1 引言
污泥是污水处理过程中的必然产物，随着污水处理厂的激增，污泥的处置已经成为我国一个重要的环境问题。利用污泥为原料生产轻质节能转、水泥、陶粒等技术已在国内有了广泛的共识，为污泥的资源化利用开辟了一条具有巨大前景的新途径。而污泥干化是污泥实现资源化处置的关键所在，经过机械脱水后的污泥含水率仍高达80%左右，并且在堆放的过程中有臭气的释放，使得污泥干燥不同于普通物料，对污泥干化特性认识的不足，会直接影响污泥干燥器的设计和运转管理。国内外学者对污泥的干化特性开展了一些研究，这些研究所用的污泥大都是泥饼或泥团等污泥堆积体，只能从表观上分析干化过程，无法认识到污泥干化的本质。也就是说，污泥形态对干化过程有较大影响，其中充分分散的状态有利于干化的进行。随着温度的升高，干化过程不仅有水分的蒸发，并伴随着有机物的分解及气体的释放过程，但对干燥过程中气体排放的研究很少。
本研究采用低温热风处理污泥薄层，来近似模拟分散状态下的干化过程，主要分析了污泥水分蒸发速率和表观形貌的变化规律；并利用热红联用分析污泥干燥过程中气体释放规律，为利用水泥窑尾废气干化污泥技术开发提供理论依据和技术参数。
2 实验方法
研究采用西安市某污水处理厂经过机械脱水的活性污泥，含水率86.4%，有机物含量68.2%，无机物含量31.8%。
制作双盖载玻片，中间留有20mm×25mm凹槽，每次取（0.2±0.01）g污泥平铺与凹槽内，泥层厚度约为0.4mm。把载玻片放置于BX61型光学显微镜下，调节热风温度为50℃、60℃、70℃和热风风速为10m/s、20m/s，对污泥进行干燥，同时用分析天平每隔10s记录质量变化。
污泥样品在105℃下烘干后研磨，在流量100mL/min纯N2气氛、升温速率10℃/min下，采用STA409PC DSC-TGA综合热分析仪与VERTEX70傅里叶变换红外光谱联用仪器测定在35～700℃范围内气体的释放规律。
3 结果与讨论
3.1 污泥结构
活性污泥（含水86%）结构为典型絮体结构，在其周围存在大量自由水分，絮体内部包裹大量空隙水；经过105℃完全干燥后，污泥中存在大量的有机纤维、丝状物包裹着无机颗粒。
3.2 污泥干燥过程中的水分变化
3.2.1 不同风速下污泥干燥速率
污泥干燥过程包含三个阶段：恒速阶段，第一降速阶段和第二降速阶段。其中恒速阶段为自由水的蒸发过程，第一降速阶段为污泥中空隙水的蒸发，第二降速阶段为固体表面水分的蒸发过程。恒速干燥终点，即第一降速阶段起点，成为临界点。临界点对应的含水率称为临界含水率，表明污泥中已不含自由水，空隙水开始蒸发。
本研究中，在20m/s、10m/s两种风速下，污泥的临界含水率都为55.1%，自由水分占总水分的81.2%。干燥终点为平衡点，对应含水率为50℃温度下污泥干燥的极限含水率，为14%。
风速越大，污泥干燥速率越大。风速为10m/s时，污泥在恒速阶段的干燥速率为5.39kg/（㎡·h），而20m/s时的速率高达7.33kg/（㎡·h），高出36%。在第一降速阶段，风速20m/s下的干燥速率依旧比10m/s高，但差值随含水率的降低而减小。随着含水率从55.1%降至24.1%，干燥速率差值由1.94kg/（㎡·h）降为0.11kg/（㎡·h）。第二降速阶段，干燥速率进一步减少，在平衡点干燥结束。
3.2.2 不同干化温度下污泥干燥速率
温度越高，干燥速率越大。温度为50℃时，污泥在恒速阶段的干燥速率为7.33kg/（㎡·h），60℃时干燥速率达到9.73kg/（㎡·h），70℃时干燥速率高达13.1kg/（㎡·h），高出50℃干燥速率78.7%，提高干燥温度，可以显著的提高自由水的蒸发速率。
不同干燥温度下污泥的干燥终点不同，50℃、60℃、70℃的污泥干燥含水率分别为14%、10.1%、5.1%。这是由于污泥中不同存在形式的水分结合能不同，随着温度的升高，热动能增大，高于水分的结合能时，污泥中水分继续蒸发，否则，达到了这一温度下的干燥极限，污泥含水率不再变化。
3.3 污泥热风干燥过程中的形貌变化
利用光学显微镜连续观察到的活性污泥（含水86%）薄片干燥过程中的表观形貌照片，可以看出，初始状态的活性污泥，即0s时的活性污泥薄片呈现为粘稠状泥层；随着干燥的进行，干燥时间10～50s时，水分不断蒸发，污泥薄片不断收缩，并产生连续扩大的裂缝。在干燥60s后，污泥薄片不再收缩。所以，10～50s为自由水的蒸发过程，说明污泥体积的收缩主要由自由水的蒸发引起。
赵培涛等根据干燥速率的不同，把污泥干化过程分为粘稠区、粘滞区、颗粒区，并得出粘滞区含水率约为55%。
本研究通过在光学显微镜下的连续观察和干燥速率变化曲线发现：0～40s含水率由86.4%降至69.4%，污泥处在粘稠区；50s含水率为55.1%，污泥处在粘滞区；60～80s含水率由46.9%降至32.3%，污泥处在颗粒区。可以看出：在粘稠区，由于自由水的蒸发，污泥薄片出现开裂；在粘滞区污泥不再开裂，由于自由水蒸发完毕，空隙水开始蒸发，使得干燥界面移向固体内部，污泥表面较硬，但含水率高，会造成干燥设备堵料；在颗粒区，由于空隙水不断蒸发，污泥呈现颗粒特性。
3.4 污泥干化释放气体分析
利用DSG-TG综合热分析仪对干燥后的污泥进行程序加热，释放的气体产物经过红外气体池后进行在线监测，分析污泥在不同温度下气体释放特性。
3.4.1 TG-DTG分析结果
从干污泥加热过程中的TG-DTG曲线可以看出，干污泥质量损失主要发生在200～450℃的温度区间，其中又存在一段失重速率较大的温度区域，即273.75～333.76℃区域，对应的失重速率达到1.8%/min～1.5%/min。说明干污泥在这两个温度点附近释放气体量较大。450℃后失重速率稳定于0.75%/min。在209.19℃开始，出现明显气体产物释放，随着温度的升高，气体释放量增大，失重速率也增大，在273.75℃时气体释放较剧烈。
3.4.2 干燥温度对气体释放的影响
在不同干燥阶段的主要产物为水分、CO2和氨气。其中污泥中的氨气主要来源于碳酸氢盐和有机铵盐的分解。污泥中蛋白质水解形成的氨基酸在进一步水解的过程中也会生成低分子有机酸和氨气。挥发性脂肪酸主要为甲酸、丙酸，是由蛋白质逐步水解形成。有机酸的脱羧反应中生成了烷烃。
从229.19℃开始，检测到有机质的释放，释放量随温度升高而增大。挥发性脂肪酸（VFA）在273.75℃时释放量达到极值，之后释放量减少，在333.76℃时消失。
温度升高对庚烷生成量的影响也很显著，主要是为水解、脱羧反应提供的能量增加，随着温度的升高，释放量增加，在333.76℃时达到极值，之后释放量不断减少。445.00℃开始，产物中CO2量增加，有机质含量减少，在此温度下污泥基体中烷烃类物质受热分解为CO2和水分。
4 结论
（1）污泥干燥过程包含自由水蒸发、空隙水蒸发和吸附水蒸发三个过程，自由水蒸发较快，吸附水较难蒸发，表现在干燥曲线上分别是恒速阶段、第一降速阶段和第二降速阶段。
（2）干燥热风风速越快，热风温度越高，干燥速率越大。
（3）污泥薄片在干燥过程中，分别经历了粘稠区、粘滞区和颗粒区，分别对应不同的物理特性。
（4）干污泥在升温过程中，273.75～333.76℃温度区间是失重速率较大区域，即气体释放量较大。
（5）污泥升温过程中释放的气体主要有CO2、H2O、NH3、VFA及庚烷，其中VFA在333.76℃以前已释放完全，庚烷释放量在333.76℃达到极值。
