葉澤鵬，宋憲強(qiáng)*，周錫武

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院土木工程系，廣東佛山528000；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院空間信息與資源環(huán)境系，廣東佛山528000）

污泥是污水處理過程中的副產(chǎn)物，由于高含水率和難脫水的性質(zhì)，其處理處置和利用問題一直是人們所關(guān)注的熱點問題［1-3］。因此，探索一種高效的成本低的污泥處理方法是很有必要的。低溫水熱處理作為一門新興技術(shù)，其應(yīng)用于污泥處理領(lǐng)域具有良好的脫水效果并能產(chǎn)生可再生利用的產(chǎn)品，逐漸被人們所關(guān)注［4-6］。李海英等對城市生活污泥進(jìn)行了中低溫（250~700℃）熱解的試驗研究，結(jié)果表明熱解的適宜溫度為450℃左右，該溫度下燃油產(chǎn)物和氣體產(chǎn)物可以作為能源回收利用［7］。邵立明等建立了污泥低溫?zé)峤膺^程的能量平衡方程，指出270℃為適宜反應(yīng)溫度，污泥熱解過程中能量是凈輸出的狀態(tài)［8］。沈巧煉對城市污泥低溫?zé)峤饧夹g(shù)的影響因素進(jìn)行分析，研究表明反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、反應(yīng)速率和催化劑對污泥熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率均有影響［9］。上述研究揭示了污泥熱解的過程，為污泥的進(jìn)一步利用提供了參考價值，但目前關(guān)于污泥低溫水熱過程中污泥脫水性能變化的研究較少，對影響污泥脫水的因素仍缺乏深入研究。

本研究進(jìn)行不同處理溫度和反應(yīng)停留時間下的水熱處理實驗，通過考察反應(yīng)前后污泥的過濾性能、沉降性能等揭示污泥在低溫水熱處理中的脫水過程，并選擇水熱反應(yīng)的最佳工藝參數(shù)，為后續(xù)污泥進(jìn)一步處置利用得到低含水率的污泥提供條件。

1 材料與方法

1.1 試供污泥

實驗所用污泥取自佛山市某污水廠濃縮池，該廠污水處理采用改良的A2/O工藝。為避免污泥理化性質(zhì)隨時間變化進(jìn)而影響實驗數(shù)據(jù)的可靠性，所有試驗污泥均是當(dāng)天取樣并完成實驗。試樣污泥的基本特性如表1所示。

表1 試樣污泥的基本特性

1.2 污泥水熱碳化處理過程

實驗采用的污泥水熱處理裝置為500 mL的高壓反應(yīng)釜。其基本處理按以下步驟進(jìn)行操作。

（1）量取約為400 mL供試污泥置入反應(yīng)釜，蓋上反應(yīng)釜釜蓋。

（2）通過進(jìn)氣口向反應(yīng)釜通高純氮10 min，以趕走釜內(nèi)空氣，使反應(yīng)處于無氧環(huán)境。

（3）擰緊氣閥，使其處于密閉狀態(tài)。

（4）在控制器中設(shè)置反應(yīng)溫度分別為130、160、190、220和250℃，反應(yīng)停留時間分別為15 min、30 min、1 h、1.5 h和2 h，并以20 r/min的速率開啟攪拌器進(jìn)行攪拌，以2℃/min的加熱速率對反應(yīng)釜進(jìn)行加熱，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)污泥樣品的溫度達(dá)到設(shè)定的水熱溫度時開始計時。

（5）按照設(shè)定的水熱停留時間進(jìn)行水熱處理。

（6）待反應(yīng)完成后，內(nèi)冷卻盤通自來水使反應(yīng)物加速冷卻至室溫，所得到的泥水混合物即為待測產(chǎn)物。

1.3 分析方法

通過考察污泥比阻、泥餅含水率以及污泥體積指數(shù)3個指標(biāo)來表征污泥的脫水性能。

（1）污泥比阻通過布氏漏斗抽濾法進(jìn)行測定（TG-250，上海同廣科教儀器有限公司）。

（2）泥餅含水率使用重量法測定，將經(jīng)過0.06 Mpa定壓抽濾脫水后的污泥泥餅若干稱重，然后放入烘箱中在105℃溫度下烘干至恒重然后稱重，減少的水分即為污泥中的水分含量。

（3）污泥體積指數(shù)（SVI）是指污泥經(jīng)過30 min靜沉后，每單位質(zhì)量的干污泥所占有的容積（以mL計）。

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥過濾性能分析

比阻是評價污泥脫水性能的重要性指標(biāo)，一般認(rèn)為，比阻大于1.0×109s2/g的污泥較難脫水，在（0.5~0.9）×109s2/g的污泥脫水性能中等，比阻小于0.4×109s2/g的污泥則易于脫水［10-11］。

本研究污泥比阻隨各反應(yīng)條件下的變化情況如圖1所示。

圖1 污泥比阻隨各反應(yīng)條件下的變化

2.1.1 水熱反應(yīng)溫度對比阻的影響

由圖1可知，水熱反應(yīng)溫度對污泥的脫水性能有顯著影響。

（1）當(dāng)處理溫度為130℃和160℃時污泥的比阻比原污泥要大，說明在130℃和160℃溫度下，污泥的脫水性能變差。通過觀察反應(yīng)后的產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)在130℃和160℃處理溫度下的反應(yīng)產(chǎn)物，濾液比較粘稠，用布氏漏斗抽濾時會出現(xiàn)泡沫，可能是因為在130℃和160℃溫度下微生物絮體細(xì)胞破裂，胞內(nèi)有機(jī)物釋放出來，使得污泥粘度增大，導(dǎo)致過濾性能變差。

（2）當(dāng)水熱溫度達(dá)到190℃時，除了處理時間為15 min的水熱產(chǎn)物，其他反應(yīng)時間的水熱污泥比阻都比原污泥要小，說明在190℃的反應(yīng)溫度下，反應(yīng)產(chǎn)物的脫水性能已經(jīng)顯著改善。

（3）隨著水熱溫度提高至220℃和250℃，最佳的比阻值可進(jìn)一步降低至2.78×108s2/g和1.32×108s2/g。

由圖1還可知，當(dāng)水熱反應(yīng)溫度高于190℃，比阻降低的幅度有限，190、220和250℃的水熱污泥與上一溫度條件的水熱污泥相比，比阻分別降低了86.64%、18.11%和36.64%，說明高溫對剩余污泥脫水的影響開始趨于平緩。綜合能耗等因素，190℃是一個比較適宜的水熱反應(yīng)溫度。

2.1.2 反應(yīng)停留時間對比阻的影響

反應(yīng)停留時間對污泥比阻也有一定影響。

（1）當(dāng)反應(yīng)溫度為130℃時，測得污泥比阻值較大，處于2×109s2/g以上。

（2）當(dāng)反應(yīng)溫度為160℃時，污泥比阻仍大于2×109s2/g。與130℃不同的是，此溫度下的污泥隨著反應(yīng)時間的增加污泥比阻值逐漸降低，說明在160℃溫度下反應(yīng)時間對污泥的脫水性能有影響，污泥的脫水性能隨著反應(yīng)時間的增加而改善。

（3）當(dāng)反應(yīng)溫度為190℃時，反應(yīng)停留時間對此溫度下的污泥比阻有較大影響，從反應(yīng)時間為15 min的2.281×109s2/g到反應(yīng)時間為2 h的3.39×108s2/g，變化幅度為85.14%。當(dāng)反應(yīng)時間為1.5 h時，比阻值降低至3.39×108s2/g，與反應(yīng)時間為2 h的比阻值相同，說明當(dāng)溫度為190℃時，反應(yīng)1.5 h以后污泥的比阻值趨于穩(wěn)定。

（4）當(dāng)溫度為220℃時，污泥的比阻隨著反應(yīng)時間的增加而降低，變化幅度為57.62%。

（5）當(dāng)溫度達(dá)到250℃時，各反應(yīng)時間的比阻值均在4×108s2/g以下，此時隨著反應(yīng)時間的改變污泥比阻值并沒有隨之降低，此溫度下污泥的比阻值已達(dá)到較低且穩(wěn)定的值。

由圖1可以看到，190℃和220℃溫度下反應(yīng)1.5 h以上的比阻值以及250℃各個反應(yīng)時間下的污泥的比阻值均在0.4×109s2/g以下，表明在這些反應(yīng)條件下，反應(yīng)后的污泥是易于脫水的，考慮到高溫所消耗的能耗較大，反應(yīng)溫度190℃、反應(yīng)時間1.5 h是比較適宜的反應(yīng)條件。

2.2 污泥脫水程度分析

圖2揭示了水熱污泥的泥餅含水率隨著水熱溫度和反應(yīng)停留時間的變化過程。與比阻不同的是，水熱反應(yīng)時間對污泥泥餅含水率影響的程度不大，污泥泥餅含水率受到水熱溫度的影響更為明顯。在130℃的溫度下，水熱反應(yīng)后污泥的含水率要高于原泥的含水率。在160℃水熱溫度下，泥餅的最終含水率與原泥相近，脫水程度比原泥稍好。在190℃的水熱溫度下，反應(yīng)產(chǎn)物的平均含水率為72.29%，遠(yuǎn)低于原泥的79.90%，達(dá)到了比較好的脫水效果。在220℃和250℃水熱溫度下，抽濾后的泥餅含水率分別達(dá)到了67.25%和67.85%，說明進(jìn)一步提高溫度對于泥餅含水率的降低已沒有太大效果。

圖2 污泥泥餅含水率隨各反應(yīng)條件下的變化

2.3 污泥沉降性能分析

各反應(yīng)條件下污泥體積指數(shù)變化情況如圖3所示。根據(jù)圖3可知，以未經(jīng)水熱反應(yīng)的原污泥35.40 mL/g的污泥體積指數(shù)作為分界線，130℃和160℃反應(yīng)溫度處理下的污泥在分界線的上方，表示此溫度下的脫水性能與原泥相比變差了，而在190、220和250℃反應(yīng)溫度下的污泥體積指數(shù)曲線均在原泥的下方，此時的脫水性能與原泥相比有所改善。當(dāng)反應(yīng)溫度為190℃時，污泥體積指數(shù)的變化幅度最大，達(dá)到54.50%，此溫度下受反應(yīng)停留時間的影響最大，且污泥的沉降性能隨著時間的增加而改善。當(dāng)溫度為130℃和250℃時，污泥的沉降性能并沒有隨著時間的增加而改善，而且污泥體積指數(shù)的變動不大，變化幅度分別只有1.20%和14.81%。這是因為在較低溫度130℃時，污泥細(xì)胞剛開始破裂，胞內(nèi)聚合物逐漸進(jìn)入液相，污泥脫水性能開始變差，增加反應(yīng)時間并不能顯著改變污泥結(jié)構(gòu)的理化性質(zhì)，因此增加反應(yīng)時間對污泥脫水性能影響不大。在較高的水熱溫度250℃下，此時污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)已破碎完全，胞內(nèi)水分全部變?yōu)樽杂伤?，大分子親水有機(jī)物已降解完全，因而此溫度下增加反應(yīng)時間也不能改善污泥的脫水性能。

圖3 各反應(yīng)條件下污泥體積指數(shù)變化

3 結(jié)論

（1）水熱反應(yīng)溫度對污泥脫水性能指標(biāo)的影響比較大，其隨溫度升高的總體變化趨勢是先變差又后逐漸變好。當(dāng)反應(yīng)溫度為190℃時，水熱處理開始顯著改善污泥的脫水性能，比阻值從原泥的1.01×109s2/g降低為 3.39×108s2/g，泥餅含水率從原泥的80.62%降低為70.13%，而污泥體積指數(shù)從35.40 mL/g降低為14.51 mL/g。當(dāng)反應(yīng)溫度超過190℃時，脫水性能進(jìn)一步改善，但改善的幅度不大，逐漸趨于平緩。

（2）反應(yīng)停留時間對污泥比阻和污泥體積指數(shù)有一定的影響，對污泥泥餅含水率影響較小。當(dāng)反應(yīng)溫度為190℃時，污泥體積指數(shù)在不同水熱停留時間下的變化幅度達(dá)54.50%。當(dāng)反應(yīng)溫度為130℃和250℃時，污泥的沉降性能并沒有隨著反應(yīng)停留時間的增加而改善，可能是由于此反應(yīng)溫度對污泥理化性質(zhì)的影響不大造成的。

（3）綜合分析水熱溫度和水熱停留時間對污泥比阻值、泥餅含水率以及沉降性能的影響可知，反應(yīng)溫度是在低溫水熱處理過程中最主要的影響因素。在綜合對比各反應(yīng)條件后，以及考慮高溫下能耗的影響，得出反應(yīng)溫度190℃、反應(yīng)停留時間1.5 h是一個比較理想的水熱處理條件。

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