生石灰与三氧化硫联合污泥干化处理研究

陈一帆，于 洋，张亚宁，邓大鹏

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

1 引言

随着人们生活水平的提高，以及对生活用水水质要求的提高，原有的污水处理各项指标都有所提升，同时也添加了多项指标。污泥是污水处理产生的副产品，污泥产量占所处理的污水总量的 0.3%～0.5%，而用于污泥的处理费用支出却占总费用支出的30%～40%[1]，随着处理指标的升高，以及污水处理量的大幅增加，伴随着污水处理产生污泥量也同步增加，更加有效、更加环保的污泥处置方式亟待发掘。污泥管理对大气环境的影响和对市容环境的影响是直接的、即时的，对水环境的影响、对土地资源的影响，则可能是长期的、潜在的[2]。污泥的处理过程中通常存在许多困难，除了污泥中的含水量高，还存在着微生物种类多数量大以及在污泥中有着大量的寄生虫卵等等多种问题，若是没有经过慎重的处理处置，极大可能会对环境造成二次污染。我国存在严重的“重水轻泥”现象，目前剩余污泥的减量化和资源化是急需解决的关键问题[3]。2015年我国出台《水污染防治行动计划》，计划中要求：截至2020年，中国污泥的处理程度要突破90%[4]。如今国家越来越注重生态环境的保护，对于城市生活污泥的处理也愈加重视，更多的工作人员投入到相关领域的研究当中，污泥的高效合理的处理处置得到了越来越多的关注。

1.1 普通生石灰干化法

将污泥与生石灰(其中主要成分氧化钙)均匀混合，会发生如下反应：

1.00 kg CaO+0.32 kg H2O → 1.32 kg Ca(OH)2+1177 kJ

根据此反应，每向污泥中投加1 kg的氧化钙就会有0.32 kg的水参与反应，随之形成氢氧化钙，使得污泥中的含水率下降[5]。同时，在反应过程中所释放的热量基本与蒸发0.5 g的水所需要的热量相当，即反应过程中会有0.5 g左右的水分随之蒸发，进一步降低了污泥中的含水率。同时，投加的氧化钙与污泥中的水反应所生成的氢氧化钙，会与污泥及空气中的其他物质发生进一步的反应，如氢氧化钙与空气中大量存在的CO2的反应，形成碳酸钙的固体物质，不仅进一步增加了污泥中的固体物质总量，而且反应过程中所产生的热量也可以进一步蒸发一定的水分，进而提高处理后污泥的含固率，降低污泥的含水率。但是由于污泥中的氢氧化钙含量较高，出产污泥大部分呈现碱性，不利于后续的污泥处理。

1.2 微波干化法

微波通常指频率在300 MHz至300 GHz之间，波长在1 mm至1 m 左右的电磁波[6]。微波污泥干化法主要是利用微波的热效应和非热效应对污泥产生作用。热效应主要是污泥中的一般分子会吸收微波能量后，将微波能量转化为分子的内能，随着分子内能的升高，分子的热运动加剧，一些存在于污泥中的微生物体内的极性分子在微波高频电场的作用下，受到电场力的作用，快速的做圆周转动从而进行大量的摩擦生热;存在于污泥中的微生物体内的离子在微波作用下产生振动，并将振动能量转化为热量[7]。微波的非热效应指污泥中的生物大分子在微波场中极化部分定向排列而导致维持大分子高级结构的氢键等化学键发生断裂，失活变性。微波加热有以下特点: ①能进行选择性加热物质吸收微波的能力，不同种类的物质具有不同的介质损耗系数，一般的，具有较强的微波吸收能力的物质的介质损耗因数大，同理，吸收微波能力较弱的物质的介质损耗因数小。由于各物质的损耗因数存在差异，对微波的吸收能力不同，因而展现出微波的选择性加热的性质; ②微波具有较长的波长，因此微波的穿透性较强; ③微波的热惯性较小，可以瞬间快速加热介质材料，温度可以快速升高[8]。另一方面，由于微波的输出功率随时可调，介质温度可及时的随之改变，不存在"余热"现象，温度改变时间极短，对实现自动化控制和推进连续化生产具有极大的推动作用。李思宇[9]等发现超声/微波处理后对污泥餐厨垃圾发酵中有机质的水解有促进作用，但这两种预处理方法运用到实际工程中的设施设备还有待进一步研发。微波技术在环境工程中的应用目前仅处于研究阶段，大部分仅处于实验室小试阶段，并未广泛的投入实际生产当中。但是随着人们对微波及其相关技术的进一步深入的了解和探索，以及日后对环境友好型技术的追求，微波技术在环境污染治理方面必将展现出它过人的一面[10]。

1.3 污泥热干化

污泥热干化技术包括多种类型，热干化分为直接干化和间接干化，污泥经热干化处理后性质稳定，同时在干化过程中可以杀灭污泥中带有的细菌等微生物，在推动污泥的稳定化处理的同时实现污泥的无害化处理，一举两得[11]。直接干化技术通过使污泥与热介质直接接触，通过热传递的方式，直接将热介质中的热量传递给污泥，使得污泥中的水分蒸发，由于此方法热传递效率高，所以污泥中的水分得以较快的大量蒸发，污泥干化效果良好。但同时会在此过程中产生大量的废热和热蒸汽，不利于后期的管理与操作，不利于实现自动化控制，从而导致了整体污泥处置费用的升高。相比于直接干化，间接干化技术是通过接触加热或热传导完成的，污泥和热介质没有直接接触，因此较好的解决了直接干化带来的问题，而且热介质能够循环利用，降低了能耗，但是热传递效率较低。例如蒸汽干化法是利用蒸汽作为能源，使污泥中的水分蒸发，降低污泥含水率，实现污泥减量目的[12]。

1.4 太阳能污泥干化

太阳能作为当今一种新型清洁能源，具有获取方便、发展潜力大、不会对环境造成污染等优势。污泥太阳能干化的原理主要是利用太阳能的辐射加热功能和非饱和自然风的吸水能力使污泥中的水分进行蒸发干化。根据阳光是否直接照射在污泥上，太阳能干化技术又可分为温室型和集热器型[13]。而太阳能污泥热干化技术是利用吸收太阳能辐射产生的热量，将其作为污泥处理过程中所需要的热量的主要来源，是一种污泥得以稳定干化的工艺技术。与传统的污泥干化处理方式相较而言，太阳能污泥干化运行费用低，符合可持续发展战略。但是由于太阳能污泥干化效果受到天气条件的影响较大，现多采用太阳能联合热泵污泥干化技术，以应对不良天气对污泥干化效率的影响。傅伟良等[14]发现利用热泵干燥的低温污泥干化技术相较于一般的污泥干化方式，不光降低了处理过程产生的能耗，同时使得整个干化过程的操作更加简便、易于人工操作，提高了生产过程的安全性。徐政[15]等发现太阳集热器和光伏-热泵的综合光热转换效率分别约为25%和40%,两种方案均能大幅降低常规能耗,整个处理过程具有污泥干化处置效果良好、温度把控精准的优点，同时整个系统能够稳定处于常态运行。由此看来，太阳能联合热泵污泥干化技术有着广阔的运用前景。

2 实验流程

本研究以张家口地区污水处理厂产生的、经过初步脱水的污泥为主要研究对象，初始污泥含水率约为80%，以三氧化硫和生石灰为主要处理药剂，通过对比在不同的药品添加量对污泥干化处置的效果的影响，并且通过调控三氧化硫和生石灰两种药品的量，使得最终处置后的污泥达到理想的处理效果。其中将污泥与生石灰(其中主要成分氧化钙)均匀混合，会发生如下反应：1 kg CaO+0.32 kg H2O→1.32 kg Ca(OH)2；污泥与三氧化硫混合，会发生如下反应：1 kg SO3+0.225 kg H2O→1.225 kg H2SO4；将处理后的两部分污泥混合后会发生如下反应：Ca(OH)2+H2SO4→CaSO4·2H2O，以上反应都会释放大量的热量促进污泥中的水分蒸发，从而降低污泥中的含水率。

3 实验结果

实验结果见表1～3。

表1 不同生石灰添加量对污泥干化效果的影响

表2 不同三氧化硫添加量对污泥干化效果的影响

表3 同步添加生石灰与三氧化硫添加量对污泥干化效果

4 结论

与一般的污泥热干化技术相比较，使用生石灰配合三氧化硫联合干化污泥，无需从外部获取热能，从而可以节约大量的热力资源，达到节能减排的目的，推动行业绿色发展。与普通的生石灰干化技术相比较而言，普通的生石灰干化出产污泥pH值较高，不利于后续的处理处置，而利用生石灰配合三氧化硫联合干化产出的污泥性质温和，基本处于中性状态，后续的处理处置更为方便。

最终的出产污泥中含有大量的硫酸钙物质，即为一般的石膏类物质，可以考虑在后期对其进行进一步的深度处理，将其中的有害物质部分分离出来，能够达到一般的建筑材料用的石膏标准，进一步的提高污泥的利用率，变废为宝，创造更高的价值。