薄层油泥微波干化技术及工艺优化实验研究

黄 利，赵 亮，张翰澍，张 波

（1.兰州铁道设计院有限公司 建筑与设备设计所，甘肃 兰州 730030；2.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730030；3.上海交通大学 环境科学与工程学院，上海200240）

0 引言

干化脱水可以大幅削减污泥体积[1]，是污泥减量化的有效措施。目前，铁路多采用机械压缩或热干化的方式处理含油污泥，其中机械压缩的处理方式降低油泥的含水率有限，难以进行深度脱水，而且设备占地面积大，操作维护复杂；热干化的处理效果较机械压缩处理效果好，但干化效率低，需要长时间才能达到深度脱水要求，并且能量利用率较低。而微波干化技术通过水分子高效吸收微波能量并将其转化为热量从而达到去除水分的目的，在污泥干化处理的研究中，表现出深度脱水、安全高效、效果稳定等优点[2-4]，将其应用于油泥的干化脱水处理具有较大的潜力。

实验采用微波干化法处理油泥(油泥厚度≤10 mm)，将微波干化效果与热干化法的处理效果进行对比以验证微波干化法的脱水效果，并探究薄层油泥微波干化效果的影响因素，最后进行工艺优化，探究实验以进一步提高油泥干化效果，为微波干化技术的实际应用提供参考。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

本实验所用油泥样品取自某单位，外观呈黑色粘稠状、有刺激性气味，质地均匀，可塑性良好。

实验用主要仪器：微波干化设备、电热鼓风干燥箱、电子天平、pH计、钢尺和玻璃皿。

实验用主要药剂：NaOH 溶液(1 mol/L)，HCl 溶液(1 mol/L)，活性炭(竹炭，颗粒状和粉末状)。

1.2 实验方法

（1）油泥基本性质测定。该油泥样本的基本组成(含水率、含油率、含固率)采用共沸蒸馏法进行测定[5](参考《原油水含量的测定 蒸馏法》(GB/T 8929—2006))，实验进行3 次、取平均值；油泥pH 采用pH计进行测定[6](参考《城镇污水处理厂污泥检验方法》(CJ/T 221—2005))，实验测定3次、取平均值。

（2）薄层油泥微波干化实验。分别采用电热鼓风干燥箱和微波干化设备处理同等条件下的薄层油泥，然后对比二者的干化效果，分析微波干化效果相较于热干化效果的优势。

（3）影响因素探究。采用控制单因素变量法，用微波干化设备进行污泥干化实验，分别探究干化时间(1～15 min，每1 min 测 定1 次)、干 化 温 度(50℃、60℃、70℃、80℃和90℃)、微波功率(150 W、300 W、450 W、600 W 和750 W)、油泥厚度(2 mm、4 mm、6 mm、8 mm 和10 mm)，以及油泥pH(3、5、7、9 和11)对干化效果的影响。

（4）微波干化优化实验。在微波干化的基础上加入真空和活性炭(微波+真空、微波+活性炭、微波+真空+活性炭)进行工艺优化实验，并探究了活性炭形态及活性炭投加量对干化效果的影响。

2 结果与讨论

2.1 油泥基本性质测定

本实验所用油泥样品含水率、含油率和含固率分别为84.41%、3.51%和12.08%，pH为7.71，可以看出该油泥样品含水率高，可脱水性较大；含有的油分较低；偏碱性。一般油泥中的油分会与一部分水混合，形成一种稳定的乳化状态，这部分乳化的水分很难分离去除，因而该污泥样本相较于一般市政污泥的深度脱水难度大。

2.2 微波干化效果分析

控制油泥样品厚度为6 mm、pH 为7，分别采用电热鼓风干燥箱和微波干化设备处理，其中电热鼓风干燥箱设置的温度为100℃、微波干化设备设置的温度为100℃(功率为750W)，二者的干化效果随时间的变化结果如图1所示。

图1 不同处理方式的干化效果

由实验结果可知，油泥样品的微波干化效果明显优于传统的热干化效果，能够在较短的时间内大幅降低油泥的含水率。在油泥厚度为6 mm 的情况下，热干化(电热鼓风干燥箱)处理50 min，含水率由原来的84.41%降至76.62%，含水率降低了7.79%，说明热干化效果较差，若深度干化需要继续降低油泥的厚度或延长干化时间；而采用微波干化15 min后油泥的含水率从84.41%降至28.76%，含水率下降55.65%，表明微波干化法具有深度脱水效果好、干化时间较短的特点，将其应用于油泥快速减量化处理具有较大潜力。

2.3 微波干化影响因素分析

2.3.1 干化温度对干化效果的影响

控制实验条件为油泥厚度6 mm、油泥pH 为7，采用恒温度模式在微波功率为750 W的条件下处理薄层油泥样品，研究不同处理温度下薄层油泥含水率随干化时间的变化，实验结果如图2所示。

图2 干化温度对干化效果的影响

从图2 可以看出，随着干化温度的增加，薄层油泥的干化效果提高，在70℃的条件下微波干化15 min后油泥含水率从84.41%降至66.5%，当温度升至80℃时，其含水率进一步降低至25.7%，油泥的微波干化效果明显变好，而继续提高温度至90℃，油泥的干化效果没有明显提升，这是因为微波干化属于低温干化，当设定温度低于干化最高温度时，油泥温度达到微波干化设备设定温度微波源即停止工作，油泥则不再吸收微波能量而升温，当油泥温度低于设备设定温度时，微波源自动启动，油泥继续吸收微波能量。因此，低温时油泥由于吸收的微波能量少则微波干化效果较差，高温时吸收的微波能量较多则干化效果较好。实验结果表明，如果在实际应用中采用微波干化技术，将温度控制在80℃时较为合适，因为温度超过80℃时继续提高温度的干化效果并不明显且增大了能量消耗。

2.3.2 微波功率对干化效果的影响

控制实验条件为油泥厚度6 mm、油泥pH 为7，采用恒功率模式处理，研究不同微波功率下薄层油泥含水率随干化时间的变化，实验结果如图3所示。

图3 微波功率对干化效果的影响

由图3 可以看出，薄层油泥微波干化的效果与微波功率为正相关，即微波功率越大，油泥摄入的微波能量越高，干化后的含水率越低，在600 W条件下干化15 min 后，油泥含水率从84.41%降至34.73%，含水率下降49.68%，750 W时油泥干化15 min后的含水率为28.76%，含水率下降55.65%，虽然在750 W条件下的油泥干化后含水率最低，但600 W时的处理效果与750 W较为接近，并且能耗更低。在实际工程中考虑能耗因素，在满足处理目标的情况下应选择能耗更低的功率，则在实际应用时600 W的微波功率条件最佳。

2.3.3 油泥厚度对干化效果的影响

控制实验条件为微波功率600 W、油泥pH 为7，研究不同厚度下薄层油泥含水率随干化时间的变化，实验结果如图4所示。

图4 油泥厚度对干化效果的影响

由图4 可以看出，微波干化时油泥厚度对于干化效果的影响较小，并不是油泥厚度越小微波干化的效果越好，干化15 min 后，油泥厚度4 mm 和10 mm 的含水率分别为28.76%和28.59%，整体来看不同油泥厚度下的微波干化效果很接近，表明薄层油泥厚度对微波干化效果的影响很小。

在实验中发现微波干化时油泥样品的形态结构发生不同程度的膨胀和裂解，而热干化时油泥样品的形态结构几乎没有发生变化，原因在于油泥中的水分总是由内向外传递的，其结构发生分裂后形成大的裂隙有利于水分的散失，油泥样品在微波干化时并未表现出厚度越小干化效果越好的规律，因而在实际应用时不必追求尽可能小的油泥厚度。

2.3.4 油泥pH对干化效果的影响

控制实验条件为微波功率600 W、油泥厚度4 mm，研究不同pH下薄层油泥含水率随干化时间的变化，实验结果如图5所示。

图5 油泥pH对干化效果的影响

实验结果表明，薄层油泥pH 对微波干化的效果影响很小，在pH为5时的干化效果最佳，干化15 min后的污泥含水率从84.41%降至25.84%，其他pH条件下的干化效果与之接近，在实际工程中因需要大量药剂会增加成本，不建议通过调节油泥pH 提高微波干化的效果。

2.4 薄层油泥微波干化优化实验

微波干化技术应用于实际工程需要考虑的重要因素之一是微波设备能耗[7]。如何降低微波能耗是目前较为关注的方面，越来越多的研究倾向于微波与其他方法的组合工艺来提高微波干化效果、缩短干化时间、降低能耗。本实验探究了加入真空和活性炭之后的污泥干化效果，实验设置了微波+真空、微波+活性炭、微波+真空+活性炭3种工艺组合。

2.4.1 微波+真空联合干化处理效果

真空具有降低水的蒸发温度、增加物料内外压力差、有利于水分排出的功效[8]。实验设置微波功率600 W、油泥厚度6 mm、油泥pH为7，加入真空后薄层油泥的干化效果如图6和图7所示。

图6 不同处理方式下的油泥温度变化

图7 不同处理方式下的油泥含水率变化

由图6 和图7 可以看出，加入真空后，薄层油泥样品的干化温度和干化后的油泥含水率相较于单独微波干化时明显降低，在干化15 min后含水率从34.73%降至10.64%，表明真空在薄层油泥微波干化时有利于水分的快速去除；同时，较低的干化温度在实际应用时也利于提高干化处理后油泥的燃烧价值。

2.4.2 微波+活性炭联合干化处理效果

在油泥微波干化时加入吸波物质提高微波能量利用率可以降低能耗，活性炭是一种高效吸波材料，加入后可以提高吸波效率[9]。本实验分别探究了加入的活性炭形态(投加量为10%，以质量分数计)和活性炭量对于薄层油泥微波干化效果的影响。实验设置的条件为微波功率600 W、油泥厚度6 mm、油泥pH 为7，实验效果如图8和图9所示。

图8 不同活性炭形态对干化效果的影响

图9 不同活性炭投加量对干化效果的影响

由结果可知，加入活性炭后油泥样品干化后的含水率相比单独微波干化进一步降低，其中加入10%粉末状活性炭后微波干化15 min 后的含水率为18.39%，加入10%的颗粒状活性炭干化后的含水率为31.95%，可以看出粉末状活性炭的效果优于颗粒状活性炭，因为粉末状活性炭与油泥接触的更为充分，温度传递效率更高。随着活性炭投加量的增加，油泥干化后的含水率逐渐降低，当加入30%活性炭时，干化15 min可以将油泥含水率降至9.38%，在加入40%活性炭时，干化到11 min时油泥近乎完全干化，但实验时发现加入40%活性炭后油泥整体变得干硬，很难将其与活性炭充分混合均匀，因而在实际工程中建议加入30%的粉末状活性炭。

2.4.3 微波+真空+活性炭联合干化处理效果

实验探究了同时加入真空和活性碳后的薄层油泥干化效果，并将所有工艺的处理效果进行对比，实验结果如图10所示。

图10 不同处理工艺的干化效果影响

从图10可以看出，上述4种处理工艺中，微波同时联合真空和活性炭(粉末状，投加量为30%)的处理效果最佳，干化12 min即可将油泥样品完全干化，相较于其他3 种工艺提高了油泥的干化效果并缩短了干化时间，但同时也增加了设备及材料成本，在实际应用时需要综合考虑处理成本和效果。

3 结论

实验探究了薄层油泥的微波干化效果及影响因素，并对微波干化工艺进行优化，得出结论如下。

（1）薄层油泥微波干化效果较好，明显优于传统热干化效果，能够在较短的时间内大幅降低油泥含水率，在油泥厚度为6 mm、油泥pH 为7、干化温度为100℃、微波功率为750 W 的条件下，微波干化15 min可以将油泥样品的含水率从84.41%降至28.76%。

（2）薄层油泥微波干化影响因素分析实验表明，在微波干化时，随着干化时间的延长、干化温度的升高和微波功率的增加，薄层油泥的微波干化效果趋好，而油泥厚度和pH 对于薄层油泥微波干化效果的影响较小。

（3）真空和活性炭的联合处理可以进一步提升薄层油泥微波干化的效果从而缩短干化时间，其中真空还具有降低干化温度的效果，可使油泥在更低的温度下达到干化目的；粉末状活性炭的效果优于颗粒状活性炭，并且活性炭投加量越多干化效果越好，但同时也会使油泥更加干硬、难以混合均匀，二者同时联合微波(活性炭为粉末状，投加量为30%)的处理效果最佳，干化12 min即可将油泥样品完全干化。