杭州城市污泥熱解曲線測試與分析

1、杭州城市污泥熱解曲線測試與分析俞銳 左明摘要課題組擬通過對杭州城市污泥熱解曲線測試的基礎(chǔ)分析研究中，獲得其污泥中水的存在形式；對來自城市污水廠初沉污泥和二沉污泥的第一臨界點的干燥度值不同；采用熱調(diào)質(zhì)能改變污泥的熱解蒸發(fā)速率-干燥度曲線形態(tài)，改變了熱解蒸發(fā)速率，這對于污泥處理工藝的選擇和優(yōu)化起到重要的作用。該論文基于對杭州城市污泥熱解曲線實際測試的基礎(chǔ)，選取5組具有代表性的樣本進(jìn)行分析而得出的，對于同行的研究具有參考作用。關(guān)鍵詞 污泥 含水率 測試 分析1前言含水率是表征污泥物理性狀的最重要的指標(biāo)之一，通過它可直接計算污泥的干物質(zhì)含量、密度和體積，并能反映出污泥的流動特性流變學(xué)性質(zhì)、衡量工藝脫水

2、性能（比阻和壓縮系數(shù)）、輔助測算燃燒熱值等，是污泥處理和處置的工藝設(shè)計和生產(chǎn)管理起關(guān)鍵性的考核指標(biāo)之一。研究表明，城市污泥中含的水形態(tài)，根據(jù)受力情況不同可分為兩類：一類是游離水，在污泥中水以自由形態(tài)存在，又稱為自由態(tài)水。因在污泥中的水只受到重力的作用，因此另一類是結(jié)合水，在污泥中水以結(jié)合形態(tài)存在。它又可分為物理性結(jié)合水、化學(xué)性結(jié)合水和生物結(jié)合水。結(jié)合水除受重力作用外，它又受到其它物理、化學(xué)和生物力的作用。物理性結(jié)合水如膠體結(jié)合水、毛細(xì)管水，主要受到氫鍵、范德華力，疏水相互作用力等物理作用力；化學(xué)性結(jié)合水如化學(xué)結(jié)晶水，主要受到鹽鍵為主的化學(xué)作用力；生物性結(jié)合水如細(xì)胞結(jié)合水，還受到核酸和蛋白質(zhì)空間

3、構(gòu)象、生物膜結(jié)構(gòu)的作用力，又稱維持生物系統(tǒng)的作用力。人們對污泥的處理和處置，首先在很大程度上是對降低污泥含水率的處理。水在污泥中存在的形態(tài)不同，把水從污泥中去除所需的能量差異也很大。如自由態(tài)水通過重力沉淀和機械作用達(dá)到去除，而釋放結(jié)合水需要大量的能量，例如細(xì)胞水只有用加熱處理（熱調(diào)質(zhì)、干化或焚燒）才能分離。通過對污泥熱解曲線的測試與分析研究，從中區(qū)分出污泥中游離水和結(jié)合水的比例；通過結(jié)合水與污染物的結(jié)合能分析，區(qū)分污泥中物理結(jié)合水和化學(xué)生物結(jié)合水的組分2污泥熱解曲線的研究 游離水和結(jié)合水的比例，對污泥脫水方法的適用性是決定性的。用熱重量分析法可以獲得近視值，即測出濃縮污泥試樣在規(guī)定的操作條件下

4、，在恒溫時水的重量損失曲線，即污泥熱解曲線。（見圖1）tG游離水結(jié)合水圖1 污泥熱解曲線 對熱解曲線求導(dǎo)得出蒸發(fā)速率曲線（見圖2）VSLV3V1V2S（%）圖2 污泥熱解蒸發(fā)速率-干燥度曲線式中：V為蒸發(fā)速率； S為污泥干燥度（%）讀出污泥試樣相應(yīng)于第一臨界點的干燥度，被認(rèn)為是污泥失去游離水的干燥度。 研究表明1，用熱重量分析法，可能估計污泥的親水傾向，并且：1）觀察到結(jié)合水放出的部分隨各種調(diào)質(zhì)方法而變；2）在試驗室中相當(dāng)精確地估計脫水裝置的性能；3）用比較研究的方法確定每種處理方法的最大干燥度；4）如果需要，計算各種水與污染物質(zhì)的結(jié)合能。 因此，采用熱重量分析法測試污泥含水情況是一項污泥處理

5、的最基礎(chǔ)性工作而十分必須。隨著計算機技術(shù)的應(yīng)用，污泥熱解曲線的精密測試和分析成為可能。3杭州城市污泥熱解曲線測試 為了摸清杭州城市污泥中水的形態(tài)，杭州市城市建設(shè)科學(xué)研究所污泥綜合處理和利用課題組開展了對污泥熱解曲線的實測。1） 測試設(shè)備和儀器：測試采用鹵素水份測定儀、型號MB45、由美國OHAUS公司生產(chǎn)。該儀器具備標(biāo)準(zhǔn)、快速、溫和、階梯四種干燥模式，重量可讀性在0.001g，精度達(dá)到0. 1%。通過RS232接口與PC機通訊。微機實時紀(jì)錄檢測到的重量數(shù)據(jù)并換算成含水率，通過Microsoft Excel軟件，可進(jìn)一步對實測數(shù)據(jù)形成曲線，以供分析研究。加熱采用數(shù)顯恒溫水浴鍋、型號HH-6、國產(chǎn)

6、。2） 檢測樣本：檢測樣本均選取杭州七格污水處理廠，樣本見表1。表1 杭州城市污泥熱解曲線測試樣本序號檢測樣本備 注樣本1一期混合污泥熱解曲線見圖3熱解蒸發(fā)速率-干燥度曲線見圖4樣本2二期混合污泥熱解蒸發(fā)速率-干燥度曲線比較見圖5樣本3二期二沉污泥樣本4二期混合污泥熱解曲線見圖6熱解蒸發(fā)速率-干燥度曲線見圖7樣本5二期混合污泥加熱熱解蒸發(fā)速率-干燥度曲線比較見圖83）檢測方法：樣本提取后，均置于試驗室（保持室溫20）在2小時以上，使待檢污泥的溫度保持基本一致；檢測時采用105恒溫加熱模式，設(shè)定測試間隔時間2秒。設(shè)置被測樣本在1分鐘內(nèi)，重量不發(fā)生變化（損失小于0.001g時），認(rèn)為檢測結(jié)束。數(shù)據(jù)

7、采集后，熱解曲線采用Microsoft Excel軟件進(jìn)行指數(shù)多項式回規(guī)，直接形成曲線；熱解蒸發(fā)速率-干燥度曲線由熱解曲線求導(dǎo)獲得。3） 實測曲線：插入圖3-圖8圖3圖4圖5圖6圖74杭州污泥熱解曲線的分析1）從七格污水處理廠一期和二期混合污泥的熱解曲線和熱蒸發(fā)速率-干燥度曲線（見圖3、圖4、圖6、圖7）分析，兩期的污水來源相同，處理工藝均為A2/O活性污泥處理法，二組樣本的檢測曲線幾乎相似。說明污水處理廠的污水來源與處理工藝決定了污泥含水的基本組份，盡管樣本污泥的最終含水率不同（一期樣本為 %，二期樣本為 %）分析污泥熱解曲線中SL點均在干燥度 %附近，且此時的蒸發(fā)速率在 /s。同時，第二臨

8、界點明確，說明污泥中結(jié)合水組份也基本一致，結(jié)合力較弱的物理性結(jié)合水V2與結(jié)合力較強的化學(xué)性生物性結(jié)合水V3在干燥度 %處，通過進(jìn)一步計算各種水與污染物質(zhì)的結(jié)合能創(chuàng)造了條件。2）對來自同一水源而不同工藝段污泥，如取自七格二期工藝的初沉污泥和活性污泥，其熱解曲線存在一定差異（見圖5），3）熱調(diào)質(zhì)能影響污泥的熱解曲線（見圖6），主要表現(xiàn)在：熱蒸發(fā)速率的加大，由 /s提高到 /s，第一臨界點SL位移明顯而第二臨界點基本不變。分析認(rèn)為，由于熱調(diào)質(zhì)使污泥吸收了外來能量，加快了蒸發(fā)速率；同時部分物理性結(jié)合水由于熱調(diào)質(zhì)使得分子獲得預(yù)能量而變得活躍，從而解除了類似膠體物理力、毛細(xì)管物理力的約束而形成新的自由態(tài)水

9、，表現(xiàn)在第一臨界點SL位移上。而獲得的能量還不足以引起鹽鍵（化學(xué)結(jié)合水）的打開和生物細(xì)胞（生物性結(jié)合水）的破壞，因此表現(xiàn)在第二臨界點基本不變。4）由上述實測的污泥的熱解蒸發(fā)速率-干燥度曲線中，可以認(rèn)為杭州城市污泥中存在的三種狀態(tài)的水分別為：游離態(tài)水占 %，結(jié)合態(tài)水占 %。而在結(jié)合態(tài)水中，物理性結(jié)合態(tài)水占 %左右，而化學(xué)性和生物性結(jié)合態(tài)水占 %左右。一個值得思考的問題是：既然污泥中的游離態(tài)水占到 %，從理論上講均可以通過重力沉降或機械分離的方法去除。而在實際工程上，僅采用機械的手段污泥脫水往往只能達(dá)到含水率70%以上呢？筆者認(rèn)為除了當(dāng)前通用的脫水機械效率的原因外，還須從降低后處理工序?qū)实囊笸猓ㄈ缰锌圃汗こ虩嵛锢硭_發(fā)的循環(huán)流化床焚燒系統(tǒng)已達(dá)到含水率在70%以上），同時要從絮凝劑對污泥游離態(tài)水的影響等方面研究著手，以盡量接近理論脫水值的目標(biāo)。一種以能量自持平衡為目標(biāo)的“三段法”污泥處理工藝已提出，核心是采用回收污泥焚燒耗散的余熱，返回前道污泥脫水工序，以熱失活的理論使得污泥的游離態(tài)水的去除向理論值逼近。主要參考文獻(xiàn)1水處理手冊 法 德格雷蒙公司編著 王業(yè)俊等譯 中國工業(yè)出版社 1987.62污水污泥處理處置與資源化利用 尹軍 譚學(xué)軍