CaO和木屑对市政污泥干化过程中黏滞特性的影响

邓文义，梅静，刘亚军，袁旻昊，苏亚欣

（东华大学环境科学与工程学院，上海 201620）

CaO和木屑对市政污泥干化过程中黏滞特性的影响

邓文义，梅静，刘亚军，袁旻昊，苏亚欣

（东华大学环境科学与工程学院，上海 201620）

采用Jenike法和搅拌法研究了污泥的黏滞特性，分析了CaO和木屑两种添加剂对污泥黏滞特性的影响。研究结果表明，CaO能够提高污泥的黏附和结团应力。在Jenike法中，当污泥中加入占湿基污泥（WB）质量分数为5%的CaO后，最大黏附应力和结团应力分别上升了58%和28%；木屑能够显著提高污泥的结团应力，但对黏附应力的影响则不显著。在搅拌法测试中，当污泥中加入CaO后，污泥黏滞区向高含水率区间移动。在所研究的CaO质量分数为0～8%（占WB的质量分数，下同），CaO质量分数越高，黏滞区含水率越大；当污泥中加入5%木屑后，污泥黏滞区间明显增大，且搅拌扭矩也有显著上升，当木屑含量增加至10%后，污泥黏滞区向高含水率区间移动，且扭矩下降。

氧化钙；木屑；污泥；黏滞；黏附；结团

城镇污水处理厂所排放的湿污泥是一种高含水率（约为80%）的黏稠物料，湿污泥的干化处理是完成污泥减量化和稳定化，并实现污泥资源化利用的重要手段[1]。干化处理可大幅降低污泥臭味和有害病菌数量，减轻了污泥有关的负面效应，使处理后的污泥更易被接受。所以无论填埋、焚烧、农业利用还是热能利用，污泥干化几乎是不可或缺的处理过程[2]。

大量的污泥干化研究和工程实践经验表明，随着污泥含水率降低，污泥的物理化学性状不断发生变化[3-5]。当含水率降至40%～60%（质量分数）区间时，污泥呈“黏滞”状态，因而这一区间通常称为“黏滞区”[5-6]。“黏”即黏附（adhesive），“滞”即结团（cohesive），在黏滞区内，污泥具有很强的黏附和结团能力，对污泥干化设备的安全运行产生巨大危害[7]。干污泥返混是目前克服污泥黏滞区的有效手段，缺点是干污泥返混量大，能耗和运行费用高。PEETERS等[7]研究发现，在污泥中加入聚合氯化铝（PACl）可以有效降低污泥压榨脱水干化过程中的黏滞性。MA等[8]研究发现，给污泥饼和干化机金属壁面施加电场，可以降低污泥饼在干化机壁的黏附。LI等[9]研究表明，在污泥中添加CaO可以降低污泥在干化机壁的黏附量。

由于污泥成分复杂，污泥黏滞特性的形成机理仍未被完全揭示。但公认的是，污泥中所含的有机物（糖类、蛋白质和脂类）以及有机物和水分之间的相互作用是形成和影响污泥黏滞特性的重要因素[10-12]。KUDRA[13]提出采用搅拌法测量污泥黏滞特性，在黏滞区内，搅拌功率将显著增大。大量的研究表明，随着干化过程的进行，污泥在搅拌式干燥机内的形态将经历膏体区（pasty phase)、团状区（lumpy phase）和颗粒区（granular phase）[2，5-7]。PEETERS 等[11]根据Jenike剪切测试原理提出了一种简单的污泥黏附和结团特性的测试方法。浙江大学LI等[10]则在此基础上加以改进，考虑了温度对黏滞特性的影响。清华大学LI等[9]则通过污泥在金属壁面的黏附量来考察污泥的黏附特性。

在上述Jenike法和搅拌法中，体现了两种不同的污泥状态，即静止态和搅拌态。污泥在Jenike法中体现的黏滞特性对于带式、薄膜和机械压滤等非搅拌干化机的设计运行具有指导意义；而污泥在搅拌法中体现的黏滞特性对于桨叶式、圆盘式和回转式等类型污泥干化机中的设计和运行具有指导意义。本文研究了相同污泥在静止和搅拌状态下的黏滞特性，以期对污泥干化机的选项提供更加深入的理论指导。进一步地，本文还研究了在污泥中添加CaO和木屑后对污泥黏滞特性的影响。

1 实验部分

1.1 实验样品

本文实验所用污泥采自上海某市政污水处理厂的机械脱水污泥，污泥含水率为82%WB（wet basis，湿基污泥，下同）。污水处理工艺为传统的A/O工艺，活性污泥经厌氧消化后进行离心脱水得到机械脱水污泥。污泥样品在4℃下冷藏备用，污泥在105℃下烘干后进行工业元素分析，结果如表1和表2所示。

本文采用CaO和木屑作为污泥干化添加剂，其中CaO为分析纯、平均粒径为50.2μm的粉末试剂，木屑为粒径小于2 mm的松木锯屑。添加剂的质量百分比按湿基污泥计算，如式(1)所示。添加剂和污泥混合物含水率按式(2)计算。

表1 干污泥各组分质量分数 单位：%

表2 干污泥各元素质量分数 单位：%

1.2 实验装置

1.2.1 黏附-结团实验装置

图1 污泥黏附应力和结团应力测试装置

污泥的黏附-结团实验装置如图1所示，由不锈钢管、金属压块、不锈钢加热板、滑轮、圆环和钢珠容器等构成。其中不锈钢管厚度为3mm，内径为6cm，高度为15cm；金属压块的质量为1200g；每颗钢珠的质量为2.2g；圆环和不锈钢管等直径，高度为1cm。如图1(a)所示，在黏附实验中，首先利用小型搅拌干化机（将在图2中介绍）将污泥干化至不同含水率，采用搅拌干化机可以使得干燥污泥水分分布更加均匀。取已知含水率的污泥30g，放入不锈钢管中，利用金属压块将污泥压制成厚度约为2cm的污泥饼。不锈钢管底部引出一根线，绕过滑轮连接至钢珠容器。向容器中添加钢珠，直至不锈钢管由静止状态变为滑动状态时停止钢珠的添加。计算容器中的钢珠数量，并按式(3)计算污泥的黏附应力，每个污泥饼重复进行3次黏附应力测试。

式中，τ为应力，Pa；Mz为钢珠和容器总质量，kg；M0为不锈钢管空白滑动质量，kg；g为重力加速度，m/s2；A为泥饼面积，m2。

结团应力测试装置如图2(b)所示，将不锈钢管放置于等直径圆环上，圆环固定于不锈钢板表面，称取已知含水率的污泥30g置于容器中，利用金属压块压制成泥饼，使得污泥饼有一半在圆环中，而另一半在不锈钢管中。同样，向钢珠容器中添加钢珠，直至不锈钢管由静止状态变为滑动状态时停止钢珠的添加。计算容器中的钢珠数量，并按式(3)计算污泥的结团应力，且每个污泥饼重复进行3次结团应力测试。

1.2.2 污泥搅拌干化装置

污泥搅拌干化装置如图2所示，主要由小型桨叶式干化机、油浴锅、冷凝器、天平和真空泵等组成。其中小型桨叶式干化机由干燥器、电机、搅拌桨叶和刮条等组成。实验中，将油浴锅加热至设定温度，称取100g湿污泥样品置于干燥器中，并将干燥器置于油浴锅内加热。搅拌桨叶在电机的带动下连续转动，对污泥进行连续搅拌。电机的有用功功率由功率计（智能电参数测量仪，永鹏仪器）实时监测记录。干燥器内设置了两根刮条，其作用是对搅拌桨叶起到清洁作用，防止污泥黏附在桨叶上随桨叶一起转动，可以大幅提高搅拌效果。干化蒸汽由真空泵引出，进入冷凝器将水蒸汽凝结为冷凝液并加以收集，冷凝液质量由电子天平连续监测。干燥器中的污泥在不同时间段的含水率可由收集的冷凝液质量进行推算。干化机的搅拌扭矩根据式(4)计算。

式中，T为搅拌轴扭矩，N·m；P为电机功率，W；r为转速，r/min。

2 结果与讨论

2.1 污泥黏附-结团特性

2.1.1 原始污泥黏附-结团特性

图3所示为不同含水率下原始污泥黏附应力和结团应力，由图可知，两种应力的实验重复性均较好。在20%～82%含水率范围内，黏附应力在480～4390Pa范围内波动，结团应力则在1140～7240Pa范围内波动，这一结果和LI等[10]所报道的数值较接近。在53%含水率附近，污泥的黏附和结团应力达到了最高的水平，表明污泥处于“黏滞区”。

由图3可知，结团应力明显高于黏附应力，且当含水率低于约76.6%时，二者的差值有显著增大的趋势。当含水率高于53.1%时，黏附和结团应力均随含水率升高而急剧下降。这是由于污泥中的水分越多，污泥和金属壁面之间的接触面能够被水分润滑，从而降低了黏附应力；水分越高，污泥越容易发生流动，污泥颗粒在水分稀释下变的更加分散，因此结团应力也显著降低。当含水率低于53.1%时，黏附应力呈缓慢下降趋势。这是由于随着含水率降低，污泥表面的黏性也逐渐降低，当污泥黏性消失时，黏附应力主要来自污泥和金属壁面之间的摩擦力。当含水率低于53.1%时，结团应力虽然有少许波动，但整体也呈略微下降的趋势。如前所述，为保证污泥水分分布均匀，实验所用污泥样品采用桨叶式干化机进行干化。实验发现，当污泥含水率低于53.1%时，污泥团开始破碎为污泥颗粒，可以判断结团应力主要来自干污泥颗粒之间的黏附力和摩擦力。当污泥含水率降低时，污泥颗粒之间的结团力会减弱，这可能是结团力整体呈下降趋势的原因。

图2 污泥搅拌干化装置

图3 原始污泥黏附-结团特性曲线

2.1.2 CaO对污泥黏附-结团特性的影响

图4所示为不同CaO含量条件下污泥的黏附和结团特性。如图4(a)所示，当CaO含量为5%时，污泥的最大黏附应力和结团应力分别为6581Pa和9305Pa，比原始污泥的最大黏附和结团应力分别升高了58%和28%。由此表明，CaO会提高污泥的黏附和结团应力。这一结论和LI等[9]的结论正好相反。LI等研究指出，CaO会降低污泥的黏附性。这种差异可能是由不同的实验方法所致，LI等是根据污泥在金属壁面上所黏附的质量的大小来判断其黏附性，黏附质量越大则表明黏附性越强。这一方法和本文所采用方法有显著差异，由此也进一步表明了污泥黏附特性的复杂性。如图4(b)所示，当CaO含量提高至8%时，污泥的黏附和结团特性并未有显著变化，最大黏附-结团应力与5% CaO工况下的值相近，分别为6446Pa和8935Pa。

分析本文中CaO对污泥黏附和结团特性的影响原因，可能是由于CaO的加入破坏了污泥中的细胞结构，使得胞内有机物（如糖类和蛋白质）得以释放。研究表明，污泥中的糖类和蛋白质等有机质可以提高污泥的黏性[14]。这可能是CaO提高污泥黏附和结团应力的主要原因。由图4(a)可知，最大黏附应力和结团应力所对应的含水率不同，分别为54.5%和45.7%。当含水率低于54.5%后，污泥黏附应力的下降趋势比图3中的原始污泥更加显著。对比图3和图4(a)可以发现，当含水率低于30%时，原始污泥的黏附应力明显大于含5% CaO的污泥样品。在样品制备过程中也发现，污泥中加入CaO后，随着含水率的降低，污泥更容易分散为颗粒态，这一特征也将在图6中进一步证明。这种特征可能和低水分条件下污泥黏附应力的快速下降相关。

2.1.3 木屑对污泥黏附-结团特性的影响

图4 CaO对污泥黏附-结团特性的影响

图5示出了不同木屑含量条件下污泥的黏附和结团特性。如图5(a)所示，当污泥中添加了5%的木屑后，污泥的黏附应力和原始污泥相比并未有显著变化，但最大结团应力和原始污泥相比则有显著的上升，达到8286 Pa，比原始污泥提高了14.4%，对应含水率为54.7%。当含水率从54.7%降至40%时，黏附和结团应力均有显著的下降趋势，当含水率小于40%时，黏附和结团应力趋于平稳。和CaO具有很强的化学反应活性不同，木屑不具备化学反应活性。因此，木屑对污泥细胞结构不会产生显著影响，因此木屑对于污泥的黏附性也未有明显改变。尽管如此，由于木屑主要成分为木质素和纤维素，这些物质在污泥中形成了犹如骨架的结构，将污泥中有机物质连接缠绕起来。因此，木屑的添加提高了污泥的结团性。但也应看到，木屑对于污泥结团性的提高只发生在最大结团应力区域附近，当含水率高于60%或低于40%时，结团应力和原始污泥相当。

如图5(b)所示，当木屑含量提高至10%时，污泥的黏附和结团特性有明显改变。污泥的最大黏附应力和结团应力分别为3751Pa和8417Pa。污泥的最大黏附应力比原始污泥降低了14.6%，表明木屑的加入降低了污泥表面的黏性，从而使得黏附应力得以降低。最大结团应力仍然高于原始污泥，但和5%工况相比变化不大。此外，10%工况下污泥的最大黏附和结团应力所对应的含水率为60.6%，显著高于其他工况的水平。表明大量的木屑加入使得污泥的黏滞区向高含水率偏移。当含水率低于60%时，黏附和结团应力均呈缓慢下降的趋势。

图5 木屑对污泥黏附-结团特性的影响

2.2 污泥搅拌过程中的黏滞特性

2.2.1 原始污泥搅拌特性

大量的研究表明，污泥在搅拌干燥过程中的形态会随着含水率的降低而逐渐发生变化，根据搅拌过程中扭矩的变化，将污泥的形态分为3个区间，即膏体区、团状区和颗粒区[2，5-7，15-16]。在膏体区，污泥具有很高的含水率，外形呈膏状，虽不具有流动性，但搅拌扭矩较小。在团状区，由于污泥含水率的降低，外形呈块状或团状结构，流动性更差，形变阻力大幅增加，扭矩大幅提高，因此许多文献将团状区定义为污泥的“黏滞区”[2，5-7，15-16]。在颗粒区，由于污泥已经破碎为细小的干污泥颗粒，扭矩大幅降低。图6所示为原始污泥在桨叶式干化机内干燥过程中搅拌轴扭矩的变化曲线。由图可知，当含水率高于61.6%时，为膏体区；在45.6%～61.6%区间，污泥为团状区；含水率低于45.6%则为颗粒区。由于扭矩反映的是干燥机搅拌污泥过程的用力大小，既不是单纯的黏附力，也非单纯的结团力，而是黏附和结团力综合作用的结果。但由于桨叶的搅拌作用使得污泥不断发生形变，而这种形变和污泥的结团力大小密切相关。因此推断，扭矩和结团应力之间有更加密切的关联。

图6 原始污泥搅拌干燥过程中的搅拌轴扭矩变化曲线（导热油温180℃，搅拌轴转速为20r/min）

2.2.2 CaO对污泥搅拌特性的影响

图7所示为不同CaO含量下，干化机扭矩随污泥含水率的变化曲线。如图7(a)所示，当CaO含量为5%时，团状区的含水率区间为55%～66%。和原始污泥相比，添加CaO使得污泥的团状区向高含水率区间偏移。当污泥含水率低于55%时，污泥就已经转化为颗粒态，表明在CaO作用下污泥更易发生颗粒化。如图7(b)所示，当CaO含量提高至8%时，团状区进一步向高含水率区间移动，为60%～72%，而团状区内的扭矩则没有显著变化。由此可知，在所测范围内，污泥黏滞区的含水率随CaO含量的增大而增大，但这一现象在Jenike法测试中并未出现。

图7 CaO对污泥干化过程中搅拌特性的影响（导热油温180℃，搅拌轴转速为20r/min）

尽管添加CaO大幅提高了污泥的黏附和结团应力（如图4所示），但污泥在团状区内的扭矩和原始污泥相比却没有显著提高。分析原因，可能是由于添加CaO之后团状区向高含水率区间偏移造成的。当黏滞区发生在更高的含水率区间时，由于污泥含水率提高，污泥的黏附和结团应力都有显著下降（图4），达到了和原始污泥相近的水平，使得CaO添加后扭矩并未有增大的趋势。这一现象表明，污泥在静止状态和搅拌状态下的黏滞区会存在于不同的含水率区间，CaO对污泥在静止和搅拌状态下黏滞区的偏移有不同的影响。因此，静止状态下所得污泥的黏附结团特性不能直接推广至污泥的搅拌干燥领域。

2.2.3 木屑对污泥搅拌特性的影响

图8所示为不同木屑含量下，干化机扭矩随污泥含水率的变化曲线。如图8(a)所示，当木屑含量为5%时，团状区的含水率区间为38.5%～64.6%。和原始污泥相比，一方面，团状区的分布区间更广；另一方面，含木屑污泥在团状区内的扭矩显著高于原始污泥。究其原因，木屑的作用使得污泥结合的更加紧密，当含水率低于38.5%才完全转化为颗粒态，污泥的破碎难度明显加大。此外，木屑在污泥中起到类似骨架的作用，大幅提高了污泥的结团力，使污泥发生搅拌形变的难度明显增大，因此团状区内的扭矩有大幅上升。这和图6中的结论也相一致。图5和图8(a)的结果也进一步证明了污泥的搅拌扭矩和污泥的结团应力有更密切的关联。

如图8(b)所示，当木屑含量增加至10%以后，污泥的团状区相比5%工况有向右移动的趋势，为53.8～73.6%。这一变化趋势和图5中的黏附-结团特性的变化趋势相一致。由于木屑本身不具有黏性，当污泥中的木屑增加到一定量后，反而会降低污泥颗粒之间的结团性，使污泥更容易呈分散状。另一方面，污泥在团状区的最大扭矩（2.8Nm）和平均扭矩（1.37Nm）相比5%木屑工况下的最大扭矩（6.2Nm）和平均扭矩（1.57Nm）均有明显下降，其原因可能和CaO情况类似，即由于团状区的右移，导致黏滞区内污泥的黏附或结团应力下降，使得扭矩减小。

图8 木屑对污泥干化过程中搅拌特性的影响（导热油温180℃，搅拌轴转速为20r/min）

3 结论

本文分别采用Jenike法和搅拌法开展了污泥黏滞特性的研究，并研究分析了CaO和木屑对污泥黏滞特性的影响，得到以下主要结论。

（1）当污泥中加入5%的CaO后，污泥的黏附和结团应力相比原始污泥分别提高了58%和28%；CaO含量提高至8%后，污泥的黏附和结团应力相比5%工况没有明显变化。

（2）当污泥中加入5%的木屑后，污泥的黏附应力相比原始污泥没有显著变化，但最大结团应力提高了14.4%；当木屑含量提高至10%时，最大结团应力相比5%木屑工况没有显著变化，但最大黏附应力相比原始污泥却下降了14.6%。

（3）在所测0～8%的CaO含量区间，污泥的团状区（即黏滞区）含水率随着CaO含量的升高而增大，搅拌轴扭矩相比原始污泥则没有显著变化。

（4）当木屑含量为5%时，污泥的团状区间明显扩大，搅拌扭矩相比原始污泥也显著增大；当木屑含量上升为10%时，污泥的团状区向高含水率区间移动，扭矩相比5%木屑工况也有显著下降。

[1] 张辉，胡勤海，吴祖成，等. 城市污泥能源化利用研究进展[J]. 化工进展，2013，32（5）：1145-1151. ZHANG H，HU Q H，WU Z C，et al. An overview on utilization of municipal sludge as energy resources[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2013，32（5）：1145-1151.

[2] DENG W Y，YAN J H，LI X D，et al. Measurement and simulation of the contact drying of sewage sludge in a Nara-type paddle dryer [J]. Chemical Engineering Science，2009，24（64）：5117-5124.

[3] DENG W Y，LI X D，YAN J H，et al. Moisture distribution in sludges based on different testing methods[J]. Journal of Environmental Sciences，2011，23（5）：875-880.

[4] 范辞冬，王锐思，叶世超，等. 内置加热管的振动流化床中污泥干燥传热特性[J]. 化工进展，2010，29（8）：1438-1442. FAN C D，WANG R S，YE S C，et al. Heat transfer characteristics of sludge drying in vibration fluidized bed with inner-heating tubes [J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2010，29（8）：1438-1442.

[5] DENG W Y，YAN J H，LI X D，et al. Measurement and simulation of the contact drying of sewage sludge in a Nara-type paddle dryer[J]. Chemical Engineering Science，2009，24（64）：5117-5124.

[6] YAN J H，DENG W Y，LI X D，et al. Experimental and theoretical study of agitated contact drying of sewage sludge under partial vacuum conditions [J]. Drying Technology，2009，27（6）：787-796.

[7] PEETERS B，DEWIL R，VEMIMMEN L，et al. Addition of polyaluminiumchloride （PACl） to waste activated sludge to mitigate the negative effects of its sticky phase in dewatering-drying operations [J]. Water Research，2013，47（11）：3600-3609.

[8] MA D G，ZHANG S T，LI Z Y. Control of sludge-to-wall adhesion by applying a polarized electric field [J]. Drying Technology，2007，25（4）：639-643.

[9] LI H，ZHOU S，LI C. Liming pretreatment reduces sludge build-up on the dryer wall during thermal drying [J]. Drying Technology，2012，30（14）：1563-1569.

[10] LI B，WANG F，CHI Y，et al. Adhesion and cohesion characteristics of sewage sludge during drying [J]. Drying Technology，2014，32（13）：1598-1607.

[11] PEETERS B，DEWIL R，VAN I J F，et al. Using a shear test-based lab protocol to map the sticky phase of activated sludge [J]. Environmental Engineering Science，2011，28（1）：81-85.

[12] ADHIKARI B，HOWES T，SHRESTHA A K，et al. Development of stickiness of whey protein isolate and lactose droplets during convective drying [J]. Chemical Engineering and Processing，2007，46（5）：420-428.

[13] KUDRA T. Sticky region in drying – definition and identification [J]. Drying Technology，2003，21（8）：1457-1469.

[14] LIU H，LIU P，Hu H Y，et al. Combined effects of fenton peroxidation and CaO conditioning on sewage sludge thermal drying [J]. Chemosphere，2014，117：559-566.

[15] FERRASSE J H，ARLABOSSE P，LECOMTE D，et al. Heat，momentum，and mass transfer measurements in indirect agitated sludge dryer [J]. Drying Technology，2002，20（4&5）：749-769.

[16] ARLABOSSE P，CHAVEZ S，PREVOT C. Drying of municipal sewage sludge：from a laboratory scale batch indirect dryer to the paddle dryer.[C]//Drying 2004 – Proceedings of the 14th International Drying Symposium （IDS 2004），Săo Paulo，Brazil，22-25 August，vol. B：965-971.

Effect of CaO and sawdust on sticky properties of municipal sewage sludge during drying process

DENG Wenyi，MEI Jing，LIU Yajun，YUAN Minhao，SU Yaxin
（College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The sticky properties of sewage sludge were tested using Jenike method and agitation method. The effects of CaO and sawdust on sticky properties were analysed. The results indicated that CaO can promote the adhesive and cohesive stresses of sewage sludge. In Jenike method，adhesive and cohesive stress increased by 58% and 28%，respectively when 5%（wet basis，WB）of CaO was added. Sawdust could markedly increase the cohesive stress，but it had no obvious effect on the adhesive stress. In agitation tests，lumpy phase of the sludge transferred to high moisture range by CaO addition. The moisture content in lumpy phase increased with the increase of CaO content in the examined 0—8%WB range. After 5%WB of sawdust addition，the range of lumpy phase increased markedly，so did the torque of dryer shaft. However，when sawdust content increased to 10%WB，the moisture content of the lumpy phase was increased，while the torque was decreased.

calcium oxide；sawdust；sewage sludge；sticky；adhesion；cohesion

X705

：A

：1000–6613（2017）05–1933–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.05.048

2016-09-19；修改稿日期：2016-12-18。

国家自然科学基金项目（51408111）。

及联系人：邓文义（1982—），男，博士，副教授。E-mail：dengwy@dhu.edu.cn。