李義

（河北遷曹高速公路開發(fā)有限公司，河北 唐山 063000）

1 污泥微波預(yù)處理工藝

1.1 微波技術(shù)理論

在以往的污泥處置方案中，基于熱處理的方式存在工效差、效果不顯著等弊端，而通過研究發(fā)現(xiàn)，相比以往方案，微波處置能具備更好的熱處理效果，因此得到了業(yè)內(nèi)的普遍推廣。作為電磁波的一個(gè)分支，微波的波長范圍較寬，可達(dá)1～1000mm，而頻率則介于0.3～300GHz之間。微波在現(xiàn)代化新興技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，如雷達(dá)、通信以及信息等方面。另外，鑒于其波長處于無線電波與紅外線區(qū)間，實(shí)踐中也可作為一種能源開展利用，如對需要升溫的物體進(jìn)行加熱或烘干等，并具備一定的除菌效果。在加熱時(shí)，其原理是中介物體通過自身電能的消耗，進(jìn)而引發(fā)相應(yīng)的熱量，實(shí)現(xiàn)加熱效果。對于同一物質(zhì)而言，不同的微波磁場的加熱效應(yīng)存在不同。其中，將微波加熱工藝應(yīng)用于污泥處置時(shí)，可提高微生物細(xì)胞的破壞效果，改進(jìn)脫水率，并基于生物降解功能，實(shí)現(xiàn)更快更好的污泥處置效果。

1.2 污泥微波預(yù)處理細(xì)胞破壁脫水

為提高工程污泥的處置效率，可采取微波預(yù)處理技術(shù)，通過該工藝能將絮體和微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)裂解，使細(xì)胞及有機(jī)質(zhì)破壞解體，從而加快污泥處置速度，節(jié)約處理成本并減少污染，具有較好的實(shí)際價(jià)值。本文依托某公路工程中的污水處理廠，開展污泥處理試驗(yàn)分析?，F(xiàn)場所選取的污泥中有機(jī)質(zhì)含量約為40%，呈現(xiàn)黑臭形貌，具黏稠糊狀。經(jīng)檢測，污泥含水量接近90%，其成分分析見表1。項(xiàng)目試驗(yàn)中應(yīng)用的裝置為微波管式加熱爐。

表1 污泥的工業(yè)分析和元素分析

1.3 污泥微波脫水

本次試驗(yàn)中的污泥含水率將近90%，如此多的水分常規(guī)措施難以完全脫除干凈，擬采用微波脫水工藝開展處理。污泥中的水分既包括微生物細(xì)胞里的水，也包括以游離形式存在并與膠狀物懸浮于污泥構(gòu)造中的水（該部分水占絕大多數(shù)）。試驗(yàn)中，將微波脫水功率設(shè)定至0.8kW，在此基礎(chǔ)上分析微波作用時(shí)間下的含水率變化情況，數(shù)據(jù)見表2。由表可知，微波作用初期，污泥中的水分脫除速度較快，隨著時(shí)間增加，水分脫除速度逐漸趨于緩慢，直至微波作用10min后，污泥中的水分基本被去除完全。

表2 污泥水分含量變化

1.4 實(shí)際微波能量利用率估算

為分析微波功率作用中起到有效脫水部分的占比，從圖1可知，在沒有脫水量時(shí)，微波無效作用功約為30kJ。而在實(shí)驗(yàn)室工況下，當(dāng)功率為0.8kW且作用于污泥4min時(shí)，40g污泥的微波能量利用效率達(dá)36%左右，由此分析可得，30kJ的無用功等同于0.8kW微波照射時(shí)間35s的效果。與此同時(shí)，鑒于微波本身效率約為90%，則針對30kJ無用功，獲知在實(shí)驗(yàn)室工況下的最終實(shí)際微波利用效率為48%，相較于理論數(shù)據(jù)，該利用率提升約12%。

圖1 0.8kW下脫水量隨微波輸入功的變化曲線

2 污泥微波無害化處理工藝研究

2.1 污泥在微波場中的升溫特性

本次試驗(yàn)中為研究污泥在微波條件下的升溫規(guī)律，擬采取10kW功率的微波源作用于含水量約為90%的污泥中，同時(shí)設(shè)置含水量為0的污泥，采取同樣試驗(yàn)條件作為對照分析。其中的污泥試樣均為40g，氣氛主要為氮?dú)狻烧叩脑囼?yàn)升溫情況見圖2。

根據(jù)圖2可知，實(shí)驗(yàn)組和對照組最終的升溫均達(dá)到250℃。本次實(shí)驗(yàn)組中的污泥含水量約達(dá)90%之多，從升溫曲線可知，早期污泥溫升較快，至100℃后趨于平緩，當(dāng)溫度升至200℃時(shí)，升溫速度再次加快，原因是此時(shí)污泥中的水分基本完全被脫除，最終溫度升至250℃。而對于干燥污泥的對照組而言，其升溫曲線在200℃前均保持較快速度，直至作用時(shí)間約為20min后，溫度上升趨勢減緩，最終達(dá)到250℃左右。為進(jìn)一步分析微波功率與污泥溫升之間的關(guān)系，擬選取0.6、0.8以及1.0kW三種功率數(shù)值，分析相應(yīng)污泥的升溫曲線，見圖3。

圖2 干、濕污泥在微波場中的升溫曲線

圖3 吸波劑條件下濕污泥的升溫曲線

由圖3分析可知，0.6kW的功率條件下，當(dāng)作用時(shí)間達(dá)35min時(shí)，污泥的最終溫度約為90℃，而在相同作用時(shí)間下，0.8kW作用下的污泥溫度約為150℃，10kW下的污泥則為250℃。據(jù)此可得，含水量為0的干燥污泥屬于吸波能力較差的物體，將其直接放置于微波管式爐中將難以得到理想的溫升效果，為此，在實(shí)踐中需要摻加適量的吸波劑，以提升污泥的吸波率，改善溫升水平，繼而降低熱處理時(shí)間，節(jié)約費(fèi)用。

2.2 吸波劑種類的選擇

本次試驗(yàn)為提升污泥的吸波水平，擬將摻入適當(dāng)?shù)奈▌?，如SiC、Fe2O3以及活性炭等，從而探究不同吸波劑的溫升改善效果，不同吸波劑污泥在微波作用下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 添加不同吸波劑濕污泥的升溫曲線

由圖4可知，當(dāng)污泥升溫至約100℃時(shí)，污泥處于水分脫除狀態(tài)，該狀態(tài)一般持續(xù)3min左右。相比摻入吸波劑的實(shí)驗(yàn)組，污泥中沒有吸波劑時(shí)，其在作用35min后的最終溫度僅約為200℃，遠(yuǎn)小于摻入吸波劑后污泥的最終溫度（約600℃以上），其中加入SiC吸波劑材料的污泥最終溫度達(dá)到700℃以上。該曲線對比表明，摻入吸波劑的污泥具有更好的溫升作用，其能有效吸收微波作用功率，相比未摻吸波劑的污泥，溫升改進(jìn)效果顯著，尤其是吸波劑SiC的溫升改善效果最佳。

2.3 污泥熱處理產(chǎn)物分析

將有一定含水率的污泥經(jīng)過微波處理之后，其中的水分由于蒸發(fā)而以熱解氣體的形式被收集下來。在微波功率0.8kW、吸波劑SiC摻量為10%的工況下，經(jīng)微波處理35min后，使用氣相色譜儀對熱解氣體進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，微波處置過的污泥雖還存在一定量的有害物，但相比處置前的類型和數(shù)量均大幅降低，表明微波加熱時(shí)，大部分的有機(jī)毒性高分子得到了反應(yīng)降解，濕污泥的微波熱處理具有較好的無害化水平。與此同時(shí)，可將熱解氣體經(jīng)冷凝得到液體收集物，再將其返回污水處理廠實(shí)現(xiàn)后續(xù)處理。

圖5和圖6分別是污泥在不同微波處理階段的外觀性狀。由圖可知，熱處理前的濕污泥呈現(xiàn)濕潤態(tài)，微波加熱后顏色變深，呈現(xiàn)干燥的硬態(tài)。而對于污泥處置后所得的產(chǎn)物，其中的吸波劑SiC基本沒有改變，可以回收再利用；而固體污泥中的有機(jī)物含量經(jīng)檢測僅不到1%，且水分基本被脫除，臭度等級低于2級，實(shí)現(xiàn)了高效的無害化處置要求。

圖5 污泥熱處理前后對比圖

圖6 處理后樣品的分離效果圖

3 應(yīng)用效果分析

通過分析污泥的微波加熱處置工藝可知，污泥微波處置過程主要包括幾個(gè)階段，如水分蒸發(fā)、有機(jī)物裂解、新物質(zhì)生成等。經(jīng)檢測，氣體冷凝后的液體中出現(xiàn)了較多的吲哚，其屬于無毒的化學(xué)物質(zhì)，而成分中的苯甲腈、對甲酚等則具輕微毒性。獲得的干燥污泥中，其含水率已大幅降低，所含的有毒物質(zhì)基本得到脫除，本次試驗(yàn)證明了微波加熱處理污泥工藝的有效性，其能高效地對濕污泥中的有毒有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)脫除，實(shí)現(xiàn)了無害化處理。

4 結(jié)語

本文針對濕污泥的處理難題，針對傳統(tǒng)方法的不足，嘗試?yán)梦⒉訜峁に噷?shí)現(xiàn)脫水處理。通過試驗(yàn)，分析了微波輔助處置技術(shù)的無害化機(jī)制，經(jīng)過對微波處置后污泥以及液體產(chǎn)物成分的探究，認(rèn)為濕污泥最佳的微波處理工況為功率0.8kW，處理時(shí)間35min，且宜摻入的吸波劑為SiC，摻量為10%。試驗(yàn)證明，處理后獲得的干燥污泥中，有毒有機(jī)物質(zhì)基本得到了反應(yīng)脫除，表明微波加熱處置污泥的工藝具有較好的無害化效果。