劉念汝　王光華　李文兵　陳彪　呂立君　盧露露　劉貝

(武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院　武漢 430081)

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城市污泥微波干化及污染物析出特性研究

劉念汝王光華李文兵陳彪?yún)瘟⒕R露露劉貝

(武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院武漢 430081)

污泥微波干化污染物

0　引言

隨著我國(guó)城市污水處理率的逐年提高，污泥產(chǎn)量日益增多。污泥中含有大量的重金屬、有機(jī)物及病原菌和寄生蟲(chóng)，極易腐敗和產(chǎn)生惡臭，如果得不到妥善的處置將會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。經(jīng)機(jī)械脫水后的污泥含水率仍在80%左右，高含水率給污泥的處置帶來(lái)困難，須脫水干化，以便進(jìn)一步處理。

目前，熱干化是主要的污泥干化技術(shù)，但是傳統(tǒng)熱干化技術(shù)投資大、運(yùn)行費(fèi)用高且有防爆等要求。隨著環(huán)保和節(jié)能減排要求的日趨嚴(yán)格，研究環(huán)保、高效的新型污泥干化方式是污泥處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)。近年來(lái)微波干化技術(shù)以加熱速度快、熱效率高、操作簡(jiǎn)單、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸受到廣泛關(guān)注[1]。本實(shí)驗(yàn)主要研究污泥在微波加熱條件下的干化特性，并對(duì)微波干化過(guò)程產(chǎn)生的冷凝液進(jìn)行水質(zhì)分析。

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1城市污泥

實(shí)驗(yàn)所用污泥分別取自武漢市二郎廟、落步嘴、湯遜湖污水處理廠，工業(yè)分析結(jié)果如表1所示。

表1　污泥工業(yè)分析　%

1.1.2實(shí)驗(yàn)儀器

MILESTONE微波反應(yīng)器(START S，功率0～1 200 W連續(xù)可調(diào))；電熱鼓風(fēng)干燥箱(天津泰斯特儀器有限公司，101-2AB型)；分析天平(梅特勒-托利多，AL204型)；pH計(jì)(Thermo Orion)；紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海儀電分析儀器有限公司，752N型)；氨氮蒸餾裝置等。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1直接干化實(shí)驗(yàn)方法

稱取一定質(zhì)量的二郎廟污泥平鋪在培養(yǎng)皿(直徑125 mm，下同)上，分別鋪成2，4，10 mm厚，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，每隔10 min取出迅速稱量，稱量后放回干燥箱繼續(xù)干燥。

1.2.2微波干化實(shí)驗(yàn)方法

稱取一定質(zhì)量的二郎廟污泥平鋪在培養(yǎng)皿上，分別鋪成2，4，10 mm厚，放入微波反應(yīng)器的中央，設(shè)置不同微波功率加熱，每隔1 min取出稱量，稱量后迅速放回微波反應(yīng)器繼續(xù)干燥。另取一定質(zhì)量的落步嘴、湯遜湖污泥，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

1.2.3微波干化冷凝液收集與測(cè)定實(shí)驗(yàn)方法

分別稱取1 000 g的3種污泥，放入定制的有底玻璃筒(直徑100 mm，高250 mm)中，把玻璃筒置于微波反應(yīng)器中央，連接冷凝管及冷凝液收集裝置，設(shè)置不同的微波功率加熱，收集微波干化過(guò)程的冷凝液。

溫度、污泥厚度對(duì)污泥直接干化過(guò)程的影響見(jiàn)圖1～3。溫度越高干化過(guò)程越快，當(dāng)污泥厚度為4 mm，溫度為80，100，120 ℃時(shí)，污泥達(dá)到全干化(含水率10%以下)所需時(shí)間分別為200，110，80 min。溫度相同時(shí)，泥餅厚度越薄，干化速率越快。120 ℃時(shí)厚度為10 mm的泥餅需200 min達(dá)到全干化，厚度為4 mm需80 min，而2 mm則需30 min。干化過(guò)程污泥表面會(huì)結(jié)殼，阻礙污泥內(nèi)部水分的散失；污泥越厚，表面結(jié)殼現(xiàn)象越嚴(yán)重。這表明直接干化時(shí)溫度和污泥厚度是影響干化速率的兩個(gè)主要因素。

圖1　80 ℃直接干化過(guò)程

圖2　100 ℃直接干化過(guò)程

圖3　120 ℃直接干化過(guò)程

2.2微波功率、厚度、不同成分對(duì)污泥微波干化過(guò)程的影響分析

2.2.1微波功率的影響

將污泥平鋪在培養(yǎng)皿上，厚度為4 mm，考察污泥在不同微波功率時(shí)的干化過(guò)程，測(cè)得的污泥含水率隨時(shí)間變化情況如圖4。

圖4　不同功率微波干化過(guò)程

由圖4可知，與直接干化相比，微波干化所需時(shí)間大為減少。功率越大，污泥脫水速率越快。當(dāng)泥餅厚度為4 mm，微波功率為600，800，1 000和1 200 W時(shí)，污泥含水率降至10%以下分別需10，7，6和3 min，600 W條件下所需時(shí)間為相同厚度時(shí)直接干化的1/20～1/8。微波功率越大，單位質(zhì)量的污泥吸收的微波能越多，污泥中的水分達(dá)到汽化點(diǎn)需要的時(shí)間越短[2]，形成的壓力梯度也就越大，加速內(nèi)部水分?jǐn)U散到表面的速率，干化過(guò)程也就越快。微波干化過(guò)程中泥餅干燥程度相同，表面無(wú)“結(jié)殼”現(xiàn)象出現(xiàn)，具有快速、均勻的優(yōu)點(diǎn)。

2.2.2泥餅厚度的影響

將二郎廟污泥平鋪在培養(yǎng)皿中，厚度分別為2，4，10 mm，微波功率設(shè)置為1 000 W進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的污泥含水率隨時(shí)間變化情況如圖5。

由圖5可知，在微波功率為1 000 W，厚度為2，4，10 mm的污泥干化至6 min時(shí)含水率分別降至2.63%，7.36%和6.23%，均達(dá)到全干化要求。厚度越小，干化過(guò)程越快。從第7 min起，不同厚度污泥干燥曲線接近。與直接干化相比，厚度對(duì)微波干化過(guò)程的影響要小。

圖5　不同厚度污泥微波干化過(guò)程

2.2.3不同來(lái)源污泥的影響

研究了湯遜湖、落步嘴、二郎廟3個(gè)污水處理廠污泥在厚度為4 mm，功率為1 000 W條件下的干化過(guò)程，各污泥含水率隨時(shí)間變化情況如圖6。

圖6　不同污泥微波干化過(guò)程

由表1和圖6可知，盡管3種污泥成分相差較大，但干燥曲線相似。湯遜湖、落步嘴、二郎廟污泥的初始含水率分別為85.66%，81.72%，76.89%，第5 min時(shí)含水率分別降至4.13%，7.42%，10.48%，達(dá)到全干化分別需4，5，6 min，所需時(shí)間相差不大。在2～9 min時(shí)，湯遜湖污泥含水率下降最快，落步嘴次之，二郎廟最慢。污泥從開(kāi)始微波加熱到含水率降至10%以下這一階段，初始含水率越高污泥脫水速率越快。分析認(rèn)為，可能因?yàn)樗橇己玫奈ㄎ镔|(zhì)，初始含水率越高，相同體積下含水量越多，吸收的微波能也越多，污泥內(nèi)部的壓力升高加快，形成較大的壓力梯度將水分從污泥內(nèi)排出。

2.3微波干化冷凝液水質(zhì)分析

收集3種污泥在沸騰時(shí)干化氣體的冷凝液進(jìn)行研究。由于污泥是一種復(fù)雜的混合物，污泥在不同功率條件下沸騰時(shí)的溫度接近但低于水的沸點(diǎn)，微波功率越高，污泥達(dá)到沸騰所需時(shí)間越短。

2.3.1pH值

圖7　不同微波功率干化冷凝液pH值

2.3.2COD

微波干化過(guò)程中污泥的溫度均在100 ℃以下，屬于低溫干燥，冷凝液中COD主要來(lái)自低分子有機(jī)物的揮發(fā)冷凝，在微波功率為700～1 200 W時(shí)，化冷凝液COD質(zhì)量濃度變化見(jiàn)圖8。落步嘴污泥干化冷凝液COD最低，為184～339 mg/L，隨功率的增大COD有減小的趨勢(shì)；湯遜湖污泥的COD比落步嘴要高，為480～1 088 mg/L，變化范圍較大，其隨功率的增大而減小的趨勢(shì)與落步嘴類似但更明顯；二郎廟COD在700～900 W從818 mg/L降至最低值258 mg/L，900 W后隨功率的增大而逐漸升高，最大值為1 270 mg/L。污泥的種類和微波功率對(duì)冷凝液COD有較大影響。鄒道安等[5]利用槳葉式干化機(jī)在160 ℃得到的冷凝液COD為8 510 mg/L；李安峰等[6]在250 ℃得到的冷凝液COD高達(dá)13 810±3 280 mg/L，本次實(shí)驗(yàn)所得冷凝液的COD與兩者相比明顯要小。

圖8　不同微波功率干化冷凝液COD

圖9　不同微波功率干化冷凝液-N

3　結(jié)論

(1)污泥直接干化耗時(shí)長(zhǎng)，溫度和污泥厚度是影響污泥脫水速率的主要因素，溫度越高、泥餅厚度越薄，干化過(guò)程越快。

(2)污泥微波干化耗時(shí)短、效率高；厚度為4 mm的污泥在功率為1 200 W時(shí)，3 min即可將含水率降至10%以下；微波功率和污泥厚度對(duì)干化速率都有影響，高功率、低厚度有利于干化過(guò)程，但與直接干化相比，不同功率和厚度條件下，污泥達(dá)到全干化所需時(shí)間相差不大。湯遜湖、落步嘴、二郎廟3種污泥干燥曲線類似，污泥種類對(duì)干化過(guò)程影響不大。

[1]楊卜，袁文輝，馬保中，等．電鍍污泥微波干燥預(yù)處理試驗(yàn)研究[J]．環(huán)境科技，2013，26(1)：1-3．

[2]周健，李志剛，楊士偉，等．微波功率、輻照時(shí)間及污泥量對(duì)污泥微波干燥效能的綜合影響研究[J]．環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010，4(10)：2378-2380．

[3]張雄．污泥低溫干燥及冷凝液污染特性分析[D]．沈陽(yáng)：沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，2012：29-31．

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[5]鄒道安，黃瑾，白海龍，等．污泥熱干化和燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究[J]．環(huán)境污染與防治，2012，34(4)：5-8．

[6]李安峰，駱堅(jiān)平，黃丹，等．污泥干化冷凝水水質(zhì)特性分析[J]．環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2015，9(1)：253-255．

Study on Microwave Drying and Pollution Emission Characteristics of Municipal Sewage Sludge

LIU NianruWANG GuanghuaLI WenbingCHEN BiaoLYU LijunLU LuluLIU Bei

(CollegeofChemicalEngineeringandTechnology，WuhanUniversityofScienceandTechnologyWuhan430081)

2015-05-26)

劉念汝，男，1988年生，碩士研究生，研究方向?yàn)楣虖U處理及資源化利用。