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污泥热化学处理的试验研究

更新时间:2014-03-25 20:39 来源:第一论文 作者: 阅读:1520 网友评论0

摘要:本文介绍了污水厂污泥低温热解试验的初步 研究 成果,它能有效去除污泥中的污染物质,同时污泥热解的产物还可作为能源加以回收。

关键词:低温热解 污泥处置 能量回收

随着城市污水处理率的上升,城市污水厂污泥将大量增加。污泥处理 方法 种类繁多,但大都存在一些弊端。土地填埋处理由于可供填埋场地越来越少,今后将受到严格控制;焚烧法处理由于设备及运行费用昂贵、投资大,也不普遍适用[1]。至于 目前 国内广泛使用的污泥浓缩、压滤脱水后即行排放的处理方法,则有处理不彻底,易引起二次污染等缺点[2]。而污泥热化学处理法具有灭菌效果好、处理迅速、占地相对较少、处置后污泥性质稳定并能进行能源回收等优点,因此能达到使污泥处置减量化、无害化、资源化的目的。

1. 污泥热分解机理

目前进行的污泥热解试验尚不能完全有效地阐明其作用机理。国内外学者较普遍的看法为:污泥被加热至200℃~300℃,其中的脂肪族化合物发生转化;加热至300℃~390℃时,蛋白质类化合物转化;390℃以上,糖类化合物转化,肽链断裂,基因变性转移;与此同时,碳化合物发生转化至450℃时转化完成。所以污泥热解在500℃以下即可完成。本人的大量实验测试结果亦证实如此,但在无氧或缺氧条件下热解状况会略有不同[3,4]。

2. 试验

2.1试验原理

缺氧条件下,加热脱水污泥至一定温度(<320℃),通过热解和干馏作用,使污泥性质发生变化,分解产出碳、油和不凝气体。大部分产物可进行能源回收。

2.2试验原料

所取污泥为武汉水质净化厂脱水污泥,经取样和化验,其平均数据如下:

表1 污泥肥份及大肠杆菌数值

项目

有机质

(%)

全N

(%)

全P

(%)

全K

(%)

大肠杆菌

(个/100g)

S

(%)

混合

62.1

1.520

0.735

1.04

<2400

0.835

初沉

64.8

1.457

1.416

1.01

<2400

0.650

表2 污泥重金属含量表(mg﹒kg-1)

项目

Cu

Zn

Cr

Cd

Hg

Pb

As

混合

148.4

543.9

72.8

0.70

0.42

55.1

18.8

初沉

132.7

568.2

78.6

0.75

0.94

57.5

21.4

从以上两表可看出,污泥中有机质含量较高,具有一定热值,而N、P、K等植物营养素含量不高,部分污泥重金属含量超标(GB4284-84)。这种污泥农用不会有好的效果。

2.3试验设备及方法

2.3.1 主要设备: 电热干燥箱,马弗炉,热解器,氧弹测热仪,冷凝瓶,分液漏斗,日产TAS-100热 分析 仪

2.3.2 测试项目:反应温度、时间、含水率、VS含量、TG图和放热值

2.3.3 试验结果及讨论

表3 污泥含水率及VS含量

污泥样

W1(g)

W2(g)

W3(g)

P(%)

VSS(%)

1

24.972

38.128

30.698

34.222

56.476

2

23.876

37.191

29.569

33.425

57.243

3

24.573

37.771

30.270

34.012

56.827

注:测试所用方法参见 文献 5。

污泥热解在温度大于200℃时开始有明显表象生成,至300℃停留1小时后,反应基本停止(图1)。污泥热解产物为炭、油、水和不凝气体,主要是炭和油,故对这两类物质进行分析。

从图1可知,污泥热解时产炭率随温度升高而下降,产油率随温度升高而上升。得到的炭占污泥干重的50~70%,体积约为原污泥的1/3~1/2。一般含有机物较多的炭为无光泽的黑色块粒。污泥炭性质稳定,无异味,杀菌率为100%,可长期贮存。所得油有浓重的气味,呈棕色,易被明火点燃,所得率在20~35%左右(重量比)。所得气体带恶臭味,主要含有H2S、甲硫醇和氨等物质,这些气体可通过燃烧脱臭。由于在实验过程中,避开了生成二噁英等持久性污染物的最佳温度区域,故不必担心生成这类物质[6,7]。

采用日产TAS-100热分析仪进行TG和DTA测试。污泥热解自200℃开始,放出烟气。大约至300℃时,烟气放出速率最高,维持一段时间后浓烟消失,至350℃时反应基本停止。

图3 污泥DTA曲线

从TG和DTA曲线判断污泥热解在缺氧条件下进行的是放热反应。其中200~350℃对于城市污水厂污泥而言是较好的热解温度范围。当温度升至500℃左右,其转化率为最高,但热解温度高,需增加大量加热设备、消耗大量热能,不 经济 。同时在该温度下,会产生难以处理的二噁英类物质[8]。这种污泥经200~350℃低温热解后,各类污染物质均被去除。部分重金属离子留在灰分中,不会造成二次污染。灰分体积减为原有体积的30%以下,便于运输填埋。

3.炭化污泥合成燃料

上述热解后的污泥称之为炭化污泥。其性质稳定,且有一定量的有机质(表4),仍具有一定热值。这种污泥可与其他固体燃料混合供 工业 锅炉使用。既减少了污泥处置成本,又可作为一种能源回收,获得一定 经济 效益。

表4 炭化污泥 分析

炭化污泥样

W1(g)

W2(g)

W3(g)

P(%)

VSS(%)

1

24.563

44.279

39.981

1.42

21.8

2

24.394

44.120

39.701

1.37

22.4

3

25.622

45.304

41.328

1.59

20.2

此外,为了充分说明炭化污泥可利用的价值,本人还进行了污泥型煤燃烧可行性分析,即将所配制型煤经氧弹放热测试,其发热值可达到20000KJ·kg-1,符合一般燃料用煤放热值条件[9]。这种型煤具有点火快、燃烧充分等优点。表5列出了炭化污泥型煤与普通民用蜂窝煤比较。

表5 型煤成分分析

项目

水份(%)

挥发份(%)

灰份(%)

热值KJkg-1

炭化污泥型煤

7.56

10.4

34.5

18442

普通蜂窝煤

5.10

8.5

38.1

19080

4.污泥热解的能量分析

由于条件所限,本文未对污泥热解进行能量平衡分析。根据国内外资料,可以得出污泥热解过程为能量净输出过程。其中污泥含水率及有机质含量是污泥热解能量回收效果的关键。因此,对于有机质含量较高的污泥采用污泥热解法处置是适当的,此外,提高污泥脱水能力也是决定污泥热解成败的重要因素[8,10]。

结 论:

采用污泥低温热解能有效去除污泥中的污染物质,灰份可填埋,不形成二次污染。污泥热解产物中的污泥炭和油类均可作为燃料回收使用。其中污泥炭又可与其它固体燃料按一定比例混合后,形成合成燃料。

污泥热解是放热分解反应,对于城市污水厂污泥,其经济、有效热解温度区域在200℃~350℃。

对于生活污水污泥,热解处理产油率在20~35%之间,产炭率在50%~70%左右。

参考 文献

1.高庭耀. 水处理手册. 北京. 高教出版社, 1983

2.邓晓林. 上海城市污水处理厂的污泥处置途径探讨. 中国 给水排水, 2000,Vol.16(5)

3.邵立明. 污水厂污泥低温热解过程能量平衡分析. 上海环境 科学 ,1996,Vol 15(6)

4.Bayer B. Kutubuddin M. Proc.of the International Recycling Congress. Berlin: EF Verlag, 1987, 314-318

5.5.金儒霖 污泥处理 北京:中国建筑工业出版社,1982

6.汪恂. 二噁英的危害与防治. 武汉 科技 大学学报, 2001, Vol 24(4)

7.Campell H.W. and Bridle T.R. Conversion of sludge to oil: a novel approach to sludge management. Wat. Sci. Tech, 1989, Vol. 21. 1467~1475

8.J. Werther, T. Ogada. Sewage sludge combustion. Progress in Energy and Combustion Science, 1999, Vol.25:55~116

9.大内公耳. 煤炭的利用技术. 西安交大出版社

10何品晶, 顾国维. 低温热化学转化污泥制油技术. 环境科学, 1996, Vol.16(5):82~86

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