污泥喷雾热干化特性

苑宏英，范文渊，汤韬，张攀攀，苏润西，费学宁

（1天津城建大学环境与市政工程学院，天津 300384；2天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384）

根据“十二五”规划，到2015年，城市污水处理率将达到85%[1]，但污泥处理处置相对污水处理严重落后。目前，全国污泥安全处理率不足10%[2]，由此产生的二次污染已经受到人们的重视，并且成为城市污水处理行业发展的瓶颈。因此，最大程度地实现污泥“减量化、稳定化、资源化、无害化”处理，是今后污泥处理处置所面临的重大问题。

常用的脱水技术主要有干化脱水和机械脱水两类。干化脱水是利用干化场，使其自然干化，其主要缺点为占地面积大、环境卫生条件恶劣、适用地区范围小[3]；机械脱水是利用过滤介质两侧的压力差，使其强制脱水，目前常用方法主要有压滤脱水法、真空吸滤脱水法和离心脱水法等[4]。经机械脱水后污泥的含水率在80%左右，难以满足污泥后续处理的要求。采用污泥热干化技术能满足含水率的要求，但能耗较大。张攀攀等[5]实验采用太阳能集热联合污泥喷雾技术，集热器采用真空管槽式太阳能集热器，集热效率可达35%～50%，出口温度可达150～200℃。污泥经雾化后粒径分布在50～200μm，增大了污泥颗粒的表面积，利于污泥的热干化，热能利用率也高。在干燥塔内，雾化后的污泥能在1.5h之内达到150℃，且在此温度下能运行5h左右。本研究充分利用了清洁能源——太阳能，克服了传统能源消耗带来的污染问题，实现污泥深度脱水，为后续污泥填埋或堆肥处理提供了便利，具有一定的工程意义。

1 方法与材料

1.1 实验的操作流程

操作过程如下：利用鼓风机将槽式太阳能集热器加热的高温气体送入塔中。当塔内的温度达到150℃时，启动空气压缩机和污泥泵，污泥经过雾化喷头喷雾后与热空气逆向接触（图1）。从塔底收集干化后的污泥，测定其含水率、氨氮、磷酸盐、阴阳离子和重金属。从冷凝塔中收集冷凝水，测定其氨氮、磷酸盐、阴阳离子和重金属。

图1 污泥喷雾干化设备

1.2 实验方法

对含水率、氨氮、磷酸盐、阴阳离子和重金属的测定采用的仪器及型号见表1所示。

1.3 污泥的来源和初始特性

考虑喷雾过程中喷头堵塞的问题，实验样品取自污水处理厂含水率为99%的AAO回流污泥，初始特性如表2所示。

表1 仪器及型号

表2 污泥的初始特性 单位：mg/L

2 结果与分析

2.1 污泥脱水效果

污泥的脱水效果与喷入量关系见表3所示。从表3中可以看出，随着喷入量减小，污泥的含水率逐渐减小，在喷入量为12 L/h时，脱水后污泥的含水率降低到25.9%。这是由于随着污泥喷入量的增加，污泥雾化效果变差，污泥脱水所需的热量增加，然而塔内的热空气不足以提供所需的能量，导致污泥脱水效果变差。

2.2 磷酸盐与氨氮的含量变化

图2和图3是在相同温度（150℃）下，干化后 污泥溶出的及冷凝水中的磷酸盐和氨氮的变化趋势。

表3 脱水效果与喷入量的关系

图2 干化后污泥溶出的磷酸盐和氨氮的变化趋势

图3 冷凝水中磷酸盐和氨氮的变化趋势

污泥中的氮主要以蛋白质的形式存在，氮是组成细胞壁、细胞膜的重要成分，而污泥中含有大量的细菌和真菌[6]。磷主要以无机磷的形式存在。从图2可得，干化后污泥中的磷酸盐和氨氮随着喷入量的减少呈现出升高的趋势，在污泥喷入量小于25L/h时，磷酸盐与氨氮的浓度分别分布在59.4～61.7mg/L与156.4～165.3mg/L，满足污泥农用的标准[7]。且与原污泥相比，氨氮的浓度增大幅度较大，磷酸盐浓度增大幅度较小。这是由于污泥干燥过程发生蛋白质的溶解、水解，生成多肽、氨基酸，氨基酸进一步水解为小分子有机酸、氨和二氧化碳[8]，而磷酸盐只是得到了浓缩。

从图3可知，随着喷入量增加，冷凝水中磷酸盐基本不变，氨氮呈下降的趋势。这是由于喷入量越少，蛋白质等水解得越充分，挥发得也越多；而磷酸盐不能以气态形式挥发。还可以得知，无论喷入量多大，冷凝水中都含有一定量的磷酸盐和氨氮，可能是由于污泥在雾化状态下被热风和水蒸气带入冷凝塔中所致。

2.3 阴阳离子的含量变化

图4 干化后污泥溶出的阳离子变化趋势

图5 干化后污泥溶出的阴离子变化趋势

图6 冷凝水中阳离子的变化趋势

图7 冷凝水中阴离子的变化趋势

图4～图7分别为相同温度（150℃）下，干化 后污泥溶出的及冷凝水中的阳离子（Na+、Mg2+、Ca2+、K+）和阴离子（Cl-、SO42-、NO3-、NO2-）的变化趋势图。

在干化时，污泥内部的无机盐的变化是复杂的，既有细胞裂解[9]后胞内的无机盐释放到溶液中，也有络合反应的发生[10]，还有被热风吹入和水蒸气带走至冷凝塔中的污泥所含有的无机盐。

从图4与图5可知，干化后污泥溶出的阴阳离子的变化趋势相同，且随着含水率的升高，呈现增大趋势；其中钠离子与氯离子在喷入量为36L/h时发生突变。这可能是因为在喷入量小于36L/h时，污泥中水分蒸发得较快，部分可溶解物质被脱出后未进入干化后污泥中，而是附着在塔壁上。而钙离子和镁离子则呈现出无规律的变化趋势，可能与蛋白质水解生成的二氧化碳[11]有关，也可能与磷酸 盐[9]的变化有关。

从图6与图7可知，冷凝水中的阴阳离子呈现先上升后下降的趋势。在喷入量为12～56L/h时，呈现出增大趋势。这可能是由于随着喷入量的增大，进入冷凝塔的水蒸气减少，冷凝水减少，使离子浓度变大；当喷入量大于56L/h后，离子又呈现下降趋势，这是由于大量污泥的喷入使塔下部的水蒸气不能进入冷凝塔，而是被后喷入的污泥带到塔底，进入冷凝塔的离子的量减少。

2.4 重金属含量变化

本实验研究了污泥中重金属的变化规律，着重考察了污泥干化达到不同含水率时，铜、铁、铅、镉、锌的变化。从表4和表5中可以看出，污泥中的重金属除了镉之外，均随着干化后污泥含水率的降低呈增长趋势，同时冷凝水中的重金属离子除了镉之外也处于较大的水平，通过计算发现经过喷雾干化后，污泥中重金属总量除了镉以外均呈现升高的趋势，其原因是污泥中各种重金属的存在形态不同[11]，且与董滨等[12]的研究结果基本相符。此外，各设备中重金属的析出，也会造成所测结果的增加。

3 结 论

（1）污泥的含水率与喷入量有关，随着喷入量减小，污泥的含水率逐渐减小，在喷入量为12L/h时，干化后污泥的含水率降低到25.9%，效果最好。

（2）干化后污泥溶出的磷酸盐和氨氮随着喷入量的减少呈现出升高的趋势，在喷入量小于25L/h时，磷酸盐与氨氮的浓度分别分布在59.4～61.7mg/L与156.4～165.3mg/L，满足污泥农用的标 准，利于污泥的资源化利用。随着喷入量的增加，冷凝水中磷酸盐基本不变，氨氮呈下降的趋势。

表4 喷雾前后污泥中重金属变化 单位：mg/kg干污泥

表5 冷凝水中重金属含量 单位：mg/L

（3）干化后污泥溶出的阴阳离子的变化趋势相同，且随着含水率的升高，呈现增大趋势；其中钠离子与氯离子在喷入量为36L/h时突变程度较大；冷凝水中的阴阳离子呈现先上升后下降的趋势。干化后污泥中的重金属除镉之外其余略有增加。

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