1 引言

污泥是污水處理過程中的必然產(chǎn)物，隨著污水處理廠的激增，污泥的處置已經(jīng)成為我國一個(gè)重要的環(huán)境問題。利用污泥為原料生產(chǎn)輕質(zhì)節(jié)能轉(zhuǎn)、水泥、陶粒等技術(shù)已在國內(nèi)有了廣泛的共識，為污泥的資源化利用開辟了一條具有巨大前景的新途徑。而污泥干化是污泥實(shí)現(xiàn)資源化處置的關(guān)鍵所在，經(jīng)過機(jī)械脫水后的污泥含水率仍高達(dá)80%左右，并且在堆放的過程中有臭氣的釋放，使得污泥干燥不同于普通物料，對污泥干化特性認(rèn)識的不足，會直接影響污泥干燥器的設(shè)計(jì)和運(yùn)轉(zhuǎn)管理。國內(nèi)外學(xué)者對污泥的干化特性開展了一些研究，這些研究所用的污泥大都是泥餅或泥團(tuán)等污泥堆積體，只能從表觀上分析干化過程，無法認(rèn)識到污泥干化的本質(zhì)。也就是說，污泥形態(tài)對干化過程有較大影響，其中充分分散的狀態(tài)有利于干化的進(jìn)行。隨著溫度的升高，干化過程不僅有水分的蒸發(fā)，并伴隨著有機(jī)物的分解及氣體的釋放過程，但對干燥過程中氣體排放的研究很少。

本研究采用低溫?zé)犸L(fēng)處理污泥薄層，來近似模擬分散狀態(tài)下的干化過程，主要分析了污泥水分蒸發(fā)速率和表觀形貌的變化規(guī)律；并利用熱紅聯(lián)用分析污泥干燥過程中氣體釋放規(guī)律，為利用水泥窯尾廢氣干化污泥技術(shù)開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

研究采用西安市某污水處理廠經(jīng)過機(jī)械脫水的活性污泥，含水率86.4%，有機(jī)物含量68.2%，無機(jī)物含量31.8%。

制作雙蓋載玻片，中間留有20mm×25mm凹槽，每次取（0.2±0.01）g污泥平鋪與凹槽內(nèi)，泥層厚度約為0.4mm。把載玻片放置于BX61型光學(xué)顯微鏡下，調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度為50℃、60℃、70℃和熱風(fēng)風(fēng)速為10m/s、20m/s，對污泥進(jìn)行干燥，同時(shí)用分析天平每隔10s記錄質(zhì)量變化。

污泥樣品在105℃下烘干后研磨，在流量100mL/min純N2氣氛、升溫速率10℃/min下，采用STA409PC DSC-TGA綜合熱分析儀與VERTEX70傅里葉變換紅外光譜聯(lián)用儀器測定在35～700℃范圍內(nèi)氣體的釋放規(guī)律。

3 結(jié)果與討論

3.1 污泥結(jié)構(gòu)

活性污泥（含水86%）結(jié)構(gòu)為典型絮體結(jié)構(gòu)，在其周圍存在大量自由水分，絮體內(nèi)部包裹大量空隙水；經(jīng)過105℃完全干燥后，污泥中存在大量的有機(jī)纖維、絲狀物包裹著無機(jī)顆粒。

3.2 污泥干燥過程中的水分變化

3.2.1 不同風(fēng)速下污泥干燥速率

污泥干燥過程包含三個(gè)階段：恒速階段，第一降速階段和第二降速階段。其中恒速階段為自由水的蒸發(fā)過程，第一降速階段為污泥中空隙水的蒸發(fā)，第二降速階段為固體表面水分的蒸發(fā)過程。恒速干燥終點(diǎn)，即第一降速階段起點(diǎn)，成為臨界點(diǎn)。臨界點(diǎn)對應(yīng)的含水率稱為臨界含水率，表明污泥中已不含自由水，空隙水開始蒸發(fā)。

本研究中，在20m/s、10m/s兩種風(fēng)速下，污泥的臨界含水率都為55.1%，自由水分占總水分的81.2%。干燥終點(diǎn)為平衡點(diǎn)，對應(yīng)含水率為50℃溫度下污泥干燥的極限含水率，為14%。

風(fēng)速越大，污泥干燥速率越大。風(fēng)速為10m/s時(shí)，污泥在恒速階段的干燥速率為5.39kg/（㎡·h），而20m/s時(shí)的速率高達(dá)7.33kg/（㎡·h），高出36%。在第一降速階段，風(fēng)速20m/s下的干燥速率依舊比10m/s高，但差值隨含水率的降低而減小。隨著含水率從55.1%降至24.1%，干燥速率差值由1.94kg/（㎡·h）降為0.11kg/（㎡·h）。第二降速階段，干燥速率進(jìn)一步減少，在平衡點(diǎn)干燥結(jié)束。

3.2.2 不同干化溫度下污泥干燥速率

溫度越高，干燥速率越大。溫度為50℃時(shí)，污泥在恒速階段的干燥速率為7.33kg/（㎡·h），60℃時(shí)干燥速率達(dá)到9.73kg/（㎡·h），70℃時(shí)干燥速率高達(dá)13.1kg/（㎡·h），高出50℃干燥速率78.7%，提高干燥溫度，可以顯著的提高自由水的蒸發(fā)速率。

不同干燥溫度下污泥的干燥終點(diǎn)不同，50℃、60℃、70℃的污泥干燥含水率分別為14%、10.1%、5.1%。這是由于污泥中不同存在形式的水分結(jié)合能不同，隨著溫度的升高，熱動能增大，高于水分的結(jié)合能時(shí)，污泥中水分繼續(xù)蒸發(fā)，否則，達(dá)到了這一溫度下的干燥極限，污泥含水率不再變化。

3.3 污泥熱風(fēng)干燥過程中的形貌變化

利用光學(xué)顯微鏡連續(xù)觀察到的活性污泥（含水86%）薄片干燥過程中的表觀形貌照片，可以看出，初始狀態(tài)的活性污泥，即0s時(shí)的活性污泥薄片呈現(xiàn)為粘稠狀泥層；隨著干燥的進(jìn)行，干燥時(shí)間10～50s時(shí)，水分不斷蒸發(fā)，污泥薄片不斷收縮，并產(chǎn)生連續(xù)擴(kuò)大的裂縫。在干燥60s后，污泥薄片不再收縮。所以，10～50s為自由水的蒸發(fā)過程，說明污泥體積的收縮主要由自由水的蒸發(fā)引起。

趙培濤等根據(jù)干燥速率的不同，把污泥干化過程分為粘稠區(qū)、粘滯區(qū)、顆粒區(qū)，并得出粘滯區(qū)含水率約為55%。

本研究通過在光學(xué)顯微鏡下的連續(xù)觀察和干燥速率變化曲線發(fā)現(xiàn)：0～40s含水率由86.4%降至69.4%，污泥處在粘稠區(qū)；50s含水率為55.1%，污泥處在粘滯區(qū)；60～80s含水率由46.9%降至32.3%，污泥處在顆粒區(qū)。可以看出：在粘稠區(qū)，由于自由水的蒸發(fā)，污泥薄片出現(xiàn)開裂；在粘滯區(qū)污泥不再開裂，由于自由水蒸發(fā)完畢，空隙水開始蒸發(fā)，使得干燥界面移向固體內(nèi)部，污泥表面較硬，但含水率高，會造成干燥設(shè)備堵料；在顆粒區(qū)，由于空隙水不斷蒸發(fā)，污泥呈現(xiàn)顆粒特性。

3.4 污泥干化釋放氣體分析

利用DSG-TG綜合熱分析儀對干燥后的污泥進(jìn)行程序加熱，釋放的氣體產(chǎn)物經(jīng)過紅外氣體池后進(jìn)行在線監(jiān)測，分析污泥在不同溫度下氣體釋放特性。

3.4.1 TG-DTG分析結(jié)果

從干污泥加熱過程中的TG-DTG曲線可以看出，干污泥質(zhì)量損失主要發(fā)生在200～450℃的溫度區(qū)間，其中又存在一段失重速率較大的溫度區(qū)域，即273.75～333.76℃區(qū)域，對應(yīng)的失重速率達(dá)到1.8%/min～1.5%/min。說明干污泥在這兩個(gè)溫度點(diǎn)附近釋放氣體量較大。450℃后失重速率穩(wěn)定于0.75%/min。在209.19℃開始，出現(xiàn)明顯氣體產(chǎn)物釋放，隨著溫度的升高，氣體釋放量增大，失重速率也增大，在273.75℃時(shí)氣體釋放較劇烈。

3.4.2 干燥溫度對氣體釋放的影響

在不同干燥階段的主要產(chǎn)物為水分、CO2和氨氣。其中污泥中的氨氣主要來源于碳酸氫鹽和有機(jī)銨鹽的分解。污泥中蛋白質(zhì)水解形成的氨基酸在進(jìn)一步水解的過程中也會生成低分子有機(jī)酸和氨氣。揮發(fā)性脂肪酸主要為甲酸、丙酸，是由蛋白質(zhì)逐步水解形成。有機(jī)酸的脫羧反應(yīng)中生成了烷烴。

從229.19℃開始，檢測到有機(jī)質(zhì)的釋放，釋放量隨溫度升高而增大。揮發(fā)性脂肪酸（VFA）在273.75℃時(shí)釋放量達(dá)到極值，之后釋放量減少，在333.76℃時(shí)消失。

溫度升高對庚烷生成量的影響也很顯著，主要是為水解、脫羧反應(yīng)提供的能量增加，隨著溫度的升高，釋放量增加，在333.76℃時(shí)達(dá)到極值，之后釋放量不斷減少。445.00℃開始，產(chǎn)物中CO2量增加，有機(jī)質(zhì)含量減少，在此溫度下污泥基體中烷烴類物質(zhì)受熱分解為CO2和水分。

4 結(jié)論

（1）污泥干燥過程包含自由水蒸發(fā)、空隙水蒸發(fā)和吸附水蒸發(fā)三個(gè)過程，自由水蒸發(fā)較快，吸附水較難蒸發(fā)，表現(xiàn)在干燥曲線上分別是恒速階段、第一降速階段和第二降速階段。

（2）干燥熱風(fēng)風(fēng)速越快，熱風(fēng)溫度越高，干燥速率越大。

（3）污泥薄片在干燥過程中，分別經(jīng)歷了粘稠區(qū)、粘滯區(qū)和顆粒區(qū)，分別對應(yīng)不同的物理特性。

（4）干污泥在升溫過程中，273.75～333.76℃溫度區(qū)間是失重速率較大區(qū)域，即氣體釋放量較大。

（5）污泥升溫過程中釋放的氣體主要有CO2、H2O、NH3、VFA及庚烷，其中VFA在333.76℃以前已釋放完全，庚烷釋放量在333.76℃達(dá)到極值。