污泥干燥特性分析
作为污泥污水处理工艺的副产物，具有含水量高(一般在98%左右)、体积大、处置难的特点，成分复杂，含有大量有机物、重金属、盐类、难降解物质、病原微生物、寄生虫卵等。随着污水处理的深入，污泥的合理处理和处置变得越来越重要，而未经处理的污泥对环境的威胁是巨大的。
E20研究院数据显示，目前我国污水处理厂产生的污泥有一半以上采用卫生填埋方式处置，18%以上的污泥流失。含水率超过50%和含水率80%的脱水污泥采用简单的填埋方法进行处置。这种处置方式不仅对环境造成严重的二次污染，而且占地面积大。长此以往，将无地可葬。“水十条”和“十三五”规划提出的污泥处理处置要求，以政策利好推动了污泥处理处置市场的增长，相关处理技术和设备也发展迅速。
《污水处理厂污泥处理处置最佳可行技术导则》认为，污泥干化焚烧是未来中国倡导的方向。为了实现高效率、低能耗的污泥干燥和焚烧，有必要从不同角度系统研究污泥干燥前后的特性。以上海市青浦区脱水污泥为原料，从基本分析、微观形貌、基本成分和热值等方面研究脱水污泥干燥前后特性的差异，为污泥干燥和焚烧提供基础数据。
1.实验设备
城市脱水污泥采用薄层干燥机进行干燥，薄层干燥机的结构示意图如图1所示。薄层干燥机由三部分组成:壳体、转子和驱动装置。在外壳夹套内壁上，转子将脱水污泥展开成薄层，依靠夹套内的高温蒸汽或导热油来干燥污泥。
2.实验结果及分析和讨论
2.1污泥干燥前后的基本分析和比较
将160℃和0.6Mpa的过热蒸汽引入薄层干燥器，干燥含水率约为80%至30%以下的脱水污泥。对干燥前后的污泥进行多次取样分析，结果见表1。
从表1可以看出，干燥后污泥的挥发分含量下降了4.53%~8.66%，而灰分含量增加，污泥的高热值下降了0.335~1.15MJ/kg。这主要是因为在热干化过程中，污泥中的挥发性有机物和部分污泥细颗粒与干化蒸汽一起成为干化尾气，进入后续的尾气处理工段。
2.2污泥干燥前后的微观结构对比
图2显示了干燥前后污泥的微观结构。从图中可以看出，干化前的污泥结构疏松，大量胞外聚合物包裹聚集在胶体外，形成明显的团聚结构，使污泥中的结合水、间隙水和胞内水被包裹在污泥絮体中，因而难以通过物理和化学作用进一步脱水。与干化污泥相比，干化前的污泥具有更高的孔隙率、更大的比表面积和更强的可压缩性，施加较低的机械力或提供热量即可破坏污泥絮体。随着污泥中水分的蒸发，污泥的絮体结构逐渐瓦解，形成右图中表面结构致密、空隙逐渐减少的团聚结构。然而，水分蒸发效率也会随着污泥孔隙率的降低而降低。
2.3污泥干燥前后的成分对比
图3显示了污泥干燥前后的红外光谱扫描分析结果。污泥干基的代表性官能团主要有游离H2O、-OH、-CH2、-CH3、芳香环、C=C、CO、卤代烃等。说明污泥中有机质含量较高，有机质的种类可能是蛋白质、脂类、淀粉和纤维素。研究表明，污泥中的有机物含有60%以上的蛋白质、20%左右的脂类和15%左右的淀粉和纤维素，这些有机物分解会产生NH3、H2S和VOCs等恶臭气体。
EPS是由蛋白质、多糖和少量脂类、核酸、腐殖质等化合物组成的聚合物。EPS特征化合物的检测表明污泥中存在大量的EPS。作为污泥的重要有机组分，EPS的含量决定了污泥特征官能团的红外吸收强度。对比污泥干燥前后的红外光谱，排除分析过程中污泥中杂质对透光率的轻微干扰，可以看出污泥干燥前的红外吸收强度明显高于干燥后。与干化前的污泥相比，干化后污泥的光谱显示，1654和1543cm-1(C=C)、2924cm-1(C-H)和1076cm-1(C-O)处的肩峰变小，表明污泥干化过程中蛋白质类物质的分解。这也解释了污泥干化后有机质含量和挥发分含量的降低。
2.4污泥干燥前后的含水率、有机质和热值对比
污泥中的有机质是污泥热值的主要提供者，污泥的含水率对热值也有很大影响。污泥含水率过高，低位热值低，必然影响污泥的焚烧。而且，污泥干化过程中的系统能耗主要用于蒸发污泥中的水分。表2列出了污泥干燥前后的含水率、有机质含量和热值之间的对应关系。从表2可以看出，干化后污泥的有机质含量略有下降，相应的干基高热值也略有下降。
分别研究了污泥含水率与热值的相关性、污泥有机质与热值的相关性，通过线性回归得到了变量之间的相关系数，并进行了相关分析。
图4是干污泥的水分含量及其低热值的线性回归模型图。从图4可以看出，干污泥的含水率与其低位热值呈负相关，低位热值随着含水率的增加而降低。而干污泥含水率与低位热值的相关系数为0.882，在95%的置信水平下f检验的P值为0.061。因为f检验的P值大于0.05，所以干污泥的含水率与低位热值没有显著的线性相关性。
图5是原料污泥中有机物含量及其干基高热值的回归模型图。原料污泥中有机质含量与其干基高热值的相关系数为0.997，在95%的置信水平下f检验的P值为0.0033。FP的测试值小于0.05，因此原料污泥中有机物的含量与其干基高热值之间存在显著的相关性。
图6是干污泥的有机物含量及其干基高热值的回归模型图。干污泥有机质含量与干基高热值呈正相关，干基高热值随着有机质含量的增加而增加。而且干污泥有机质含量与干基高热值的相关系数为0.973，在95%的置信水平下f检验的P值为0.014。由于f检验的P值小于0.05，可见干污泥的有机质含量与干基高热值之间存在显著的相关性。
从以上分析可以看出，污泥热值与含水率和有机质含量密切相关，污泥有机质含量与污泥干基热值呈显著正相关。这也说明，如果污水处理工厂污泥采用大量无机添加剂进行调理脱水，虽然可以达到显著的脱水效果，但大量无机物的引入不仅会增加污泥干化工艺的系统负荷，还会显著降低污泥的有机质含量，对后续的污泥干化和焚烧产生不利影响。
3.结论
本文以上海市青浦区脱水污泥为原料，分析了脱水污泥干燥前后的特性。人们发现:
(1)随着干燥过程的进行，污泥的表面结构逐渐变得致密，孔隙逐渐缩小，干燥效率逐渐降低。
(2)污泥干化过程中，会分解出少量的有机物，使得干化污泥的有机物含量和挥发物含量略有降低。
(3)污泥低位热值与其含水率呈负相关，但没有明显的线性关系；污泥的高热值与其有机质含量之间存在明显的线性正相关关系。因此，要保证污泥的热值，就必须降低污泥的含水量和污泥中有机质含量的损失。(来源:上海康恒环境有限公司)
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