公路工程中的污泥微波预处理及无害化工艺研究

李义

（河北迁曹高速公路开发有限公司，河北 唐山 063000）

1 污泥微波预处理工艺

1.1 微波技术理论

在以往的污泥处置方案中，基于热处理的方式存在工效差、效果不显著等弊端，而通过研究发现，相比以往方案，微波处置能具备更好的热处理效果，因此得到了业内的普遍推广。作为电磁波的一个分支，微波的波长范围较宽，可达1～1000mm，而频率则介于0.3～300GHz之间。微波在现代化新兴技术领域的应用较为广泛，如雷达、通信以及信息等方面。另外，鉴于其波长处于无线电波与红外线区间，实践中也可作为一种能源开展利用，如对需要升温的物体进行加热或烘干等，并具备一定的除菌效果。在加热时，其原理是中介物体通过自身电能的消耗，进而引发相应的热量，实现加热效果。对于同一物质而言，不同的微波磁场的加热效应存在不同。其中，将微波加热工艺应用于污泥处置时，可提高微生物细胞的破坏效果，改进脱水率，并基于生物降解功能，实现更快更好的污泥处置效果。

1.2 污泥微波预处理细胞破壁脱水

为提高工程污泥的处置效率，可采取微波预处理技术，通过该工艺能将絮体和微生物细胞结构裂解，使细胞及有机质破坏解体，从而加快污泥处置速度，节约处理成本并减少污染，具有较好的实际价值。本文依托某公路工程中的污水处理厂，开展污泥处理试验分析。现场所选取的污泥中有机质含量约为40%，呈现黑臭形貌，具黏稠糊状。经检测，污泥含水量接近90%，其成分分析见表1。项目试验中应用的装置为微波管式加热炉。

表1 污泥的工业分析和元素分析

1.3 污泥微波脱水

本次试验中的污泥含水率将近90%，如此多的水分常规措施难以完全脱除干净，拟采用微波脱水工艺开展处理。污泥中的水分既包括微生物细胞里的水，也包括以游离形式存在并与胶状物悬浮于污泥构造中的水（该部分水占绝大多数）。试验中，将微波脱水功率设定至0.8kW，在此基础上分析微波作用时间下的含水率变化情况，数据见表2。由表可知，微波作用初期，污泥中的水分脱除速度较快，随着时间增加，水分脱除速度逐渐趋于缓慢，直至微波作用10min后，污泥中的水分基本被去除完全。

表2 污泥水分含量变化

1.4 实际微波能量利用率估算

为分析微波功率作用中起到有效脱水部分的占比，从图1可知，在没有脱水量时，微波无效作用功约为30kJ。而在实验室工况下，当功率为0.8kW且作用于污泥4min时，40g污泥的微波能量利用效率达36%左右，由此分析可得，30kJ的无用功等同于0.8kW微波照射时间35s的效果。与此同时，鉴于微波本身效率约为90%，则针对30kJ无用功，获知在实验室工况下的最终实际微波利用效率为48%，相较于理论数据，该利用率提升约12%。

图1 0.8kW下脱水量随微波输入功的变化曲线

2 污泥微波无害化处理工艺研究

2.1 污泥在微波场中的升温特性

本次试验中为研究污泥在微波条件下的升温规律，拟采取10kW功率的微波源作用于含水量约为90%的污泥中，同时设置含水量为0的污泥，采取同样试验条件作为对照分析。其中的污泥试样均为40g，气氛主要为氮气。两者的试验升温情况见图2。

根据图2可知，实验组和对照组最终的升温均达到250℃。本次实验组中的污泥含水量约达90%之多，从升温曲线可知，早期污泥温升较快，至100℃后趋于平缓，当温度升至200℃时，升温速度再次加快，原因是此时污泥中的水分基本完全被脱除，最终温度升至250℃。而对于干燥污泥的对照组而言，其升温曲线在200℃前均保持较快速度，直至作用时间约为20min后，温度上升趋势减缓，最终达到250℃左右。为进一步分析微波功率与污泥温升之间的关系，拟选取0.6、0.8以及1.0kW三种功率数值，分析相应污泥的升温曲线，见图3。

图2 干、湿污泥在微波场中的升温曲线

图3 吸波剂条件下湿污泥的升温曲线

由图3分析可知，0.6kW的功率条件下，当作用时间达35min时，污泥的最终温度约为90℃，而在相同作用时间下，0.8kW作用下的污泥温度约为150℃，10kW下的污泥则为250℃。据此可得，含水量为0的干燥污泥属于吸波能力较差的物体，将其直接放置于微波管式炉中将难以得到理想的温升效果，为此，在实践中需要掺加适量的吸波剂，以提升污泥的吸波率，改善温升水平，继而降低热处理时间，节约费用。

2.2 吸波剂种类的选择

本次试验为提升污泥的吸波水平，拟将掺入适当的吸波剂，如SiC、Fe2O3以及活性炭等，从而探究不同吸波剂的温升改善效果，不同吸波剂污泥在微波作用下的试验数据见图4。

图4 添加不同吸波剂湿污泥的升温曲线

由图4可知，当污泥升温至约100℃时，污泥处于水分脱除状态，该状态一般持续3min左右。相比掺入吸波剂的实验组，污泥中没有吸波剂时，其在作用35min后的最终温度仅约为200℃，远小于掺入吸波剂后污泥的最终温度（约600℃以上），其中加入SiC吸波剂材料的污泥最终温度达到700℃以上。该曲线对比表明，掺入吸波剂的污泥具有更好的温升作用，其能有效吸收微波作用功率，相比未掺吸波剂的污泥，温升改进效果显著，尤其是吸波剂SiC的温升改善效果最佳。

2.3 污泥热处理产物分析

将有一定含水率的污泥经过微波处理之后，其中的水分由于蒸发而以热解气体的形式被收集下来。在微波功率0.8kW、吸波剂SiC掺量为10%的工况下，经微波处理35min后，使用气相色谱仪对热解气体进行分析。结果显示，微波处置过的污泥虽还存在一定量的有害物，但相比处置前的类型和数量均大幅降低，表明微波加热时，大部分的有机毒性高分子得到了反应降解，湿污泥的微波热处理具有较好的无害化水平。与此同时，可将热解气体经冷凝得到液体收集物，再将其返回污水处理厂实现后续处理。

图5和图6分别是污泥在不同微波处理阶段的外观性状。由图可知，热处理前的湿污泥呈现湿润态，微波加热后颜色变深，呈现干燥的硬态。而对于污泥处置后所得的产物，其中的吸波剂SiC基本没有改变，可以回收再利用；而固体污泥中的有机物含量经检测仅不到1%，且水分基本被脱除，臭度等级低于2级，实现了高效的无害化处置要求。

图5 污泥热处理前后对比图

图6 处理后样品的分离效果图

3 应用效果分析

通过分析污泥的微波加热处置工艺可知，污泥微波处置过程主要包括几个阶段，如水分蒸发、有机物裂解、新物质生成等。经检测，气体冷凝后的液体中出现了较多的吲哚，其属于无毒的化学物质，而成分中的苯甲腈、对甲酚等则具轻微毒性。获得的干燥污泥中，其含水率已大幅降低，所含的有毒物质基本得到脱除，本次试验证明了微波加热处理污泥工艺的有效性，其能高效地对湿污泥中的有毒有机物质进行反应脱除，实现了无害化处理。

4 结语

本文针对湿污泥的处理难题，针对传统方法的不足，尝试利用微波加热工艺实现脱水处理。通过试验，分析了微波辅助处置技术的无害化机制，经过对微波处置后污泥以及液体产物成分的探究，认为湿污泥最佳的微波处理工况为功率0.8kW，处理时间35min，且宜掺入的吸波剂为SiC，掺量为10%。试验证明，处理后获得的干燥污泥中，有毒有机物质基本得到了反应脱除，表明微波加热处置污泥的工艺具有较好的无害化效果。