堆存污泥深度脱水及其干化泥饼焚烧特性研究

赵旭远， 张 露， 冒小丹， 洪国军， 江 帅

1.疏浚技术装备国家工程研究中心， 上海 200120 2.航道疏浚技术交行业重点实验室， 上海 200120

随着经济的快速发展，我国城镇化速度不断加快，同时城市污水量逐年递增，导致污水处理过程中产生的污泥量也不断增加[1-2]. 2020年，我国的污泥产量预计会突破 6 000×104t(以含水率80%计)[3]. 随着全球范围内对环境卫生设施和污水处理设施的需求与标准不断提高，污泥的处理与处置已经成为污水处理厂面临的主要挑战之一[4]. 污泥填埋处置处理量大、运行成本低，处置量占我国污泥总处置量的60%[5-6]. 污泥填埋场的污泥经过长时间的堆存降解，高含水率堆存污泥产生的渗滤液、填埋气会对周边生态系统造成严重的影响[7-8]. 焚烧是实现污泥最大量减容的处置方法，同时可以有效杀灭污泥中的病原菌，是实现污泥减量化和安全化的有效途径[9-11]. 在没有多余区域可供污泥填埋时，将堆存污泥进行焚烧处置是实现垃圾填埋场污泥减容的可选途径. 由于堆存污泥含水率高，会制约污泥焚烧的效率，因此堆存污泥的深度脱水干化是污泥焚烧处置的首要步骤.

国内外科研工作者开发了众多污泥脱水的方法，如物理化学处理法[12-14]、热处理法[15-16]、超声处理法[17-20]及生物酶处理法[21-23]. 其中大多数的污泥调质方法主要是通过破坏污泥胞外聚合酶的结构和释放胞内多聚物以达到污泥吸附水、结合水向自由水的转化. 然而由于方法的可操作性、经济可行性、设备的局限性等原因，一些在实验室内有较好效果的方法在工程上却难以适用. 目前，工程应用较广的仍然是“化学调理+机械脱水”的物化联合法.

传统的活性污泥脱水通过石灰、FeCl3、PAM等药剂压缩污泥双电子层、脱稳聚集、增大污泥絮体，从而增强脱水性能[1,24-26]. 堆存污泥通过了初步的调质脱水后，在填埋场内通过厌氧降解等过程，其容重、密度、含水率和有机物含量发生了较大的变化[27]，进一步深度脱水难度增加. 因此，探索适合城市堆存污泥特性的组合调理剂是深度脱水的必要条件. 此外，在机械压滤过程中，污泥滤饼的可压缩性是影响深度脱水的关键，滤饼的堵塞与变形致使疏水通道闭合，故构建滤饼的骨架结构有利于后续的机械脱水过程[28-31].

该研究通过聚合氯化铝(PAC)联合秸秆粉末，在基础常规添加物生石灰的作用下，探究组合调理剂对堆存污泥深度脱水的效果，分析压滤泥饼燃烧特性. 通过正交试验分析不同添加剂对污泥脱稳、电性中和以及构建骨架结构所起到的作用，并探究其影响大小关系；同时通过单因素试验优化组合调理剂中各成分的添加量，设计小型压滤机模拟工程应用中机械压滤效果，验证优化试验参数的深度脱水效果；通过热重试验对比分析脱水干化前后污泥与泥饼的燃烧特性，并系统分析PAC-生石灰-秸秆粉末组合调理剂的经济成本，以期为堆存污泥深度脱水及后续的焚烧处置提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用生石灰有效钙含量为65%，堆存污泥取自某污泥填埋场，含水率为84.38%～85.25%，黏度大，流动性极弱，考虑到工程泵的输送难度[32]以及前期预试验的结果，将污泥稀释至92%用于调理〔毛细吸水时间(CST)为1 500 s〕.

1.2 试验流程

正交试验：以PAC、生石灰、秸秆粉末作为3个参考因素，每个因素设置3个水平，以CST作为参考目标，以CST值最小为最优方案，选用L9(34)正交表安排试验，对比3种调理剂对污泥脱水的影响大小，因素水平设置见表1. 分别量取50 mL污泥样品，按照正交试验设计依次加入不同量的生石灰、PAC、秸秆粉末，置于磁力搅拌器上以250 r/min的速率搅拌5 min，混合均匀后静置5 min，取适量的调理污泥测定CST.

表1 正交设计因素及水平Table 1 The factors and lever of the orthogonal design

优化试验与模拟试验：单因素优化试验中，每次试验选取50 mL污泥加入烧杯中，并分别加入已确定量的生石灰，然后加入不同预设含量的PAC(干基比为20%～40%，下同)和秸秆粉末(干基比为20%～40%). 将烧杯置于磁力搅拌器上以250 r/min的速率搅拌5 min，混合均匀后静置5 min，真空抽滤，压力为-0.1 MPa，记录量筒内滴落水的体积，以抽滤30 s内无液滴滴落或者泥饼出现龟裂为终点，并绘制抽滤效率曲线. 模拟试验中，每次试验选取200 mL污泥加入烧杯中，按照单因素试验中配比与搅拌参数调理，之后将调理污泥倒入小型模拟压滤机压滤，压力控制在0.4 MPa，压滤时间为25 min. 收集压滤泥饼，检测含水率.

1.3 指标检测

CST指标：取10 mL待测污泥，采用毛细吸水时间测定仪(DFC-10A，北京同德创业科技有限公司)测定CST.

泥饼含水率：称取15～20 g压滤后的泥饼，置于含水率检测仪(JT-K8，泰州市精泰仪器仪表有限公司)，温度设定为105 ℃，测定脱水后泥饼的含水率.

热重检测：将样品约10.00 mg放入热重分析仪(TGA/DSC1/1600HT，Mettler Toledo，美国)，设置升温区间为30～900 ℃、升温速率为20 ℃/min、空气流量为30 mL/min.

浸出液重金属检测：浸出液重金属含量检测方法参照HJ/T 300—2007《固体废物 浸出毒性浸出方法 醋酸缓冲溶液法》，采用浸提剂1#(即加5.7 mL冰醋酸至500 mL试剂水中，加64.3 mL 1 mol/L的氢氧化钠溶液稀释至1 L)，按照固液比10∶1加入浸提剂振荡18 h，将浸出液消解处理后送入ICP-OES(iCAP7600，Thermal，美国)测定重金属含量.

1.4 数据处理方法

正交试验结果分析可采用直观分析法或SPSS软件计算得到极差(R)；通过Origin 9.0软件对不同时间与不同添加剂下滤液体积进行绘图得到抽滤效率曲线；泥饼含水率与CST直接由分析检测仪读数得到，同样由Origin 9.0软件绘图得到，并根据数据添加误差棒.

热重数据分析根据热重检测得到不同温度下样品的失重量，通过Origin 9.0软件绘图得到TG失重曲线，在软件内求一阶导数得到微商热重分析(DTG)曲线，在燃烧过程中DTG曲线顶点即为最大失重速率点(Tm)，过Tm做垂线与TG曲线相交，然后做交点切线，切线与热重试验起始位置水平线相交于Ti点，Ti点对应的温度即为燃点温度.

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果分析

以CST作为参考目标，分析3个因素(生石灰、秸秆粉末和PAC)在3种水平条件下的极差(见表1、2). 极差分析可以判定因素重要性的主次顺序，极差越大的因素对参考目标的影响越显著[33]. 因此可根据表3中极差(R)的大小判定3个因素(生石灰、秸秆粉末和PAC)对CST削减的影响顺序.

由表2可知，PAC-生石灰-秸秆粉末的联合调理方法可有效削减堆存污泥的CST，9种组合配比下CST的削减率在60.04%～95.43%之间，PAC-生石灰-秸秆粉末组合调理剂组合干基比添加量分别为20%-20%-25%和15%-25%-30%时，CST分别降至68.5和74.3 s，削减率分别增至95.43%和95.05%，展现了很好的削减效果.

表2 堆存污泥脱水性能正交试验方案Table 2 Orthogonal test table for dehydration performance of stocked sludge

表3 堆存污泥脱水性能结果分析Table 3 Result analysis for dehydration performance of stocked sludge

不同影响因子的极差(R)大小表现为PAC(R=227.04)>生石灰(R=189.87)>秸秆粉末(R=177.83)，因此3种因子对于CST削减的影响顺序也依次是PAC、生石灰和秸秆粉末. 根据压缩双子层模型和DLVO理论，PAC通过电中和作用结合污泥中带负电的胶体物质，并通过吸附架桥使污泥颗粒脱稳促进吸附水向自由水的转变[36-37]. 生石灰中CaO与污泥中的水发生反应生成Ca(OH)2，游离的Ca2+亦可以结合负电基团，同时反应放出大量的热破坏污泥颗粒结构分离出结合水[38]. CST表征在无外加压力作用下，污泥中的结合水向自由水的转变能力及自由水分离的难易程度. 因此，PAC和生石灰的化学调理作用强化了结合水向自由水的转变，加大了自由水的渗出量，对CST的削减起到较大作用. 而秸秆粉末的主要作用是构建骨架体和疏水通道，增强污泥强度，降低可压缩性，从而促进自由水的分离，这种作用在外加压力下才能得到更好的发挥.

综上，正交试验的最优组合为PAC(20%)-生石灰(20%)-秸秆粉末(25%)组合，在最优组合下，泥饼含水率仍然大于60%，因此需要按照影响因素来优化添加量，但过多的生石灰添加会导致泥饼的碱性过高，不利于后续处理，故该研究选择20%作为生石灰添加量，进而优化其他影响因素的添加量.

2.2 优化试验结果与模拟试验分析

2.2.1PAC添加量对堆存污泥脱水影响

生石灰添加量为20%、秸秆粉末添加量为25%条件下，不同PAC添加量对污泥抽滤效率的影响如图1所示. 由图1可知，抽滤开始后，滤液体积迅速增加，随着时间推移，滤液体积增加速度变缓直至滤饼龟裂，该现象主要是由于滤纸的堵塞以及泥饼中自由水的减少所致. 对比5条抽滤效率曲线，发现PAC添加量由20%增至35%时，抽滤效率明显提高，且抽滤结束时间逐步缩短；当继续增加PAC添加量至40%时，尽管泥饼龟裂时间与35%的添加量下持平，但抽滤效率明显降低.

PAC添加量/%：1—20；2—25；3—30；4—35；5—40. 图1 不同PAC添加量对堆存污泥脱水 抽滤效率的影响Fig.1 The effect of different PAC content on dewatering filtration efficiency of stocked sludge

图2 不同PAC添加量对污泥CST和 压滤泥饼含水率的影响Fig.2 The effect of different PAC content on CST and moisture content of sludge cake

同时，调理后污泥CST与模拟压滤后的泥饼含水率的变化趋势(见图2)显示，增加PAC添加量过程中，CST在PAC添加量为35%时取得最低值，为56.9 s，相比原状污泥削减了96.2%. 在PAC添加量为20%～35%时，压滤后泥饼含水率在59%～64%之间，表明该组合药剂脱水效果较好，压滤效果与抽滤效率结果相一致. PAC添加量为35%时脱水效果最好，压滤后泥饼含水率为59%. PAC水解生成带正电的多核络合物产物电中和污泥负电颗粒，且PAC的高分子链通过吸附架桥和网捕卷扫作用使颗粒沉降[39-40]. 进一步增加PAC添加量时，泥饼含水率呈上升趋势，可能是由于产生了胶体保护作用所致[41].

2.2.2秸秆粉末添加量对堆存污泥脱水影响

调节生石灰添加量为20%、PAC添加量为35%，以2%的梯度分析秸秆粉末添加量对污泥抽滤效率的影响，结果如图3所示.

秸秆粉末添加量/%：1—25；2—27；3—29；4—31；5—33. 图3 不同秸秆粉末添加量对堆存 污泥脱水抽滤效率的影响Fig.3 The effect of different powder straw content on dewatering filtration efficiency of stocked sludge

由图3可知，秸秆粉末添加量为31%时，抽滤终点对应的滤液体积为17.5 mL，明显低于其他组次抽滤终点滤液体积. 当秸秆粉末添加量为29%时，抽滤结束时间终点相比于秸秆粉末添加量为25%、27%和33%时提前，且泥饼龟裂时滤液体积与之基本持平，说明秸秆粉末添加量为29%时，调理泥浆抽滤效率最高.

调理后污泥CST与模拟压滤后的泥饼含水率变化趋势(见图4)显示，CST随着秸秆粉末添加量的增加呈现锯齿状的波动，在添加量为29%时取得最低值，为47.9 s，较原状污泥削减了96.80%；压滤泥饼含水率呈现先降低再升高的趋势，同样在秸秆粉末添加量为29%时取得最低值，为56.3%. 对比图4和图2发现，秸秆粉末添加量在25%～33%之间时，其调理后污泥CST值为47.9～85.2 s；PAC添加量在20%～40%之间时，其调理后污泥CST值处于56.9～149.5 s之间；PAC变化引起的CST值变化范围远大于秸秆粉末引起的变化，这也验证了正交试验中PAC和秸秆粉末对CST影响原因的分析结果. 图2显示，在秸秆粉末添加量为25%时，PAC加入使得原状堆存污泥的CST值大幅降低，但压滤后泥饼含水率依然维持在60%左右无法进一步降低，主要是由于自由水无法通过更多的疏水通道流出. 图4显示，添加秸秆粉末后，压滤泥饼含水率可降至56.3%，这是由于调整秸秆粉末添加量改变了污泥可压缩性强的状态，利于自由水的排出. 但过多秸秆粉末的添加导致颗粒物不均匀性层叠堵塞疏水通道，同时较大的添加量也会影响压滤效率和运输成本.

图4 不同秸秆添加量对污泥CST和 压滤泥饼含水量的影响Fig.4 The effect of different straw powder content on CST and moisture content of sludge cake

综上，在组合调理剂作用下，堆存污泥深度脱水性能显著提升，主要得益于以下两个过程的优化：①添加剂PAC和生石灰促进吸附水向自由水转变、促进污泥颗粒絮凝沉淀；②秸秆粉末改善了污泥可压缩性，构建骨架结构，使压滤过程中自由水快速排出. 只有以上两个过程在最优条件下，污泥脱水性能才能达到最优. 通过以上试验分析，确定了组合调理剂最优添加参数(干基比)：生石灰添加量为20%、PAC添加量为35%、秸秆粉末添加量为29%. 在最优参数配比情况下，核算此种市政堆存污泥处理成本约为 60元/t，而目前针对市政堆存污泥应用较广泛的增压式真空预压法的处理成本约为 130元/t，对比可知组合调理剂处理法市场经济优势显著.

2.2.3深度脱水泥饼焚烧性能研究

脱水干化泥饼在焚烧处置时，浸出液重金属含量需要满足GB/T 24602—2009《城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质》的要求. 通过对比调理剂添加量为最优参数下的干化泥饼浸出液重金属含量及最高允许浓度限值(见表4)发现，各项重金属指标含量均满足焚烧要求.

表4 浸出液重金属含量及最高允许浓度限值Table 4 Heavy metal content and maximum allowable concentration limit of leaching solution

图5 深度脱水泥饼和原状堆存污泥的TG和DTG曲线Fig.5 The TG and DTG curves of dehydrated sludge cake through deep dewatering and original stocked sludge

最优参数下深度脱水泥饼和原状污泥在空气氛围中的热重曲线如图5所示，通过对比其TG和DTG曲线研究泥饼焚烧性能的变化情况. 该研究采用TG-DTG 作图方法计算燃点温度(Ti)[42]，结果(见图5)显示，脱水泥饼的Ti值为213 ℃，比原状污泥高出56 ℃，这可能是由于生石灰和PAC等不可燃组分的添加，增加了污泥点燃所需的难度. 深度脱水泥饼和原状堆存污泥两种样品的燃烧行为差异较大，TG曲线在达到失重终点时，深度脱水泥饼总失重量为52.55%，较原状堆存污泥样品总失重量(45.94%)上升了6.61个百分点，这是由于秸秆粉末的添加，增加了深度脱水泥饼的可燃物成分，有利于物质在焚烧炉中燃烧的可持续性. 图5显示：深度脱水泥饼的DTG曲线出现了3个明显的主峰，最高峰出现在335 ℃，其最大失重速率为3.828%/min；原状堆存污泥的DTG曲线出现了4个主峰，最高峰为位于50～200 ℃区间内，最大失重速率为3.000%/min，对应温度122 ℃. 对比深度脱水泥饼和原状堆存污泥的DTG曲线可以发现，第一个峰区间均位于50～200 ℃之间，最大值对应温度分别为115和122 ℃，该区间的失重是由于样品吸热内部失水导致的；在200～600 ℃区间内，DTG峰的形成可能是由于挥发分的损失、固体样品的气化、烃类和固定碳的燃烧等热分解/燃烧过程造成，也是燃烧的第一个阶段，原状堆存污泥在该阶段的最大失重速率(Tm)为2.223%/min，远低于脱水泥饼在此阶段的最大失重率(3.828%/min)；最后一段峰区间位于600～800 ℃内，是由于第二阶段残碳的燃烧所致，二者最大失重速率差别不大.

3 结论

a) 联合调理剂中各成分对堆存污泥CST削减影响大小表现为PAC>生石灰>秸秆粉末，PAC和生石灰主要通过吸附架桥或压缩双电子层作用促进结合水向自由水的转变，而秸秆粉末对压滤过程中构建骨架结构起到重要作用.

b) 通过抽滤试验和压滤试验确定联合调理剂最优添加参数(干基比)：PAC添加量为35%、生石灰添加量为20%、秸秆粉末添加量为29%，在最优添加参数下堆存污泥的泥饼含水率和CST分别为56.3%、47.9 s. 联合调理剂改善了污泥的化学性能和压滤性能，使脱水性能达到最优. 联合调理剂的经济优势明显，此种市政堆存污泥处理费用约为60元/t.

c) 深度脱水后的泥饼点燃温度相对原状污泥有所提高，但由于秸秆粉末的添加保障了泥饼在焚烧过程中的可持续性燃烧，泥饼燃烧过程中最大燃烧失重速率(Tm)达到3.828%/min，优于原状污泥燃烧最大失重速率(2.223%/min).