城市污泥微波干化及污染物析出特性研究

刘念汝　王光华　李文兵　陈彪　吕立君　卢露露　刘贝

(武汉科技大学化学工程与技术学院　武汉 430081)



城市污泥微波干化及污染物析出特性研究

刘念汝王光华李文兵陈彪吕立君卢露露刘贝

(武汉科技大学化学工程与技术学院武汉 430081)

污泥微波干化污染物

0　引言

随着我国城市污水处理率的逐年提高，污泥产量日益增多。污泥中含有大量的重金属、有机物及病原菌和寄生虫，极易腐败和产生恶臭，如果得不到妥善的处置将会对环境造成二次污染。经机械脱水后的污泥含水率仍在80%左右，高含水率给污泥的处置带来困难，须脱水干化，以便进一步处理。

目前，热干化是主要的污泥干化技术，但是传统热干化技术投资大、运行费用高且有防爆等要求。随着环保和节能减排要求的日趋严格，研究环保、高效的新型污泥干化方式是污泥处理领域的热点。近年来微波干化技术以加热速度快、热效率高、操作简单、清洁无污染等优点，正逐渐受到广泛关注[1]。本实验主要研究污泥在微波加热条件下的干化特性，并对微波干化过程产生的冷凝液进行水质分析。

1　实验材料及方法

1.1实验材料

1.1.1城市污泥

实验所用污泥分别取自武汉市二郎庙、落步嘴、汤逊湖污水处理厂，工业分析结果如表1所示。

表1　污泥工业分析　%

1.1.2实验仪器

MILESTONE微波反应器(START S，功率0～1 200 W连续可调)；电热鼓风干燥箱(天津泰斯特仪器有限公司，101-2AB型)；分析天平(梅特勒-托利多，AL204型)；pH计(Thermo Orion)；紫外可见分光光度计(上海仪电分析仪器有限公司，752N型)；氨氮蒸馏装置等。

1.2实验方法

1.2.1直接干化实验方法

称取一定质量的二郎庙污泥平铺在培养皿(直径125 mm，下同)上，分别铺成2，4，10 mm厚，放入电热鼓风干燥箱内，每隔10 min取出迅速称量，称量后放回干燥箱继续干燥。

1.2.2微波干化实验方法

称取一定质量的二郎庙污泥平铺在培养皿上，分别铺成2，4，10 mm厚，放入微波反应器的中央，设置不同微波功率加热，每隔1 min取出称量，称量后迅速放回微波反应器继续干燥。另取一定质量的落步嘴、汤逊湖污泥，重复实验。

1.2.3微波干化冷凝液收集与测定实验方法

分别称取1 000 g的3种污泥，放入定制的有底玻璃筒(直径100 mm，高250 mm)中，把玻璃筒置于微波反应器中央，连接冷凝管及冷凝液收集装置，设置不同的微波功率加热，收集微波干化过程的冷凝液。

温度、污泥厚度对污泥直接干化过程的影响见图1～3。温度越高干化过程越快，当污泥厚度为4 mm，温度为80，100，120 ℃时，污泥达到全干化(含水率10%以下)所需时间分别为200，110，80 min。温度相同时，泥饼厚度越薄，干化速率越快。120 ℃时厚度为10 mm的泥饼需200 min达到全干化，厚度为4 mm需80 min，而2 mm则需30 min。干化过程污泥表面会结壳，阻碍污泥内部水分的散失；污泥越厚，表面结壳现象越严重。这表明直接干化时温度和污泥厚度是影响干化速率的两个主要因素。

图1　80 ℃直接干化过程

图2　100 ℃直接干化过程

图3　120 ℃直接干化过程

2.2微波功率、厚度、不同成分对污泥微波干化过程的影响分析

2.2.1微波功率的影响

将污泥平铺在培养皿上，厚度为4 mm，考察污泥在不同微波功率时的干化过程，测得的污泥含水率随时间变化情况如图4。

图4　不同功率微波干化过程

由图4可知，与直接干化相比，微波干化所需时间大为减少。功率越大，污泥脱水速率越快。当泥饼厚度为4 mm，微波功率为600，800，1 000和1 200 W时，污泥含水率降至10%以下分别需10，7，6和3 min，600 W条件下所需时间为相同厚度时直接干化的1/20～1/8。微波功率越大，单位质量的污泥吸收的微波能越多，污泥中的水分达到汽化点需要的时间越短[2]，形成的压力梯度也就越大，加速内部水分扩散到表面的速率，干化过程也就越快。微波干化过程中泥饼干燥程度相同，表面无“结壳”现象出现，具有快速、均匀的优点。

2.2.2泥饼厚度的影响

将二郎庙污泥平铺在培养皿中，厚度分别为2，4，10 mm，微波功率设置为1 000 W进行实验，测得的污泥含水率随时间变化情况如图5。

由图5可知，在微波功率为1 000 W，厚度为2，4，10 mm的污泥干化至6 min时含水率分别降至2.63%，7.36%和6.23%，均达到全干化要求。厚度越小，干化过程越快。从第7 min起，不同厚度污泥干燥曲线接近。与直接干化相比，厚度对微波干化过程的影响要小。

图5　不同厚度污泥微波干化过程

2.2.3不同来源污泥的影响

研究了汤逊湖、落步嘴、二郎庙3个污水处理厂污泥在厚度为4 mm，功率为1 000 W条件下的干化过程，各污泥含水率随时间变化情况如图6。

图6　不同污泥微波干化过程

由表1和图6可知，尽管3种污泥成分相差较大，但干燥曲线相似。汤逊湖、落步嘴、二郎庙污泥的初始含水率分别为85.66%，81.72%，76.89%，第5 min时含水率分别降至4.13%，7.42%，10.48%，达到全干化分别需4，5，6 min，所需时间相差不大。在2～9 min时，汤逊湖污泥含水率下降最快，落步嘴次之，二郎庙最慢。污泥从开始微波加热到含水率降至10%以下这一阶段，初始含水率越高污泥脱水速率越快。分析认为，可能因为水是良好的吸波物质，初始含水率越高，相同体积下含水量越多，吸收的微波能也越多，污泥内部的压力升高加快，形成较大的压力梯度将水分从污泥内排出。

2.3微波干化冷凝液水质分析

收集3种污泥在沸腾时干化气体的冷凝液进行研究。由于污泥是一种复杂的混合物，污泥在不同功率条件下沸腾时的温度接近但低于水的沸点，微波功率越高，污泥达到沸腾所需时间越短。

2.3.1pH值

图7　不同微波功率干化冷凝液pH值

2.3.2COD

微波干化过程中污泥的温度均在100 ℃以下，属于低温干燥，冷凝液中COD主要来自低分子有机物的挥发冷凝，在微波功率为700～1 200 W时，化冷凝液COD质量浓度变化见图8。落步嘴污泥干化冷凝液COD最低，为184～339 mg/L，随功率的增大COD有减小的趋势；汤逊湖污泥的COD比落步嘴要高，为480～1 088 mg/L，变化范围较大，其随功率的增大而减小的趋势与落步嘴类似但更明显；二郎庙COD在700～900 W从818 mg/L降至最低值258 mg/L，900 W后随功率的增大而逐渐升高，最大值为1 270 mg/L。污泥的种类和微波功率对冷凝液COD有较大影响。邹道安等[5]利用桨叶式干化机在160 ℃得到的冷凝液COD为8 510 mg/L；李安峰等[6]在250 ℃得到的冷凝液COD高达13 810±3 280 mg/L，本次实验所得冷凝液的COD与两者相比明显要小。

图8　不同微波功率干化冷凝液COD

图9　不同微波功率干化冷凝液-N

3　结论

(1)污泥直接干化耗时长，温度和污泥厚度是影响污泥脱水速率的主要因素，温度越高、泥饼厚度越薄，干化过程越快。

(2)污泥微波干化耗时短、效率高；厚度为4 mm的污泥在功率为1 200 W时，3 min即可将含水率降至10%以下；微波功率和污泥厚度对干化速率都有影响，高功率、低厚度有利于干化过程，但与直接干化相比，不同功率和厚度条件下，污泥达到全干化所需时间相差不大。汤逊湖、落步嘴、二郎庙3种污泥干燥曲线类似，污泥种类对干化过程影响不大。

[1]杨卜，袁文辉，马保中，等．电镀污泥微波干燥预处理试验研究[J]．环境科技，2013，26(1)：1-3．

[2]周健，李志刚，杨士伟，等．微波功率、辐照时间及污泥量对污泥微波干燥效能的综合影响研究[J]．环境工程学报，2010，4(10)：2378-2380．

[3]张雄．污泥低温干燥及冷凝液污染特性分析[D]．沈阳：沈阳航空航天大学，2012：29-31．

[4]DENG W Y，YAN J H，LI X D，et al．Emission characteristics of volatile compounds during sludges drying process[J]．Journal of Hazardous Materials，2009，162(1)：186-192．

[5]邹道安，黄瑾，白海龙，等．污泥热干化和燃烧特性实验研究[J]．环境污染与防治，2012，34(4)：5-8．

[6]李安峰，骆坚平，黄丹，等．污泥干化冷凝水水质特性分析[J]．环境工程学报，2015，9(1)：253-255．

Study on Microwave Drying and Pollution Emission Characteristics of Municipal Sewage Sludge

LIU NianruWANG GuanghuaLI WenbingCHEN BiaoLYU LijunLU LuluLIU Bei

(CollegeofChemicalEngineeringandTechnology，WuhanUniversityofScienceandTechnologyWuhan430081)

2015-05-26)

刘念汝，男，1988年生，硕士研究生，研究方向为固废处理及资源化利用。