杭州城市污泥热解曲线测试与分析

1、杭州城市污泥热解曲线测试与分析俞锐 左明摘要课题组拟通过对杭州城市污泥热解曲线测试的基础分析研究中，获得其污泥中水的存在形式；对来自城市污水厂初沉污泥和二沉污泥的第一临界点的干燥度值不同；采用热调质能改变污泥的热解蒸发速率-干燥度曲线形态，改变了热解蒸发速率，这对于污泥处理工艺的选择和优化起到重要的作用。该论文基于对杭州城市污泥热解曲线实际测试的基础，选取5组具有代表性的样本进行分析而得出的，对于同行的研究具有参考作用。关键词 污泥 含水率 测试 分析1前言含水率是表征污泥物理性状的最重要的指标之一，通过它可直接计算污泥的干物质含量、密度和体积，并能反映出污泥的流动特性流变学性质、衡量工艺脱水

2、性能（比阻和压缩系数）、辅助测算燃烧热值等，是污泥处理和处置的工艺设计和生产管理起关键性的考核指标之一。研究表明，城市污泥中含的水形态，根据受力情况不同可分为两类：一类是游离水，在污泥中水以自由形态存在，又称为自由态水。因在污泥中的水只受到重力的作用，因此另一类是结合水，在污泥中水以结合形态存在。它又可分为物理性结合水、化学性结合水和生物结合水。结合水除受重力作用外，它又受到其它物理、化学和生物力的作用。物理性结合水如胶体结合水、毛细管水，主要受到氢键、范德华力，疏水相互作用力等物理作用力；化学性结合水如化学结晶水，主要受到盐键为主的化学作用力；生物性结合水如细胞结合水，还受到核酸和蛋白质空间

3、构象、生物膜结构的作用力，又称维持生物系统的作用力。人们对污泥的处理和处置，首先在很大程度上是对降低污泥含水率的处理。水在污泥中存在的形态不同，把水从污泥中去除所需的能量差异也很大。如自由态水通过重力沉淀和机械作用达到去除，而释放结合水需要大量的能量，例如细胞水只有用加热处理（热调质、干化或焚烧）才能分离。通过对污泥热解曲线的测试与分析研究，从中区分出污泥中游离水和结合水的比例；通过结合水与污染物的结合能分析，区分污泥中物理结合水和化学生物结合水的组分2污泥热解曲线的研究 游离水和结合水的比例，对污泥脱水方法的适用性是决定性的。用热重量分析法可以获得近视值，即测出浓缩污泥试样在规定的操作条件下

4、，在恒温时水的重量损失曲线，即污泥热解曲线。（见图1）tG游离水结合水图1 污泥热解曲线 对热解曲线求导得出蒸发速率曲线（见图2）VSLV3V1V2S（%）图2 污泥热解蒸发速率-干燥度曲线式中：V为蒸发速率； S为污泥干燥度（%）读出污泥试样相应于第一临界点的干燥度，被认为是污泥失去游离水的干燥度。 研究表明1，用热重量分析法，可能估计污泥的亲水倾向，并且：1）观察到结合水放出的部分随各种调质方法而变；2）在试验室中相当精确地估计脱水装置的性能；3）用比较研究的方法确定每种处理方法的最大干燥度；4）如果需要，计算各种水与污染物质的结合能。 因此，采用热重量分析法测试污泥含水情况是一项污泥处理

5、的最基础性工作而十分必须。随着计算机技术的应用，污泥热解曲线的精密测试和分析成为可能。3杭州城市污泥热解曲线测试 为了摸清杭州城市污泥中水的形态，杭州市城市建设科学研究所污泥综合处理和利用课题组开展了对污泥热解曲线的实测。1） 测试设备和仪器：测试采用卤素水份测定仪、型号MB45、由美国OHAUS公司生产。该仪器具备标准、快速、温和、阶梯四种干燥模式，重量可读性在0.001g，精度达到0. 1%。通过RS232接口与PC机通讯。微机实时纪录检测到的重量数据并换算成含水率，通过Microsoft Excel软件，可进一步对实测数据形成曲线，以供分析研究。加热采用数显恒温水浴锅、型号HH-6、国产

6、。2） 检测样本：检测样本均选取杭州七格污水处理厂，样本见表1。表1 杭州城市污泥热解曲线测试样本序号检测样本备 注样本1一期混合污泥热解曲线见图3热解蒸发速率-干燥度曲线见图4样本2二期混合污泥热解蒸发速率-干燥度曲线比较见图5样本3二期二沉污泥样本4二期混合污泥热解曲线见图6热解蒸发速率-干燥度曲线见图7样本5二期混合污泥加热热解蒸发速率-干燥度曲线比较见图83）检测方法：样本提取后，均置于试验室（保持室温20）在2小时以上，使待检污泥的温度保持基本一致；检测时采用105恒温加热模式，设定测试间隔时间2秒。设置被测样本在1分钟内，重量不发生变化（损失小于0.001g时），认为检测结束。数据

7、采集后，热解曲线采用Microsoft Excel软件进行指数多项式回规，直接形成曲线；热解蒸发速率-干燥度曲线由热解曲线求导获得。3） 实测曲线：插入图3-图8图3图4图5图6图74杭州污泥热解曲线的分析1）从七格污水处理厂一期和二期混合污泥的热解曲线和热蒸发速率-干燥度曲线（见图3、图4、图6、图7）分析，两期的污水来源相同，处理工艺均为A2/O活性污泥处理法，二组样本的检测曲线几乎相似。说明污水处理厂的污水来源与处理工艺决定了污泥含水的基本组份，尽管样本污泥的最终含水率不同（一期样本为 %，二期样本为 %）分析污泥热解曲线中SL点均在干燥度 %附近，且此时的蒸发速率在 /s。同时，第二临

8、界点明确，说明污泥中结合水组份也基本一致，结合力较弱的物理性结合水V2与结合力较强的化学性生物性结合水V3在干燥度 %处，通过进一步计算各种水与污染物质的结合能创造了条件。2）对来自同一水源而不同工艺段污泥，如取自七格二期工艺的初沉污泥和活性污泥，其热解曲线存在一定差异（见图5），3）热调质能影响污泥的热解曲线（见图6），主要表现在：热蒸发速率的加大，由 /s提高到 /s，第一临界点SL位移明显而第二临界点基本不变。分析认为，由于热调质使污泥吸收了外来能量，加快了蒸发速率；同时部分物理性结合水由于热调质使得分子获得预能量而变得活跃，从而解除了类似胶体物理力、毛细管物理力的约束而形成新的自由态水

9、，表现在第一临界点SL位移上。而获得的能量还不足以引起盐键（化学结合水）的打开和生物细胞（生物性结合水）的破坏，因此表现在第二临界点基本不变。4）由上述实测的污泥的热解蒸发速率-干燥度曲线中，可以认为杭州城市污泥中存在的三种状态的水分别为：游离态水占 %，结合态水占 %。而在结合态水中，物理性结合态水占 %左右，而化学性和生物性结合态水占 %左右。一个值得思考的问题是：既然污泥中的游离态水占到 %，从理论上讲均可以通过重力沉降或机械分离的方法去除。而在实际工程上，仅采用机械的手段污泥脱水往往只能达到含水率70%以上呢？笔者认为除了当前通用的脱水机械效率的原因外，还须从降低后处理工序对含水率的要求外（如中科院工程热物理所开发的循环流化床焚烧系统已达到含水率在70%以上），同时要从絮凝剂对污泥游离态水的影响等方面研究着手，以尽量接近理论脱水值的目标。一种以能量自持平衡为目标的“三段法”污泥处理工艺已提出，核心是采用回收污泥焚烧耗散的余热，返回前道污泥脱水工序，以热失活的理论使得污泥的游离态水的去除向理论值逼近。主要参考文献1水处理手册 法 德格雷蒙公司编著 王业俊等译 中国工业出版社 1987.62污水污泥处理处置与资源化利用 尹军 谭学军