污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点（环境科学专业优秀论文）.pdf

浙江大学硕士学位论文污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 摘要 污泥干燥是一种有效的污泥脱水方法，且有利于污泥的后续处理和利用。 但是污泥在干燥过程中会产生大量恶臭污染物，引起一系列环境问题。为了有 效地控制和治理这一污染，必须要对这些污染物的产生和释放特征进行详细的 研究。通过在实验室条件下模拟各类干燥条件，观察污泥在干燥过程中的性状 变化和重要恶臭物质氨与硫化氢的释放特征，得出如下结论： 干燥过程中污染物的释放主要可分为两个阶段，第一阶段即干燥起始时 期，污水中溶解的气体和易挥发物质大量释放；第二阶段发生在污泥含水率降 低，污泥颗粒表面大幅暴露于空气中后，吸附在污泥颗粒表面的物质开始释 放，部分不稳定化合物也开始分解。 污泥种类、含水率、干燥温度、干燥时间和氧气含量是影响干燥过程中污 染物释放的几个重要因素。其中污泥种类对污染物释放的影响最为重要，起决 定性作用。对同类污泥而言，含水率则是最关键的因素，它从两方面发挥作 用：控制温度和阻碍污染物扩散。 氨和硫化氢是污泥干燥过程中两种重要的污染物，但它们的释放特征有 眇 大不同。氨的主要来源极可能是污泥中碳酸氢铵的受热分解，它的释放与水的 去除是同时发生的，因此氨的释放很难控制。硫化氢的主要来源可能是污泥中 原有的游离硫化氢和污泥的分解产物。在正常的干燥处理中，硫化氢的释放量 非常小，但如果在较高温度下干燥过度，将导致硫化氢释放量的急剧增加。 在储存阶段，氨和硫化氢也是重要的污染物，尤其温度升高时，释放速度 可能增加几千到几万倍。而生物作用对这两种污染物的影响非常迅速。 关键词：污泥干燥硫化氢氨 浙江大学硕士学位论文 污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 a b s t r a c t t h et h e r m a ld r y i n go fs e w a g es l u d g ei sa l la t t r a c t i v es o l u t i o nt ow a s t e w a t e ru t i l i t i e s k e e nt op u r s u eam e t h o df o rs l u d g ed e w a t e r i n g t h ep r o d u c t sp r o d u c e db yt h ep r o c e s s a p a s t e u r i z e da n dc a nb eh a n d l e da n du t i l i z e dw i t hs a f e t y h o w e v e r , al o to fo d o r p o l l u t a n t s , w h i c h c a r lc a u s ean u i s a n c et o a d j a c e n tp o l u l a t i o n sa n dc o n t r i u t e s i g n i f i c a n t l yt oa t m o s p h e r i cp o l l u t i o n s ，a r ep r o d u c e dd u r i n gd r y i n g i no r d e rt oc o n t r o l a n dm a n a g et h e s eo d o r se f f e c t i v e l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fo d o re m i s s i o n sh a v et ob e s t u d i e di nd e t a i l t h ec h a n g e so fs e w a g es l u d g ep r o p e r t i e sa n dr e l e a s e so fa m m o n i a a n dh y d r o g e ns u l f i d ea g ei n v e s t i g a t e db ys i m u l a t i n gt h ed r y i n gc o n d i t i o n si n l a b o r a t o r y t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： t h er e l e a s eo f p o l l u t a n t sd u r i n gd r y i n gc a nb ed i v i d e di n t ot w os t e p s i nt h ef i r s ts t e p , g a s e sa n dv o l a t i l ec h e m i c a l sd i s s o l v e di nt h ew a t e rw i l lv o l a t i l i z e 融t h eb e g i n n i n go f d r y i n g i nt h es e c o n ds t e p , c o n t e n to fw a t e ri sv e r yl o w s l u d g ep a r t i c l e sb e g i nt ob e e x p o s e dt ot h ea i r t h e nt h ec h e m i c a l sa d s o r b e do nt h es u r f a c eo fp a r t i c l e sv o l a t i l i z e a n ds o m eu n s t a b l ec o m p o u n d sd e c o m p o s e o r i g i no fs l u d g e ，m o i s t u r e ，d r y i n gt e m p e r a t u r e ，d r y i n gt i m ea n do x y g e nc o n t e n tc a n i n f l u e n c et h ee m i s s i o n so fp o l l u t a n t sd u r i n gd r y i n g o r i g i no fs l u d g ei st h em o s t i m p o r t a n tf a c t o rt h a td e t e r m i n e st h er e l e a s e so fm a t e r i a l sd u r i n gs l u d g ed r y i n g t h e n t h ep r e s e n c eo f w a t e rc a ns u p p r e s st h er i s i n go f t e m p e r a t u r ea n dh i n d e rt h ed i f u s s i o n s o f p o l l u t a n t s a m m o n i aa n dh y d r o g e ns u l f i d ea r et w oo ft h em o s ti m p o r t a n tp o l l u t a n t s ，b u tt h e e m i s s i o nc h a r a c t e r i c so f t h e ma r cd i f f e r e n t t h em a i ns o u r c eo f a m m o n i a m a yb et h e d e c o m p o s i t i o no fa m m o n i u mb i c a r b o n a t e w h e nw a t e ri sv a p o r i z e d , r e l e a s eo f a m m o n i ah a p p e n sa tt h es 锄et i m e s ot h ep o l l u t i o n sc a u s e db ya m m o n i aa r ch a r dt o c o n t r 0 1 h y d r o g e ns u l f i d ec o n i e sf r o mt h er e l e a s eo fh y d r o g e ns u l f i d ei ns l u d g ea n d d e c o m p o s i t i o no fs e w a g es l u d g e s m a l la m o u n to fs u l f u n t e dh y d r o g e ni sp r o d u c e di n ag e n e r a ls i t u a t i o n h o w e v e r , t h ea m o u n to fh y d r o g e ns u l f i d ew i l li n c r e a s es h a r p l y w h e nt h es l u d g ei so v e rd r i e da tah i g ht e m p e r a t u r e b e c a u s eo ft h et o x i c i t yo f h y d r o g e ns u l f i d e ，i th a st ob ec o n c e r n e ds e r i o u s l y a m m o n i aa n dh y d r o g e ns u l f i d ec a ni n c r e a s et h o u s a n d st i m e si nas h o r tt i m ed u r i n g t h es t o r a g ep e r i o dw h e nt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e ss h a r p l y m i c r o o r g a n i s ma l s oa f f e c t s 也e i rs t a t ei nas h o r tt i m e s oi m p a c to f m i c r o o r g a n i s mh a v et ob ec o n s i d e r e d 知识水坝pologoogle为您整理 浙江大学硕士学位论文 污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 k e yw o r d s ：s l u d g e ；d r y i n g ；h y d r o g e ns u l f i d e ；a m m o n i a h i 知识水坝pologoogle为您整理 浙江大学硕士学位论文污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 专用术语的注释表 污水污泥：指污水处理流程中产生的各种污泥，在没有特别说明的情况下，本 论文中所说的污泥都指的是污水污泥。 d s ：干污泥( d r i e ds l u d g e ) 。指完全干燥后的污泥。 w s ：湿污泥( w e ts l u d g e ) ，这里指实验用脱水污泥。 i v 浙江大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：型磋日期：芝王! ! ! r 浙江大学学位论文使用授权声明 浙江大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权浙江大学研 究生部办理。 研究生签名：龌导师签名：拯垒鳢 日期： 奄 一1 ，1 1 浙江大学硕士学位论文污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 第一章绪论 近些年来，我国经济社会呈现高速发展，取得举世瞩目的成就。但与此同 时，发展与环境、资源的矛盾日益尖锐，可持续发展问题日益突出。 污泥的处理处置是污水处理的重要组成部分，其运作的好坏是评价污水处 理状况的重要标准。如果污泥的处理处置工作做得不好，不但会抵消污水处理 的成果，还会造成一系列其他环境问题。 近些年来，随着国家对环境问题的日益重视，污泥问题也逐渐成为关注的 对象。据统计，2 0 0 5 年全国污泥产量约为1 1 1 3 万吨( 中国环境年鉴社， 2 0 0 6 ) 。但其中有相当一部分没有得到妥善的处理。与此同时，大量未经稳定 处理的污泥没有正常出路，得不到良好的处置( 宋志辉，2 0 0 5 ；韩晓芳等， 2 0 0 6 ；张道方等，2 0 0 6 ) 。由此可见，中国尚未形成成熟有效的污泥处理体 系。 污泥中含有大量的养分，也含有大量病原体、寄生虫或虫卵、重金属、盐 类及各种有机物，如果不能得到妥善处理将会给环境与人类造成重大危害： 1 氮磷等养分会被冲淋入地表水体，造成水体富营养化，或渗透到地下造成地 下水的污染；2 未处理污泥中的病原体、寄生虫很多，可通过直接接触或水 体、食物链引起疾病的流行；3 大量重金属在污水处理过程中以吸附或沉淀的 方式转移到污泥中，它们易在生物体内积累，破坏生物或人类的正常生理机 能；4 盐类会提高土壤电导率，直接伤害植物或干扰植物对养分的吸收； 5 难降解有毒有害有机物通过食物链在生物体内富集，危害生物的生存，而其 他有机物则可能引发恶臭等其他环境问题。 在欧盟等发达国家，他们对污泥的危害认识较早，因此对于污泥的处理与 处置有着比较完善的技术手段与法律规定，研究也较为深入。 目前在欧洲4 0 的污泥用于土地填埋，3 7 的污泥农用，1 1 的污泥焚 烧，剩下1 2 则利用其他手段处置，如土地修复等( f y t i l ie ta 1 ，2 0 0 6 ) 。土地 填埋由于要占用土地并污染周边环境己开始被限制使用，但是因其便利和技术 简易，仍然是最主要的处置方式。污泥农用可以有效地利用污泥中的养分，但 它要克服一系列技术和社会问题，包括污泥的储藏运输，重金属、农药、病原 体等有害成分的控制和社会认可。污泥焚烧被认为是最有吸引力的污泥处置方 式，它可以最大限度的减少污泥体积，控制恶臭污染，将有毒有害有机物彻底 分解并回收一部分能源。但是它同样存在重金属的释放控制，尾气和残渣处理 等问题。污泥的处置没有一个完美的解决方案，应该根据经济与社会的发展水 平选择相应的处置方式。但发达国家的经验教训值得我们借鉴。 西浙江大学硕士学位论文污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 但是无论采取何种处置方式都应该对污泥进行恰当的处理，得到良好处理 的污泥可以最大程度的弥补最终处置方式的缺陷，反之则会放大处置方式的危 害性，抵消其优越性。 常见的污泥处理流程为浓缩，调理，机械脱水，处理( 如干燥，堆肥，碱 稳定，焚烧，热解等) ，处理产物或残留物的储存、运输和最终的处置。对于 污水污泥，尤其是生物污泥，含水率高是一个非常显著的特征，如城市污水厂 污泥的含水率一般在9 7 9 9 ，给后续的运输与处理造成极大的困难，因此 脱水在污泥处理过程中占据着最重要的地位。 脱水是污泥处理流程中最重要的环节之一，根据其机理的不同又可分为机 械脱水，自然干燥和人工干燥。机械脱水是利用离心力，压力等机械力将污泥 中的重力水除去，它的能耗较低，但仅能使污泥含水率降低到约6 5 8 0 ， 所以一般作为初步的脱水手段。要进一步除去污泥中含有的水分，必须要依靠 热能，这时又可分为自然干燥和人工干燥两种手段。自然干燥主要依靠渗透、 蒸发和撇除，它的技术简单，能源消耗少，但是费时，费地，恶臭难以控制， 受气候影响大，在人们对环境质量要求越来越高的今天，应用日益受到限制。 污泥的人工干燥( 以下简称干燥) 则是利用人工热源对污泥进行深度脱水，它 的耗能、费用与技术难度都较高，但是可控性好，应该是污水污泥深度脱水的 发展方向。 污泥进行干燥处理后可以得到以下几个效果。1 大幅减少污泥体积，从而 降低污泥储存、运输的成本，减少土地填埋时需占据的空间。2 降低含水率， 可以提高污泥的低位热值，以利于污泥的焚烧处理，也利于堆肥等其他污泥处 理方式。3 改变污泥形态，将污泥从难以利用的流动或粘稠的半固体变为易使 用的固体颗粒。4 杀死污泥中的微生物，提高污泥稳定性，减少污泥使用的环 境风险。5 将污泥中的有毒有害物质进行集中处理，消除恶臭，大大增加了污 泥处理和利用的安全性，可靠性。污泥的干燥处理是一种有效的处理方式。 正是由于干燥工艺的种种优点，它的应用日益受到重视并逐渐成为一个主 要的污泥处理手段( c h e r te ta 1 ，2 0 0 2 ) 。但干燥工艺的副产品干燥尾气也 应同时得到重视。污泥的干燥尾气中含有大量的有毒有害物质，会对环境和人 类造成不良影响，尤其是其中的恶臭物质，即使在环境中的含量非常低，仍能 令人感到不快。所以干燥尾气如果不能得到妥善的处理，将会引起一系列的问 题，抵消因污泥干燥产生的社会、环境及经济方面的积极作用。但是对于污泥 干燥过程中有毒有害物质的产生特点及其数量，可能由于这主要是个工程问 题，出于保密或者是缺乏系统研究的原因，很少能够看到这方面的详细资料。 而这对于污泥干燥系统的设计与运行及干燥尾气的控制与处理却有着十分重要 的参考价值。 浙江大学硕士学位论文污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 本研究首先将对污泥干燥处理的基本情况进行总结，对污泥干燥工艺、干 燥过程及其中的恶臭风险进行详细的分析。在这基础上，通过实验室模拟的方 法，观察污泥在干燥过程中的性状变化，寻找在污泥干燥处理各环节中的典型 恶臭物质( 氨、硫化氢) 的释放特点与释放强度，确定实验方法，为以后进一 步的分析工作及恶臭的污染控制研究提供参考 浙江大学硕士学位论文 污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 第二章污泥及污泥脱水 2 1 污泥的产生 污泥是按废物相态特征分类的一类废弃物，它的主要特点是：1 固液混 合；2 固液比有一定稳定性；3 污泥中所含液体通常为水( 何品晶等， 2 0 0 3 ) 。污水处理，给水处理，水体疏浚、建筑施工等都会产生各种污泥。 然而污水处理过程中产生的污泥，由于富集了污水中的重金属、有机农 药、植物营养物质等许多对环境或人体有毒有害的物质，产量又非常大。危害 尤其严重，也是目前最主要的关注对象。所以下文中的污泥指的都是在污水处 理中产生的污泥。 污水处理工艺有很多，效果最好和最为常用的是生物处理法，尤其是城市 污水。物理化学手段主要作为减少处理负荷，降低污水毒性的辅助手段。但在 某些工业废水的处理中，化学方法可能是处理工艺的核心。污水生物处理流程 大致相同，典型工艺流程见图2 1 。 图2 1 典型污永生物处理流程( c h e r te ta 1 2 0 0 2 ) ( a ) 一级处理；( b ) 二级处理 4 囝浙江大学硕士学位论文污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 污水污泥的来源有格栅处的栅渣，沉砂池的沉渣等，但产量最大，最为重 要的是初沉池产生的初沉污泥和二沉池的剩余活性污泥。这两种污泥也是污泥 处理的主要对象和难点。 初沉池和二沉池沉淀对象不同，所以产生的污泥在成分与性质上是有较大 差异的。初沉池去除的是污水中可沉淀的悬浮固体和胶体，大多保持污染物的 原始状态，更易受污水来源的影响。就城市污泥而言，初沉污泥可能是一些排 泄物，动植物残体，产品碎屑等。二沉池处理的是生物处理流程中，吸收了污 水中营养物质而产生的微生物及其分泌物，和吸附于两者之上的胶体、细小颗 粒物、离子等。两种污泥的性质成分状态见表2 1 ，表2 - 2 由于成分的差异，两种污泥在处理中存在不同的特点。如表中所示，虽然 两种污泥的含水率都很高，但初沉污泥明显比剩余活性污泥低得多，这意味着 对于相同质量的干污泥，剩余活性污泥体积将会是初沉污泥体积的几倍甚至十 几倍。初沉污泥中纤维素的含量较高，而纤维素高的污泥干燥后密度容易偏 低，必须进行处理( l o w e ，1 9 9 6 ) 。剩余活性污泥的c n 比较低，相对而言比 较稳定。当生物处理工艺的污泥龄足够长时可以简化甚至取消污泥稳定流程， 比如氧化沟处理工艺。初沉污泥常有难闻的气味，而当设施运行良好时，剩余 活性污泥没有特别的异味( 何品晶等，2 0 0 3 ) 。 不过就且前而言城市污水厂一般将初沉污泥与剩余活性污泥混合后作为混 合污泥统一处理。 表2 1 城市污水厂污泥的基本理化性质( 何品晶等，2 0 0 3 ) 项目初沉污泥剩余活性污泥厌氧消化污泥 p h 5 o 6 06 5 7 56 5 7 5 干固体总量，3 8o 5 1 05 0 h 1 0 0 挥发性固体总量( 占干重) 6 0 9 06 0 8 03 0 6 0 固体颗粒密度( e , c m 3 ) 1 3 1 5 1 2 1 41 3 1 6 容重 1 0 2 1 0 31 0 n 1 0 0 51 0 3 1 0 6 b o d 5 v s g 0 5 1 1 空白空白 c o d v s g 1 2 1 62 o 3 0空白 碱度( 以c a c 0 3 计) ( r a g l ) 5 0 0 1 5 0 02 0 0 5 0 02 5 0 0 3 5 0 0 浙江大学硕士学位论文污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 表2 - 2 污泥中的有机物组成( 尹军等，2 0 0 5 ) 有机物种类初沉污泥剩余活性污泥厌氧消化污泥 有机物含量 6 0 9 06 0 8 03 0 6 0 纤维素含量( 占干重) 8 1 55 1 08 1 5 半纤维素含量( 占干重) 2 4空白空白 木质素含量( 占干重) 3 7空白空白 油脂和脂肪含量( 占干重) 6 3 55 1 25 2 0 蛋白质( 占干重) 2 0 3 03 2 4 l1 5 2 0 碳氮比 ( 9 4 ( 4 6 5 o ) ：l空白 1 0 ) ：1 2 2 污泥的分类及特点 污泥的分类有很多不同的准则，这里按照污水的来源将污泥分为生活污水 污泥与工业废水污泥。 生活污水污泥的基本特征大致相近，一般有机物含量较高，重金属等污染 物浓度较低。但是在不同的时间与地域，生活污水污泥的成分与产量还是有较 大变化的，如生活水平高的，可能污泥中的有机质含量更高。 工业废水污泥当采用生物处理时，其污泥的性质大致与生活污水污泥相 近，但是对于不同的工业部门，不同的生产工艺，产生的污泥往往具有一定的 特殊性，增加不少处理难度，比如皮革污泥中铬含量高，造纸污泥中木质素， 糖类含量高等。此外许多工业废水的处理往往要依靠其他物理化学方法，添加 大量的药剂，使得工业废水污泥的组成更加复杂，往往需要单独进行研究 2 3 污泥中水分的存在形式 对污泥中水分存在形式的了解有助于我们理解污泥的脱水极限和脱水过 程。最常见的是根据污泥的干燥特性，将污泥中的水分为四类( 胡龙等， 1 9 9 9 ：c h e ne ta 1 ，2 0 0 2 ；何品晶等，2 0 0 3 ；v a x e l a i r ee ta 1 ，2 0 0 4 ：尹军等， 2 0 0 5 ) 。 第一类：自由水，不受污泥中微粒和毛细作用的影响。 第二类：毛细水，位于污泥微粒的裂隙或相互之间的间隙处，受到毛细作 用的影响。 第三类：表面水，以吸附力与固体表面结合。 第四类：结合水，是固体的一部分，一般以化学力与固体微粒结合。 6 浙江大学硕士学位论文 污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 但有人认为还应该加上被包裹在聚合物内部和细胞内部的内部水( 申丘澈 等，1 9 7 4 ；v a x e l a i r ee ta 1 2 0 0 4 ) 。 水的存在形式是根据污泥在脱水过程中水分脱离的难易来定义的，取决于 采用的脱水手段，当采用的方法不同时，在组成和含量上都会有差异。 2 4 污泥的脱水技术及恶臭风险 从污水处理设旌排放的污泥，除了一些化学法处理产生的污泥外，通常含 水率都非常高。为了有效地利用或处理污泥，必须降低污泥含水率，这也是污 泥处理的核心之一。常见的脱水方法有浓缩、脱水、干燥等。 调理是一种辅助手段，本身并不起脱水作用，但可以改善污泥脱水性能， 以利于后续的脱水处理，常采用的方法是利用温差或加入药剂。污泥调理对于 污泥恶臭的产生有一定间接影响，比如有研究表明某些有机药剂在厌氧降解中 会产生大量恶臭气体三甲胺( c h a n ge ta 1 ，2 0 0 5 ) 。而温差调理可杀死污泥中的 微生物，减少因有机物分解而产生的恶臭。 浓缩是一种初步脱水手段，针对的是污泥中的自由水，基本方法有重力浓 缩、气浮浓缩和离心浓缩。在重力浓缩过程中，污泥处于厌氧状态，通常会产 生恶臭，所以必须对臭气进行控制。气浮浓缩中，污泥虽然不易出现厌氧状 态，但是污泥中原有的一些恶臭物质，极可能被气浮用的气体携带出来，仍有 一定的恶臭风险。离心浓缩能够迅速完成水的分离，一般恶臭问题较少。 机械脱水一般在浓缩以后，对污泥进行进一步脱水，针对的是污泥中的自 由水和部分毛细水。根据污泥性质与脱水方式的不同，脱水后污泥的含水率也 有较大波动，就常见的带式压滤机而言，可将初沉污泥与活性污泥的混合污泥 含水率降低至7 0 8 0 。在这个环节中，污泥被剧烈搅动，与空气的接触面 增大，尤其是在气温较高时，污泥中的恶臭物质会大量释放出来。所以污泥脱 水车间一般是污水处理厂中最大的恶臭源( 尹军等，2 0 0 5 ) 。 自然干燥是利用渗透、蒸发与撇除作用来脱水，可以将污泥含水率降到一 个很低的水平。但它是在露天环境下操作，占地面积大，恶臭控制困难，在入 口稠密、环境要求高的地区很难实施。而城市污水厂一般都在人口密集区附 近，所以自然干燥的应用受到严重限制。此外自然干燥对气候也有较高的要 求。 人工干燥是利用人工热源去除污泥中的水分，能耗和技术难度都很高，仅 适用于脱水污泥的深度脱水。由于人工干燥是在密闭环境下进行，恶臭控制比 较简单，此外它的占地少，效果稳定，可控性强，适合工业化操作，在社会经 济达到一定水平，环境要求比较高时，应该会成为一种主流的污泥处理手段。 以下讨论的都是人工干燥的问题，为方便起见，将人工干燥简称为干燥。 浙江大学硕士学位论文污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 第三章污泥干燥中的恶臭污染 3 1 污泥的干燥 污泥干燥是利用人工热源，以工业化设备对污泥进行深度脱水的方法，可 在污泥堆肥、焚烧或热化学处理前作为预处理手段，也可将干燥产品直接作为 农业肥料或某些工业部门的辅助燃料。 3 1 1 干燥过程的三阶段 污泥的干燥过程可分为三个阶段： 第一阶段为污泥的预热阶段。在这个阶段，污泥表面的温度逐渐升高，同 时表面的水分汽化速度加快，直至某个温度。这个温度是与污泥周边环境的温 度、湿度等干燥条件相关，即环境的湿球温度，一般都低于环境温度。 第二阶段为恒速干燥阶段。在这个阶段，污泥表面含水率比较高，外界传 递给污泥的热量全部用来汽化水分，污泥表面温度等于空气的湿球温度，汽化 速度基本稳定。此阶段的干燥速度决定于污泥表面的水分汽化速度，是表面汽 化控制阶段。 第三阶段为降速干燥阶段。在这个阶段，污泥表面的含水率低，汽化表面 从污泥表面向内部转移，汽化所需热量需要通过固体传到汽化区域，汽化的水 汽通过固体空隙向外部扩散，汽化速度逐步降低。越来越多的热量用来加热干 污泥，使污泥表面温度上升，最高可以达到环境温度。在这升温过程中，热稳 定性不同的物质逐次分解或蒸发，有点类似于化学中的分馏操作。此阶段的干 燥速度决定于水分和水汽在污泥内部的传递速度，是内部扩散控制阶段。 3 1 2 污泥干燥影响因素 影响污泥干燥的因素很多，主要可分为两类： 一是污泥性质，包括污泥组分的化学组成，微粒的形状、大小，水分的存 在形态，组成等。 二是运行条件，包括热介质( 加热污泥用) 的温度，载气( 赶走干燥器中 水蒸气用) 的湿度、速度，污泥与热介质、载气的接触方式，热介质温度越 高，载气湿度越小、速度越快，污泥的干燥速度就越快。污泥与热介质接触面 越大，污泥受熟就越均匀，可以有较少的热量浪费在加热干污泥上，增加了热 效率。污泥与载气的接触面越大，污泥环境湿度就越低，更利于污泥中水分扩 散入气相。 浙江大学硕士学位论文污泥干燥处理中典型怨臭的释放特点 这些因素综合作用于整个干燥过程，决定了干燥的结果。然而由于影响因 素很多，关系非常复杂，目前还没有一个数学函数关系式可以用来表征干燥过 程与各影响因素的关系，但是对部分因素综合影响的函数关系式的研究已有成 果( v a x e l a i r ee ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 污泥干燥过程中，污泥中的水分主要要完成两个过程，一是摆脱其他水分 子或污泥微粒表面对它的吸弓i ，即汽化过程。二是从污泥内部逐渐迁移到污泥 表层并最终完成与污泥的分离，即扩散过程。水分的汽化与扩散是一个相互交 错的过程，水分可以先汽化，然后以气体形式扩散到表层并脱离污泥；也可以 以液态形式先到达表面再汽化；甚至也可以先汽化，在到达表面前被冷凝液 化，再迁移到表面汽化。这些过程取决于干燥条件。 水分子之间的吸引力大致上是固定的。而固体表面对水的吸引能力是随着 含水率的降低而升高。当污泥含水率在3 0 k g k g ( d s ) 时，水分子与污泥颗粒 固体表面的结合能约为1k j k g ( h 2 0 ) ；当污泥含水率降低到2 k g k g ( d s ) 时，结合能开始急剧上升，约为2 0 0k j k g ( h ：o ) ：当降低至o 5 k g k g ( d s ) 时，结合能超过1 0 0 0k j k g ( h 2 0 ) ，甚至接近了化学键能( c h ue ta 1 ，2 0 0 5 ) 。所 以污泥含水率越低，水分汽化所需的能量就越高。 水分由内到外迁移的主要形式可能是气体的质量扩散和液体的毛细管作 用，其所受阻力大小主要取决于物料的性质。当污泥的空隙比较大，渗透性比 较好，扩散阻力比较小时，比如某些化学污泥，污泥内外层的含水率下降是同 步的。但对于活性污泥。渗透性通常比较差扩散阻力就比较大。当这些污泥 表面含水率已经很低，十分干燥的时候，污泥内部含水率却几乎没有变化，出 现结“壳”现象( v a x e l a i r ee ta 1 ，2 0 0 0 ) 。这是表层水分逃逸和内部水分扩散的 平衡问题，当内部水分扩散速度小于表层水分逃逸速度时，“壳”即可出现。 在人工干燥过程处理中，干燥温度比较高，表层水分逃逸速度极快，所以这种 现象很容易出现。在污泥表层含水率逐渐降低，温度逐渐上升后。表层污泥的 物理化学性质发生一系列变化，比如其中纤维素开始收缩，某些化合物开始聚 合，固体微粒间相互靠近并相互吸引，使污泥的“壳”通常十分致密，渗透性 极差，大大增加了水分扩散到表面的难度。为减少扩散阻力，可考虑降低污泥 颗粒的大小，减少扩散距离，但是要控制粉尘量，否则会有安全问题( 徐强， 2 0 0 3 ) 。此外，温度的升高可使水分更易汽化，而气体的扩散阻力相对小的 多；加快载气的速度，降低载气湿度，可降低污泥环境湿度，使气体的质量扩 散速度加快。 在污泥干燥过程中，恒速干燥阶段的主要限制因素是表面水分汽化速度， 降速干燥阶段的主要限制因素是内部扩散速度。 9 浙江大学硕士学位论文污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 3 1 3 常见的污泥干燥方式与设备 按照热介质是否与污泥相接触，污泥的干燥方式常可分为两类：直接干燥 和间接干燥( 见图3 1 ) ，所以常见的干燥系统也可分为三类：直接干燥系统， 间接干燥系统和综合干燥系统( 即同时包括两种干燥方式。如流化床干燥工 艺) 。 直接干燥又称对流干燥，它最大的特点是热介质与载气是一体的。热介质 进入干燥器后，直接与湿污泥接触，将其加热，并带走水蒸汽和同时产生的其 他污染物。直接干燥中的热介质有热空气或蒸汽等，最常见的是燃料燃烧后产 生的热空气与起稀释作用的空气、循环气体等混合降温后，直接作为干燥热介 质。这时应注意燃烧尾气中本身就含有污染物，比如二氧化硫、氮氧化物、一 氧化碳等。这部分污染物在污泥干燥过程中极可能参与干燥器中的化学变化， 也几乎肯定会进入干燥尾气中。此外由于热介质的热容小，所以需要大量热介 质来加热，这样使得直接干燥工艺的尾气产量非常大，污染物浓度低，处理起 来比较麻烦。特别是一些恶臭污染物，即使在尾气中的浓度很低，仍会令人感 觉不适。 常见的直接干燥系统有：滚筒式干燥器、急骤干燥器和带式干燥器。各项 技术指标见表3 - i ，仅供参考，也有称直接干燥系统的进气温度为3 7 0 c 4 5 0 ( 尹军等，2 0 0 5 ) 。事实上提供污泥干燥设备的提供商非常多，运行参数必 然各有不同。而不同干燥器中，污泥无论形态、受热条件等都会有不同的特 点，在污泥干燥研究中都需要特别注意。图3 2 ，图3 - 3 ，图3 - 4 分别为滚筒式 干燥器，急骤干燥器和带式干燥器。 热介质( 载气) 载气 - _ - - - - - - - - - - _ - - - 水蒸汽 水蒸汽 蠡荪蠢囱两两 t 热介质t 直接干燥间接干燥 图3 - i 直接干燥与间接干燥 浙江大学硕士学位论文污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 表3 - l 各种干燥器比较表( 张自杰等，2 0 0 0 ) 指标滚筒干燥器急骤干燥器带式干燥器 设备定型有定型设备无定型设备无定型设备 灼热气体温度( ) 1 2 0 1 5 05 3 01 6 0 1 8 0 干燥效果 1 5 2 0 约1 0 l o 1 5 以含水率计 运行方式连续连续连续 干燥时间( m i n ) 3 0 3 2 不到1 2 5 4 0 热效率较低 高 较低 图3 - 2 滚筒干燥系统( c h e n e t a l 。2 0 0 2 ) 图3 - 3 急骤干燥系统( t h e ne ta l 。2 0 0 2 ) 浙江大学硕士学位论文污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 圈3 4 带式干燥系统( c h e r te t a l ，2 0 0 2 ) 间接干燥又称接触干燥，它的热介质与载气是分离的。热介质并不直接与 污泥接触，而是通过热交换器，将热量传递给湿污泥，使水分蒸发，而由载气 将干燥器中的水蒸气和污染物质带走。由于不必考虑热介质与污泥的分离问 题，所以间接干燥热介质的选择面要大得多，可以选择蒸汽、热水、热油等。 而且由于只有少量载气被污染，所以尾气产量也很少这种尾气的污染物浓度 很高，无论是采用燃烧还是生物处理都能比较方便地去除大部分污染物。即使 是恶臭污染物，只要绝对量少，只需用空气稀释便能处理。间接干燥系统的问 题除设备比较复杂外，主要是在热交换器表面，污泥很容易因过熟而粘贴，大 幅降低了熟传导效率。 在尾气处理方面，直接干燥系统根据加热介质流动情况可分为三种：开放 式循环，半封闭式循环和完全封闭式循环。 ( 1 ) 开放式循环系统中，熟介质只利用一次，在完成加热后携带水蒸气、 微尘和污染物离开，经气一固分离器去除微尘，经冷凝器去除水蒸气，再经化 学洗涤或高温焚烧等处理后排放。如果冷凝器设计合理，在冷凝过程中热介质 中的大部分微尘和污染物都会被去除，但是仍会含有某些恶臭污染物和挥发性 有机物。 ( 2 ) 半封闭式循环系统中，热介质流出干燥器后经除尘、冷凝后，7 5 8 5 的气体重新回到加热器中循环利用，剩余1 5 2 5 排放。半封闭式循环 系统可以有效改善污泥干燥的热效率，极大的减少了尾气的产生量，同时降低 了干燥器中的氧气含量，提高了系统的安全性。因此在美国，有不少开放式循 环系统都改造成半封闭式循环系统( 杨小文等，2 0 0 2 ) 。 ( 3 ) 全封闭循环系统中，燃烧后产生的热量与热介质通过热交换器进行热 量交换，燃烧产物不进入热介质。热介质在热交换器中被加热后流入干燥器干 燥污泥，然后流出干燥器进行除尘，除蒸汽，之后1 5 2 5 的气体进入加热 器燃烧后排放，其他7 5 8 5 进入热交换器再加热。 浙江大学硕士学位论文 污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 间接干燥系统的尾气处理也可分为开放式循环和全封闭式循环，大多采用 全封闭式。尾气处理流程与直接干燥系统类似。 3 2 恶臭与恶臭物质 恶臭是世界七种典型公害之一，它直接作用于人的嗅觉给人造成危害。 一切刺激嗅觉器官，引起人们不愉快感觉及损害生活环境的气味统称为恶 臭。具有恶臭气味的物质被称为恶臭污染物。恶臭现象虽属大气污染的一种形 式，但是恶臭物质在很低浓度就能产生嗅觉刺激，所以各国一般单独列出进行 控制。 3 2 1 恶臭物质的特点 恶臭作为大气污染的一种，它具有一般大气污染物的特点，包括主要通过 大气传播，主要通过呼吸系统危害人体等。但同时，恶臭又是以人的嗅觉感知 作为判断标准，具有许多其他污染物所不具备的特点 一、恶臭物质是一种感觉污染，是以人的嗅觉作为最终批判标准。这是恶 臭污染的特殊性所在。恶臭的产生，它既与恶臭物质的组分、浓度有关，也与 人类的感知能力，心理状态有关。 二、恶臭物质可以在极低浓度就被人感知，给人造成不快。表3 - 2 所示的 是国家恶臭污染物排放标准中规定的八种恶臭物质，及其感觉阀值和识别 阀值( 感觉阀值是可以感觉到有气味的最小浓度。识别阀值是可以感觉到是什 么气味的最小浓度) 。从表中可以看到很多恶臭物质的感觉阀值非常低，因此 给分析测试带来极大的难度。 表3 - 2 八种恶臭物质的感觉阀值、识别阀值( 金浩等，1 9 9 3 ) 。 序号控制项目 感觉阀值j i g 馆识别阀值雌瞧 l 氨o 10 6 2 三甲胺0 0 0 0 10 o o l 3 硫化氢o 0 0 0 5o ，0 0 6 4甲硫醇0 0 0 0 1o 0 0 0 7 5 甲硫醚 o o 0 0 10 0 0 2 6二甲二硫o 0 0 0 50 0 0 5 7二硫化碳o 0 1 7 0 8 8 ” 8 苯乙烯o 0 30 2 注：1 ) 引自突发性污染事故中危险品档案库( 江苏省环境监测中心，2 0 0 7 ) 浙扛大学硕士学位论文污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点 三、人类对恶臭的嗅觉感知大致与恶臭物质浓度的对数成正比。所以当大 部分恶臭物质被去除后，减少的恶臭却很少，这大大增加了恶臭处理的难度。 四、恶臭通常是多种组分共同作用的结果。各组分由于人嗅觉的敏感度不 同，所起的作用往往各不相同，比如硫化氢的感觉阀值是氨的1 2 0 0 ，所以即使 硫化氢的含量远低于氨，却可能依然是对恶臭起主要作用的物质。此外不同的 恶臭物质之间还会有抵消作用或协同作用，使整体恶臭效果减弱或增强。有时 甚至在某些香味中也能检测到恶臭物质。因此某些恶臭物质浓度的确定并无法 对恶臭的整体效果做出正确评价。 五、恶臭污染具有时段性和区域性。恶臭物质通常在大气中并不稳定，大 多数很容易被氧化或分解，所以恶臭污染往往控制在一定的时间与空间内，恶 臭物质也会在一定时间内消失，不会积累。这与二氧化硫、氮氧化物等污染物 不同。也正是由于恶臭污染物大多不稳定，所以低浓度恶臭污染也可选择稀释 作为处理方法。 六、恶臭污染与气象条件密切相关。恶臭污染的影响区域、强度、持续时 间都受大气条件的影响，比如当风速较大时，在下风处就可能会有较大区域受 恶臭物质影响，但同时恶臭物质的稀释速度加快，缩短了恶臭污染时间。 3 2 2 恶臭物质的危害 恶臭最大的特点是通过嗅觉影响人类，引起人类心理上的不快，继而影响 人类的心理状态和生理健康。而某些恶臭物质，如硫化氢、氨、脂肪胺、硫醇 等在浓度较高时对人体有直接的毒害作用。恶臭物质对人体各系统的具体危害 见表3 - 3 表3 - 3 恶臭对人体各系统的影响( 沈培明等，2 0 0 5 ) 受损部分 症状表现 呼吸系统 呼吸困难，胸闷，呼吸次数减少，严重时导致昏迷或死亡 循环系统 头晕，头痛，缺氧，心跳、血压不正常，诱发心血管疾病 消化系统厌食，恶心甚至呕吐，进而发展为消化功能减退 内分泌系统倦怠无力，分泌功能紊乱，影响机体的代谢活动 神经系统嗅觉疲劳、嗅觉丧失，最后导致大脑皮质兴奋和抑制的调节功能失调 精神状态精神烦躁不安，思想不集中，判断力和记忆力下降并干扰睡眠 3 2 3 恶臭的分析 恶臭的分析方法可分为两类，一是恶臭的感官分析方法，二是恶臭的仪器 分析方法。 1 4 浙江大学硕士学位论文 污混干燥处理中典型恶臭的释放特点 恶臭的感官分析方法就是根据人的嗅觉对恶臭气味的嗅觉响应，通过人的 嗅觉对恶臭的特征进行数值或文字的描述。这是一种非常实用、有效的分析方 法，也是对恶臭污染最准确的评价方式。恶臭的感官分析方法很多，目前我国 关于恶臭检测的标准方法是1 9 9 3 年发布的g b f i 1 4 6 7 5 - - 9 3 空气质量恶臭的 测定中所规定的三点比较式臭袋法，这是一种测定恶臭气体浓度的方法。该 方法是让多个嗅辨员闻三袋为一组的专用臭袋中的气体，每组中只有一袋是用 无臭空气按适当比例稀释的臭气，另外两袋为无臭空气。嗅辨员通过三点比 较，从中辨别出一个有臭气的袋子，再逐级稀释，直至所有的嗅辨员闻不出臭 气为止。然后按各个嗅辨员在各级稀释倍数的正解率，统计求得臭气浓度。三 点比较式臭袋法具有相对较高的测定精度，测定的重复性和再现性较好。 但是要进一步评估恶臭对人类、环境和生态的危害，对恶臭污染进行控 制，就必须要正确了解恶臭的组成，从中寻找恶臭的来源和特点，提出恶臭的 控制方法与策略。这一点恶臭的感官分析是无法完成的，必须依靠仪器分析 恶臭的仪器分析就是借助各种化学分析仪器来确定恶臭的组成。由于恶臭 气体的复杂性和多样性，它的分析方法也极为复杂多样。常用的方法有：气相 色谱法，气相色谱一质谱法，分光光度法，高效液相色谱法等( 加藤龙夫等， 1 9 9 2 ；沈培明等，2 0 0 5 ) 。