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市政污泥干化特性研究

以上海市青浦区市政污水厂脱水污泥为原料,这篇文章从工业分析、微观形态、基本成分及热值等方面研究了污泥干化前后的性状差异, 为实现污泥的干化焚烧提供基础数据。


引言


污泥是污水处理过程的副产物,具有含水量高 (一般约98%)、体积大、不易处置的特点,且污泥成分复杂,含有大量的有机物质、重金属、盐类、难降解物质及病原微生物、寄生虫卵等。随着污水处理的深化,污泥的合理处理处置日益重要,未处理的污泥是环境的一大威胁。


根据 E20 研究院数据可知,目前我国污水处理厂产生的污泥,一半以上是采用卫生填埋的方式进行处理处置,超过 18%的污泥不知去向。超过 50%的含水率 80%的脱水污泥使用填埋的简易方法处置,这种处置方法不但环境二次污染严重,而且占地大,长此以往将无地可埋。“水十条”、“十三五”规划中关于污泥处理处置要求的提出,政策利好的条件下促进了污泥处理处置市场的增长,相关的处理技术和设备也随之迅速发展。

《污水处理厂污泥处理处置最佳可行技术导则》认为:污泥干化焚烧是今后我国提倡的方向。为实现污泥高效、低能耗干化焚烧,需要多角度对污泥干化前后的特征进行系统的研究。


本文以上海市青浦区脱水污泥为原料,从基本分析、微观形态、基本成分及热值等方面研究了脱水污泥干化前后的性状差异,为实现污泥的干化焚烧提供基础数据。


1 实验设备


利用薄层干化机对市政脱水污泥进行干化,薄层干化机结构图如图 1 所示。薄层干化机由壳体、转子、驱动装置三大部分组成,在壳体夹套内壁上转子将脱水污泥摊铺成薄层,依靠夹套内的高温蒸汽或导热油来干化污泥。


污泥干化


2 实验结果及分析讨论


2.1 污泥干化前后的基本分析比较


将 160℃、0.6Mpa 的过热蒸汽通入薄层干化机将含水率约80%的脱水污泥干化至含水率为 30%以下,对干化前后的污泥进行了多次取样分析,所得结果如表 1 所示。


污泥干化


由表 1 可知,污泥经过干化后,挥发分含量有所降低,干燥基挥发分含量降低了 4.53%~8.66%,同时污泥的灰分含量有所上升,干燥基高位热值降低了 0.335~1.15MJ/kg。这主要是因为在热干化过程中,污泥中的易挥发性有机物、部分细小污泥颗粒随干化的水蒸气一并成为了干化尾气,进入了后续的尾气处理工段。


2.2 污泥干化前后的微观结构比较


图 2 展示了污泥干化前后的微观结构图。从图中可以看出,干化前的污泥结构较为松散,大量胞外聚合物包裹聚集于胶体外部,形成明显的团聚结构,这样使得污泥中的结合水、间隙水和胞内水被包裹在污泥絮体中,从而较难通过物理化学作用进一步脱水。相对于干化后的污泥,干化前的污泥孔隙率较高,比表面积较大,有较强的可压缩性,施加较低的机械作用力或提供热量,污泥絮体即可被破坏。随着污泥中水分的蒸发,污泥絮体结构逐渐坍塌,形成右图中表面结构紧密、空隙逐渐缩小的团聚结构。但是水分蒸发效率也会随着污泥空隙率的减小而降低。


污泥干化


2.3 污泥干化前后的成分比较


图 3 为污泥干化前后红外光谱扫描分析的结果。污泥干基的代表官能团主要为游离 H2O、-OH、-CH2、-CH3、芳环、C=C、CO、卤代烃等。表明污泥中的有机物含量较高,有机物类型可能为蛋白质、脂类、淀粉和纤维素等。研究表明,污泥的有机物中蛋白质含量超过 60%,脂类约为 20%,淀粉和纤维素类约为 15%,这些有机物质的分解会产生 NH3、H2S 及 VOCs 等恶臭气体。


污泥干化


EPS 是由蛋白质、多糖以及少量的脂类、核酸和腐殖质类等多种化合物组成的高聚物。EPS 特征化合物的检出表示了污泥中大量 EPS 的存在。EPS 作为污泥的重要有机组成部分,其含量高低决定了污泥特征官能团的红外吸收强度。对比污泥干化前后的红外光谱,排除分析过程中污泥中杂质的差别对透光率的细微干扰,可以看出干化前污泥的红外吸收强度明显高于干化后污泥。相比于干化前的污泥,干化后污泥的光谱图中显示位于1654 和 1543cm-1(C=C)、2924cm-1(C-H)和 1076cm-1(C-O)处的肩峰变小,这表示污泥干化过程中类蛋白物质的分解。这也解释了污泥干化后有机质含量降低、挥发分含量降低的现象。


2.4 污泥干化前后含水率、有机质及热值的比较


污泥中的有机质是污泥热值的主要提供者,而污泥的水分含量对热值也有极大影响。污泥含水率过高,其低位热值较低,这必然影响污泥的焚烧。并且,污泥干化过程中的系统能耗主要用于蒸发污泥中的水分。


表 2 列出了污泥干化前后含水率、有机质含量和热值的对应关系。


污泥干化


由表 2 可知,干化后的污泥有机质含量略有下降,相应的干基高位热值也略有下降。分别对污泥含水率和热值相关性、污泥有机质和热值的相关性进行研究,通过线性回归得到各变量之间的相关系数,并进行相关性分析。


图 4 为干污泥含水率与其低位热值的线性回归模型图。


污泥干化


由图 4 可知,干污泥含水率与其低位热值呈负相关关系,低位热值随含水率的增加而降低。但是,干污泥含水率和低位热值相关系数为 0.882,在置信度 95%下,F 检验 P 值为 0.061;由于 F 检验 P值大于 0.05,干污泥含水率与低位热值并未显示出显著的线性相关关系。

图 5 为原污泥有机质含量与其干基高位热值的回归模型图。原污泥有机质含量与其干基高位热值的相关系数为 0.997,在置信度 95%下,F 检验 P 值为 0.0033;F 检验 P 值小于 0.05,因而原污泥有机质含量与其干基高位热值具有显著相关性。


污泥干化


图6为干污泥有机质含量与其干基高位热值的回归模型图。干污泥有机质含量与干基高位热值呈正相关,干基高位热值随有机质含量的增加而升高。并且,干污泥有机质含量和干基高位热值的相关系数为 0.973,在置信度 95%下,F 检验 P 值为 0.014;由于 F 检验 P 值小于0.05,可见干污泥有机质含量与干基高位热值具有显著的相关性。


污泥干化


从以上分析可知,污泥的热值与含水率、有机质含量密切相关,且污泥有机质含量与污泥干基热值存在显著的正相关关系。这也说明若污水处理厂出厂污泥采用大量无机添加剂进行调理脱水,虽能起到显著的脱水效果,但引入的大量无机物不仅会提高污泥干化过程的系统负荷,还会显著降低污泥的有机质含量,对后续污泥的干化和焚烧都会造成不利影响。


结语


本文以上海市青浦区脱水污泥为原料,分析了脱水污泥干化前后的特征,发现:


(1)随着干化的进行,污泥表面结构逐渐紧密、其空隙逐渐缩小,干化效率逐渐降低。


(2)污泥的干化过程会发生少量有机物质的分解,使得干化后的污泥有机质含量、挥发分含量略有降低。


(3)污泥的低位热值与其含水率呈负相关,但没有明显的线性关系;污泥的高位热值与其有机质含量呈明显的线性正相关关系;因此,污泥热值的保证需要降低污泥含水率,减少污泥中有机质含量的损失。



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本文作者2020-1-9 16:07
admin
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