污泥低温水热处理过程中影响因素的研究

叶泽鹏，宋宪强*，周锡武

（1.佛山科学技术学院土木工程系，广东佛山528000；2.佛山科学技术学院空间信息与资源环境系，广东佛山528000）

污泥是污水处理过程中的副产物，由于高含水率和难脱水的性质，其处理处置和利用问题一直是人们所关注的热点问题［1-3］。因此，探索一种高效的成本低的污泥处理方法是很有必要的。低温水热处理作为一门新兴技术，其应用于污泥处理领域具有良好的脱水效果并能产生可再生利用的产品，逐渐被人们所关注［4-6］。李海英等对城市生活污泥进行了中低温（250~700℃）热解的试验研究，结果表明热解的适宜温度为450℃左右，该温度下燃油产物和气体产物可以作为能源回收利用［7］。邵立明等建立了污泥低温热解过程的能量平衡方程，指出270℃为适宜反应温度，污泥热解过程中能量是净输出的状态［8］。沈巧炼对城市污泥低温热解技术的影响因素进行分析，研究表明反应温度、反应时间、反应速率和催化剂对污泥热解产物的产率均有影响［9］。上述研究揭示了污泥热解的过程，为污泥的进一步利用提供了参考价值，但目前关于污泥低温水热过程中污泥脱水性能变化的研究较少，对影响污泥脱水的因素仍缺乏深入研究。

本研究进行不同处理温度和反应停留时间下的水热处理实验，通过考察反应前后污泥的过滤性能、沉降性能等揭示污泥在低温水热处理中的脱水过程，并选择水热反应的最佳工艺参数，为后续污泥进一步处置利用得到低含水率的污泥提供条件。

1 材料与方法

1.1 试供污泥

实验所用污泥取自佛山市某污水厂浓缩池，该厂污水处理采用改良的A2/O工艺。为避免污泥理化性质随时间变化进而影响实验数据的可靠性，所有试验污泥均是当天取样并完成实验。试样污泥的基本特性如表1所示。

表1 试样污泥的基本特性

1.2 污泥水热碳化处理过程

实验采用的污泥水热处理装置为500 mL的高压反应釜。其基本处理按以下步骤进行操作。

（1）量取约为400 mL供试污泥置入反应釜，盖上反应釜釜盖。

（2）通过进气口向反应釜通高纯氮10 min，以赶走釜内空气，使反应处于无氧环境。

（3）拧紧气阀，使其处于密闭状态。

（4）在控制器中设置反应温度分别为130、160、190、220和250℃，反应停留时间分别为15 min、30 min、1 h、1.5 h和2 h，并以20 r/min的速率开启搅拌器进行搅拌，以2℃/min的加热速率对反应釜进行加热，当反应釜内污泥样品的温度达到设定的水热温度时开始计时。

（5）按照设定的水热停留时间进行水热处理。

（6）待反应完成后，内冷却盘通自来水使反应物加速冷却至室温，所得到的泥水混合物即为待测产物。

1.3 分析方法

通过考察污泥比阻、泥饼含水率以及污泥体积指数3个指标来表征污泥的脱水性能。

（1）污泥比阻通过布氏漏斗抽滤法进行测定（TG-250，上海同广科教仪器有限公司）。

（2）泥饼含水率使用重量法测定，将经过0.06 Mpa定压抽滤脱水后的污泥泥饼若干称重，然后放入烘箱中在105℃温度下烘干至恒重然后称重，减少的水分即为污泥中的水分含量。

（3）污泥体积指数（SVI）是指污泥经过30 min静沉后，每单位质量的干污泥所占有的容积（以mL计）。

2 结果与分析

2.1 污泥过滤性能分析

比阻是评价污泥脱水性能的重要性指标，一般认为，比阻大于1.0×109s2/g的污泥较难脱水，在（0.5~0.9）×109s2/g的污泥脱水性能中等，比阻小于0.4×109s2/g的污泥则易于脱水［10-11］。

本研究污泥比阻随各反应条件下的变化情况如图1所示。

图1 污泥比阻随各反应条件下的变化

2.1.1 水热反应温度对比阻的影响

由图1可知，水热反应温度对污泥的脱水性能有显著影响。

（1）当处理温度为130℃和160℃时污泥的比阻比原污泥要大，说明在130℃和160℃温度下，污泥的脱水性能变差。通过观察反应后的产物，发现在130℃和160℃处理温度下的反应产物，滤液比较粘稠，用布氏漏斗抽滤时会出现泡沫，可能是因为在130℃和160℃温度下微生物絮体细胞破裂，胞内有机物释放出来，使得污泥粘度增大，导致过滤性能变差。

（2）当水热温度达到190℃时，除了处理时间为15 min的水热产物，其他反应时间的水热污泥比阻都比原污泥要小，说明在190℃的反应温度下，反应产物的脱水性能已经显著改善。

（3）随着水热温度提高至220℃和250℃，最佳的比阻值可进一步降低至2.78×108s2/g和1.32×108s2/g。

由图1还可知，当水热反应温度高于190℃，比阻降低的幅度有限，190、220和250℃的水热污泥与上一温度条件的水热污泥相比，比阻分别降低了86.64%、18.11%和36.64%，说明高温对剩余污泥脱水的影响开始趋于平缓。综合能耗等因素，190℃是一个比较适宜的水热反应温度。

2.1.2 反应停留时间对比阻的影响

反应停留时间对污泥比阻也有一定影响。

（1）当反应温度为130℃时，测得污泥比阻值较大，处于2×109s2/g以上。

（2）当反应温度为160℃时，污泥比阻仍大于2×109s2/g。与130℃不同的是，此温度下的污泥随着反应时间的增加污泥比阻值逐渐降低，说明在160℃温度下反应时间对污泥的脱水性能有影响，污泥的脱水性能随着反应时间的增加而改善。

（3）当反应温度为190℃时，反应停留时间对此温度下的污泥比阻有较大影响，从反应时间为15 min的2.281×109s2/g到反应时间为2 h的3.39×108s2/g，变化幅度为85.14%。当反应时间为1.5 h时，比阻值降低至3.39×108s2/g，与反应时间为2 h的比阻值相同，说明当温度为190℃时，反应1.5 h以后污泥的比阻值趋于稳定。

（4）当温度为220℃时，污泥的比阻随着反应时间的增加而降低，变化幅度为57.62%。

（5）当温度达到250℃时，各反应时间的比阻值均在4×108s2/g以下，此时随着反应时间的改变污泥比阻值并没有随之降低，此温度下污泥的比阻值已达到较低且稳定的值。

由图1可以看到，190℃和220℃温度下反应1.5 h以上的比阻值以及250℃各个反应时间下的污泥的比阻值均在0.4×109s2/g以下，表明在这些反应条件下，反应后的污泥是易于脱水的，考虑到高温所消耗的能耗较大，反应温度190℃、反应时间1.5 h是比较适宜的反应条件。

2.2 污泥脱水程度分析

图2揭示了水热污泥的泥饼含水率随着水热温度和反应停留时间的变化过程。与比阻不同的是，水热反应时间对污泥泥饼含水率影响的程度不大，污泥泥饼含水率受到水热温度的影响更为明显。在130℃的温度下，水热反应后污泥的含水率要高于原泥的含水率。在160℃水热温度下，泥饼的最终含水率与原泥相近，脱水程度比原泥稍好。在190℃的水热温度下，反应产物的平均含水率为72.29%，远低于原泥的79.90%，达到了比较好的脱水效果。在220℃和250℃水热温度下，抽滤后的泥饼含水率分别达到了67.25%和67.85%，说明进一步提高温度对于泥饼含水率的降低已没有太大效果。

图2 污泥泥饼含水率随各反应条件下的变化

2.3 污泥沉降性能分析

各反应条件下污泥体积指数变化情况如图3所示。根据图3可知，以未经水热反应的原污泥35.40 mL/g的污泥体积指数作为分界线，130℃和160℃反应温度处理下的污泥在分界线的上方，表示此温度下的脱水性能与原泥相比变差了，而在190、220和250℃反应温度下的污泥体积指数曲线均在原泥的下方，此时的脱水性能与原泥相比有所改善。当反应温度为190℃时，污泥体积指数的变化幅度最大，达到54.50%，此温度下受反应停留时间的影响最大，且污泥的沉降性能随着时间的增加而改善。当温度为130℃和250℃时，污泥的沉降性能并没有随着时间的增加而改善，而且污泥体积指数的变动不大，变化幅度分别只有1.20%和14.81%。这是因为在较低温度130℃时，污泥细胞刚开始破裂，胞内聚合物逐渐进入液相，污泥脱水性能开始变差，增加反应时间并不能显著改变污泥结构的理化性质，因此增加反应时间对污泥脱水性能影响不大。在较高的水热温度250℃下，此时污泥细胞结构已破碎完全，胞内水分全部变为自由水，大分子亲水有机物已降解完全，因而此温度下增加反应时间也不能改善污泥的脱水性能。

图3 各反应条件下污泥体积指数变化

3 结论

（1）水热反应温度对污泥脱水性能指标的影响比较大，其随温度升高的总体变化趋势是先变差又后逐渐变好。当反应温度为190℃时，水热处理开始显著改善污泥的脱水性能，比阻值从原泥的1.01×109s2/g降低为 3.39×108s2/g，泥饼含水率从原泥的80.62%降低为70.13%，而污泥体积指数从35.40 mL/g降低为14.51 mL/g。当反应温度超过190℃时，脱水性能进一步改善，但改善的幅度不大，逐渐趋于平缓。

（2）反应停留时间对污泥比阻和污泥体积指数有一定的影响，对污泥泥饼含水率影响较小。当反应温度为190℃时，污泥体积指数在不同水热停留时间下的变化幅度达54.50%。当反应温度为130℃和250℃时，污泥的沉降性能并没有随着反应停留时间的增加而改善，可能是由于此反应温度对污泥理化性质的影响不大造成的。

（3）综合分析水热温度和水热停留时间对污泥比阻值、泥饼含水率以及沉降性能的影响可知，反应温度是在低温水热处理过程中最主要的影响因素。在综合对比各反应条件后，以及考虑高温下能耗的影响，得出反应温度190℃、反应停留时间1.5 h是一个比较理想的水热处理条件。

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