摘 要：以上海市青浦區(qū)市政污水廠脫水污泥為原料，這篇文章從工業(yè)分析、微觀形態(tài)、基本成分及熱值等方面研究了污泥干化前后的性狀差異， 為實現(xiàn)污泥的干化焚燒提供基礎數(shù)據(jù)。

引言

污泥是污水處理過程的副產(chǎn)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(zhì)、重金屬、鹽類、難降解物質(zhì)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(huán)境的一大威脅。

根據(jù) E20 研究院數(shù)據(jù)可知，目前我國污水處理廠產(chǎn)生的污泥，一半以上是采用衛(wèi)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(huán)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(guī)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(fā)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(xiàn)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(tǒng)的研究。

本文以上海市青浦區(qū)脫水污泥為原料，從基本分析、微觀形態(tài)、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(xiàn)污泥的干化焚燒提供基礎數(shù)據(jù)。

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(nèi)壁上轉子將脫水污泥攤鋪成薄層，依靠夾套內(nèi)的高溫蒸汽或導熱油來干化污泥。

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。

由表 1 可知，污泥經(jīng)過干化后，揮發(fā)分含量有所降低，干燥基揮發(fā)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(fā)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(xù)的尾氣處理工段。

2.2 污泥干化前后的微觀結構比較

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(nèi)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(fā)，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(fā)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 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(huán)、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(zhì)、脂類、淀粉和纖維素等。研究表明，污泥的有機物中蛋白質(zhì)含量超過 60%，脂類約為 20%，淀粉和纖維素類約為 15%，這些有機物質(zhì)的分解會產(chǎn)生 NH₃、H₂S 及 VOCs 等惡臭氣體。

EPS 是由蛋白質(zhì)、多糖以及少量的脂類、核酸和腐殖質(zhì)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。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(zhì)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-1（C=C）、2924cm-1（C-H）和 1076cm-1（C-O）處的肩峰變小，這表示污泥干化過程中類蛋白物質(zhì)的分解。這也解釋了污泥干化后有機質(zhì)含量降低、揮發(fā)分含量降低的現(xiàn)象。

2.4 污泥干化前后含水率、有機質(zhì)及熱值的比較

污泥中的有機質(zhì)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(tǒng)能耗主要用于蒸發(fā)污泥中的水分。

表 2 列出了污泥干化前后含水率、有機質(zhì)含量和熱值的對應關系。

由表 2 可知，干化后的污泥有機質(zhì)含量略有下降，相應的干基高位熱值也略有下降。分別對污泥含水率和熱值相關性、污泥有機質(zhì)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(shù)，并進行相關性分析。

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(shù)為 0.882，在置信度 95%下，F(xiàn) 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(zhì)含量與其干基高位熱值的回歸模型圖。原污泥有機質(zhì)含量與其干基高位熱值的相關系數(shù)為 0.997，在置信度 95%下，F(xiàn) 檢驗 P 值為 0.0033；F 檢驗 P 值小于 0.05，因而原污泥有機質(zhì)含量與其干基高位熱值具有顯著相關性。

圖6為干污泥有機質(zhì)含量與其干基高位熱值的回歸模型圖。干污泥有機質(zhì)含量與干基高位熱值呈正相關，干基高位熱值隨有機質(zhì)含量的增加而升高。并且，干污泥有機質(zhì)含量和干基高位熱值的相關系數(shù)為 0.973，在置信度 95%下，F(xiàn) 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(zhì)含量與干基高位熱值具有顯著的相關性。

從以上分析可知，污泥的熱值與含水率、有機質(zhì)含量密切相關，且污泥有機質(zhì)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(diào)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(tǒng)負荷，還會顯著降低污泥的有機質(zhì)含量，對后續(xù)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(qū)脫水污泥為原料，分析了脫水污泥干化前后的特征，發(fā)現(xiàn)：

（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(fā)生少量有機物質(zhì)的分解，使得干化后的污泥有機質(zhì)含量、揮發(fā)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(zhì)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(zhì)含量的損失。

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