（矿物加工工程专业论文）脱水污泥微波干燥及资源化的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o nf o r t h ed e g r e e o f m e n g i l u l ll i l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l y 17 8 3 9 9 5 r e s e a r c ho nt h em i c r o w a v e d r y i n g a n dt h e r e s o u r c eo f d e w a t e r i n gs l u d g e s u p m 4 s o r ：嚣r o d s 。o n n 倒gp i n w g e i s p e c i a l t y ： m i n e r a lp r o c e s s i n g h e i l o n g i i a n gu n i v e n t yo f s c k n c ea n dt e c h n o l o g y h a r b i n ，p rc h i n a ，1 5 0 0 2 7 j u n e2 0 l o 黑龙江科技学院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，也不包含为获得黑龙江科技学 院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：童箜今 日期：型! ：鱼! 孥 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、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) 授权黑龙江科技学院研究生学院办理。 研究生签名师签名：蚣师签名：盎魍煳期：立口d 石t 7 1 、 影响因素；分析了微波 型煤粘结剂制备型煤的 可行性，以寻求污泥资源化利用的途径。 微波时间、功率和脱水污泥形状、质量对微波干燥效果影响显著。微波 功率越大、时间越长、脱水污泥形状为方条状时干燥效果最好，而且脱水污 泥质量达到特定功率下的极限干燥量时，微波利用率最高。微波功率为4 2 0w 的条件下，对含水率为8 4 7 4 的脱水污泥进行干燥，1 0m i n 时含水率降至 1 0 1 7 ，达到干化的要求；微波功率从1 4 0w 增至7 0 0w 时，脱水污泥最大 干燥速率由1 7 5 舳升至9 2g m i n ，而且脱水污泥形状为方条状时干燥效 果最好；特定功率都有一个最大干燥极限微波功率为5 6 0w 时，最大干 燥量为2 0 0g 。 脱水污泥在微波干燥过程中，温度变化经历三个明显阶段：预热升温、 恒温和加速升温，同时干燥速率也经历三个阶段：加速干燥、高速干燥和减 速干燥，而且各阶段特征明显。 微波功率为5 6 0w 的条件下，脱水污泥中的微生物4m i n 内先后发生皱 壁收缩、脱水和死亡的现象。微波干燥1 2m i n 使脱水污泥总氮( t n ) 含量 由2 2 5 8m g g 减小并稳定在1 3 0m g 左右；总磷( t p ) 含量由1 2 4m g g 上 升并稳定在1 6 5m # g 左右；有机碳( o c ) 含量先由2 6 1 5 m g g 下降至2 3 6m g g 左右后上升至2 6 5m g g ；挥发份和灰分相对应的减少和增加。微波干燥对脱 水污泥具有孔隙化作用，导致脱水污泥中的p 元素含量分布上升，s 元素含 量分布下降，重金属z n 、c u 、m n 含量分布上升，起到了固定有机物和重金 属的作用，而且微波功率越高、时间越长，变化趋势越明显。 干化污泥作为型煤粘结剂取代粘土制备型煤，具有良好抗压强度和燃烧 特性。最佳成型条件：干化污泥水分为4 0 左右、添加比例为2 0 , - 一2 5 、成 型压力为2 5 3 0m p a ，最大抗压强度可达1 0 7 6n 个。干化污泥型煤热解燃 烧先后经过水分挥发、挥发份热解燃烧和固定碳的燃烧，而且燃烧稳定。 关键词：脱水污泥；微波干燥；干化污泥；型煤；粘结剂 r n ， 、 0 位论文 t h ea r t i c l er e s e a r c h e dm i c r o w a v ed r y i n gd e w a t e r i n gs l u d g e ，e x p l o r e dt h e e f f e c tf a c t o r so fm i c r o w a v ed r y i n g ；a n a l y z e dt h ee f f e c t so fm i c r o w a v ed r y i n go n p r o p e r t i e so fd e w a t e r i n gs l u d g e ；v e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo fb r i q u e t t ep r e p a r a t i o nb y d r y i n gs l u d g ea sb r i q u e t t eb i n d e rf o rs e e kr e s o u r c eo fd e w a t e r i n gs l u d g e m i c r o w a v et i m e p o w e ra n dd e w a t e r i n gs l u d g es h a p e q u a l i t yh a dt h eo b v i o u s i n f l u e n c et om i c r o w a v ed r y i n ge f f e c t t h eg r e a t e rp o w e ra n dt h el o n g e rt i m eo f m i c r o w a v e ，t h ee f f e c to fm i c r o w a v ed r y i n gw a sb e t t e r a n dt h es h a p eo f d e w a t e r i n gs l u d g ew e r es t r i p ；t h e u t i l i z a t i o no fm i c r o w a v ee n e r g ya c h i e v e d m a x i m u mw h e nt h eq u a l i t yo fd e w a t e r i n gs l u d g er e a c h e dad r yl i m i ti nt h ep o w e r w h e nm i c r o w a v ep o w e rw a s4 2 0 彤m o i s t u r ec o n t e n t8 4 7 4 d e w a t e r i n gs l u d g e d r o p p e dt o 10 17 谢t h10m i n ，a c h i e v i n gt h ed r y i n gr e q u i r e m e n t s ；w h e n m i c r o w a v ep o w e rc h a n g e df r o m14 0wt o7 0 0 彤m a x i m u md r y i n gr a t eo f d e w a t e r i n gs l u d g er a i s e df r o m1 7 5g m i n t o9 2 g m i n , a n dt h es h a p eo f d e w a t e r i n gs l u d g ew e r es t r i p ，t h e e f f e c to fm i c r o w a v ed r y i n gw a sb e s t ；e a c h p o w e rh a dal a r g e s td r yl i m i t - a sm i c r o w a v ep o w e rw a s5 6 0w ：l a r g e s tq u a l i t y o fd r i e ds l u d g ew a s2 0 0g t e m p e r a t u r eo fd e w a t e r i n gs l u d g eh a dt h r e es i g n i f i c a n tp h a s e sd u r i n g m i c r o w a v ed r y i n g ：p r e h e a tt e m p e r a t u r e ，h o m o e o t h e r m i ca n da c c e l e r a t e dw a r m i n g ； a tt h es a m et i m e ，d r y i n gr a t eh a dt h r e ep h a s e s ：a c c e l e r a t i o n ，h i g h - s p e e da n d d e c e l e r a t i o n ，c h a r a c t e ro ft h e mw e r eo b v i o u s w h e nm i c r o w a v ep o w e rw a s5 6 0 彤m i c r o b i o l o g yo fd e w a t e r i n g s l u d g e a p p e a r e dw r i n k l e w a l lc o n t r a c t i o n 、d e w a t e r i n ga n dd e a di nm i c r o w a v e4m i n u t e s ； m i c r o w a v ea r y i n gm a d et o t a ln i t r o g e n ( t n 、c o n t e n to fd e w a t e r i n gs l u d g ew a s f r o m2 2 5 8m g gt o1 3 0m g g ，t o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) c o n t e n to fi tw a sf r o m l 2 4 4 m g gt o1 6 5m g g ，o r g a n i cc a r b o nc o n t e n to f i tw a sf r o m2 6 1 5m e g gt o2 3 6m g g ， v o l a t i l ec o n t e n ta n da s hc o n t e n to fi tw a sr e s p e c t i v e l yr e d u c i n ga n dr i s i n gd u r i n g t h e12m i n u t e s m i c r o w a v ed r y i n gh a dt h ep o r er o l et od e w a t e r i n gs l u d g e ，m a k i n g “spc o n t e n td i s t r i b u t i o nt oi n c r e a s e ，sc o n t e n td i s t r i b u t i o nt od e c r e a s e ，z n 、c u 、 m nc o n t e n td i s t r i b u t i o nt oi n c r e a s e ，w h i c hw a sp l a y i n gap a r ti nf i x i n go r g a n i c a n dh e a v ym e t a l ，a n dc h a n g et r e n dw a sm o r eo b v i o u sa sm i c r o w a v ep o w e rw a s m o r eh i g h e ra n dt i m ew a sm o r el o n g e r 位论文 o fc l a yu s e dt op r e p a r eb r i q u e t t e ， b r e n n v e r h a l t e n b e s tf o r m i n g c o n d i t i o n sw e r et h a tw a t e rc o n t e n tw a sa b o u t4 0 ，a d d i t i o nr a t ew a s2 0 ，2 5 ， f o r m i n gp r e s s u r ew a s2 5 - 3 0m p a , m a x i m u mc o m p r e s s i v es t r e n g t h c a m et o 10 6 7 np e ro n e p y r o l y s i sa n dc o m b u s t i o np r o c e s so fb r i q u e t t eh a dm o i s t u r e e v a p o r a t i o n , v o l a t i l ep y r o l y s i s - c o m b u s t i o na n df i x e dc a r b o nc o m b u s t i o n , w h i c h w a ss t a b l e k e y w o r d s ：d e w a t e r i n gs l u d g e ；m i c r o w a v ed r y i n g ；d r y i n gs l u d g e ；b r i q u e t t e ； b i n d e r i i i 1 2 2 污泥的特性3 1 2 3 污泥的危害4 1 2 4 污泥的处置方法。5 1 3 污泥干燥技术研究进展7 1 4 微波干燥污泥技术研究现状8 1 4 1 微波性质8 1 4 2 微波的加热干燥机理。9 1 4 3 微波加热的特点1 2 1 4 4 微波干燥污泥技术的研究进展1 3 1 5 污泥作为型煤粘结剂的研究和应用现状1 4 1 6 研究目的和内容15 1 6 1 研究目的1 5 1 6 2 研究内容1 6 第2 章实验材料及方法1 7 2 1 实验材料17 2 1 1 采集样品1 7 2 1 2 实验设备。18 2 1 3 实验药品。19 2 2 实验方法1 9 第3 章脱水污泥微波干燥的影响因素。2 1 3 1 微波时间对脱水污泥干燥的影响2 1 i v 黑龙江科技学院硕士学位论文 3 1 1 微波时间对脱水污泥质量影响2 2 3 1 2 微波时间对脱水污泥温度影响2 2 3 2 微波功率对脱水污泥干燥的影响2 4 3 2 1 微波功率对脱水污泥质量影响。2 5 3 2 2 微波功率对脱水污泥温度影响2 7 3 3 脱水污泥形状对微波干燥的影响2 8 3 3 1 脱水污泥形状对脱水污泥质量影响2 9 3 3 2 脱水污泥形状对脱水污泥温度影响3l 3 4 脱水污泥质量对微波干燥的影响。31 3 4 1 不同质量脱水污泥对微波干燥脱水污泥质量影响3 3 3 4 2 不同质量脱水污泥对微波干燥脱水污泥温度影响。3 5 3 5 本章小结3 6 第4 章微波干燥对脱水污泥性质的影响。3 7 4 1 微波干燥对脱水污泥微生物的影响3 7 4 2 微波干燥对脱水污泥t n 、t p 、o c 的影响3 9 4 2 1 微波干燥对脱水污泥总氮( n j ) 的影响3 9 4 2 2 微波干燥对脱水污泥总磷( t p ) 的影响4 1 4 2 3 微波干燥对脱水污泥有机碳( o c ) 的影响4 2 4 3 微波干燥对脱水污泥挥发分、灰分的影响4 3 4 3 1 微波干燥对脱水污泥挥发份( v a d ) 的影响4 3 4 3 2 微波干燥对脱水污泥灰分( a a a ) 的影响4 4 4 4 微波干燥对脱水污泥成孔结构的影响4 5 4 4 1 微波干燥与鼓风干燥对干化污泥孔结构的影响。4 6 4 4 2 微波干燥时间和功率对干化污泥成孔结构的影响。4 7 4 5 微波干燥对脱水污泥中元素组成分布的影响4 9 4 5 1 微波加热时间对脱水污泥元素组成分布的影响5 1 4 5 2 微波加热功率对脱水污泥元素组成分布的影响5 2 4 6 本章小结5 3 第5 章干化污泥制备型煤粘结剂的研究5 4 v 黑龙江科技学院硕士学位论文 5 1 干化污泥型煤与粘土型煤的比较5 4 5 2 干化污泥型煤抗压强度5 6 5 2 1 干化污泥含水率对型煤抗压强度的影响5 6 5 2 2 干化污泥添加比例对型煤抗压强度的影响5 7 5 2 3 成型压力对型煤抗压强度的影响5 9 5 3 干化污泥型煤燃烧特性6 0 5 3 1 干化污泥与粉煤的热重对比6 0 5 3 2 成型条件对型煤热解失重的影响6 1 5 3 3 干化污泥型煤热解及燃烧宏观现象6 3 5 4 脱水污泥微波干燥及型煤制备工艺设计6 5 5 4 1 脱水污泥微波干燥工艺设计6 6 5 4 2 型煤制备工艺设计6 8 5 5 本章小结7 0 第6 章结论与建议7 1 6 1 结论7 1 6 2 建议7 2 致谢7 3 参考文献：7 4 作者简介 v i 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着全国工业生产化的发展，工业废水和生活污水的排放量急剧增加。 目前，我国已建成并运转的城市污水处理厂大约9 0 0 座，生活污水年处理能 力为4 1 5 6 1 0 8m 3 ，而且每年国家污水处理设施的建设还在以1 5 的速度增 加。据有关规定，2 0 0 5 年，5 0 万以上人口城市污水处理率应达到6 0 以上； 到2 0 1 0 年，所有设市的城市，污水处理率不低于6 0 ；直辖市、省会城市、 计划单列市和风景旅游城市，污水处理率不低于7 0 【l 】。现阶段( 截至到2 0 0 8 年) ，我国的城市污水处理厂、污水排放总量、污水处理量和污水处理率等概 况见表1 1 【2 】 表1 1 中国城市污水处理概况( 截至2 0 0 8 年底) ! 些! 曼! ：! ! j 宝2 宝坚i 型2 1 坚! 垒翌! 呈兰坚兰堕塑呈翌! i 翌呈皇! 里呈( 塑璺2 1 垫q 1 2 城市污水处理厂污水排放总量污水处理量污水处理率 年e - h - ( 座)( 亿吨年)( 亿吨年) ( ) 在污水处理过程中，污泥的产生量( 指含水9 7 的液体污泥) 一般占污 水量的0 3 - 4 ) 5 ( 体积) 或约为污水处理量的1 之( 质量) 。其质量比 为l 3 吨干污泥万吨污水，如果是深度处理，污泥量会增加0 5 1 倍【3 j 。城 市污水处理运行技术日益成熟，污水处理量的加大以及处理程度的深化，导 致污水处理率逐步提高，由此引起的二次污染污水处理厂的副产物( 脱 水污泥) 处理问题已不容忽视。 现阶段，我国城市污水处理厂采用了常规污水处理运行技术，每天要产 生大量的剩余污泥，需经浓缩、消化和脱水等各种工艺处理，实现稳定化和 黑龙江科技学院硕士学位论文 无害化( 污泥的处理与处置工艺的投资和运行费用昂贵，一般约占污水处理 厂总运行费用的2 0 , - 4 0 ，有时甚至高达6 0 4 1 ) 后才能外排。污水处理厂 的剩余污泥的含水率在9 7 田9 ，我国每年产生的剩余污泥总体积约为 1 0 1 0 9 岔，如果城市给水污泥机械脱水后含水率可从9 7 9 9 降至 7 5 8 5 ，体积减量率可达2 5 倍【5 j ，总体积可降至4 o 1 0 7 m 3 ，但是还是占 用了大量的土地空间。目前，我国城市污水处理厂每年排放的污泥量( 干重) ， 据估算大约为3 0 0 万吨【6 j ，年增长率大于1 0 。此外，我国约有1 4 的污泥 没有得到任何处置，给环境污染带来了巨大的危害【7 】。 因此，城市污水厂污泥的处置已成为我国当前面对的重要问题之一1 8 j 。 如果不妥善处理和处置污泥，既浪费了资源，又对环境造成二次污染1 9 , 1 0 。 所以减量化、无害化和资源化处理污泥，将成为环保和节能的一大举措。 1 2 污泥的分类、特性、危害及处置途径 1 2 1 污泥的来源与分类 污泥是污水处理的附属产品，来源有两个：一是生活污水或工矿废水中 的泥沙、纤维、动植物残体等固体颗粒物；二是废水处理过程中产生的活性 污泥【1 1 1 。 污泥的分类方法很多，最常见的是按处理的不同阶段进行分类，按污泥 处理的不同阶段可将污泥分为生污泥、浓缩污泥、消水污泥、脱水污泥和干 化污泥。生污泥指未经任何处理的污泥；浓缩污泥是处理后的污泥；经厌氧 消化或耗氧消化稳定后的污泥称为消化污泥；脱水污泥是指经脱水处理后的 污泥；干燥后的污泥则为干化污泥【l2 。其具体分类见表1 2 。 表1 2 污水污泥分类 t a b l e1 2t h ec l a s s i f i c a t i o no fs e w a g es l u d g e 污泥分类处理阶段 生污泥 浓缩污泥 消化污泥 脱水污泥 干化污泥 未经任何处理的污泥 浓缩处理后的污泥 厌氧消化或耗氧消化稳定后的污泥 机械脱水处理后的污泥 干燥设备干燥处理后的污泥 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 2 2 污泥的特性 污泥是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂 的非均质体。主要特性是有机物含量高，容易腐化发臭，颗粒较细，比重较 小，含水率较高且不易脱水，呈胶状结构的亲水性物质，还含有很多有毒物 质，如细菌、致病微生物、寄生虫卵及重金属离子等【1 3 l 。不同来源的污泥， 由于形成的过程十分复杂，其物理性质、化学性质和微生物特性均存在差异。 ( 1 ) 物理特性 污泥物理特性主要指污泥水分分布及存在状态，污泥水分按其存在状态 分为四种，即间隙水、毛细( 结合) 水、吸附水和内部水【1 4 】，如图1 1 所示。 毛细水 图1 - 1 污泥中水分存在形式 f i g 1 1e x i s t e n c ef o r mo fm o i s t u r ei ns l u d g e 间隙水：被大小污泥固体包围着的间隙水，并不与固体直接结合，因 而相易分离。脱水污泥中间隙水约占污泥含水量的7 0 ，只需在中间调节池 中停留几时，其容积就能显著减少。因此，借助于自然重力场或者机械产生 的人工力采用浓缩或者气浮方式) 用较小的力可分离间隙水。 毛细( 结合) 水：在高度密集的细小污泥固体颗粒周围的水，由于产 生毛象，可以构成如下几种结合水：间隙毛细结合水充满于固体与固体 之间的空间的间隙毛细结合水；楔形毛细结合水在固体颗粒的接触面上 由于毛细压力的作用结合成楔形结合水；裂隙毛细结合水充满于固体本 身裂隙中的毛细水。毛细水约占脱水污泥总水分的2 0 。 吸附水：粘附在细小污泥或小颗粒表面上的水。要使胶体状颗粒的结 合水与固体分离是十分困难的，而分离吸附水则更为困难。需要采用絮凝剂 辅助进行分离，并借助于外界机械产生的较大压力差( 负压或者高压) 或者 黑龙江科技学院硕士学位论文 机械力场分离毛细水和附着水。 内部水：微生物细胞内部的液体。一部分污泥被包围在微生物的细胞 膜中，间隙水、毛细水、吸附水等都是外部液体，而细胞液则是内部液体。 这种内部水与固体结合得很紧，要去除这些内部水，必须破坏细胞膜【1 5 】。 ( 2 ) 化学及生物特性 污泥的化学特性和生物特性主要表示污泥中化学元素和盐分以及生物种 类的性质，它们是由污水性质所决定的，也是影响污泥形成、结构和颗粒组 成的重要因素。 研究表明：污泥的化学和生物特性受污泥胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a r p o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，简称e p s ) 的影响较大。污泥胞外聚合物是由微生物 新陈代谢的排泄物或死亡的细胞体以及吸附的废水中有机物构成，主要成份 包括多糖、蛋白质、d n a 和水分、脂类以及糖蛋白类的杂聚物等，它具有很 高粘性【1 6 】。 e p s 可以像水合胶囊一样围绕在细菌细胞的外表，使其避免干燥，又可 以起到与离子交换树脂一样的作用，防止离子进入细胞内而使其溶解【1 7 】。诸 多学者【l8 j 认为污泥表面的e p s 是引发污泥的生物絮凝、沉降性能的重要原 因，其主要作用：影响污泥带电性、影响污泥重金属吸附性、保护生物膜、 影响污泥沉降脱水性、影响污泥絮凝性、影响微生物细胞生长。在废水处理 工程中，可以利用胞外聚合物的特点，将其提取出来分析其组成变化和金属 含量，从而对含金属离子废水处理效率做出评价，再根据这一结果不断改进 技术，最终获得废水处理工艺的最佳操作条件。在污泥后续生化演变中，考 虑传递影响以及生化引起的能质传递耦合等方向上有着巨大的研究潜力【1 9 1 。 1 2 3 污泥的危害 污泥含有大量的病原菌、寄生虫( 卵) ，铜、锌、铬、汞等重金属，盐类 以及多氯联苯、二嗯英、放射性核素等难降解的有毒有害物。这些物质对环 境和人类以及动物健康有可能造成较大的危害【2 0 1 。 ( 1 ) 污泥盐分污染 污泥含盐量较高，会明显提高土壤电导率、破坏植物养分平衡、抑制植 物对养分的吸收，甚至对植物根系造成直接的伤害，而且离子间的拮抗作用 会加速有效养分的流失。 ( 2 ) 病原体微生物 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 污水中的病原体( 病原微生物和寄生虫) 经过处理还会进入污泥。新鲜 污泥中检测得到的病原体多达上千种，其中危害较大的是寄生虫。 ( 3 ) 氮、磷等养分污染 降雨量较大地区土质疏松，土地上大量施用富含n 、p 等的污泥之后， 当有机物分解速度大于植物对n 、p 的吸收速度时，n 、p 等养分就有可能随 水流失而进入地表水体造成水体的富营养化；渗透到地表以下引起地下水的 污染。 ( 4 ) 有机有害物质 污水处理厂污泥中含有的有机有害物质主要来源于化学工业，特别是与 碳和氯有关的化学工业。虽然目前它们对植物的危害以及植物的吸收情况尚 不十分清楚，但这些有机有害物质进人动物和人体后，由于会在皮下脂肪中 积累和持久性，除了对某些器官或者对免疫系统等造成损害，并有可能致癌 和致畸外，这些有机有害物质对环境也具有高危害性。 ( 5 ) 重金属污染 在污水处理过程中，7 0 9 0 的重金属元素通过吸附或沉淀而转移到污 泥中。重金属的危害在于它不能被微生物分解且能在生物体内富集( 生物累 积效应) 或形成其它毒性更强的化合物。环境中的重金属将经历地质和生化 双重循环迁移转化，最终通过大气、饮水、食物等渠道为人体所摄取而造成 危害。重金属对人体产生负面效应，对人体的组织器官产生致变、致癌作用。 研究表明：铅、镉对人体的损伤同样持久和不可医治，即使是小剂量的累积 都可造成神经末梢、肾等功能的损引2 心2 1 。 1 2 4 污泥的处置方法 污水处理厂污泥的处理和处置主要目的是将污泥稳定化、减量化和无害 化，最终达到资源化利用。随着社会的发展，污泥处置的方法经历了堆肥、 卫生填埋、土地利用、焚烧和热解等。污泥堆肥过程需要大量用地，每百吨 脱水污泥约占用土地2 0 亩，而且延续时间长，无法避免二次污染。污泥填埋 严重占用土地资源，同时要产生约1 - 2 污染严重的垃圾渗滤液【2 3 1 。可见， 填埋并没有最终消除污染，只是延缓了环境污染产生的时间【2 4 1 。目前，国内 外污泥最具实效的处置方式主要包括：土地利用、焚烧、热解。 ( 1 ) 土地利用 污泥的土地利用是指污泥作为有机肥料、介质土等用于农业、林木花卉、 黑龙江科技学院硕士学位论文 园林绿化以及沙地治理等领域，可以改良土壤结构、增加土壤肥力、促进作 物的生长，是良好的土壤改良剂。 污泥由于成分及来源相当复杂，在含有营养成分的同时，不可避免的也 会含有一些有害成分，如各种病原茵、寄生虫卵，以及铜、铝、锌、铬、砷、 汞等重金属和多氯联苯、二嗯英等难降解的有毒有害物质【1 4 】。因此，污泥土 地利用的一个原则是施用污泥中的有害成分不能超过受施土壤的环境容量， 科学合理的土地利用可减少污泥带来的负面效应。这种污泥利用方式减少了 污泥对人类的潜在威胁，既处置了污泥又恢复了生态环境。 ( 2 ) 污泥焚烧 焚烧是使污泥中的可燃成分在高温下充分燃烧，最终成为稳定的灰渣。 优势在于其最大程度地减少污泥体积，减量率可达到9 5 左右，其有机物被 完全氧化，杀死病原体，重金属( 除汞外) 几乎全被截留在灰渣中【8 】。 污泥焚烧可以分为两类，一类是将脱水污泥直接送焚烧炉焚烧，另一类 是将脱水污泥干化后再焚烧【25 1 。由于脱水污泥水分约占8 0 ，污泥发热量小， 脱水污泥直接焚烧，自身的热值不足以维持其自燃烧，需添加辅助燃料，且 燃烧效率和热效率低，所以脱水污泥干化后再焚烧应用比较普遍。如果在脱 水污泥中加入引燃剂、催化剂、疏松剂和固硫剂等添加剂制成合成燃料的污 泥处置方法，该合成燃料燃烧稳定，也是污泥有效利用的一种理想途径。 ( 3 ) 污泥热解 污泥的热解技术，就是在无氧环境下，对干燥的污泥进行加热，至一定 温度，在干馏和热分解的作用下，使污泥转化为油、水、不凝性气体和炭四 种物质【2 6 1 。 目前国内的污泥热解转化还停留在实验阶段，对于污泥热解转化的机理 还没有完全明确。一般认为：2 0 0 - 4 5 0 时候脂肪族化合物蒸发，3 0 0 以上 蛋白质转化，3 9 0 以上开始糖类化合物转化，主要转化反应是肽键断裂， 基团的转化变性及其支链断裂【2 7 1 。相关学剥2 8 】对污泥低温热解过程的能量平 衡进行了系统的分析，研究表明：即使有机质含量较低的污泥，在其热解过 程能量也能净输出；同时在1 7 0 3 0 0 范围内进行了炼油厂废水污泥热解制 油的实验研究，取得较高的有机质的转化率【2 9 】。韩晓强【3 0 】等学者确定了污泥 热解过程不同化学反应区域的动力学参数频率因子a 和活化能e ，并深 入分析相关反应机理。施庆燕【3 l j 等研究认为不同污泥中，活性污泥的产油率 最高，油漆污泥和消化污泥次之。国内对污泥热解技术的研究处于发展的初 期阶段，有待进一步提高和完善。 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 国外对污泥热解的研究比较完善，包括热解产物分析、热解过程描述及 对环境的污染控制等方面。l i u 3 2 3 3 j 等人研究表明：热解比焚烧处理产生的含 重金属的粉末污染要少许多，它能够把除汞以外的重金属离子固定在固体残 留物中，在自然界的环境下不宜溶出。i s h i k a w a 驯等设计了一个两段热解的 装置，对两个温度段的温度分别为2 9 0 5 0 0 和7 0 0 的1 2 种热解产物进行 了分析，同时还考察了热解代替焚烧的经济可行性。k i m ”j 等人研究表明： 污泥高温( 9 0 0 ) 分解过程中产生的油和其它气体物质，主要成分为碳氢 化合物，热值在1 3 o o 1 4 0 0k j m 3 ，与人工合成煤气的热值相当，可以作为 燃料加以利用。众多学者的研究也证明：除了热解终温外，热解气氛、热解 升温速率、保温时间也对污泥热解和热解产物的特征有重要控制作用。 热解法在其发展阶段也有存在缺点：固体体积的减少不如焚烧减少得多； 裂解产生出来的液态产品的燃烧，会产生一定量的有害物质；热解大多处于 实验室研究阶段，工业化应用的很少，而且技术发展没有焚烧法完善【3 6 】。但 是热解所能够产生的能源效应是其它方法所不能比拟的。因此，该项技术研 究的关键在于要找到更适宜的能量来源以降低能量的消耗，并通过控制反应 条件，产生更多有用物质、更少的危害产物，达到污泥的资源化利用【3 7 1 。 1 3 污泥干燥技术研究进展 污泥干燥技术是进一步降低污泥的含水率，为了后继污泥处置的一种污 泥预处理方式。主要的干燥方式有自然干燥、生物干燥、热干燥及石灰干燥， 其中热干燥技术应用比较广泛。按照热介质是否与污泥相接触，污泥热干燥 技术可以分为三类：直接热干燥技术、间接热干燥技术和直接间接联合干燥 技术。 直接热干燥技术热传输效率及蒸发速率较高，可使污泥的含固率从2 5 提高至8 5 9 5 。闪蒸式干燥器、转筒式干燥器、带式干燥器、喷淋式干燥 器、螺环式干燥器和多效蒸发器等都属直接热干燥装置类型【38 1 。在间接热干 燥技术中，热介质并不直接与污泥相触，而是通过热交换器将热传递给湿污 泥，使污泥中的水分得以蒸发，因而热传输效率及蒸发速率均不如直接热干 燥技术，这种技术的操作设备有薄膜热干燥器，圆盘式热干燥器等。直接 间接联合式干燥系统则是对流传导技术的整合，如v o i n m 【3 9 】设计的高速薄膜 干燥器，s u l z e r 4 0 j 开发的新型流化床干燥器以及e n v i r e x l 4 l 】推出的带式干燥器 就属于这种类型。在所有提及的这些干燥器中，闪蒸式干燥器是目前应用最 黑龙江科技学院硕士学位论文 广的一种【4 2 1 。 对于一些新型的污泥干燥技术，国内学者也进行了一些研究：胡龙【4 3 j 等 对以机械脱水+ 热干燥为主线的处理技术系统和以预干燥+ 焚烧工艺处理污 泥的综合热干燥系统进行了研究，并得出了具有可行性；马德刚】等进行了 电场协同作用下污泥热干燥的实验，结果表明了有电场时污泥的粘壁强度可 降低到无电场时的1 1 6 ，且当污泥含水率大于5 0 时其干燥速度较传统方法 有明显的提高；雷海燕等1 4 5 j 通过实验研究探索了利用混合型太阳能干燥器干 燥污泥的可行性及污泥的干燥特性；丘锦荣【4 6 j 等通过对利用塑料棚和日光对 污泥和有机废弃物进行干燥的实验研究，初步设计出了可以达到高温低湿的 塑料棚，达到快速干燥污泥及其他有机物的目的。还没有应用于实际生产， 所以我国的污泥干燥技术比较落后。 随着科技的发展，将会有更多的新方法应用于污泥干燥技术上，比如： 太阳能干燥、微波干燥等。污泥干燥技术将会得到进一步的完善与革新，这 将直接推动污泥处置手段的发展，拓展了污泥处置手段的选择范围，使之在 安全性、可靠性、可持续性等方面得到越来越可靠的保证，最终使污泥能够 更有效地进行资源化利用。 1 4 微波干燥污泥技术研究现状 1 ：4 1 微波性质 微波是波长在1n l m lm 之间，频率在3 0 1 0 2 1 0 5 m h z 具有穿透性 的一种电磁波1 4 7 】。凡频率低于3 0 0m h z 的，即指通常所说的无线电波，包括 长波、中波和超短波。凡频率高于3 0 0g h z 的，则属于红外线或可见光等。 从而微波是位于红外光谱和无线电波之间的一段非常特殊具有穿透性的电磁 波，如图1 2 所示。它具有电磁波的诸如反射、透射、干涉、衍射、偏振以 及伴随电磁波进行能量传输等波动特性，这就决定了微波的产生、传输、放 大、辐射等过程也不同于普通的无线电、交流电。 黑龙江科技学院硕士学位论文 内层电子 匡圈 ，、 ( 0 ) 、 外层电子 、 分子振动分子转动 圈臣困臣卫臣习区 图l 一2 光波频率段 f i g 1 2f r e q u e n c yb a n d so fl i g h tw i , v g 微波技术首先应用于通信、广播、电视领域中，由于在使用中发现微波 会引起热效应，进而在世界范围内开始了对微波加热技术的应用和研究【棚。 对微波加热的研究开始于2 0 世纪4 0 年代，到6 0 年代末微波能已应用于加热、 干燥、杀虫、灭菌、医疗等工业项目上1 4 剐。近代，把微波作为一种热源，拓 展了一个分支技术，即在化学工业中进行催化、萃取等化学反应和激发等离 子体等，而微波炉的使用更标志微波技术的日趋成熟。微波具有以下的性质： ( 1 ) 微波光波性 微波像光一样直线传播，遇到金属表面将发生反射，其反射方向符合光 的反射规律。当微波被物质反射，物质不能被加热；当物质吸收了微波的能 量，则引起物质变热。 ( 2 ) 微波电磁性 微波能量的空间分布同一般电磁场能量一样，具有空间分布性质。在微 波能量传输方向上的空间某点，其电场能量的数值大小与该处空间的电场强 度的平方成正比，微波电磁场总能量为该点的电磁场能量的总和。 1 4 2 微波的加热干燥机理 微波辐射物质时，物体内部的极化偶离子在微波电场中由于交变电场的 作用而激烈的振动，产生摩擦，吸收的微波能迅速转化成热能。不同的物质 吸收的微波能的能力是不一样的，被辐射的物质，单位体积内介质吸收的微 波功率p 。( w c m 2 ) 可以由下式【4 9 1 表示，一般介质的介电系数例见表1 3 。 p a = 2 r m o t a n 8 e 2 f 式中 9 e 一电场强度，v c m 。 表1 3 介电系数 t a b l e1 3d i e l e c t r i c 的参量，( a s ) 1 ) ； 微波加热干燥与普通干燥传热传质机理比较【5 ，如图1 3 所示。微波干 燥和普通干燥( 包括热力干燥、真空干燥等) 过程中的热量传递方向和水分 迁移方向。普通干燥过程中，水分从表面开始蒸发，内部水分慢慢扩散到表 面，而能量是由物料外部向内部传递，传热的推动力是温度梯度，通常需要 很高的外部温度才能形成所需的温度差，传质的推动力是物料内部和表面之 间的浓度差，可见普通干燥中传热和传质方向相反。 态水及液 汽迁移蒸 ( a ) 普通干燥( b ) 微波干燥 图1 - 3 微波干燥与普通干燥传热传质机理的比较 f i g 1 3m i c r o w a v ed r y i n gc o m p a r ew i t ho r d i n a r yd r y o nt h et r a n s f e rm e c h a n i s mo fh e a ta n dm a s s 微波干燥过程中，物料内部产生热量，传质的推动力主要是物料内部迅 速产生蒸汽所形成的压力梯度。如果物料开始很湿，物料内部的压力升高非 常快，则液体在压力梯度的作用下从物料中被排出，初始含水量越高，压力 梯度对水分排出的影响也越大，驱使液体水和水蒸汽流向表面，因而干燥速 1 0 黑龙江科技学院硕士学位论文 率非常快。物料尺寸过大，热能会在内部积累，导致内部温度超过表面温度， 此时传热和传质方向一致，如没有其他辅助热源，则该加热系统空气的温度 保持不变，物料表面温度低于内部的温度。微波加热原理见图1 - 4 和图1 5 。 图1 _ 4 微波使分子有次序的排列 f i g 1 - 4m o l e c u l ew a so r d e r l ya r r a n g e db ym i c r o w a v e 图1 5 微波使分子有次序的反向排列 f i g 1 - 5m o l e c u l ew a so r d e r l yr e v e r s ea r r a n g