1 前言

随着我国城镇化步伐的不断推进以及污水治理要求日趋严格，城镇污水处理厂的数量和规模迅速提升，相比2010年，2015年全国城市及县镇污水处理厂数量增加了41.9%，污水厂的日处理能力提高了36.5%^{[1, 2]}。由于污水处理厂所排放的机械脱水污泥含水率仍然高达80%左右，干化是实现污泥减量化和稳定化的重要途径^[3~5]。干化处理还能大幅降低污泥中的有害病菌，减轻臭味，提高污泥热值。因此不论对于焚烧、农业利用还是填埋，污泥干化都是非常重要的处理步骤。

机械脱水污泥是一种黏稠物料，且其黏稠性随含水率降低呈显著上升的趋势，仅当含水率低于40%左右时，黏稠性才会显著下降^[6]。污泥黏稠特性通常用黏附力和结团力表征，黏附力是污泥表面和固体壁面的黏结力，而结团力则主要源于污泥内部机械连锁力^[7]。对于桨叶式和圆盘式等间接热力干化设备，黏附力和结团力对污泥干化过程均有重要影响：黏附力导致污泥在干化机壁面黏结，提高干化传热热阻；结团力则会大幅提升干化设备功耗，甚至使干化设备无法正常运转。对于皮带和流化床等直接热力干化设备，黏附力对干化的影响则更为显著^{[8, 9]}。

物料黏稠性的常用测量方法包括旋转黏度法、平板剪切法、搅拌法和黏附-结团失效测试法等^[7]。各种方法各有特点，旋转黏度法适用于测量液体或具有一定流动性的高含水率物料，由于机械脱水污泥一般不具有流动性，因此该法适用性不强。平板剪切法和搅拌法是常用的污泥黏度测量方法，作者曾用这两种方法研究污泥的黏附-结团特性，发现不同的测量方法所得到的污泥黏附-结团特性有很大差别^{[10, 11]}。黏附-结团失效测试法是定性分析黏附力和结团力相对大小的测试方法，如图 1所示，当物料结团失效时，表明黏附力占优，物料在黏附力作用下可以被分离为两部分；当物料黏附失效时，则表明结团力占优，黏附力无法使物料分离^[7]。由于该法测定方便，被广泛应用于食品黏稠特性的分析^[12~14]。

本文利用黏附-结团失效测试法测定机械脱水污泥在热干化过程中黏附-结团失效特性的变化规律，深入探讨CaO对污泥黏附-结团性的影响以及CaO对污泥干化速率及污泥干化过程中表观形态的影响。

2 实验材料和方法 2.1 材料

实验所用污泥1#和2#来自上海两个不同污水处理厂排放的机械脱水污泥，其中污泥1#为含水率82%(wt)的市政污水污泥；污泥2#为含水率86.5%的印染污水污泥。污泥样品在4℃下冷藏备用，经105℃烘干后进行工业和元素成分分析，结果如表 1和表 2所示。实验中所用CaO试剂为分析纯，平均粒径为50.2 μm，添加剂的质量百分比按式(1)计算。为便于不同CaO含量污泥之间的比较，计算含CaO污泥含水率时扣除了CaO的干基质量。

$ 添加剂质量百分比 = \frac{{添加剂的质量}}{{原始湿污泥质量}} \times 100\% $

(1)

2.2 实验装置

实验装置如图 2所示，主要由加热腔、探头和步进电机升降系统等3个模块构成。其中，步进电机的升降轴在电机驱动下可上下匀速运动，轴的顶端和不锈钢污泥托盘相连接，污泥样品置于托盘上。探头通过金属杆和电子分析天平相连，金属杆上设有压块。探头和托盘的尺寸如图 2所示，为保证实验结果的重复性，将污泥样品制成高10 mm、直径15 mm的柱状体结构(质量约2.1 g)。实验过程中，盛有污泥样品的托盘在电机驱动下以5 mm·s^-1的速度垂直向上运动，当污泥和探头完全接触时，电机停止运动并静止5秒，随后以相同的速度垂直向下运动。探头插入污泥的深度控制在0.5 mm以内，以防止探头侧面和污泥发生过多接触而影响测量精度。压块的作用是保证探头对污泥有足够大的压力，使探头和污泥接触紧密。在托盘向下运动的过程中，污泥和探头逐渐分离，并在污泥表面黏附力作用下向探头施加向下的拉力，拉力的大小由电子分析天平实时监测，采用高速摄像机拍摄污泥和探头分离的画面。根据天平度数，可由下式计算出污泥表面黏附力的值：

$ 黏附力/{\rm{Pa}} = \frac{{探头所受拉力值/{\rm{kg}}}}{{探头和污泥接触面表面积/{{\rm{m}}^2}}} \times 100\% $

(2)

采用加热腔将污泥干燥至不同含水率，以表征含水率对黏附力的影响，加热腔内温度由热电偶温度计控制并保持恒温。由于完成一次黏度测量后污泥样品会发生形变，为保证数据可靠性，每个样品只测一次黏附力。每个含水率下污泥的黏附力值测定3次，以观察实验结果的重复性。污泥干化失重实验同样在加热腔中进行，如图 2所示，将金属杆换为一头设有托盘的吊杆，实时监测污泥在干燥过程中的含水率变化，从而获取污泥含水率随时间的变化关系。

3 实验结果与讨论 3.1 污泥黏附-结团失效特性

市政污泥(污泥1#)和印染污泥(污泥2#)分别来自市政污水和印染工业废水(包括退浆、煮炼、漂白、丝光等工序排放的废水)处理过程中所排放的脱水污泥。由于来源不同，二者的物化特性也存在很大差异，市政污泥外观呈黑褐色，印染污泥则呈棕褐色。由表 1和表 2可知，市政污泥挥发份及含碳量均明显高于印染污泥，灰分含量则低于印染污泥。下面将探讨两种不同类型污泥的黏附-结团特性。

如前所述，污泥黏附-结团失效特性是表征能黏稠物料黏附力和结团力相对大小的定性分析方法。实验通过测量探头表面污泥黏附质量，及拍摄污泥和探头分离过程的图像，对污泥黏附-结团失效特性进行定性和定量分析，结果如图 3和图 4所示。

实验测定了污泥1#和2#在30%~90%含水率的黏附-结团失效特性(其中90%含水率的污泥通过向原泥中加入适量的纯净水混合均匀后得到)，并考察了CaO的影响。结果表明，当含水率低于85%时表现出黏附失效特性，因此图 3仅示出了90%和85%含水率下的黏附-结团失效特性图。如图所示，当含水率为90%时，污泥表现出明显的结团失效特性，当探头和托盘分离时，污泥在黏附力作用下被拉伸变形；随着进一步分离，污泥断裂为两部分。当含水率降至85%时，污泥表现出黏附失效特性，黏附力不能使污泥发生明显的形变，表明结团力相对于黏附力有所上升。从图 3还可看出，CaO对污泥的黏附-结团失效特性并无显著影响。

图 4所示为不同CaO含量条件下，污泥在探头表面的黏附质量随含水率的变化规律，黏附量可以定量表达污泥黏附/结团的失效程度。由图可知，黏附量随含水率降低而显著下降。当含水率为90%时，污泥黏附量最大，表明污泥具有结团失效特征，结果与图 3一致。CaO对污泥黏附量有显著影响，在90%含水率下，污泥1#平均黏附量为24 mg，当分别加入5%和10%的CaO后，平均黏附量分别升到54和42 mg；对于污泥2#，则由原泥的17 mg分别上升到5%和10% CaO时的26和24 mg。随着含水率下降(≤ 85%)，含CaO污泥的黏附量均急剧下降，并显著低于污泥原样。由图可知，原泥1#和2#在含水率为75%~85%和70%~85%时的平均黏附量分别为6.3~7.7和1.3~1.45 mg；而含CaO污泥在含水率小于80%时的黏附量已微乎其微(< 0.1 mg)。由此推断，CaO可有效降低机械脱水污泥(含水率通常小于85%)的黏壁现象。Li等^[15]通过向污泥中加入CaO后观察污泥的黏壁特征也得到了类似结论，认为CaO可以降低污泥的黏性。然而，作者的前期研究表明，CaO的加入反而会提高污泥黏性^{[10, 11]}。因此，污泥黏附量和黏附力不是简单的一一对应关系，黏附量是黏附力和结团力综合作用的结果，取决于污泥的黏附-结团失效特性。研究表明，尽管CaO会提高污泥的黏附力，但污泥的结团力也会显著提升^{[10, 11]}，当结团力相比黏附力更大时，就有可能表现出黏附力增大，但黏附量反而减少的现象。

3.2 CaO对污泥表面黏附力的影响规律

目前，已经开展了较多有关污泥表面黏附力的研究^{[6, 8, 10, 11]}，其中黏附力往往采用污泥表面和金属壁面之间的切应力来表征。不同的是，本文将采用表面正应力来表征污泥黏附力(按式(2)计算)，并考察含水率和CaO的影响，结果如图 5所示。

图 5(a)所示为不同CaO含量下污泥1#的黏附力随含水率的变化。由图可知，当含水率由90%降至82.1%，黏附力均值由82 Pa上升至609 Pa；随着含水率进一步降低，黏附力逐步减小，并在含水率60%时降到5 Pa以下。值得注意的是，由于90%含水率下污泥呈结团失效特性(如图 3所示)，即黏附力大于结团力，因此探头所受拉力实际上为污泥的结团力。

由图 5(a)可知，CaO对污泥黏附性有重要影响，当污泥中加入5% CaO后，污泥黏附力有较明显上升，尤其当含水率低于60%时，相较原泥仍保持了较高的黏附力，在40%含水率时仍有10 Pa的平均黏附力。当CaO含量升至10%时，黏附力进一步显著增大。在82.1%含水率时，平均黏附力升至1037 Pa；随着含水率进一步降低，黏附应力呈总体下降趋势，并在30%含水率时降为27 Pa。由此可知，CaO能显著提高污泥的表面黏附力，该结论与文献[11]相一致。参照国标^[16]，采用pH计(PHscan20S-K)对污泥的pH值进行测定，结果如表 3所示。可以看出，原泥的pH趋于中性，当加入5% CaO后，污泥1#和2#的pH值均超过12，进一步提高CaO含量至10%，pH值则趋于稳定。研究表明，CaO和污泥中的水分结合生成的Ca(OH)₂强碱性溶液具有破坏污泥细胞结构、释放胞内有机质的作用^{[17, 18]}。Adhikari等^[19]研究指出，糖类、蛋白质和脂类等胞内有机物的释放会提高污泥黏附性，这也可能是上述CaO提高污泥表面黏附性的原因。此结果也进一步验证了图 3和图 4的结论：即黏附力和黏附量不是简单的正比关系，黏附量取决于黏附力和结团力的综合作用。

图 5(b)所示为污泥2#表面黏附力随含水率及CaO含量的变化趋势，随着含水率降低，黏附力也呈先上升后下降的趋势。加入CaO后，污泥在75%~85%的黏附力有显著提升；当含水率低于75%时，CaO对污泥2#黏附力的影响没有污泥1#显著。可见，CaO对污泥黏附性的影响和污泥泥质特征有很大相关。

由以上可知，以正应力表征的污泥1#和2#的最大平均黏附力值分别为609和458 Pa；加入CaO后，最大值则分别达到754~1037和742~816 Pa。表 4示出了以切应力表征的污泥黏附力值，可以看出，表中的数值显著高于以正应力表征的黏附力，但CaO对黏附力的影响趋势一致，都会显著提高污泥的黏附力。

3.3 污泥热力干化特性

实验测定了污泥样品在140℃下的失重特性，得到了不同CaO含量条件下污泥干化速率随含水率的变化曲线，结果如图 6所示。干化速率单位为kg H₂O·(kg DS)^-1·s^-1，表示每千克干基污泥(DS)每秒钟所蒸发的水分质量。在干化初始阶段，干化速率的上升源于污泥的升温，随着干化的进行，水分蒸发阻力不断增大，导致干化速率逐步降低^[20~22]。CaO对污泥干化速率影响显著，对于污泥1#，相比原样，含5% CaO污泥的干化速率在26%~62%含水率区间有显著提升；当CaO含量增至10%，干化速率在0~75%含水率区间都有明显提升，最多时提高了100% (45%含水率时)。如图 6(b)所示，污泥2#的干化速率也随CaO含量增多而显著增大，最多时提高了30%。作者曾利用桨叶式干化机开展了CaO对污泥干化速率的影响研究，也得到了相似的结论^[23]。其原因是，CaO破坏了污泥微生物细胞结构，使胞内结合水分得以释放，转化为间隙水或自由水等结合度较低的水分，从而提高了水分蒸发速度。

图 7所示为污泥在50%和30%含水率下的表观形态，对出现裂纹的泥饼照片进行了图像处理，以便观察裂纹形态。可以看出，当污泥1#原样干化至50%含水率时，样品表面出现了大量的裂纹，但裂纹数量并未随含水率降低而增多(对比30%含水率)。裂纹的形成可以提高污泥干化比表面积，有利于水分蒸发。如图 6(a)所示，在45%含水率条件下，污泥1#原样干化速率随着含水率下降有明显回升的趋势，这一现象在其他工况中并未出现。由此推测，污泥破裂所增加的比表面积可能是污泥1#原样干化速率回升的原因。当CaO含量为5%时，裂纹数量已显著减少，只有1~2条裂纹清晰可见；当CaO含量为10%时，已无明显的裂纹。和污泥1#不同的是，污泥2#在干化过程中并未出现裂纹，表明裂纹的产生和污泥类型也密切相关。研究表明，物料在干化过程中之所以产生裂纹，是由于物料的受热及水分蒸发过程使得内部温度及水分分布不均，导致物料内部产生内应力所致^[24]。Kowalski等^[25]研究发现，在黏土中加入少量表面活性剂可以降低水分表面张力，提高水分蒸发速率，降低黏土内应力，从而减少干化裂纹的产生。本文中，当加入CaO后，污泥的裂纹也显著降低，表明CaO的加入使得污泥干化过程的内应力降低。结合图 6可知，CaO提高了污泥干化速率，这有利于水分在污泥中分布更加均匀，从而减小内应力。这可能是CaO减少污泥裂纹的原因之一，受篇幅所限，深入的裂纹形成机理研究将在后续工作中进一步开展。

4 结论

本文针对两种不同来源的机械脱水湿污泥开展了黏附-结团失效特性及干化特性研究，得到了以下主要结论：

(1) 污泥1#和2#在90%含水率时均表现为结团失效特性；当含水率≤ 85%时，则均表现为黏附失效特性，CaO能显著减少污泥1#和2#的黏附量，污泥在金属表面的黏附量是黏附应力和结团应力综合作用的结果；

(2) CaO能显著提高污泥干化速率和污泥表面黏附力，在10% CaO含量下，污泥1#和2#的干化速率最大幅度分别提高了100%和30%，而最大黏附力则分别提高了70%和78%；

(3) 污泥干化裂纹受污泥类型和CaO含量影响显著：当含水率≤ 50%时，污泥1#表面产生大量裂纹，其数量随CaO含量增加而显著减少；相反，污泥2#在干化过程中无明显裂纹产生。