冻融法对污泥干燥特性的研究

高 彬，刘 茜

（1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075；2.中国建筑西北设计研究院有限公司，西安 710018）

污泥是污水处理过程中形成的副产物，具有多种不利特性，如不妥善处理，会形成严重的二次污染[1-3]。但目前填埋、焚烧、堆肥等主要处理方法均存在费用高、效率低等缺点[4-5]。而在处置前，所有污泥均需脱水处理，受限于污泥自身特性，传统的干燥和压滤等工艺最大仅能将含水率降至75%。故如何改变污泥特性，使得污泥释放出更多易于处理的水分是当前干燥工艺需要考虑的重点。本文选用简单的物理处理法，意在改变污泥特性，提高污泥干燥效率，从而改善污泥干燥性能，为污泥的后续处理和处置提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试污泥

本研究以马鞍山市第一污水处理厂板框压滤脱水后污泥为研究对象，污泥含水率为85.5%，pH为7.0左右。

1.2 测定方法

1.2.1 污泥含水率的测定方法

将蒸发皿放在105℃烘箱内烘干2 h，干燥皿内自然冷却30 min后，称重w1；该蒸发皿中称取20 g污泥，水浴蒸干，移至105℃烘箱中，烘干2 h，干燥皿内自然冷却30 min后称重，恒重（Δm＜0.000 2 g）后记为w2。

1.2.2 污泥体积比

污泥体积比是指污泥干燥后体积与干燥10 min污泥体积的比率。

1.3 污泥预处理

将板框压滤后的污泥作为原污泥，分别取5份500 g原污泥放入冷冻室冷冻0 h、8 h、16 h、24 h、48 h。取出，空气中溶解，静置12 h。

2 结果与讨论

2.1 试验现象

污泥温度上升后，表面水分首先蒸发汽化，表层污泥同时收缩并出现龟裂。龟裂使内部污泥露出表面并增加了表面积，弥补了因表层水分减少而导致的蒸发速度降低。随着污泥温度继续上升，表层龟裂继续加大、加深，裂纹也由单一的纵向变为斜向和横向交错。当污泥收缩性接近极限时，龟裂速率下降，进而无法弥补表层单位面积蒸发的速率，致使整体蒸发速率下降。在污泥临界含水率附近（含水率为1.76 kg（H2O）/kg（DS）），龟裂由表层浅层裂缝发展为贯穿裂缝直至污泥底部。因露出时间的先后，当外层污泥已变干成为硬壳时，裂缝底部和污泥内部却仍较湿润。

不同冷冻时间污泥在相同干燥时间的表面龟裂程度有所不同，原污泥含水率在40～50 min时，表面已出现明显裂痕，而冷冻16 h污泥在80～90 min时才出现明显裂痕。12 h、24 h、48 h出现明显裂痕时间介于上述两者之间。

2.2 污泥含水率变化

污泥含水率变化如图1所示。

图1 含水率变化

原污泥的干燥速度开始时维持恒速，到达1.76 kg（H2O）/kg（DS）左右时，速度开始下降。恒速阶段，因表层含水率较高，为表层水汽化阶段，污泥表层温度约等于环境湿球温度，低于环境温度。降速阶段，污泥温度由外至内逐渐升高，污泥表层直接接触热空气。整体上污泥冻融后相同干燥时间内含水率明显大于原污泥，其中又以冷冻8 h和16 h样品含水率最高。这说明16 h以上的完全冷冻能够将细胞内水分释放出来成为自由水，有利于污泥表面水的汽化，但因冻融后污泥黏度和颗粒粒径增大，导致污泥内水分散失难度较原污泥增大，而不利于污泥的干燥。

其他不同冷冻时间的预处理污泥的干燥特征与原污泥基本相似。冷冻8 h、48 h污泥的干燥速率转折点分别为3.28 kg（H2O）/kg（DS）和3.17 kg（H2O）/kg（DS）。冷冻16 h与24 h则无明显干燥速率转折点。

2.3 污泥上清液pH变化

污泥浸出液pH变化如图2所示。污泥浸出液的pH维持在6.2～7.1，呈弱酸性，波动较小。干燥后期pH值变化相对较大，原因可能是二氧化碳等挥发性酸挥发导致的二氧化碳-重碳酸根缓冲体系失效。冻融16 h以上的污泥pH波动较大，表明冻融引起的污泥细胞融胞作用对上清液中pH有一定影响。

图2 污泥浸出液pH变化

2.4 污泥体积变化

污泥体积变化如图3所示。

污泥的体积比与干燥时间基本呈线性关系，R2在0.90～0.98，表明水分的减少是污泥体积减小的主要原因。污泥干燥后与干燥10 min的体积比为1:6，说明干燥方式具有污泥减量化的优势。由前文含水率变化可知，因冻融对污泥水分的汽化产生不利影响，故而冻融后的污泥在相同干燥时间内，体积比均大于原污泥，说明冻融不利于污泥内间隙水的散失。

图3 体积变化

2.5 污泥密度变化

从图4可以看出，整体上，污泥密度随污泥干燥时间的增加而增加，但增加幅度开始缓慢，在干燥130 min后密度增加幅度有所上升。而原污泥在40～100 min时污泥密度低于1 g/cm3，100 min后原污泥密度重新大于1 g/cm3，130 min后密度增加趋势上升。这是由于刚开始加热时，污泥整体尚未完全加热，质量减少的并不完全是水分，挥发性物质已经出现挥发。100 min后污泥挥发性物质量减小，较水分蒸发，其对密度的影响能力低，所以密度增加趋势上升。

图4 污泥密度变化

冻融使得污泥表层水分含量增高，在人工干燥过程中，因干燥温度较高，表层的自由水分汽化速度较快，从而使间隙水分扩散速度小于表层水分汽化速度，造成结“壳”现象，使得第一阶段中冻融的污泥密度大于原污泥[6]。进入第二阶段后，随着污泥内部温度的上升，表层污泥理化性质逐渐改变。例如，化合物聚合、纤维素收缩、固体微粒靠近并相互吸引等，使污泥表层的“壳”十分致密，毛细管路封闭，渗透性变差，增加了水分向表面扩散的难度。加上冻融后污泥颗粒和黏度增加，“锁住”更多水分，所以污泥密度小于原污泥。

3 结论

污泥的干燥主要分为两阶段，以1.76 kg（H2O）/kg（DS）即临界含水率为分界点。冻融处理有利于污泥表面水分干燥，但不利于污泥间隙水分的干燥。冻融处理使污泥中的部分水分释放出来，增大了污泥的黏度和颗粒粒径，整体上不利于污泥脱水干燥。