污泥的生物干化及其热值变化

吴静仪，叶志平，随文琪

（华南师范大学化学与环境学院；环境理论化学省部共建教育部重点实验室，广州510006）

污泥的生物干化及其热值变化

吴静仪，叶志平*，随文琪

（华南师范大学化学与环境学院；环境理论化学省部共建教育部重点实验室，广州510006）

探讨了物料配比、翻堆方式和通风量对脱水污泥生物干化的影响，分析了污泥生物干化前后热值的变化情况.结果表明，当污泥与园林垃圾的配比为5∶2时，温度峰值最高，达54.6℃，物料含水率下降了11.22%，且VS去除率最高；与不翻堆的试验相比，翻堆试验的最终含水率为45.98%，比不翻堆的低2.54%；当通风量为0.5 m3/h时，有利于堆体温度的上升和强化干化效果.采用最佳的生物干化条件对污泥进行预干化处理后，堆体的含水率从60.45%降至42.57%；干化后物料的低位热值达到9 763.3 kJ/kg，有良好的热值资源化前景.

脱水污泥；生物干化；含水率；热值

根据《2012年环境统计年报》，我国城镇污水处理厂4 628座，全年共处理污水416.2亿t［1］.按城市污水处理厂处理1×104m3污水约产生含水率80%湿污泥5 t计，我国污泥的年产量已达到2.1× 107t.污泥产生量的与日剧增，使安全、经济、科学地处理处置污泥成为亟待解决的环境问题.

常见的污泥处置方法包括卫生填埋、堆肥、焚烧等.焚烧法以其占地面积小、处理速度快、减量明显和生物能可利用等优势，逐渐成为污泥处理的一个趋势.由于城市污水厂污泥的含水率多数在75%以上，湿污泥热值低，无法直接进行焚烧处理，因此，对污泥进行干化处理，是污泥进行焚烧的关键［2-3］.

污泥生物干化是基于堆肥化方法发展起来的，利用微生物好氧活动产生的高温与生物能，使水分汽化或溢散，配合人工通风等调控手段促进水分蒸发，从而在短期内实现有机物转化和最大程度地脱除水分［4-5］.与好氧堆肥相比，生物干化在微生物作用下，污泥颗粒与水分子间的结合力被削弱，包括有机质与水分子的键合力，更易脱除污泥中的间隙水，降低污泥含水率并减容减量.

目前，关于污泥生物干化及对污泥生物干化前后热值变化的研究较少.本研究以污泥焚烧为处置目标，以保障和提高污泥热值为研究方向，通过自主设计的试验装置，探讨污泥预处理过程的物料配比、翻堆方式及通风量等对生物干化效果的影响，并测定前后污泥热值的变化，为污泥生物干化及焚烧处置提供技术支撑.

1　试验部分

1.1试验材料

剩余污泥样品取自广州市沥滘污水处理厂，采用园林垃圾，即以干草、落叶、树枝作调理剂，经破碎后园林垃圾的粒径为2～20 mm.在污泥堆体中添加5%某污泥堆肥厂的堆肥熟料作接种剂［6］.试验材料的基本性质见表1.

表1　试验材料的基本性质Table 1　Basic properties of experimental materials

1.2试验装置

污泥生物干化试验装置如图1所示.该装置包括反应器、通风设施、排气系统及温度采集设备.其中，反应器是一个容积为50 L的不锈钢制圆桶（Φ350 mm×700 mm），外部采用保温膜覆盖.反应器底部设有进风口，经流量计调节通风量，通过反应器底部的穿孔布气板均匀布气至物料中，物料干化过程中产生的水汽及尾气通过顶部的出气口排出.筒体侧壁的不同高度均匀设有3个感温探头，用于观察反应器中温度的变化，同时在不同高度设有2个取样口，便于观测物料的物化性质.

图1　试验装置示意图Figure 1　Schematic diagram of experimental setup

1.3试验方法

根据剩余污泥性质以及生物干化原理，研究采用污泥混合，即添加园林垃圾（园林垃圾在污泥生物干化中不但起增加孔隙率的作用，且可增加热值）.生物干化试验以控制中温堆制时间、延长高温期为思路，对微生物活动条件进行了探讨.

1.3.1物料配比将污泥（40.0 kg）、园林垃圾分别按配比10∶1、5∶1、5∶2混合，添加5%堆肥熟料作为接种剂.采用静态连续通风的方式，通风量控制在1.00 m3/h，试验持续8 d，每24 h取样，测定物料的含水率和挥发性固体（VS），同时每3 h记录物料的温度.

1.3.2翻堆将污泥（40.0 kg）、园林垃圾污泥按5∶2混合，添加5%堆肥熟料作为接种剂，进行不翻堆与翻堆的试验对比，翻堆试验过程的频率为每2天1次.

1.3.3通风量将污泥（40.0 kg）、园林垃圾污泥按5∶2混合，添加5%堆肥熟料作为接种剂，对污泥堆体开展了通风量试验，通风条件分为0.25、0.50、1.00 m3/h.

1.3.4指标分析采样方法为2点混合取样法，在上下2个取样口各称取同质量的样品，混合均匀后，按照文献［7］的方法测定物料的含水率、挥发性固体（VS）和热值.

2　结果与讨论

2.1物料配比对污泥生物干化效果的影响

物料配比为5∶2的堆体升温最快（图2），约于2 d后达到峰值温度54.6℃，配比为5∶1和10∶1的物料升温较慢，且最高温度分别只有51.6、40.1℃，各曲线在达到峰值后温度波动下降，逐渐趋于室温.这是污泥堆制初期微生物大量繁殖与代谢，快速释放出热量使堆体的温度上升并达到最大值，随着易降解有机物质的消耗，微生物的代谢活动无法得到满足，物料温度逐渐下降.在堆体生化过程中，微生物好氧作用产生的热量一部分用于自身的新陈代谢，其余以热量向堆体散发，促进水分的传递与蒸发.

图2　不同物料配比对温度、含水率和挥发性固体的影响Figure 2　Effects of different ratio of materials on temperature，moisture content and VS

当污泥与园林垃圾混合比例为5∶2时，堆体温度高于10∶1和5∶1的比例，升温速率也更快，根据试验材料的碳氮分析结果，当污泥与园林垃圾配比为5∶2、5∶1和10∶1时，堆体的C/N分别为20.2、16.2和14.2，说明C/N为20.2时效果最好；由于园林垃圾比例大，堆体孔隙率较高，供氧效果好，强化了微生物的活动［8］.

堆体配比为10∶1的含水率从初始的72.58%下降至66.42%，水分去除率为6.16%（图2B）；配比为5∶1的堆体含水率从初始的67.41%下降至58.76%，水分去除率为8.65%；配比为5:2的含水率从初始的59.24%下降至48.02%，水分去除率为11.22%.比例为5∶2的堆体与10∶1及5∶1相比，水分去除率分别提高了5.06%和2.57%.

挥发性固体VS的变化与含水率的变化情况相一致，说明随着微生物不断分解有机物，污泥中可降解的有机质逐渐减少，VS也相应降低.其中配比为5∶2的堆体VS去除率为8.99%，比另外两堆体比例分别高4.24%和2.56%，但其最终的VS含量为67.39%，仍分别高于配比为10∶1和5∶1的VS值59.01%和63.43%，较高的VS含量对提高物料热值和焚烧有利.

2.2翻堆对污泥生物干化效果的影响

翻堆时物料的温度比不翻堆要高（图3），翻堆时的最高温度为56.4℃，比不翻堆的峰值温度高1.8℃，关键是温度较高的情况延长了3天多，其中翻堆与不翻堆的温差最大是12.4℃.随着堆制时间增加，堆体含水率及VS呈下降的趋势，翻堆试验的最终含水率45.98%比不翻堆的要低2.54%，其VS值是66.20%，仅略低于不翻堆的67.23%.

翻堆作用改善了物料的孔隙结构，使氧气更均匀地在堆体中分布，从而为微生物提供更适宜的生存条件，微生物的代谢活动加强和产热增加.同时翻堆作用对改善物料的均匀性有利，可促进水分向空气中扩散，是提高水分去除率，获得更好干化效果的主要原因［9］.

2.3通风量对污泥生物干化效果的影响

供气量是影响污泥微生物活动的关键因素之一.合适的通风量有利于堆体的温度上升（图4），其中，通风量为0.50 m3/h的试验温度峰值最高达到了62.3℃，分别比通风量为0.25、1.00 m3/h的要高2.4℃和5.9℃.通风量为0.50 m3/h的堆体，除了温度较高外，温度上升迅速，达到峰值的时间最短，说明合适的氧气浓度更利于微生物繁殖与活动.

图3　翻堆对温度、含水率和挥发性固体的影响Figure 3　Effects of turning on temperature，moisture content and VS

从物料的含水率及VS变化情况分析，通风量0.50 m3/h的效果明显，最终的含水率及VS分别为42.57%、64.29%，分别降低了17.88%、12.03%.相对于其他两个通风条件，试验通风量控制在0.50 m3/h的堆体最终挥发性固体含量相差并不大，这与园林垃圾有机质含量高、纤维等有机质比例大、短时间内难被微生物分解有关，是堆体最终的挥发性固体值能保持较高的主要原因.

图4　通风量对温度、含水率和挥发性固体的影响Figure 4　Effects of ventilation volume on temperature，moisture content and VS

2.4污泥生物干化前后的热值变化

以污泥:园林垃圾为5∶2进行混合，熟肥接种剂5%，采取连续通风方式，风量控制在0.50 m3/h；翻堆频率为2 d/次，持续试验8 d.在此工艺条件下，测定了污泥生物干化前后的热值，测定结果见表3.

表3　污泥热值的变化Table 3　Changes of sludge calorific value

原污泥和参杂堆体含水率高，导致低位热值无法满足自持燃烧所需的热值（表3），降低污泥的含水率以提高污泥的热值.污泥与园林垃圾联合生物干化，利用园林垃圾的低含水率、高有机质含量，使物料生物干化后含水率大幅度下降，为污泥的焚烧提供条件.在好氧生物发酵过程中，虽然部分有机质被降解，但是园林垃圾的高挥发性固体及其难降解的纤维，使得干化后的产物有机质含量保有一定水平，这就为污泥焚烧所需热值提供了保障.

根据堆体生物干化前后的热值变化可知，干化后产物的热值足以将水分烘干，剩余热值虽不足以供热供电，但可进炉，在其他热源辅助下进行焚烧.与欧美等国家要求城市污泥预干化至含水率为低于60%时，方能采用流化床和炉排炉等设备焚烧的标准一致［10-11］.

3　污泥生物干化作用机理

3.1水分与污泥热值的关系

污泥中提供燃烧热的主要是有机物，其挥发组份的含量越高污泥越容易着火，热值也越大.但污泥中水分的存在则大大制约着污泥的焚烧，因为污泥能够焚烧的条件之一是其所带热值首先能够完成对自身的干燥.污泥中水分在焚烧过程中转变为蒸汽，并以气化潜热的形式带走部分能量，根据水分蒸发吸热量近似等于水分从20℃升至100℃所需的热量，水热容为4.2×103J/（K·kg），加上气化所需热量，常压下为2 257.6 J/g，则污泥含水率与能量损失之间的关系见图5.

图5表示，当污泥热值（Q）为16 000 kJ/kg时，水分达到80.00%时，能量损失为92.97%，水分达到86.10%时，能量损失为100%，即燃烧放热几乎用于水分的蒸发.根据表3，试验用污泥的低位热值仅为1 267.4 kJ/kg，而大量的研究［12］表明，污泥自持燃烧的低位热值约3 482 kJ/kg，故无法达到污泥焚烧要求.通过生物干化处理后，污泥最终含水率为42.6%，热值达到18 711.6 kJ/kg，其中47.82%用于自身干燥，剩余热值为9 763.3 kJ/kg，这时污泥可以进炉焚烧，生物干化提高了焚烧系统的净热值，是污泥可焚烧的主要原因［13-14］.

图5　污泥含水率与能量损失间的关系Figure 5　Relationship of energy loss and moisture content

3.2同向传质传热作用

污泥生物干化过程中的热量来源于好氧微生物降解有机物而释放的热量.这些热量一部分被微生物自身的新陈代谢过程所利用，一部分则以热量的形式向外界散发，被用于堆体中建立温度梯度，驱使水分的传递与蒸发.生物干化过程污泥产生的热量是由内向外传递，水分的蒸发也是从堆体的内部向外推动，传热传质同向，堆体内产生的温度梯度和湿度梯度有利于促进水分和热量的传递，使干化进程和效率更高［15］.

3.3嗜热菌对干化的影响

污泥生物干化过程中，随着干化层内的温度升高，作为产热主体的菌种由嗜温菌转变为嗜热菌，嗜热菌的活动加速了堆体升温过程，使堆体峰值温度能够达到50℃以上.生物干化过程中堆体的温度越高越好，并保持较长的高温周期.在试验过程中，通过改变物料配比来调节初始含水率及C/N，定期翻堆以改善物料的孔隙结构和保持合适的通风量等方式对堆体进行人为调控，能够获得比较理想生物干化效果，这可能是因为适宜的生存环境有利于嗜热菌种大量繁殖，促进了生物干化反应的进行.

4　结论

（1）本研究以污泥焚烧为处置目标，采用污水厂污泥与园林垃圾参杂方式，在堆制过程中利用微生物好氧活动产生的高温与生物能进行污泥干化，不但可有效利用园林垃圾，同时可获得良好的干化效果，可保障并提高污泥堆体的热值.

（2）研究结果表明，污泥堆体的配比、翻堆方式和通风量均对生物干化的效果有着重要影响.其中，物料配比为5∶2时，温度峰值最高，达到54.6℃，水分去除率为11.22%；采用翻堆可有效地改善物料的孔隙结构，含水率比不翻堆的要低2.54%；通风量为0.5 m3/h时，物料最终含水率与挥发性固体分别为42.57%、64.29%，分别降低了17.88%、12.03%，水分的去除率明显高于其他条件，堆体最终的VS值也相差不大.

（3）对混合后含水率为60.50%的污泥堆体，通过生物干化过程，堆体含水率降至42.60%；干化产物的低位热值达到9 763.3 kJ/kg，能满足入炉自持燃烧的要求，具有良好的热值资源化前景.

（4）污泥生物干化具有成本低、处理工艺简单、干化效果显著和二次污染小并可控的优点，作为一种污泥预处理和生物能利用技术，将为城镇污泥焚烧处置提供技术支撑，是解决大宗污泥减量化的另一有效途径.

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【中文责编：成文英文责编：李海航】

Bio-Drying of Dewatered Sludge and Changes of Calorific Value

Wu Jingyi，Ye Zhiping*，Sui Wenqi
（School of Chemistry and Environment，South China Normal University；Key Laboratory of Theoretical Chemistry of Environment，Ministry of Education；Guangzhou 510006，China）

This study evaluated the effects of material ratio，turning and ventilation on bio-drying of dewatered sludge and the changes of calorific value.Results showed that the peak temperature was the highest and reached 54.6℃ when the sludge and garden waste ratio was 5∶2.The moisture content decreased by 11.22%with the highest VS degradation rate.Compared with no turning，the final water content of turning process was 45.95%，2.54%lower than that in no turning.The ventilation rate of oxygen was 0.5 m3/h in the experiment was conducive to the increase of the pile temperature and strengthening the drying effect.The moisture content of the pile predried with optimal condition decreased from 60.45%to 42.57%.The low calorific value of dried material reached 9 763.3 kJ/kg.The utilization of calorific value has a good prospect.

dewatered sludge；bio-drying；moisture content；calorific value

X705

A

1000-5463（2015）03-0080-06

2014-07-15《华南师范大学学报（自然科学版）》网址:http://journal.scnu.edu.cn/n

广东省产学研结合引导项目（2011B09040077）

叶志平，教授，Email:yzpsd@aliyun.com.