张 霞 阳 杰 丁爱琴 董 强 姚 李 徐坚博 吴 勰 刘川银

（合肥学院，安徽 合肥 230601）

活性污泥微波热解法脱水工艺研究

张 霞 阳 杰 丁爱琴 董 强 姚 李 徐坚博 吴 勰 刘川银

（合肥学院，安徽 合肥 230601）

文章针对污泥处理处置的关键技术，将连续微波辐射引入污泥的脱水预处理及低温热水解处置中，研究了在连续微波场中的不同停留时间对污泥脱水性能的影响，以及在停留时间10min不同溃入功率对污泥脱水性能的影响以及研究在溃入功率800W下温度对污泥脱水性能的影响。研究结果表明，在溃入功率800W下停留10min使污泥含水率最低，而其真空抽滤后的含水率却由原污泥直接抽滤的81%降至67%左右，在95℃左右污泥含水率最低并趋于稳定；因此适宜的微波辐射和适宜的温度能明显改善了污泥脱水效果。

污泥；脱水；微波；水热法；工艺流程

1 引言

城市污水处理厂污泥具有含水率高，体积大，易腐败，有恶臭的特点，污泥处理处置的原则是减容化，稳定化，无害化，资源化。城市污水处理厂污泥处理处置费用高，污泥处理处置越来越引起人们的重视。在污泥处理过程中，脱水处理起着重要作用并大大影响着处理费用。如果在污泥处理前破坏污泥的持水结构，则能有效的提高污泥的脱水率。目前正在开发的污泥焚烧的替代技术一一热解法，就能够在热干化的基础上，保证污泥焚烧优越性的同时，又能克服焚烧过程中的二次污染问题。由于热解法可以实现污泥处理与能源回收的双重效果，发展前景较好，越来越受到国内外研究者的重视[1-3]。该技术对实现污泥的减量化、无害化、资源化有重大意义。污泥的热化学处理方法（污泥受热发生化学反应使之稳定、减容的方法）具有无害化彻底，处理迅速，占地相对较少，处置后污泥稳定并可利用其所含有机物实施能源回收等优点，在污泥处理中的地位已逐渐增强，被认为是很有前途的污泥处理方法[4-5]。污泥可采用多种热化学处理方式以达到减容化、稳定化、无害化和资源化，主要方式包括污泥的焚烧和热解。污泥热解技术是指污泥在常压无氧或低于理论氧气量的条件下加热干燥污泥至一定温度（高温：500℃～1000℃，低温：＜500℃），由于干馏和热分解作用将污泥中的脂类和蛋白质转变成碳氢化合物，最终产物为油、反应水、不凝性气体和炭四种，部分产物的燃烧可作前置干燥与热解的热源，剩余能量以油的形式回收。无氧热分解可促使污泥中有机物发生还原作用，产生可供回收利用的低碳石化燃料，如甲烷或乙烷等。无氧热分解技术是近些年来为改进污泥焚烧而发展起来的污泥处理技术，其能量平衡优于污泥焚烧[6-8]。

2 实验部分

上述对污泥的处理和处置中，很大程度上是对降低污泥含水率的处理，脱水处理起着重要作用并大大影响着处理费用，如果在污泥脱水前进行调质处理，则能有效的提高污泥的脱水率。本文将连续微波辐射引入污泥的脱水预处理及低温热水解处置中，研究污泥在连续微波场中的不同停留时间对污泥脱水性能的影响，并研究取停留时间 10min各溃入功率对污泥脱水性能的影响以及研究在溃入功率 800W下温度对污泥脱水性能的影响。

2.1实验仪器设备

SHZ-D（Ⅲ）循环水式真空泵（巩义市予华仪器有限责任公司），BOT1-YZ1515抽水机（天津市协达伟业电子有限公司），GZX-9030MBE电热鼓风干燥箱（上海博迅实业有限公司医疗设备厂），EM-232ES2微波炉（合肥荣事达三洋电器股份有限公司），WSC-411数字温度仪（上海浦东三联仪表厂）。

2.2实验药品试剂

活性污泥（合肥经济开发区污水处理厂）。

2.3实验方法

热重分析法。

3 实验步骤

①微波热调质

将活性污泥倒入2L的大烧杯中，搅拌均匀后将活性污泥通过塑料皮管抽入微波炉中。在80W、150W、300W、450W和800W的微波功率下，分别停留1min、5min、10min、20min和30min后用数字温度仪测定微波处理后污泥的温度。

②抽滤及烘干

将微波处理后的污泥冷却至室温后，取100ml污泥倒入布氏漏斗中，用循环水式真空泵进行抽滤。将抽滤好的污泥用塑料袋装好，并标好标签。取一部分抽滤好的污泥放入已经标好标签并称量重量的坩埚内，称重，然后放入电热鼓风干燥箱中干燥6个小时，温度保持在105℃，干燥好后待坩埚冷却后再称量坩埚质量，并将坩埚中的污泥用塑料袋密封装好。

③空白组实验

取100ml污泥，直接进行抽滤，将抽滤好的污泥放入已经标好标签并称量重量的坩埚内，称重，干燥6个小时至恒重，温度保持在105℃，干燥好后待坩埚冷却后再称量坩埚质量，并将坩埚中的污泥用塑料袋密封装好。

④含水率的计算

空坩埚质量W1，空坩埚和抽滤后污泥质量W2，空坩埚和烘干后污泥质量W3。含水率=(W2-W3)/(W2-W1)×100%

4 实验数据

（1）空白组污泥含水率的实验数据，如表1：

表1　空白组污泥含水率实验数据

（2）溃入功率80W下污泥的含水率实验数据，如表2：

表2　80W功率下污泥含水率实验数据

（3）溃入功率150W下污泥的含水率实验数据，如表3：

表3　150W功率下污泥含水率实验数据

（4）溃入功率300W下污泥的含水率实验数据，如表4：

表4　300W功率下污泥含水率实验数据

（5）溃入功率450W下污泥的含水率实验数据，如表5：

表5　450W功率下污泥含水率实验数据

（6）溃入功率800W下污泥的含水率实验数据，如表6：

表6　800W功率下污泥含水率实验数据

（7）溃入功率800W不同温度下污泥的含水率数据，如表7：

表7　溃入功率800W不同温度下污泥的含水率

5 实验结果与讨论

5.1相同功率下停留时间对污泥脱水性能的影响

（1）溃入功率80W污泥的含水率。

图1　溃入功率80W不同停留时间下的含水率

由图1得出在溃入功率80W下，随着停留时间的增长，污泥的含水率缓慢减少，很长时间还没趋于稳定。

（2）溃入功率150W污泥的含水率。

图2　溃入功率150W功率不同停留时间下的含水率

由图2得出在溃入功率150W下，随着停留时间的增长，污泥的含水率缓慢减少，并于停留时间为20min时污泥的含水率慢慢趋于稳定。

（3）溃入功率300W污泥的含水率。

图3　溃入功率300W功率不同停留时间下的含水率

由图3得出在溃入功率300W下，随着停留时间的增长，污泥的含水率较快地降低，但污泥的含水率还没稳定下来。

（4）溃入功率450W污泥的含水率。

图4　溃入功率450W不同停留时间下的含水率

由图4得出在溃入功率450W下，随着停留时间的增长，污泥的含水率较快地降低，并于停留时间为 20min时污泥的含水率慢慢趋于稳定。

（5）溃入功率800W污泥的含水率。

图5　溃入功率800W不同停留时间下的含水率

由图5得出在溃入功率800W下，随着停留时间的增长，污泥的含水率急速下降，并于停留时间为10min时污泥的含水率已趋于稳定。

综上所述，在小功率下，污泥的含水率随着停留时间的增长而缓慢下降，并不能快速稳定。而在大功率下，污泥的含水率随着停留时间急速下降，并能很快趋于稳定。由此可见，在溃入功率800W下停留10min使污泥含水率下降最为有效，因此适宜的停留时间能降低能耗。

5.2相同停留时间下功率对污泥脱水性能的影响

图6　停留时间10min，溃入功率不同下的含水率

由图 6可以得出在停留时间为 10min时，在溃入功率800W下污泥含水率最低，而其真空抽滤后的含水率却由原污泥直接抽滤的81%降至67%左右，因此适宜的微波辐射明显改善了污泥脱水效果。

5.3温度对污泥含水率影响

图7　不同温度下污泥的含水率

梁鹏、黄霞、钱易等认为不同温度下，细胞被破坏的部位不同。在 45～65℃时，细胞膜破裂，rRNA 被破坏；50～70℃时 DNA被破坏；在65～90℃时细胞壁被破坏；70～95℃时蛋白质变性。不同的温度使细胞释放的物质也不同，在温度从80℃上升到100℃时，TOC和多糖释放的量增加，而蛋白质的量减少。可以将细胞在加热条件下释放的物质分为两类：低分子量的C2～C5羧酸碎片和其他溶解的有机碳，前者可以被生物迅速利用，而后者（性质类似于腐殖质）的生物降解性则要低得多。

由图 7可以得出，温度对热水解污泥脱水效果的影响显著，88℃前污泥的含水率缓慢下降。当超过88℃时，污泥含水率急剧下降。至95℃时含水率趋于稳定。由于65℃时细胞壁开始被破坏，胞内物质溢出，污泥粒径细小化，进而破坏污泥脱水性，因此在65～88℃前污泥的含水率缓慢下降；自从70℃起，蛋白质变性凝固，出现颗粒粗大化现象，进而改善污泥脱水性，又由于细胞壁被破坏的影响，则在88℃时，污泥含水率才出现明显的下降趋势。

5.4溃入功率对污泥形貌的影响

图 8和图 9分别是未经处理的活性污泥和在微波功率800W及停留时间30min处理过后的活性污泥在显微镜10× 40倍的焦距下拍得的照片。

图8　未经处理的活性污泥

图9　溃入微波功率800W停留30min

尹小延，曾科，司琼磊在微波能对化学污泥脱水性能的影响（化工设计2009,19，郑州大学水利与环境学院）提到：一般来讲，细小污泥颗粒所占比例越大，脱水性能就越差。因为污泥颗粒越小，其总体比表面积就越大，水合程度就越高。

由图8和图9可得经过微波处理后的活性污泥比未经处理的活性污泥要密集，可以得出微波高频电场促使污泥及其中的水分子不断移动、旋转，促进污泥颗粒脱稳（稳定性取决于静电斥力力与范德华力(分子间作用力)何者占主导地位，当距离很近时，范德华力占优势，合力为引力，两个颗粒可以互相吸住，胶体脱稳。当距离较远时，库仑力占优势，合力为斥力，颗粒间相互排斥，胶体将保持稳定）、絮凝，出现颗粒粗大化现象，进而改善试验污泥脱水性。

[1] 薛文源.城市污水剩余活性污泥处理与处置的途径[J].中国给水排水,1992,1(8):41-46.

[2] 乔显亮,骆永明,吴胜春.剩余活性污泥的土地利用及其环境影响[J].土壤,2000,(2):79-85.

[3] 韦朝海,陈传好.污泥处理与处置与利用的研究现状分析[J].城市环境与城市生态,1998,(12):10-12.

[4] Campbell HW. Conversion of sludge to oil: A novel approach to Sludge management[J].Water Science&Technology,1989, (21):1467-1475.

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[7] 梁鹏,黄霞,钱易,等.污泥减量化技术的研究进展[J].环境污染治理技术与设备,2003,4(1):44-52.

[8] 尹小延,曾科,司琼磊.微波能对化学污泥脱水性能的影响[J].化工设计,2009,19(6):42-45.

Dehydration process of activated sludge by microwave pyrolysis

This paper according to the key technology of sludge disposal introduce a continuous microwave radiation in sludge dewatering pretreatment and disposal of low-temperature heat hydrolysis. Study on the different retention time of sludge dewatering properties in continuous microwave field, each of sludge dewatering crush power properties during retention time 10min and under the crush of the power 800W temperature properties of sludge dewatering.Research results show that,under the crush of the power 800W and stayed 10min, the sludge moisture content is lowest. By original sludge 81% water drop to 67% at the vacuum suction filter. Sludge moisture content is the lowest, and be more stable in 90℃. So in appropriate microwave radiation and temperature can improvement of sludge dewatering effects obviously.

Slurry; sludge; microwave; thermal hydrolysis; process

TQ09;X7

A

1008-1151(2015)10-0029-04

2015-09-12

国家大学生创新创业训练计划项目（201411059018,201511059012,201511059013）；安徽省自然科学基金（1508085QB31）；合肥学院科研发展项目（12KY02ZR）。

张霞（1981－），女，安徽合肥人，合肥学院讲师，硕士，研究方向为环境化工及应用。

阳杰（1984－），男，安徽合肥人，合肥学院讲师，硕士，研究方向为分子模拟计算、环保和清洁生产、无机化工及应用。