污泥干燥及氣體釋放特性研究
行業(yè)動態(tài)
1 引言
污泥是污水處理過程中的必然產(chǎn)物，隨著污水處理廠的激增，污泥的處置已經(jīng)成為我國一個重要的環(huán)境問題。利用污泥為原料生產(chǎn)輕質(zhì)節(jié)能轉(zhuǎn)、水泥、陶粒等技術(shù)已在國內(nèi)有了廣泛的共識，為污泥的資源化利用開辟了一條具有巨大前景的新途徑。而污泥干化是污泥實現(xiàn)資源化處置的關(guān)鍵所在，經(jīng)過機械脫水后的污泥含水率仍高達80%左右，并且在堆放的過程中有臭氣的釋放，使得污泥干燥不同于普通物料，對污泥干化特性認識的不足，會直接影響污泥干燥器的設(shè)計和運轉(zhuǎn)管理。國內(nèi)外學者對污泥的干化特性開展了一些研究，這些研究所用的污泥大都是泥餅或泥團等污泥堆積體，只能從表觀上分析干化過程，無法認識到污泥干化的本質(zhì)。也就是說，污泥形態(tài)對干化過程有較大影響，其中充分分散的狀態(tài)有利于干化的進行。隨著溫度的升高，干化過程不僅有水分的蒸發(fā)，并伴隨著有機物的分解及氣體的釋放過程，但對干燥過程中氣體排放的研究很少。
本研究采用低溫熱風處理污泥薄層，來近似模擬分散狀態(tài)下的干化過程，主要分析了污泥水分蒸發(fā)速率和表觀形貌的變化規(guī)律；并利用熱紅聯(lián)用分析污泥干燥過程中氣體釋放規(guī)律，為利用水泥窯尾廢氣干化污泥技術(shù)開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。
2 實驗方法
研究采用西安市某污水處理廠經(jīng)過機械脫水的活性污泥，含水率86.4%，有機物含量68.2%，無機物含量31.8%。
制作雙蓋載玻片，中間留有20mm×25mm凹槽，每次?。?.2±0.01）g污泥平鋪與凹槽內(nèi)，泥層厚度約為0.4mm。把載玻片放置于BX61型光學顯微鏡下，調(diào)節(jié)熱風溫度為50℃、60℃、70℃和熱風風速為10m/s、20m/s，對污泥進行干燥，同時用分析天平每隔10s記錄質(zhì)量變化。
污泥樣品在105℃下烘干后研磨，在流量100mL/min純N2氣氛、升溫速率10℃/min下，采用STA409PC DSC-TGA綜合熱分析儀與VERTEX70傅里葉變換紅外光譜聯(lián)用儀器測定在35～700℃范圍內(nèi)氣體的釋放規(guī)律。
3 結(jié)果與討論
3.1 污泥結(jié)構(gòu)
活性污泥（含水86%）結(jié)構(gòu)為典型絮體結(jié)構(gòu)，在其周圍存在大量自由水分，絮體內(nèi)部包裹大量空隙水；經(jīng)過105℃完全干燥后，污泥中存在大量的有機纖維、絲狀物包裹著無機顆粒。
3.2 污泥干燥過程中的水分變化
3.2.1 不同風速下污泥干燥速率
污泥干燥過程包含三個階段：恒速階段，第一降速階段和第二降速階段。其中恒速階段為自由水的蒸發(fā)過程，第一降速階段為污泥中空隙水的蒸發(fā)，第二降速階段為固體表面水分的蒸發(fā)過程。恒速干燥終點，即第一降速階段起點，成為臨界點。臨界點對應(yīng)的含水率稱為臨界含水率，表明污泥中已不含自由水，空隙水開始蒸發(fā)。
本研究中，在20m/s、10m/s兩種風速下，污泥的臨界含水率都為55.1%，自由水分占總水分的81.2%。干燥終點為平衡點，對應(yīng)含水率為50℃溫度下污泥干燥的極限含水率，為14%。
風速越大，污泥干燥速率越大。風速為10m/s時，污泥在恒速階段的干燥速率為5.39kg/（㎡·h），而20m/s時的速率高達7.33kg/（㎡·h），高出36%。在第一降速階段，風速20m/s下的干燥速率依舊比10m/s高，但差值隨含水率的降低而減小。隨著含水率從55.1%降至24.1%，干燥速率差值由1.94kg/（㎡·h）降為0.11kg/（㎡·h）。第二降速階段，干燥速率進一步減少，在平衡點干燥結(jié)束。
3.2.2 不同干化溫度下污泥干燥速率
溫度越高，干燥速率越大。溫度為50℃時，污泥在恒速階段的干燥速率為7.33kg/（㎡·h），60℃時干燥速率達到9.73kg/（㎡·h），70℃時干燥速率高達13.1kg/（㎡·h），高出50℃干燥速率78.7%，提高干燥溫度，可以顯著的提高自由水的蒸發(fā)速率。
不同干燥溫度下污泥的干燥終點不同，50℃、60℃、70℃的污泥干燥含水率分別為14%、10.1%、5.1%。這是由于污泥中不同存在形式的水分結(jié)合能不同，隨著溫度的升高，熱動能增大，高于水分的結(jié)合能時，污泥中水分繼續(xù)蒸發(fā)，否則，達到了這一溫度下的干燥極限，污泥含水率不再變化。
3.3 污泥熱風干燥過程中的形貌變化
利用光學顯微鏡連續(xù)觀察到的活性污泥（含水86%）薄片干燥過程中的表觀形貌照片，可以看出，初始狀態(tài)的活性污泥，即0s時的活性污泥薄片呈現(xiàn)為粘稠狀泥層；隨著干燥的進行，干燥時間10～50s時，水分不斷蒸發(fā)，污泥薄片不斷收縮，并產(chǎn)生連續(xù)擴大的裂縫。在干燥60s后，污泥薄片不再收縮。所以，10～50s為自由水的蒸發(fā)過程，說明污泥體積的收縮主要由自由水的蒸發(fā)引起。
趙培濤等根據(jù)干燥速率的不同，把污泥干化過程分為粘稠區(qū)、粘滯區(qū)、顆粒區(qū)，并得出粘滯區(qū)含水率約為55%。
本研究通過在光學顯微鏡下的連續(xù)觀察和干燥速率變化曲線發(fā)現(xiàn)：0～40s含水率由86.4%降至69.4%，污泥處在粘稠區(qū)；50s含水率為55.1%，污泥處在粘滯區(qū)；60～80s含水率由46.9%降至32.3%，污泥處在顆粒區(qū)?？梢钥闯觯涸谡吵韰^(qū)，由于自由水的蒸發(fā)，污泥薄片出現(xiàn)開裂；在粘滯區(qū)污泥不再開裂，由于自由水蒸發(fā)完畢，空隙水開始蒸發(fā)，使得干燥界面移向固體內(nèi)部，污泥表面較硬，但含水率高，會造成干燥設(shè)備堵料；在顆粒區(qū)，由于空隙水不斷蒸發(fā)，污泥呈現(xiàn)顆粒特性。
3.4 污泥干化釋放氣體分析
利用DSG-TG綜合熱分析儀對干燥后的污泥進行程序加熱，釋放的氣體產(chǎn)物經(jīng)過紅外氣體池后進行在線監(jiān)測，分析污泥在不同溫度下氣體釋放特性。
3.4.1 TG-DTG分析結(jié)果
從干污泥加熱過程中的TG-DTG曲線可以看出，干污泥質(zhì)量損失主要發(fā)生在200～450℃的溫度區(qū)間，其中又存在一段失重速率較大的溫度區(qū)域，即273.75～333.76℃區(qū)域，對應(yīng)的失重速率達到1.8%/min～1.5%/min。說明干污泥在這兩個溫度點附近釋放氣體量較大。450℃后失重速率穩(wěn)定于0.75%/min。在209.19℃開始，出現(xiàn)明顯氣體產(chǎn)物釋放，隨著溫度的升高，氣體釋放量增大，失重速率也增大，在273.75℃時氣體釋放較劇烈。
3.4.2 干燥溫度對氣體釋放的影響
在不同干燥階段的主要產(chǎn)物為水分、CO2和氨氣。其中污泥中的氨氣主要來源于碳酸氫鹽和有機銨鹽的分解。污泥中蛋白質(zhì)水解形成的氨基酸在進一步水解的過程中也會生成低分子有機酸和氨氣。揮發(fā)性脂肪酸主要為甲酸、丙酸，是由蛋白質(zhì)逐步水解形成。有機酸的脫羧反應(yīng)中生成了烷烴。
從229.19℃開始，檢測到有機質(zhì)的釋放，釋放量隨溫度升高而增大。揮發(fā)性脂肪酸（VFA）在273.75℃時釋放量達到極值，之后釋放量減少，在333.76℃時消失。
溫度升高對庚烷生成量的影響也很顯著，主要是為水解、脫羧反應(yīng)提供的能量增加，隨著溫度的升高，釋放量增加，在333.76℃時達到極值，之后釋放量不斷減少。445.00℃開始，產(chǎn)物中CO2量增加，有機質(zhì)含量減少，在此溫度下污泥基體中烷烴類物質(zhì)受熱分解為CO2和水分。
4 結(jié)論
（1）污泥干燥過程包含自由水蒸發(fā)、空隙水蒸發(fā)和吸附水蒸發(fā)三個過程，自由水蒸發(fā)較快，吸附水較難蒸發(fā)，表現(xiàn)在干燥曲線上分別是恒速階段、第一降速階段和第二降速階段。
（2）干燥熱風風速越快，熱風溫度越高，干燥速率越大。
（3）污泥薄片在干燥過程中，分別經(jīng)歷了粘稠區(qū)、粘滯區(qū)和顆粒區(qū)，分別對應(yīng)不同的物理特性。
（4）干污泥在升溫過程中，273.75～333.76℃溫度區(qū)間是失重速率較大區(qū)域，即氣體釋放量較大。
（5）污泥升溫過程中釋放的氣體主要有CO2、H2O、NH3、VFA及庚烷，其中VFA在333.76℃以前已釋放完全，庚烷釋放量在333.76℃達到極值。
