基于自持焚烧的农业固废协同污泥低温干化

基于污泥自持焚烧目标，剩余污泥需进一步深度脱水或干化才可达到目标含水率。前期研究表明，自二级出水回收的清洁能源——余温热能可完全满足污泥低温干化所需能源。但余温热能作为低品质能源，其经济温度仅为60~70 ℃，低温干化污泥效率势必较低，导致干化时间延长，干化成本提高。因此，需要寻求提高污泥低温干化效率的技术策略。

文献调研发现，化学处理手段可以调理改性污泥，从而提高污泥脱水或干化效率。但是，化学调理会严重降低污泥热值，进而影响污泥焚烧效率，即使采用高级化学调理（如，Fenton氧化、酸碱处理等）也并非低碳和环境友好的技术方式。另外，其他实验研究发现，锯末、麦麸、稻壳等物质添加可以提高污泥脱水性能和干化速率。事实上，这些农业固废不仅可以提高污泥脱水干化性能，其自身的有机质亦有助于提高污泥有机质含量和焚烧热值，进而支持污泥自持焚烧。但农业固废强化剩余污泥低温干化后自持焚烧之可行性需要进一步验证，投加量及机理也有待揭示。

基于此，实验以不同农业固废（锯木屑、玉米芯、碎麦秆）作为调理剂，基于污泥自持焚烧目标，研究其对污泥低温干化性能的影响，确定最佳投加种类及剂量；同时通过分析测定干化效率与时间、污泥流变特性、污泥结构等指标，厘清农业固废促进污泥低温干化之机理。该成果近期发表于《Science of The Total Environment》杂志。

1

农业固废可有效提高剩余污泥干化效率；

2

碎麦秆促进效果最佳，锯木屑和玉米芯次之，仅20%麦秆就可实现高效干化目标；

3

干化效率显著提高，干化时间大大缩短，干化时间（20%麦秆）缩短至原污泥的一半；

4

农业固废通过改变污泥流变特性、疏水性、污泥空间结构促进干化性能；

原文信息： Li, J., Hao, X., Shen, Z., Wu, Y., Loosdrecht, M.C.M. Van, 2023. Science of the Total Environment Low-temperature drying of waste activated sludge enhanced by agricultural biomass towards self-supporting incineration 888. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.164200

图形摘要

不同种类固废实验表明，三种农业固废均有助于缩短干化时间，促进污泥低温干化和自持焚烧表现，其中，麦 秆 表现最佳。结合实验结果与工程考虑，20%碎麦 秆 投加量为最佳经济条件，此时平均干化速率可提高至0.20 g水/(g干基 · min)，高于原污泥（0.13 g水/(g干基·min)）；干化至自持焚烧目标含水率耗时缩短至12.0 min，仅为原污泥一半。

(a) 不同种类农业固废

(b) 不同碎麦秆投加量

图1  农业固废强化污泥低温干化效率：a）不同种类农业固废（锯木屑，玉米芯，碎麦秆）；b）不同碎麦秆添加量（来自原文）

图2  拟合分析碎麦秆投加量对自持焚烧含水率与干化耗时影响（来自原文）

污泥脱水性能研究表明，污泥经农业固废调理污泥比阻（SRF）由6.38×10 ¹²  m/kg逐渐降低至1.80×10 ¹²  m/kg，下降59.1%~71.8%。不同农业固废会显著增加污泥毛细吸水时间（CST），但农业固废添加会增加污泥干基值，因此采用修正公式计算过滤性能常数（X）用以评估调理污泥的脱水能力。修正CST得到的过滤常数（X）由1.28×10 ^-5  kg ² /m ⁴ ·s ²  增至1.67×10 ^-5  kg ² /m ⁴ ·s ² ，意味着污泥脱水性能极大提高，加快了低温干化过程的水分流失。

(a)

(b)

图3  不同污泥过滤性能: a) 过滤时间/滤液体积 (t/V) 随滤液体积（V）变化; b) 污泥比阻 (SRF)（来自原文）

图4  污泥毛细吸水时间（Capillary suction time, CST）和过滤常数（X）（来自原文）

利用Bingham流变模型拟合剪切速率从1 s ^-1 增加至1 000 s ^-1 剪切应力的递增趋势，以此评价污泥流变参数。结果表明农业固废有助于提高原污泥屈服应力并改变污泥流变性能。污泥粘度结果表明农业固废调理后污泥假塑性特征增强，表现出更强的抗剪切力变化特性。官能团表征结果显示农业固废通过与污泥表面官能团结合，强化疏水官能团结构，提高污泥表面疏水性能，进而改善污泥脱水效果和干化效率。

(a) 黏度

(b) 剪切应力

图5  不同农业固废调理污泥的流变特性：(a) 黏度；(b) 剪切应力（来自原文）

表2  污泥流变特性参数分析（来自原文）

图6  污泥傅里叶红外光谱图（FT-IR）（来自原文）

通过扫描电子显微镜（SEM）研究干化前后污泥空间结构，结果显示农业固废有助于提高污泥的孔隙率，在污泥内部形成热量和水分子交换通道，进而促进污泥干化。但是不同农业固废改变污泥结构作用并不相同，这也就导致了固废种类间差异。玉米芯在局部位置形成网络结构，柏锯末增加了污泥缝隙，而碎麦秆同时通过径向或横向作用提高了污泥的粗糙程度，加速水分子交换。相同投加量的不同种类农业固废对污泥骨架支撑强弱排序：碎麦秆 >柏锯末>玉米芯。

（a）原污泥

（b）污泥+柏锯末

（c）污泥+玉米芯

（d）污泥+麦 秆

图7  SEM扫描结果（放大倍数×1.0 k）（来自原文）

污泥粒径分布结果表明，固废可提高污泥粒径，形成更加松散的絮体结构，从而提高污泥水分子交换能力。强化因子（平均粒径之比，Sf），增大意味着污泥添加农业固废后可以更好抵抗剪切力变化（与污泥流变特性分析结果一致），碎麦秆调理污泥比表面积（CS）增大显示固废调理污泥形成了更丰富蓬松的孔/洞网络结构。碎麦秆改善污泥干化性能效果最好，柏锯末和玉米芯调理污泥粒径分布基本一致，这也解释了二者对低温干化促进效果基本一致。

图8  污泥粒径分布（来自原文）

重要结论

1）三种农业固废均有助于缩短干化时间，促进污泥低温干化和自持焚烧表现，其中，碎麦秆改善污泥干化性能效果最好；

2）考虑实际工程应用，投加量为20%的碎麦秆效果最佳，其平均干化速率可提高至0.20 g水/(g干基 · min)，高于原污泥（0.13 g 水/(g干基 · min)）；至自持焚烧目标含水率干化耗时缩短至12.0 min，约为原污泥耗时的一半；

3）调理污泥脱水性提高，表现为SRF值由原污泥6.38×10 ¹²  m/kg降至1.80×10 ¹²  m/kg；过滤常数由1.28×10 ^-5  kg ² /m ⁴ ·s ² 提高至1.67×10 ^-5  kg ² /m ⁴ ·s ² ；

4） 污泥流变性能变差，污泥疏水性增强；

5） 农业固废可发挥骨架支撑作用，增加污泥絮体粒径并形成空间结构，为污泥水分和热量提供便利的交换通道。

往期相关成果

[1]      Li, J., Hao, X., Gan, W., van Loosdrecht, M.C.M., Wu, Y., 2021. Recovery of extracellular biopolymers from conventional activated sludge: potential, characteristics and limitation. Water Res. 205, 117706. https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117706

[2]      Li, J., Hao, X., Gan, W., C. M. van Loosdrecht, M., Wu, Y., 2022. Controlling factors and involved mechanisms on forming alginate like extracellular polymers in flocculent sludge. Chem. Eng. J. 439, 135792. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135792

[3]      Li, J., Hao, X., Gan, W., van Loosdrecht, M.C.M., Wu, Y., 2022. Enhancing extraction of alginate like extracellular polymers (ALE) from flocculent sludge by surfactants. Sci. Total Environ. 155673. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155673

[4]      Shi, C., Zeng, R., Hao, L., Hao, X., Li, J., 2023. Extracting compositional blocks of alginate-like extracellular polymers (ALE) from conventional activated sludge (CAS). Sci. Total Environ. 867, 161371. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.161371

[5]      Hao, X., Li, J., van Loosdrecht, M.C.M., Jiang, H., Liu, R., 2019. Energy recovery from wastewater: Heat over organics. Water Res. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.05.106

[6]      Hao, X., Chen, Q., Loosdrecht, M.C.M. Van, Li, J., Jiang, H., 2020. Sustainable disposal of excess sludge: Incineration without anaerobic digestion. Water Res. 170. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.115298