戴財(cái)勝,劉良良,馬淞江,官國清

(1.湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,湖南湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南湘潭411201;3.日本弘前大學(xué)北日本再生能源研究所,青森縣青森市 030-0813)

褐煤熱解半焦在污泥調(diào)質(zhì)與深度濃縮脫水中的應(yīng)用

戴財(cái)勝1,2,劉良良1,馬淞江1,官國清3

(1.湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,湖南湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南湘潭411201;3.日本弘前大學(xué)北日本再生能源研究所,青森縣青森市 030-0813)

為解決當(dāng)前污泥脫水難的問題,以褐煤熱解半焦作為污泥調(diào)理劑對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,并采用污泥重力濃縮脫水的實(shí)驗(yàn)方法探討了褐煤半焦對(duì)污泥調(diào)質(zhì)與深度濃縮脫水的影響。結(jié)果表明:用半焦對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)質(zhì),能夠改善污泥的濃縮脫水性能、沉降性能以及濃縮污泥的機(jī)械脫水性能,當(dāng)100 g污泥中加入2 g半焦時(shí),濃縮污泥的含水率由調(diào)質(zhì)前的91.13%降低至調(diào)質(zhì)后的78.05%,濃縮污泥經(jīng)真空抽濾后所得濾餅的含水率由調(diào)質(zhì)前的65.00%降低至調(diào)質(zhì)后的49.50%。污泥濃縮前20 min內(nèi),污泥的平均沉降速率由調(diào)質(zhì)前的2.67 mL/min提高至調(diào)質(zhì)后3.25 mL/min。通過污泥調(diào)質(zhì)前后的粒度分析和半焦的掃描電鏡圖像分析,探討了半焦對(duì)污泥調(diào)質(zhì)與深度濃縮脫水的機(jī)理,其機(jī)理主要表現(xiàn)在半焦對(duì)污泥的吸附作用及半焦對(duì)污泥親水性能的消弱作用。

褐煤;半焦;污泥;調(diào)質(zhì);濃縮脫水

Key words:lignite;semi-coke;sludge;modifying;concentrated dewatering

我國褐煤資源豐富,已探明的褐煤保有儲(chǔ)量高達(dá)1 300億t,約占全國煤炭?jī)?chǔ)量的13%,主要分布于內(nèi)蒙古東部、黑龍江東部和云南東部[1]。褐煤因水分高、熱值低,直接利用褐煤的能效很低,因此,褐煤的改質(zhì)與高效潔凈利用成為我國潔凈煤領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)與熱點(diǎn)研究難題之一。目前,用熱解方法對(duì)褐煤進(jìn)行改質(zhì),實(shí)行高效分級(jí)利用成為褐煤高效潔凈利用的最佳選擇。褐煤熱解產(chǎn)物有煤氣、煤焦油、半焦,有關(guān)煤氣、煤焦油的高效利用的研究報(bào)道不斷出現(xiàn),而關(guān)于半焦的高效利用鮮有報(bào)道[2-3]。半焦是褐煤熱解的主要產(chǎn)物,產(chǎn)率為30%～60%,由于價(jià)格與市場(chǎng)的原因,半焦銷售困難,成為褐煤熱解利用的瓶頸[4]。因此,迫切需要對(duì)褐煤半焦的高效潔凈利用進(jìn)行研究,解決褐煤高效潔凈利用的難題。

我國城市污水處理廠的污泥主要釆用填埋的方式進(jìn)行處置,不僅占用土地、浪費(fèi)資源,還可能給環(huán)境帶來二次污染,如不及時(shí)采取措施,這一狀況將進(jìn)一步惡化[5]。要解決上述問題,最好的辦法就是實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用,因此,污泥資源化利用被列入環(huán)保部“十二五”規(guī)劃,污泥的資源化研究已成為當(dāng)今污泥處理的熱點(diǎn)問題之一。

目前,污泥主要采用先重力濃縮,后機(jī)械(壓慮、抽慮)過濾脫水,污泥脫水后的含水率大于70%,仍然很高,是污泥不能資源化利用的最主要的原因,因此,創(chuàng)新污泥脫水方法、降低污泥含水率至可以直接資源化利用的水平成為污泥資源化利用的技術(shù)關(guān)鍵[6-7]。

在污泥脫水前先進(jìn)行預(yù)處理,此技術(shù)稱為污泥調(diào)質(zhì),使污泥粒子改變物化性質(zhì),破壞污泥的膠體結(jié)構(gòu),減少污泥與水的親和力,從而改善污泥的脫水性能[8]。目前常用的污泥調(diào)質(zhì)方法有物理調(diào)質(zhì)和化學(xué)調(diào)質(zhì)兩大類,在化學(xué)調(diào)質(zhì)方面,已經(jīng)有添加粉煤灰對(duì)污泥比阻的影響研究[9]以及利用生石灰作為污泥脫水助凝劑的研究[10-11]。基于半焦孔隙率發(fā)達(dá),比表面積大等特征,筆者提出以褐煤熱解半焦為調(diào)理劑對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)質(zhì)與脫水,探討半焦對(duì)污泥脫水性能的影響,力求污泥經(jīng)調(diào)質(zhì)與機(jī)械脫水后,其含水率小于50%,實(shí)現(xiàn)污泥的資源化特別是燃料化利用[12-14],同時(shí)為褐煤熱解半焦的利用開辟新的途徑。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用的污泥取自湘潭污水處理廠,其含水率為98%。所用聚丙烯酰胺為顆粒狀固體,相對(duì)分子質(zhì)量為800萬～1 200萬。實(shí)驗(yàn)所用的半焦為內(nèi)蒙褐煤在600℃下熱解1.5 h所得的產(chǎn)物,半焦的粒度為45～425μm。污泥與褐煤半焦的工業(yè)分析見表1,其中污泥的工業(yè)分析采用干污泥進(jìn)行測(cè)試。

表1 污泥與半焦的工業(yè)分析Tab le 1 Proximate analysis of sludge and sem i-coke

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

首先在含水污泥中加入半焦和聚丙烯酰胺進(jìn)行調(diào)質(zhì),然后基于污泥重力濃縮脫水的原理,污泥中的顆粒物在重力作用下產(chǎn)生沉降,導(dǎo)致污泥中水與污泥分層,實(shí)現(xiàn)污泥濃縮脫水。本實(shí)驗(yàn)將污泥的沉降速率作為衡量污泥濃縮脫水性能的指標(biāo),將上清液濁度、上清液懸浮物(SS)、濃縮后污泥(下層泥樣)的固含率及其抽濾后泥餅的含水率作為衡量污泥脫水效果的指標(biāo)。

1.2.1 污泥脫水效果指標(biāo)的測(cè)定

濃縮后污泥固含率的測(cè)定:取一定量的濃縮污泥于103～105℃鼓風(fēng)干燥箱中烘2 h,取出并放入干燥器中冷卻20 min,稱重并計(jì)算濃縮污泥的固含率。

上清液濁度的測(cè)定:上清液濁度采用美國HACH公司的2100系列濁度儀測(cè)定。

上清液懸浮物(SS)的測(cè)定:執(zhí)行GB 11901—89水中懸浮物(SS)測(cè)定方法。

泥餅含水率的測(cè)定:取一定量的濃縮污泥倒入布氏漏斗中,采用0.08MPa真空度進(jìn)行抽濾,當(dāng)泥餅出現(xiàn)龜裂時(shí),將泥餅從漏斗上剝離,取一定量的泥餅,稱重,在103～105℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干2 h后取出,放在空氣中冷卻5 min,后將其放入干燥器中冷卻20 min,然后稱重,并計(jì)算泥餅的含水率。

1.2.2 污泥沉降速率的測(cè)定

取100 g含水率為98%的污泥,倒入200 mL的燒杯中,加入一定量的半焦,用自動(dòng)攪拌器攪拌10 min,再加入一定量的聚丙烯酰胺,攪拌10 min,將攪拌后的污泥轉(zhuǎn)入100 mL量筒中,密封,靜置觀察污泥的沉降情況,以一定時(shí)間內(nèi)污泥與水分層界面高度(H)作為衡量污泥沉降速率的指標(biāo),H愈小,污泥沉降速率愈大[15]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 褐煤半焦對(duì)污泥濃縮脫水性能的影響

圖1為投加半焦前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照。圖1(a)為不投加半焦,只投加1×10-6聚丙烯酰胺并攪拌10 min的空白污泥濃縮脫水的實(shí)驗(yàn)情況,剛開始的5 min內(nèi)污泥無明顯的分層,整體很渾濁,當(dāng)靜置30 min時(shí),污泥分層明顯,但上層液依然渾濁,懸浮物(SS)的含量高,污泥的濃縮脫水效果差;圖1(b)為先投加半焦(2 g半焦/100 g污泥)并攪拌10 min,再投加1×10-6聚丙烯酰胺并攪拌10 min的污泥濃縮脫水的實(shí)驗(yàn)情況,剛開始的5 min,污泥分層明顯,濃縮脫水效果顯著,當(dāng)靜置30 min時(shí),污泥上清液明顯變清,懸浮物(SS)的含量低,污泥的濃縮脫水效果好,說明半焦能顯著改善污泥的物理化學(xué)性能,對(duì)污泥濃縮脫水有很好的作用。

圖1 投加半焦前、后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照Fig.1 The contrast results before and after adding semi-coke

當(dāng)100 g污泥中加入2 g半焦時(shí),靜置30 min后取上清液測(cè)其濁度和懸浮物(SS)的含量,取下層濃縮污泥,一部分用來測(cè)濃縮污泥的固含率,一部分進(jìn)行抽濾,測(cè)抽濾后濾餅的含水率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 污泥調(diào)質(zhì)前后脫水結(jié)果對(duì)照Table 2 Dewatering results contrast before and after modifying

從表2可知,用褐煤熱解半焦對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)質(zhì),不僅能顯著提高污泥的濃縮脫水性能,靜置30 min后,污泥濃縮后上清液清澈,其濁度和懸浮物(SS)的含量都能達(dá)到國家污水排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),濃縮污泥的固含率由調(diào)質(zhì)前的8.87%增至21.95%,即濃縮污泥的含水率由調(diào)質(zhì)前的91.13%降低至78.05%,還能改善濃縮污泥的機(jī)械脫水性能,濃縮污泥經(jīng)真空抽濾后所得濾餅的含水率由調(diào)質(zhì)前的65.00%降低至49.50%。

2.2 褐煤半焦對(duì)污泥沉降速率的影響

圖2為空白污泥和100 g污泥中加入2 g半焦調(diào)質(zhì)的污泥濃縮脫水過程的沉降曲線。

圖2 空白污泥和投加半焦后污泥的沉降曲線Fig.2 The settlement curves of blank sludge and sludge after dosing semi-coke

在起初的20 min內(nèi),加半焦調(diào)質(zhì)后污泥的沉降速率比空白污泥的沉降速率大,且時(shí)間越短,兩者的沉降速率差距越大。加入半焦對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后,污泥的平均沉降速率明顯加快,前20 min內(nèi),污泥的平均沉降速率由調(diào)質(zhì)前的2.67 mL/min提高至調(diào)質(zhì)后3.25 mL/min。靜置20 min時(shí),投加半焦調(diào)質(zhì)后污泥的泥水界面高度(H)由調(diào)質(zhì)前的40.0 mL降低至調(diào)質(zhì)后的27.0 m L,沉降時(shí)間大于20 min時(shí),泥水界面高度(H)基本不變,說明半焦用于污泥調(diào)質(zhì)濃縮脫水時(shí)間可以限定為20min。結(jié)果表明:用半焦對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)質(zhì),能顯著提高污泥中顆粒物的沉降速率,大大縮短了污泥的濃縮時(shí)間,可以將污泥濃縮脫水時(shí)間控制在20 min以內(nèi),為半焦在污泥調(diào)質(zhì)與濃縮脫水中的工業(yè)化應(yīng)用提供了條件。

3 機(jī)理探討

褐煤熱解半焦不僅孔隙發(fā)達(dá)、比表面積大,不僅具有強(qiáng)吸附性能,還具有疏水性能,對(duì)污泥調(diào)質(zhì)與深度濃縮脫水的機(jī)理主要表現(xiàn)在2個(gè)方面:

(1)半焦對(duì)污泥的吸附作用。

用掃描電鏡分析半焦對(duì)污泥調(diào)質(zhì)前后的形貌(圖3),圖3(a)顯示半焦結(jié)構(gòu)比較疏松,孔隙發(fā)達(dá),而圖3(b)顯示半焦的孔隙及其表面吸附了絮狀的污泥顆粒,有些孔隙被污泥顆粒充填,這就是半焦對(duì)污泥吸附所造成的。

圖3 半焦調(diào)質(zhì)前后的掃描電鏡Fig.3 The results of the comparison before and after semi-cokemodifying

用BT-2002激光粒度分布儀測(cè)試污泥、半焦及調(diào)質(zhì)后濃縮污泥的比表面積和平均粒徑,結(jié)果見表3。

表3 調(diào)質(zhì)前后粒度對(duì)照Table 3 Particle size contrast before and after modifying

由表3可以得出,調(diào)質(zhì)后濃縮污泥的比表面積降低,平均粒徑增大,說明半焦表面吸附了大量的污泥顆粒,導(dǎo)致比表面積減小,顆粒增大。

縱上所述,半焦空隙被污泥充填,粒徑變大、比表面積減少都說明了半焦對(duì)污泥具有強(qiáng)的吸附作用,能改善污泥的濃縮脫水性能。

(2)半焦消弱污泥的親水性能。

污泥是親水性極強(qiáng)的物質(zhì),污泥中含有大量的病原菌及寄生蟲(卵)等,這些微生物生命代謝過程中產(chǎn)生大量的胞外聚合物,它們或附著在細(xì)胞壁上,或以膠體或溶解狀態(tài)存在于液相主體中。而半焦是強(qiáng)疏水性物質(zhì),加入的半焦不僅能吸附大量的菌體及其代謝產(chǎn)物,使分散的小顆粒之間相互聚集形成大顆粒,還能使污泥由強(qiáng)親水性向弱親水性的方向轉(zhuǎn)變,從而改善污泥的脫水性能[16]。

4 結(jié) 論

(1)用褐煤熱解半焦對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)質(zhì),不僅能顯著提高污泥的濃縮脫水性能,在30 min內(nèi),污泥濃縮后的上清液清澈,其濁度和懸浮物(SS)的含量能達(dá)到國家污水排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),濃縮污泥的固含率由調(diào)質(zhì)前的8.87%增高至21.95%,即濃縮污泥的含水率由調(diào)質(zhì)前的91.13%降低至78.05%,還能改善濃縮污泥的機(jī)械脫水性能,濃縮污泥經(jīng)真空抽濾后所得濾餅的含水率由調(diào)質(zhì)前的65.00%降低至49.50%。

(2)用半焦對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)質(zhì),能顯著提高污泥中顆粒物的沉降性能,在起初的20 min內(nèi),污泥的沉降速率較快,其平均沉降速率由調(diào)質(zhì)前的2.67 mL/min提高至調(diào)質(zhì)后3.25 mL/min,大大縮短了污泥的濃縮時(shí)間,可以將污泥濃縮脫水時(shí)間控制在20 min以內(nèi),為半焦在污泥調(diào)質(zhì)與濃縮脫水中的工業(yè)化應(yīng)用提供了條件。

(3)半焦對(duì)污泥調(diào)質(zhì)與深度濃縮脫水的機(jī)理主要表現(xiàn)在半焦對(duì)污泥的吸附作用以及半焦對(duì)污泥親水性能的消弱作用。

[1] 戴少康.選煤工藝設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2010:53-54.

Dai Shaokang.Practical technical manual of preparation technology design[M].Beijing:China Coal Industry Publishing House,2010: 53-54.

[2] 張曉靜.中低溫煤焦油加氫技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(5): 840-844.

Zhang Xiaojing.Hydrogenating process for coal tar from mid-lowtemperature coal carbonization[J].Journal of China Coal Society, 2011,36(5):840-844.

[3] 邵俊杰.褐煤提質(zhì)技術(shù)現(xiàn)狀及我國褐煤提質(zhì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)探討[J].神華科技,2009,7(2):17-22.

Shao Junjie.The development status of lignite quality improvement technology and development trend of China’s lignite quality improvement technology[J].Shenhua Science and Technology,2009,7 (2):17-22.

[4] 張興剛.煤熱解需破除半焦利用瓶頸[J].中國石油和化工, 2012(2):45.

Zhang Xinggang.Bottleneck of semi-coke utilization should be broken to coal pyrolysis[J].China Petroleum and Chemical Industries, 2012(2):45.

[5] 楊柯敏,張春燕,張 燕,等.城市污泥處理處置方式及現(xiàn)狀分析[J].中國資源綜合利用,2012,30(12):28-31.

Yang Kemin,Zhang Chunyan,Zhang Yan,et al.The way ofmunicipal sludge treatment and disposal and its status analysis of domestic and foreign sludge[J].China Resources Comprehensive Utilization,2012,30(12):28-31.

[6] 谷晉川,蔣文舉,雍 毅.城市污水廠污泥處理與資源化[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:48-60.

Gu Jinchuan,JiangWenjun,Yong Yi.Municipal sewage sludge treatment and resource[M].Beijing:Chemistry Industry Press,2008: 48-60.

[7] 王 嵐.我國污泥處理處置發(fā)展概述[J].給水排水動(dòng)態(tài),2010 (4):11-12.

Wang Lan.Overview of the development of sludge disposal in China [J].Water&Wastewater Information,2010(4):11-12.

[8] 王守仁,王增長(zhǎng),宋秀蘭.污泥處理技術(shù)發(fā)展[J].水環(huán)境保護(hù), 2010,26(1):80-83.

Wang Shouren,Wang Zengzhang,Song Xiulan.Development of technique for sewage sludge treatment[J].Water Resources Protection, 2010,26(1):80-83.

[9] 楊崇豪,張利偉,趙麗敏.粉煤灰在水廠污泥處理和處置中的作用研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2006,8(7):114-116.

Yang Chonghao,Zhang Liwei,Zhao Limin.Study on function of fly ash in sludge treatment of water works[J].Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control,2006,8(7):114-116.

[10] 楊 斌,楊家寬,唐 毅,等.粉煤灰和生石灰對(duì)生活污水污泥脫水影響研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2007,30(4):98-100.

Yang Bin,Yang Jiakuan,Tang Yi,et al.Impact of fly ash and powered lime on dewatering performance of sludge[J].Environmental Science&Technology,2007,30(4):98-100.

[11] 李春萍.電石渣和石灰對(duì)污泥的改性效果比較[J].環(huán)境工程, 2011(5):117-120.

Li Chunping.Comparison of sewage sludge modification effect by adding calcium carbide or lime[J].Environmental Engineering, 2011(5):117-120.

[12] 胡勤海,熊云龍,朱妙軍,等.城市污泥摻制水煤漿燃燒動(dòng)力學(xué)特性[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(6):1149-1154.

Hu Qinhai,Xiong Yunlong,Zhu Miaojun,et al.Study on combustion kinetics of coalwater slurry prepared with sewage sludge[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2008,28(6):1149-1154.

[13] 王睿坤,劉建忠,胡亞軒,等.水煤漿摻混濕污泥對(duì)漿體成漿特性的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(S1):199-204.

Wang Ruikun,Liu Jianzhong,Hu Yaxuan,et al.Influence of wet sludge on the slurrying properties of coal-water slurries[J].Journal of China Coal Society,2010,35(S1):199-204.

[14] 王 丹,孟嬡嬡,胡勤海,等.兩種城市污泥摻混水煤漿的成漿性[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(8):1690-1695.

Wang Dan,Meng Yuanyuan,Hu Qinhai,et al.Study on slurryablility of coal water slurry prepared with two kinds of sewage sludge [J].Acta Science Circumstanfiae,2009,29(8):1690-1695.

[15] Liu Qianjun,Zhan Huaiyu,Liu Minghua.Modified treatment of sludge using the amphoteric lignin-based floccutant[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2007,46(S1): 343-346.

[16] Liu Meng,Duan Yufeng,Li Huafeng.Effect ofmodified sludge on the rheological properties and co-slurry mechanism of petroleumcoke sludge slurry[J].Powder Technology,2013,243:18-26.

Applications of lignite sem i-coke on m odifying and deep concentrated dewatering of sludge

DAICai-sheng1,2,LIU Liang-liang1,MA Song-jiang1,GUAN Guo-qing3

(1.School ofChemistry and Chemical Engineering,Hunan University ofScience and Technology,Xiangtan 411201,China;2.Hunan Province Key Laboratory of Coal Resources Clean-utilization and Mine Environment Protection,Hunan University ofScience and Technology,Xiangtan 411201,China;3.North Japan Research Institute for Sustainable Energy,HirosakiUniversity,Aomori 030-0813,Japan)

In order to solve the currentdifficulty of sludge dewatering,the sludgewasmodified by semi-cokewhich was the pyrolysis product of lignite.The lignite semi-coke’s effect on modifying and deep concentrated dewatering of sludge was explored by themethod of gravity concentrated dewatering.The results show that the dewatering property, the settling property and themechanical dewatering property of sludge are improved greatly through adding semi-coke into the sludge.When 2 g semi-cokewas added into 100 g sludge,the water content of concentrated sludge is reduced from 91.13%to 78.05%after modified treatment.What’s more,the water content of filter cake is reduced from 65.00%to 49.50%by vacuum filtration.In 20 minutes,the average sedimentation rate of sludge is increased from 2.67 mL/min to 3.25 mL/min.This study explored themechanism of semi-coke on themodifying and deep concentrated dewatering of sludge.The mechanism mainly manifest in semi-coke’s adsorption on sludge and weakening hydrophilic properties of sludge.

X703

A

0253-9993(2014)07-1361-05

戴財(cái)勝,劉良良,馬淞江,等.褐煤熱解半焦在污泥調(diào)質(zhì)與深度濃縮脫水中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(7):1361-1365.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1770

Dai Caisheng,Liu Liangliang,Ma Songjiang,et al.Applications of lignite semi-coke on modifying and deep concentrated dewatering of sludge[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1361-1365.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1770

2013-12-02 責(zé)任編輯:張曉寧

國際合作專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2013DFG60060)

戴財(cái)勝(1964—),男,湖南隆回人,教授,博士。E-mail:DCS1218@163.com