污水污泥是一種來源于市政或工業(yè)污水處理廠的固體廢棄物，主要包含水分、灰分和各種有機組分。由于污泥有機物含量高，且包含大量的細菌、病原體和微生物，并伴隨著惡臭氣體的散發(fā)，極易對生態(tài)環(huán)境造成污染。污泥中的水分給細菌滋生創(chuàng)造了有利條件，水分也是導致污泥惡臭、體積龐大和處理難度高的主因。污水處理廠排放的污泥含水率仍然高達80%左右，因此，污泥脫水干燥是實現(xiàn)污泥減量化和穩(wěn)定化，并最終實現(xiàn)無害資源化利用的關(guān)鍵預處理手段。
目前，污泥干燥采用的主要是熱干燥技術(shù)，具有干燥速度快、處理量大和占地小等優(yōu)點，應用前景廣闊。根據(jù)熱干燥過程傳熱機理不同，熱干燥可分為直接干燥、間接干燥和混合式干燥。其中，間接干燥具有尾氣量小和安全性高的優(yōu)點。為降低間接干燥傳熱阻力，提高干燥速率，間接攪拌式干燥設(shè)備如：槳葉式干化機、圓盤干化機和薄層干化機等得到了廣泛應用。污泥攪拌過程中的干燥和傳熱過程復雜，本文以某市政污泥為例，研究了污泥在小型槳葉式干化機內(nèi)的干燥特性，并探討了污泥干燥過程的溫度變化規(guī)律。
1、實驗部分
1.1 實驗物料
所用污泥來自上海某污水處理廠，含水率為3.6kg水kg-1干基(DS)。將干污泥研磨成粉末，分別參照國標GB/T212-91和GB/T476-2001對干污泥粉末進行工業(yè)和元素分析，采用氧彈量熱儀測量干污泥粉末熱值，結(jié)果如表1所示。
1.2 實驗裝置及測試方法
污泥的干燥特性試驗在1kg/h的小型槳葉式干化機內(nèi)完成，試驗裝置如圖1所示。該系統(tǒng)裝置主要由小型槳葉式干化機、加熱溫控裝置、冷凝裝置、真空泵和電子天平組成，槳葉式干化機的載熱介質(zhì)為導熱油。在污泥干燥過程中，干燥尾氣通過真空泵引入冷凝裝置，尾氣中的水蒸氣被冷凝下來，并流入放置在電子天平上的玻璃容器中，根據(jù)天平的讀數(shù)變化可計算出污泥干燥速率及污泥含水率的變化。此外，熱電偶溫度計從干化機頂蓋位置插入污泥中，以實時監(jiān)測污泥在干燥過程中的溫度變化趨勢。
對污泥干燥冷凝液的品質(zhì)進行了監(jiān)測，其中化學需氧量(COD)根據(jù)美國《水和廢水標準監(jiān)測方法》檢測，五日生化需氧量(BOD5)根據(jù)國標GB/T7488-1987檢測，氨氮根據(jù)國標GB/T7479-1987檢測。
2、實驗結(jié)果及討論
2.1 污泥間接攪拌干燥特性分析
圖2(左)所示為污泥在160℃和180℃下的干燥速率隨污泥含水率的變化曲線，可以看出180℃下的污泥干燥速率顯著高于160℃。在干燥的起始階段，污泥干燥速率有急劇的上升，這是由于干燥初始階段污泥有一個快速升溫過程，以及隨之而來的水分蒸發(fā)過程;當含水率降至3.0kg水kg-1DS時，污泥干燥速率開始快速下降，其原因是由于污泥含水率降低后其粘稠性增大，導致可攪拌性變差和傳熱阻力提高。在1.4~2.4kg水kg-1DS含水率區(qū)間，污泥干燥速率達到低谷，并保持相對穩(wěn)定，這一區(qū)間為污泥粘滯區(qū)，污泥大量粘附在槳葉上，導致傳熱惡化。然而，當含水率低于1.4kg水kg-1DS時，干燥速率又有顯著增加，這是由于污泥從槳葉上脫落后破碎為小顆粒，污泥干燥比表面積增大。圖2(右)所示為160℃和180℃下污泥的失重曲線，可以看出160℃時污泥達到完全干燥的時間約為4小時，而180℃時完全干燥時間約為3小時，可見溫度對干燥速率的顯著影響。
2.2 污泥溫度變化特性分析
圖3所示為不同干燥溫度下污泥溫度變化規(guī)律曲線，從圖中可以看出，不同干燥溫度下污泥的溫度曲線具有相似的變化規(guī)律。在干燥初始階段，污泥溫度快速從環(huán)境溫度升至100℃左右的蒸發(fā)溫度，并在此溫度下維持約30分鐘。這一階段污泥傳熱和攪拌性能好，具有很高的干燥速率，對應圖2中的2.8~3.6kg水kg-1DS含水率區(qū)間。從30~40分鐘開始，污泥溫度開始有明顯的下降，表明污泥的加熱出現(xiàn)了惡化，這和前面所述由于傳熱惡化導致干燥速率降低的結(jié)論是一致的。從圖中可以看出，污泥在低溫段要維持較長時間，直至污泥進入顆粒區(qū)后，污泥溫度才得以回升。當污泥水分接近全干燥時，污泥溫度會超過常壓下水的飽和溫度，160℃和180℃干燥時的干污泥溫度更高分別可達到135℃和162℃。干燥末期污泥溫度的快速升高是基于兩方面原因：一方面，在干燥末期，污泥中的含水率已降至很低水平，污泥顆粒表面甚至已經(jīng)接近全干，因此會在高溫壁面的加熱下進一步升溫;另一方面，此時污泥中的間隙水和表面水已蒸發(fā)完畢，殘留的是內(nèi)部結(jié)合水，具有很大結(jié)合能，需要在高溫下才能去除。
2.3 污泥干燥冷凝液品質(zhì)分析
通過對干燥氣體冷凝液進行收集，并分析了冷凝液中的pH值、COD值、BOD5和氨氮濃度，結(jié)果如表2所示。其中pH為9.3呈堿性，表明污泥干燥過程中有大量堿性揮發(fā)物質(zhì)釋放。有研究表明，污泥干燥過程中會釋放大量氨氣，氨氣極易溶于水，從而使干燥冷凝液呈堿性，由表中所示的冷凝液中含有很高濃度的氨氮(167mg/L)也從側(cè)面驗證了干燥過程中氨氣的大量釋放。冷凝液中COD值和BOD5值分別為430mg/L和150mg/L，表明干燥過程中還有大量揮發(fā)性有機物釋放出來。研究表明，污泥在干燥過程中還會釋放甲烷、正己烷和苯等鏈烴或芳香烴等有機氣體，這都會導致污泥中的COD值和BOD5值增加。表2中還給出了市政污水處理廠對進水水質(zhì)的要求，可以看出，冷凝液的pH值、COD值、BOD5值和氨氮值均顯著高于污水廠進水水質(zhì)標準限值。因此，干燥冷凝液必須通過進一步處理或稀釋才能夠排放。
3、結(jié)論
本文研究了污泥在槳葉式干化機內(nèi)的攪拌干燥特性，研究結(jié)果表明，污泥在干燥初始階段具有很高的干化速率;隨著含水率降低，污泥進入粘滯區(qū)，污泥傳熱和攪拌特性惡化，干化速率顯著降低;當含水率低于粘滯區(qū)后，污泥進入破碎階段，干化速率又得以回升。污泥的溫度變化也呈現(xiàn)出現(xiàn)升高，后降低，再升高的變化趨勢。污泥干化冷凝液品質(zhì)分析結(jié)果表明，冷凝液中的pH值、COD值、BOD5值和氨氮值等指標均顯著高于污水處理廠進水水質(zhì)標準，為冷凝液的進一步處理指明了方向。(來源：中國污水處理工程網(wǎng)，上海城投污水處理有限公司)
