污泥干燥特性分析
作為污泥污水處理工藝的副產(chǎn)物，具有含水量高(一般在98%左右)、體積大、處置難的特點(diǎn)，成分復(fù)雜，含有大量有機(jī)物、重金屬、鹽類、難降解物質(zhì)、病原微生物、寄生蟲卵等。隨著污水處理的深入，污泥的合理處理和處置變得越來越重要，而未經(jīng)處理的污泥對環(huán)境的威脅是巨大的。
E20研究院數(shù)據(jù)顯示，目前我國污水處理廠產(chǎn)生的污泥有一半以上采用衛(wèi)生填埋方式處置，18%以上的污泥流失。含水率超過50%和含水率80%的脫水污泥采用簡單的填埋方法進(jìn)行處置。這種處置方式不僅對環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染，而且占地面積大。長此以往，將無地可葬?！八畻l”和“十三五”規(guī)劃提出的污泥處理處置要求，以政策利好推動了污泥處理處置市場的增長，相關(guān)處理技術(shù)和設(shè)備也發(fā)展迅速。
《污水處理廠污泥處理處置最佳可行技術(shù)導(dǎo)則》認(rèn)為，污泥干化焚燒是未來中國倡導(dǎo)的方向。為了實(shí)現(xiàn)高效率、低能耗的污泥干燥和焚燒，有必要從不同角度系統(tǒng)研究污泥干燥前后的特性。以上海市青浦區(qū)脫水污泥為原料，從基本分析、微觀形貌、基本成分和熱值等方面研究脫水污泥干燥前后特性的差異，為污泥干燥和焚燒提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備
城市脫水污泥采用薄層干燥機(jī)進(jìn)行干燥，薄層干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。薄層干燥機(jī)由三部分組成:殼體、轉(zhuǎn)子和驅(qū)動裝置。在外殼夾套內(nèi)壁上，轉(zhuǎn)子將脫水污泥展開成薄層，依靠夾套內(nèi)的高溫蒸汽或?qū)嵊蛠砀稍镂勰唷?/p>
2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析和討論
2.1污泥干燥前后的基本分析和比較
將160℃和0.6Mpa的過熱蒸汽引入薄層干燥器，干燥含水率約為80%至30%以下的脫水污泥。對干燥前后的污泥進(jìn)行多次取樣分析，結(jié)果見表1。
從表1可以看出，干燥后污泥的揮發(fā)分含量下降了4.53%~8.66%，而灰分含量增加，污泥的高熱值下降了0.335~1.15MJ/kg。這主要是因?yàn)樵跓岣苫^程中，污泥中的揮發(fā)性有機(jī)物和部分污泥細(xì)顆粒與干化蒸汽一起成為干化尾氣，進(jìn)入后續(xù)的尾氣處理工段。
2.2污泥干燥前后的微觀結(jié)構(gòu)對比
圖2顯示了干燥前后污泥的微觀結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，干化前的污泥結(jié)構(gòu)疏松，大量胞外聚合物包裹聚集在膠體外，形成明顯的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，使污泥中的結(jié)合水、間隙水和胞內(nèi)水被包裹在污泥絮體中，因而難以通過物理和化學(xué)作用進(jìn)一步脫水。與干化污泥相比，干化前的污泥具有更高的孔隙率、更大的比表面積和更強(qiáng)的可壓縮性，施加較低的機(jī)械力或提供熱量即可破壞污泥絮體。隨著污泥中水分的蒸發(fā)，污泥的絮體結(jié)構(gòu)逐漸瓦解，形成右圖中表面結(jié)構(gòu)致密、空隙逐漸減少的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)。然而，水分蒸發(fā)效率也會隨著污泥孔隙率的降低而降低。
2.3污泥干燥前后的成分對比
圖3顯示了污泥干燥前后的紅外光譜掃描分析結(jié)果。污泥干基的代表性官能團(tuán)主要有游離H2O、-OH、-CH2、-CH3、芳香環(huán)、C=C、CO、鹵代烴等。說明污泥中有機(jī)質(zhì)含量較高，有機(jī)質(zhì)的種類可能是蛋白質(zhì)、脂類、淀粉和纖維素。研究表明，污泥中的有機(jī)物含有60%以上的蛋白質(zhì)、20%左右的脂類和15%左右的淀粉和纖維素，這些有機(jī)物分解會產(chǎn)生NH3、H2S和VOCs等惡臭氣體。
EPS是由蛋白質(zhì)、多糖和少量脂類、核酸、腐殖質(zhì)等化合物組成的聚合物。EPS特征化合物的檢測表明污泥中存在大量的EPS。作為污泥的重要有機(jī)組分，EPS的含量決定了污泥特征官能團(tuán)的紅外吸收強(qiáng)度。對比污泥干燥前后的紅外光譜，排除分析過程中污泥中雜質(zhì)對透光率的輕微干擾，可以看出污泥干燥前的紅外吸收強(qiáng)度明顯高于干燥后。與干化前的污泥相比，干化后污泥的光譜顯示，1654和1543cm-1(C=C)、2924cm-1(C-H)和1076cm-1(C-O)處的肩峰變小，表明污泥干化過程中蛋白質(zhì)類物質(zhì)的分解。這也解釋了污泥干化后有機(jī)質(zhì)含量和揮發(fā)分含量的降低。
2.4污泥干燥前后的含水率、有機(jī)質(zhì)和熱值對比
污泥中的有機(jī)質(zhì)是污泥熱值的主要提供者，污泥的含水率對熱值也有很大影響。污泥含水率過高，低位熱值低，必然影響污泥的焚燒。而且，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列出了污泥干燥前后的含水率、有機(jī)質(zhì)含量和熱值之間的對應(yīng)關(guān)系。從表2可以看出，干化后污泥的有機(jī)質(zhì)含量略有下降，相應(yīng)的干基高熱值也略有下降。
分別研究了污泥含水率與熱值的相關(guān)性、污泥有機(jī)質(zhì)與熱值的相關(guān)性，通過線性回歸得到了變量之間的相關(guān)系數(shù)，并進(jìn)行了相關(guān)分析。
圖4是干污泥的水分含量及其低熱值的線性回歸模型圖。從圖4可以看出，干污泥的含水率與其低位熱值呈負(fù)相關(guān)，低位熱值隨著含水率的增加而降低。而干污泥含水率與低位熱值的相關(guān)系數(shù)為0.882，在95%的置信水平下f檢驗(yàn)的P值為0.061。因?yàn)閒檢驗(yàn)的P值大于0.05，所以干污泥的含水率與低位熱值沒有顯著的線性相關(guān)性。
圖5是原料污泥中有機(jī)物含量及其干基高熱值的回歸模型圖。原料污泥中有機(jī)質(zhì)含量與其干基高熱值的相關(guān)系數(shù)為0.997，在95%的置信水平下f檢驗(yàn)的P值為0.0033。FP的測試值小于0.05，因此原料污泥中有機(jī)物的含量與其干基高熱值之間存在顯著的相關(guān)性。
圖6是干污泥的有機(jī)物含量及其干基高熱值的回歸模型圖。干污泥有機(jī)質(zhì)含量與干基高熱值呈正相關(guān)，干基高熱值隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加。而且干污泥有機(jī)質(zhì)含量與干基高熱值的相關(guān)系數(shù)為0.973，在95%的置信水平下f檢驗(yàn)的P值為0.014。由于f檢驗(yàn)的P值小于0.05，可見干污泥的有機(jī)質(zhì)含量與干基高熱值之間存在顯著的相關(guān)性。
從以上分析可以看出，污泥熱值與含水率和有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)，污泥有機(jī)質(zhì)含量與污泥干基熱值呈顯著正相關(guān)。這也說明，如果污水處理工廠污泥采用大量無機(jī)添加劑進(jìn)行調(diào)理脫水，雖然可以達(dá)到顯著的脫水效果，但大量無機(jī)物的引入不僅會增加污泥干化工藝的系統(tǒng)負(fù)荷，還會顯著降低污泥的有機(jī)質(zhì)含量，對后續(xù)的污泥干化和焚燒產(chǎn)生不利影響。
3.結(jié)論
本文以上海市青浦區(qū)脫水污泥為原料，分析了脫水污泥干燥前后的特性。人們發(fā)現(xiàn):
(1)隨著干燥過程的進(jìn)行，污泥的表面結(jié)構(gòu)逐漸變得致密，孔隙逐漸縮小，干燥效率逐漸降低。
(2)污泥干化過程中，會分解出少量的有機(jī)物，使得干化污泥的有機(jī)物含量和揮發(fā)物含量略有降低。
(3)污泥低位熱值與其含水率呈負(fù)相關(guān)，但沒有明顯的線性關(guān)系；污泥的高熱值與其有機(jī)質(zhì)含量之間存在明顯的線性正相關(guān)關(guān)系。因此，要保證污泥的熱值，就必須降低污泥的含水量和污泥中有機(jī)質(zhì)含量的損失。(來源:上?？岛悱h(huán)境有限公司)
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