周翠紅，曾婉琳，陳佳蕊，鮑穎杰，趙昆鵬

(北京石油化工學院機械工程學院環(huán)境工程系，北京 102617)

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展水平的提高，城鎮(zhèn)污水排放量急劇增加，污泥的產(chǎn)量也隨之增加[1]。污水處理廠經(jīng)過機械脫水后的污泥含水率一般在75%～85%之間，由于污泥中含有大量的水分，這給污泥的堆放、運輸和處置帶來極大的困難和安全隱患。實踐表明，減量是污泥無害化和資源化的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，而干化是污泥實現(xiàn)減量最有效的方法[2-4]。為了滿足污泥進入環(huán)境消納需采取必要措施，使污泥在處置過程中不會對環(huán)境產(chǎn)生有害的影響[5]。污泥的熱干化處理可將污泥含水率從80%降低到40%以下，其主要優(yōu)點是占地相對較小、具有靈活性、處置出路較多。從目前國際上污泥處理處置的趨勢看，由于干化能耗方面的支出低于直接焚燒，效率遠高于堆肥和風干，從而成為發(fā)展最快、最適合于城市污水廠污泥減量化與資源化要求的方式。而我國污水污泥處理技術(shù)尤其是資源化利用技術(shù)的發(fā)展嚴重滯后于發(fā)達國家以及其他領(lǐng)域的科技發(fā)展水平，污泥處置和資源化利用已成為環(huán)境保護的重點[6-7]。

污泥深度脫水和處理帶來最大困難的是污泥顆粒復雜的結(jié)構(gòu)特性。Jorand[8]通過超聲波振蕩與粒徑分析，提出三層結(jié)構(gòu)污泥顆粒模型，認為單一顆粒(約125 μm)是由許多小聚集體(約13 μm)組合而成，而這些小聚集體再由大小約為2.5 μm的細菌細胞聚集而成，水分則是存在于顆粒之間、網(wǎng)狀體間隙、膠體表面以及微生物體內(nèi)。干化是傳熱與傳質(zhì)綜合作用的過程，完成表面水分汽化和內(nèi)部水分的擴散。污泥干化過程一般分為3個階段:升溫期、恒速干化階段和降速干化階段[9]。在污泥深度脫水過程中結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，干化收縮的一個重要現(xiàn)象，同時孔隙度發(fā)生明顯變化，干化面積減小，干化速率降低[10-11]。

天津大學雷海燕等[12]針對10、20 mm及30 mm直徑顆粒污泥球在105 ℃恒溫干化條件及10 mm直徑污泥球在90、105、120 ℃及135 ℃恒溫條件下的干化實驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，干化速率、干化溫度和污泥顆粒尺寸緊密相關(guān)，同時引入了熱動力學分析模型進行分析。上海交通大學研究人員利用實驗室熱風爐實現(xiàn)污泥固定床等溫干化，對未經(jīng)處理和化學處理的污泥的干化動力學行為和能量參數(shù)進行了評價[13]。Ali Mohammad Nikbakht[14]使用微波輔助進行污泥干化，可減少能量的消耗與干化時間，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了能量消耗與能量標準模型。

污泥的干化過程中有一個特殊的膠黏性階段造成內(nèi)部的干化效果差[15]，這為污泥的進一步滅菌和干化帶來了極大的困難，污泥含水率及污泥顆粒在熱作用下的形態(tài)變化具有重要意義。筆者重點研究了污泥在干化過程中如何解決和避免膠黏性問題，利用造粒裝置將污泥制成含水量為80%左右的顆粒，利用響應(yīng)曲面法設(shè)計并進行干化實驗，研究干化過程中含水率、減容率及污泥顆粒形態(tài)的變化，經(jīng)干化處理后的污泥呈顆粒狀或粉狀，有效實現(xiàn)污泥的減容。

1 實驗方法

1.1 實驗材料與儀器

實驗所用的污泥為某污水處理廠離心脫水后的剩余活性污泥，其含水率為80%～85%，黏度(室溫)為20 Pa·s。所用污泥造粒機為ST-106型制丸機，如圖1所示；水分測試儀為賽多利斯MA150型石英/紅外水分測定儀和梅特勒-托利多MC103型鹵素水分測定儀，前者適用于間歇型水分測試，后者適于連續(xù)型水分測試。

圖1 ST-106造粒機

1.2 污泥造粒與干化方法

利用ST-106型造粒機對污泥進行造粒。污泥先經(jīng)兩軸擠壓成餅狀，再將餅狀污泥剪切成條狀，最后由造粒軸把條狀污泥橫向剪切成粒狀。本試驗中干化方法分為紅外干化和微波輔助干化。

造粒后污泥各15顆放在測試水分托盤中，利用賽多利斯水分儀進行干化，定時進行污泥顆粒拍照與粒徑測試，并記錄當時的水分顯示值，以進行后續(xù)的干化過程分析。

造粒后污泥用微波專用器皿盛放，放入超聲微波組合反應(yīng)系統(tǒng)中用微波加熱。調(diào)節(jié)不同的微波加熱時間、功率對造粒后污泥進行微波輔助干化，以降低污泥含水率與改變污泥性狀，利用水分儀測量污泥顆粒的水分、拍照，以便進行后續(xù)干化形態(tài)分析。

1.3 單因素實驗

分別對加入砂土與氧化鈣的污泥進行造粒實驗，實驗結(jié)果表明，加入砂土的污泥顆粒結(jié)構(gòu)松散；加入氧化鈣的污泥顆粒造粒效果良好，這是由于氧化鈣的加入使得造粒過程中的污泥黏壁現(xiàn)象有明顯改善。添加不同質(zhì)量分數(shù)氧化鈣的污泥顆粒在干燥過程中污泥顆粒直徑與時間的變化曲線如圖2所示。

圖2 不同質(zhì)量分數(shù)氧化鈣污泥顆粒直徑變化曲線

1.4 響應(yīng)曲面法實驗

根據(jù)上述對污泥顆粒的干化方法研究污泥的干化效果，對污泥干化過程中的主要影響參數(shù)氧化鈣質(zhì)量分數(shù)、污泥顆粒直徑、微波加熱時間、物料質(zhì)量分別進行單因素實驗，初步確定最佳參數(shù)的取值范圍，根據(jù)最佳范圍進行因素水平測試，結(jié)果如表1所示。

表1 響應(yīng)曲面法實驗的因素與水平

利用Pesponse Surface中Box-Behnken進行實驗方案設(shè)計：以含水率達到40%所需時間、污泥減容率為響應(yīng)值設(shè)計四因素三水平響應(yīng)曲面法實驗，對所得擬合模型進行方差分析及顯著性檢驗，應(yīng)用模型進行響應(yīng)曲面分析并驗證。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 方差分析及顯著性檢驗

據(jù)上述設(shè)計的實驗方案對實驗進行分析，共進行27組實驗，分別在不同水平下調(diào)整因素數(shù)值，響應(yīng)曲面法實驗結(jié)果及其數(shù)據(jù)如表2所示。

模型方差分析及顯著性檢驗是衡量模型設(shè)計合理性及預(yù)測能力的重要方式，為分析單個控制變量的不同水平，以及多個控制變量的交互作用對污泥減容率和降低污泥含水率的顯著影響[16]，檢測實驗組與對照組之間是否有顯著差異，因此，對模型回歸方程進行方差分析及顯著性檢驗。污泥減容率模型的F值為2.75，且(Prob>F)為0.043 6；污泥含水率模型的F值為20.95，且(Prob>F)<0.000 1，說明兩模型均顯著，模擬精確，可用來分析和預(yù)測單因素與因素交互項對污泥減容率和降低污泥含水率的影響。此外，通過模型系數(shù)顯著性檢驗發(fā)現(xiàn)，對污泥減容率進行分析：微波加熱時間、粒徑與微波加熱時間交互項均為顯著影響因子；其中微波加熱時間的F值較大，說明與實驗結(jié)果相關(guān)性最強影響明顯。物料質(zhì)量F值較小，說明在實驗范圍內(nèi)影響小。對比F值亦可發(fā)現(xiàn)，自變量中微波作用時間對響應(yīng)值影響最明顯；交叉項中粒徑與微波時間的交互作用對污泥干化含水率的降低影響最明顯，對降低污泥含水率進行分析：氧化鈣質(zhì)量分數(shù)、粒徑、微波加熱時間、物料質(zhì)量、氧化鈣質(zhì)量分數(shù)與粒徑交互項均為顯著影響因子，粒徑與實驗結(jié)果相關(guān)性最強影響明顯，物料質(zhì)量在實驗范圍影響小。自變量對響應(yīng)值的影響次序為：粒徑>微波加熱時間>氧化鈣質(zhì)量分數(shù)>物料質(zhì)量；交互項中氧化鈣質(zhì)量分數(shù)與粒徑的交互作用對降低污泥含水率的影響較大。

2.2 響應(yīng)曲面法實驗結(jié)果分析

等高線形狀和三維響應(yīng)曲面反映交互效應(yīng)的強弱，根據(jù)二次擬合模型的響應(yīng)曲面和等高線評價各因素及其交互作用對污泥顆粒干化效果的影響，結(jié)果分別如圖3、圖4所示。3D圖能表征響應(yīng)曲面函數(shù)的形狀，曲面的曲率越大，因素的交互影響也就越大[17]。由圖3中可以看出，當氧化鈣質(zhì)量分數(shù)為2%、物料質(zhì)量為1.5 g時，隨著微波加熱時間的增加，污泥減容率所需的時間越短；當微波加熱時間較長、污泥粒徑較大時，污泥減容率變化較快。而從圖4中可以看出，當微波時間為2 min、物料質(zhì)量為1.5 g時，粒徑的減少有助于污泥含水率的降低，表現(xiàn)為曲線較陡峭。在同一直徑下，隨著氧化鈣質(zhì)量分數(shù)的提升，污泥含水率降低的趨勢變緩。兩者趨勢不同，減少粒徑的同時需要減少氧化鈣的質(zhì)量分數(shù)才能使污泥含水率降低的時間最短。

圖3 微波加熱時間、粒徑及其交互作用對污泥減容率的響應(yīng)曲面圖

圖4 氧化鈣質(zhì)量分數(shù)、粒徑及其交互作用對污泥含水率降至40%的響應(yīng)曲面圖

3 結(jié)論

利用添加藥劑、加熱處理、微波處理、改變粒徑以及混合條件對活性污泥干化的影響進行了相關(guān)的研究。設(shè)計了四因素三水平響應(yīng)曲面實驗，得出以下結(jié)論：

(1)添加氧化鈣對污泥顆粒的造粒與干化都有積極作用，氧化鈣的加入使得造粒過程中的污泥黏壁現(xiàn)象有明顯改善，避免添加劑過量引起的成本提升。

(2)污泥減容率的最佳條件為：氧化鈣質(zhì)量分數(shù)為3.94%、直徑為3.05 mm、微波加熱時間為0.85 min、物料質(zhì)量為1.04 g。

(3)污泥降低含水率的最佳條件為：氧化鈣質(zhì)量分數(shù)為3.95%、直徑為3.27 mm、微波加熱時間為3.98 min、物料質(zhì)量為1.7 g。