了污泥流變特性及其對干燥特性的影響，主要得出如下結論：

①隨著脫水污泥含水率的降低，污泥粘度呈現先增大后減小直至消失的趨勢。高含水率下，污泥粘度一般取決于有機物含量大小，同時受SiO2的含量的影響。在靜態干燥作用下，污泥的有機物含量越低、SiO2含量越高，污泥的粘度相對越小，污泥的蒸發速率越大，污泥越容易干燥。

②污泥在圓盤干化機內干燥時，污泥的含水率越高，污泥流動性越大。當污泥的流動性越大時，污泥無法在干燥機內相鄰盤片之間形成有效堆積，盤片利用率下降，干燥機的處理能力下降。

③污泥在含水率約80%左右時，污泥C的粘度小于其它兩種污泥的粘度，污泥C的流動性相對較大，污泥C進入盤片時，無法形成有效堆積，并向后端盤片移動，造成整個盤片的利用率降低，并最終導致干燥機的處理能力下降。