褐煤热解半焦在污泥调质与深度浓缩脱水中的应用

戴财胜,刘良良,马淞江,官国清

(1.湖南科技大学化学化工学院,湖南湘潭 411201;2.湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室,湖南湘潭411201;3.日本弘前大学北日本再生能源研究所,青森县青森市 030-0813)

褐煤热解半焦在污泥调质与深度浓缩脱水中的应用

戴财胜1,2,刘良良1,马淞江1,官国清3

(1.湖南科技大学化学化工学院,湖南湘潭 411201;2.湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室,湖南湘潭411201;3.日本弘前大学北日本再生能源研究所,青森县青森市 030-0813)

为解决当前污泥脱水难的问题,以褐煤热解半焦作为污泥调理剂对污泥进行调质处理,并采用污泥重力浓缩脱水的实验方法探讨了褐煤半焦对污泥调质与深度浓缩脱水的影响。结果表明:用半焦对污泥进行调质,能够改善污泥的浓缩脱水性能、沉降性能以及浓缩污泥的机械脱水性能,当100 g污泥中加入2 g半焦时,浓缩污泥的含水率由调质前的91.13%降低至调质后的78.05%,浓缩污泥经真空抽滤后所得滤饼的含水率由调质前的65.00%降低至调质后的49.50%。污泥浓缩前20 min内,污泥的平均沉降速率由调质前的2.67 mL/min提高至调质后3.25 mL/min。通过污泥调质前后的粒度分析和半焦的扫描电镜图像分析,探讨了半焦对污泥调质与深度浓缩脱水的机理,其机理主要表现在半焦对污泥的吸附作用及半焦对污泥亲水性能的消弱作用。

褐煤;半焦;污泥;调质;浓缩脱水

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

我国褐煤资源丰富,已探明的褐煤保有储量高达1 300亿t,约占全国煤炭储量的13%,主要分布于内蒙古东部、黑龙江东部和云南东部[1]。褐煤因水分高、热值低,直接利用褐煤的能效很低,因此,褐煤的改质与高效洁净利用成为我国洁净煤领域的一个重点与热点研究难题之一。目前,用热解方法对褐煤进行改质,实行高效分级利用成为褐煤高效洁净利用的最佳选择。褐煤热解产物有煤气、煤焦油、半焦,有关煤气、煤焦油的高效利用的研究报道不断出现,而关于半焦的高效利用鲜有报道[2-3]。半焦是褐煤热解的主要产物,产率为30%～60%,由于价格与市场的原因,半焦销售困难,成为褐煤热解利用的瓶颈[4]。因此,迫切需要对褐煤半焦的高效洁净利用进行研究,解决褐煤高效洁净利用的难题。

我国城市污水处理厂的污泥主要釆用填埋的方式进行处置,不仅占用土地、浪费资源,还可能给环境带来二次污染,如不及时采取措施,这一状况将进一步恶化[5]。要解决上述问题,最好的办法就是实现污泥的资源化利用,因此,污泥资源化利用被列入环保部“十二五”规划,污泥的资源化研究已成为当今污泥处理的热点问题之一。

目前,污泥主要采用先重力浓缩,后机械(压虑、抽虑)过滤脱水,污泥脱水后的含水率大于70%,仍然很高,是污泥不能资源化利用的最主要的原因,因此,创新污泥脱水方法、降低污泥含水率至可以直接资源化利用的水平成为污泥资源化利用的技术关键[6-7]。

在污泥脱水前先进行预处理,此技术称为污泥调质,使污泥粒子改变物化性质,破坏污泥的胶体结构,减少污泥与水的亲和力,从而改善污泥的脱水性能[8]。目前常用的污泥调质方法有物理调质和化学调质两大类,在化学调质方面,已经有添加粉煤灰对污泥比阻的影响研究[9]以及利用生石灰作为污泥脱水助凝剂的研究[10-11]。基于半焦孔隙率发达,比表面积大等特征,笔者提出以褐煤热解半焦为调理剂对污泥进行调质与脱水,探讨半焦对污泥脱水性能的影响,力求污泥经调质与机械脱水后,其含水率小于50%,实现污泥的资源化特别是燃料化利用[12-14],同时为褐煤热解半焦的利用开辟新的途径。

1 实 验

1.1 实验原料

实验所用的污泥取自湘潭污水处理厂,其含水率为98%。所用聚丙烯酰胺为颗粒状固体,相对分子质量为800万～1 200万。实验所用的半焦为内蒙褐煤在600℃下热解1.5 h所得的产物,半焦的粒度为45～425μm。污泥与褐煤半焦的工业分析见表1,其中污泥的工业分析采用干污泥进行测试。

表1 污泥与半焦的工业分析Tab le 1 Proximate analysis of sludge and sem i-coke

1.2 实验方法

首先在含水污泥中加入半焦和聚丙烯酰胺进行调质,然后基于污泥重力浓缩脱水的原理,污泥中的颗粒物在重力作用下产生沉降,导致污泥中水与污泥分层,实现污泥浓缩脱水。本实验将污泥的沉降速率作为衡量污泥浓缩脱水性能的指标,将上清液浊度、上清液悬浮物(SS)、浓缩后污泥(下层泥样)的固含率及其抽滤后泥饼的含水率作为衡量污泥脱水效果的指标。

1.2.1 污泥脱水效果指标的测定

浓缩后污泥固含率的测定:取一定量的浓缩污泥于103～105℃鼓风干燥箱中烘2 h,取出并放入干燥器中冷却20 min,称重并计算浓缩污泥的固含率。

上清液浊度的测定:上清液浊度采用美国HACH公司的2100系列浊度仪测定。

上清液悬浮物(SS)的测定:执行GB 11901—89水中悬浮物(SS)测定方法。

泥饼含水率的测定:取一定量的浓缩污泥倒入布氏漏斗中,采用0.08MPa真空度进行抽滤,当泥饼出现龟裂时,将泥饼从漏斗上剥离,取一定量的泥饼,称重,在103～105℃鼓风干燥箱中烘干2 h后取出,放在空气中冷却5 min,后将其放入干燥器中冷却20 min,然后称重,并计算泥饼的含水率。

1.2.2 污泥沉降速率的测定

取100 g含水率为98%的污泥,倒入200 mL的烧杯中,加入一定量的半焦,用自动搅拌器搅拌10 min,再加入一定量的聚丙烯酰胺,搅拌10 min,将搅拌后的污泥转入100 mL量筒中,密封,静置观察污泥的沉降情况,以一定时间内污泥与水分层界面高度(H)作为衡量污泥沉降速率的指标,H愈小,污泥沉降速率愈大[15]。

2 实验结果与讨论

2.1 褐煤半焦对污泥浓缩脱水性能的影响

图1为投加半焦前后的实验结果对照。图1(a)为不投加半焦,只投加1×10-6聚丙烯酰胺并搅拌10 min的空白污泥浓缩脱水的实验情况,刚开始的5 min内污泥无明显的分层,整体很浑浊,当静置30 min时,污泥分层明显,但上层液依然浑浊,悬浮物(SS)的含量高,污泥的浓缩脱水效果差;图1(b)为先投加半焦(2 g半焦/100 g污泥)并搅拌10 min,再投加1×10-6聚丙烯酰胺并搅拌10 min的污泥浓缩脱水的实验情况,刚开始的5 min,污泥分层明显,浓缩脱水效果显著,当静置30 min时,污泥上清液明显变清,悬浮物(SS)的含量低,污泥的浓缩脱水效果好,说明半焦能显著改善污泥的物理化学性能,对污泥浓缩脱水有很好的作用。

图1 投加半焦前、后的实验结果对照Fig.1 The contrast results before and after adding semi-coke

当100 g污泥中加入2 g半焦时,静置30 min后取上清液测其浊度和悬浮物(SS)的含量,取下层浓缩污泥,一部分用来测浓缩污泥的固含率,一部分进行抽滤,测抽滤后滤饼的含水率,实验结果见表2。

表2 污泥调质前后脱水结果对照Table 2 Dewatering results contrast before and after modifying

从表2可知,用褐煤热解半焦对污泥进行调质,不仅能显著提高污泥的浓缩脱水性能,静置30 min后,污泥浓缩后上清液清澈,其浊度和悬浮物(SS)的含量都能达到国家污水排放二级标准,浓缩污泥的固含率由调质前的8.87%增至21.95%,即浓缩污泥的含水率由调质前的91.13%降低至78.05%,还能改善浓缩污泥的机械脱水性能,浓缩污泥经真空抽滤后所得滤饼的含水率由调质前的65.00%降低至49.50%。

2.2 褐煤半焦对污泥沉降速率的影响

图2为空白污泥和100 g污泥中加入2 g半焦调质的污泥浓缩脱水过程的沉降曲线。

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

在起初的20 min内,加半焦调质后污泥的沉降速率比空白污泥的沉降速率大,且时间越短,两者的沉降速率差距越大。加入半焦对污泥进行调质处理后,污泥的平均沉降速率明显加快,前20 min内,污泥的平均沉降速率由调质前的2.67 mL/min提高至调质后3.25 mL/min。静置20 min时,投加半焦调质后污泥的泥水界面高度(H)由调质前的40.0 mL降低至调质后的27.0 m L,沉降时间大于20 min时,泥水界面高度(H)基本不变,说明半焦用于污泥调质浓缩脱水时间可以限定为20min。结果表明:用半焦对污泥进行调质,能显著提高污泥中颗粒物的沉降速率,大大缩短了污泥的浓缩时间,可以将污泥浓缩脱水时间控制在20 min以内,为半焦在污泥调质与浓缩脱水中的工业化应用提供了条件。

3 机理探讨

褐煤热解半焦不仅孔隙发达、比表面积大,不仅具有强吸附性能,还具有疏水性能,对污泥调质与深度浓缩脱水的机理主要表现在2个方面:

(1)半焦对污泥的吸附作用。

用扫描电镜分析半焦对污泥调质前后的形貌(图3),图3(a)显示半焦结构比较疏松,孔隙发达,而图3(b)显示半焦的孔隙及其表面吸附了絮状的污泥颗粒,有些孔隙被污泥颗粒充填,这就是半焦对污泥吸附所造成的。

图3 半焦调质前后的扫描电镜Fig.3 The results of the comparison before and after semi-cokemodifying

用BT-2002激光粒度分布仪测试污泥、半焦及调质后浓缩污泥的比表面积和平均粒径,结果见表3。

表3 调质前后粒度对照Table 3 Particle size contrast before and after modifying

由表3可以得出,调质后浓缩污泥的比表面积降低,平均粒径增大,说明半焦表面吸附了大量的污泥颗粒,导致比表面积减小,颗粒增大。

纵上所述,半焦空隙被污泥充填,粒径变大、比表面积减少都说明了半焦对污泥具有强的吸附作用,能改善污泥的浓缩脱水性能。

(2)半焦消弱污泥的亲水性能。

污泥是亲水性极强的物质,污泥中含有大量的病原菌及寄生虫(卵)等,这些微生物生命代谢过程中产生大量的胞外聚合物,它们或附着在细胞壁上,或以胶体或溶解状态存在于液相主体中。而半焦是强疏水性物质,加入的半焦不仅能吸附大量的菌体及其代谢产物,使分散的小颗粒之间相互聚集形成大颗粒,还能使污泥由强亲水性向弱亲水性的方向转变,从而改善污泥的脱水性能[16]。

4 结 论

(1)用褐煤热解半焦对污泥进行调质,不仅能显著提高污泥的浓缩脱水性能,在30 min内,污泥浓缩后的上清液清澈,其浊度和悬浮物(SS)的含量能达到国家污水排放二级标准,浓缩污泥的固含率由调质前的8.87%增高至21.95%,即浓缩污泥的含水率由调质前的91.13%降低至78.05%,还能改善浓缩污泥的机械脱水性能,浓缩污泥经真空抽滤后所得滤饼的含水率由调质前的65.00%降低至49.50%。

(2)用半焦对污泥进行调质,能显著提高污泥中颗粒物的沉降性能,在起初的20 min内,污泥的沉降速率较快,其平均沉降速率由调质前的2.67 mL/min提高至调质后3.25 mL/min,大大缩短了污泥的浓缩时间,可以将污泥浓缩脱水时间控制在20 min以内,为半焦在污泥调质与浓缩脱水中的工业化应用提供了条件。

(3)半焦对污泥调质与深度浓缩脱水的机理主要表现在半焦对污泥的吸附作用以及半焦对污泥亲水性能的消弱作用。

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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

戴财胜,刘良良,马淞江,等.褐煤热解半焦在污泥调质与深度浓缩脱水中的应用[J].煤炭学报,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 责任编辑:张晓宁

国际合作专项资助项目(2013DFG60060)

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