脱水污泥的流变特性及其对干燥特性影响的研究

文_章华熔 畅凯旋 陈菲琳 福建龙净环保股份有限公司

随着国家城镇化建设，城镇人口不断增加，生活废水量随之不断提升，进而导致污泥产量呈现增长趋势。由于国家环保发展力度加大，污泥的处理处置越发受到关注。其中，污泥干化是实现污泥处理处置目标的重要途径之一。目前，国内污泥干化工程应用案例很多，但由于各地污泥性质不同，工程应用过程中出现各式各样的问题，其中包括污泥的粘滞特性影响污泥干化效果的问题。

目前研究集中在实验条件下的污泥粘滞性的不利影响及降黏方法。然而，污泥干化过程中经历了糊状态—固化态—颗粒态的复杂转变，污泥圆盘干化工程应用与实验室条件存在很大差异，且实际污泥干化工程中污泥黏性对污泥圆盘干燥设备运行存在的影响没有相应的研究报道。本文通过实验室污泥的理化性能检测与实际工程对比论证的方式，分析了污泥的黏滞特性对其干化过程产生的影响，为类似工程建设提供参考。

1 污泥理化性能测试

1.1 测试方法

本文分别对污泥的含水率、有机物及粘度等物理化学指标进行分析。其中，含水率、有机物测定方法参考《城市污水处理厂污泥检验方法》CJ/T221-2005，粘度测定参考《浓缩天然乳胶 硫化胶乳 黏度的测定》GB/T14797.2-2008，SiO2测定参考《土壤和沉积物11中元素的测定 碱熔—电感耦合等离子体发射光谱法》HJ974-2018。

污泥的静态干燥实验通过快速水分测定仪测定。取约20.00g污泥，平铺在干燥托盘上，在110℃下干燥，每间隔15s记录污泥的重量和湿基含水率，直至重量不再发生变化。其中污泥干燥速率如公式（1）。

式中 vn—干燥速率，g水/（g干污泥·s）；

wg(n-1)—n-1次记录数据时污泥干基含水率，%；

Δt—表示数据记录时间间隔，15s。

1.2 污泥样品来源

样品主要是含水率约80%的市政脱水污泥，分别来自A、B、C三个污水处理厂，产生的污泥分别命名为污泥A、污泥B、污泥C。

1.2.1 污水处理工艺及污泥产量

A厂设计处理污水水量2万t/d，实际年均运行负荷80%，产泥量约7t/d，每万吨水产泥约4.4t。污水处理主要采用AAO工艺，需额外添加乙酸钠作为碳源调节C/N平衡，添加PAFC溶液达到化学除磷效果，添加PAM增加污泥的脱水能力。

B厂设计处理污水水量4万t/d，实际年均运行负荷70%，产泥量约10t/d，每万吨水产泥约3.4t。污水处理主要采用SBR工艺，通过添加PAFC溶液达到化学除磷目的，添加PAM絮凝脱水。

C厂设计处理污水水量10万t/d，实际年均运行负荷90%，产泥量约80t/d，每万吨水产泥约8.9t。污水处理工艺主要采用AAO工艺，通过添加磁粉深度除磷和除SS，添加PAC、PAM絮凝脱水。

2 结果与分析

2.1 污泥理化性质分析

有研究表明，污泥中有机物是影响污泥黏滞性的主要因素，有机物含量越低，污泥的黏滞力越差。根据表1所示，污泥C有机物含量最小，其粘度最小。污泥A的有机物含量大于污泥B有机物含量，但粘度却截然相反，故污泥粘度还受其它因素影响。有研究表明，添加PAC会影响污泥粘性。另外，根据C厂中每万吨水产生的污泥量远高于其它两个厂，这也可能是导致污泥C黏性较小的原因。

表1 3种污泥物理化学指标分析

2.2 污泥的静态干燥特性

2.2.1 污泥的干燥速率曲线

污泥干化的过程中一般会经历3个阶段，即预热干化阶段、恒速干化阶段和减速干化阶段。污泥干燥速率随干基含水率变化曲线可以反映出污泥所经历的干化阶段。

由图1所示，在实验室条件下，3种污泥都存在预热干化阶段和减速干化阶段，不存在明显的恒速干化阶段，这与张晓敏的研究结果一致。另外，根据图1所示，在相同干基含水率下，3种污泥的干燥速率达到最大，且最大干燥速率表现为污泥C＞污泥B＞污泥A，表明了实验条件下，污泥C干燥过程中水分更易蒸发，更易达到干燥平衡。这可能是C相比其它两种污泥，SiO2含量较高、有机物含量较少、粘性小，污泥间隙水含量较高易蒸发。

图1 污泥的干燥速率随干基含水率变化曲线

2.2.2 污泥静态干燥表观特征变化

在实验条件下，观测污泥静态干燥前后的表观特征。从外观来看，3种污泥完全干燥后体积变小，最终形成大小完全不一的颗粒物，这是因为污泥在干化的过程中发生了龟裂、收缩等现象。与其它两种污泥相比，污泥C的初态流动性较大，末态松散状态更加明显，颜色偏浅，这可能由于污泥C有机物含量较低所致。

2.3 不同含水率下污泥的流变性

从图2可知，污泥粘度随着含水率的减小呈现先增加后减小的趋势。污泥含水率是决定污泥黏滞性的重要因素，且在含水率为45%～65%形成黏滞区。污泥A和污泥B粘度变化随含水率变化的趋势相近，污泥C与污泥A、污泥B粘度随含水率变化的趋势存在较大差异。其中，污泥A和污泥B在含水率为60%时，粘度分别达到最大值292.26×103mPa·s和297.82×103mPa·s。污泥C在含水率为70%时，粘度达到最大值261.84mPa·s。当污泥含水率＜50%，3种污泥的粘性消失。

图2 不同含水率下污泥的粘度特性

3 案例分析

广州某热电厂建设一条污泥干化生产线，用于干化A、B、C污水厂产生的污泥。该生产线采用螺杆泵将污泥输送至圆盘干化机，通过圆盘干化机将污泥从含水率80%干化至40%以下，设计处理量为100t/d。热源蒸汽参数为0.6MPa，160℃，目前该生产线已成功投运。

3.1 干化机的出力情况判断

污泥处理量和出泥口污泥含水率是判断干化机出力的重要指标。有研究表明，干化机内污泥干湿界面所在区域是判断干化机出口污泥含水率的重要依据。但这种判别手段需现场人员间断观察干化机内部运行情况，适合在调试阶段使用。

如图3所示，干化机运行时，出料口附近温度测点和污泥泵输送量可作为判断干化机正常运行的重要指标，通过系统DCS界面观察测点温度和污泥泵运行频率这两项指标，可实时监控干化系统运行的效果。其中，温度测点作为判断干化机出口污泥含水率的依据，污泥泵运行频率作为判断干化机污泥处理量的依据。具体判断方法：当干化机测点温度下降，表明出泥口污泥含水率偏高，无法满足干化要求；当干化机测点温度正常，但螺杆泵运行频率低于正常运行平频率，表明干化机的处理量下降，无法满足项目要求。

图3 圆盘干化机外观图

3.2 干化系统对3种污泥干化时设备主要参数对比

干化机出口测点温度在指定范围内时，表示干化机出泥口污泥含水率在40%以下。从表2可以看出，干化机在保证污泥干化效果的前提下，干化污泥A和污泥B时，螺杆泵运行频率在设计值范围内，而干化污泥C时，螺杆泵低频率运行，无法保证污泥C的处理量。由于干化机对污泥C的处理能力下降，干化机运行参数发生改变，干化机蒸汽用量下降至设计值的57.3%，从而导致污泥内部水分蒸发量下降，最终使得干化机出口废气压力负压值增大。

表2 干化三种污泥时干化系统主要运行参数

3.3 异常运行下干燥机内部运行特征

随着污泥从干燥机进泥口端向出泥口端移动，污泥的含水率减小，污泥的盘片黏壁现象逐渐减小直至消失。这是因为随着污泥内水分的不断减小，污泥的流动性变差，污泥与盘片的相互作用减小，导致污泥的黏壁量减小，这与赵松辉实验条件下的研究结果一致。

根据现场运行情况来看，干化机处理污泥C时，表现出出力不足现象。污泥C进入干化机后，无法在进泥口端盘片之间形成堆积，干化机盘片利用率降低，干化机处理能力下降。引起这种现象的原因可能是C污泥在含水率为80%时，相较于其它两种污泥，粘度较小，导致流动性较大，进入干化机后快速从盘片边缘与内筒体底部之间的缝隙向干化机出泥口端流动。从图1可知，实验条件下污泥C的蒸发速率最大，更容易干化，但利用圆盘设备干化污泥C时表现出截然相反的现象。可见，要使圆盘干化机达到设计处理能力，一方面要考虑污泥的干化速率；另一方面要考虑使污泥在圆盘干化机内形成有效的堆积，充分让污泥与盘片接触，从这个角度考虑的话则需要脱水污泥具有一定的粘性。

综上所述，在避免污泥粘度太大造成污泥黏壁影响干化机传热效率前提下，也需要考虑污泥应具有一定粘性能够在干化机盘片间形成有效堆积，使污泥充分与盘片接触，增加盘片有效利用率。二者缺一不可，这两者都与污泥的粘性有关。

4 结语

本文通过实验室及工程应用相结合的方式，研究并分析了污泥流变特性及其对干燥特性的影响，主要得出如下结论：

①随着脱水污泥含水率的降低，污泥粘度呈现先增大后减小直至消失的趋势。高含水率下，污泥粘度一般取决于有机物含量大小，同时受SiO2的含量的影响。在静态干燥作用下，污泥的有机物含量越低、SiO2含量越高，污泥的粘度相对越小，污泥的蒸发速率越大，污泥越容易干燥。

②污泥在圆盘干化机内干燥时，污泥的含水率越高，污泥流动性越大。当污泥的流动性越大时，污泥无法在干燥机内相邻盘片之间形成有效堆积，盘片利用率下降，干燥机的处理能力下降。

③污泥在含水率约80%左右时，污泥C的粘度小于其它两种污泥的粘度，污泥C的流动性相对较大，污泥C进入盘片时，无法形成有效堆积，并向后端盘片移动，造成整个盘片的利用率降低，并最终导致干燥机的处理能力下降。