污水处理污泥掺配水煤浆气化重金属迁移研究及灰渣排放评价

杨东元，王亚红，扈广法，孙育滨，3，常春然

(1.西安交通大学 化学工程与技术学院 陕西省能源化工过程强化重点实验室，陕西 西安 710049；2.陕西延长石油(集团)有限责任公司，陕西 西安 710069；3.陕西延长石油(集团)有限责任公司大连化物所西安洁净能源(化工)研究院，陕西 西安 710069；4.陕西延长西大先进技术研究院有限公司，陕西 西安 710069；5.西安元创化工科技股份有限公司，陕西 西安 710061)

污水处理过程产生的污泥是石化行业重要的危险固体废弃物，我国年产污水处理污泥达到 5 000万t 以上，具有组分复杂、来源广泛、危害性强、毒性大等特点[1]，如不妥善处置，将对环境造成巨大危害[2]。现有处置技术主要有焚烧法、热解法、填埋法、溶剂萃取分离法、制砖固化法及微生物处理等技术[3-4]，普遍存在能消高[5]、存在二次污染、综合利用率低等问题[6]。

污泥的成分主要为微生物残余物、烃类化合物、污水及土壤组分，具有一定的热值[7]。将污泥与煤、水及添加剂混合后气化，可将现有处理技术中利用成本较高的烃类及微生物资源转化为CO及H2[8]。将污泥与煤共气化，利用气化炉协同处置危废是一种简单、经济的资源化技术。污泥的主要有害物质为其中所含的烃类化合物、有害微生物及重金属，在高温气化反应下全部转化为合成气，而进行气化处理后重金属迁移规律及其对气化灰渣的影响就成为气化无害化处理的关键所在[9-10]。本文将污泥气化工业化运行装置的灰渣、灰水排放数据进行分析[11-13]，对其中重金属的迁移特性进行分析并评估其对灰渣排放的影响[14-15]。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

污泥，取自鄂尔多斯盆地某大型石油加工企业污水车间污泥减量化装置离心机出口油泥饼。

MB-32型红外水分测定仪；VEL元素分析仪；康塔400型环境扫描电镜；6800型ICP光谱仪；AFS-3000型原子荧光仪。

1.2 分析方法

污泥及煤按GB/T 212—2008方法进行工业分析；污泥及原料煤的微量元素、重金属元素分析按 GB/T 15618执行，元素分析、灰熔点、发热量等参照GB/T 474、GB/T 214、GB 476等标准执行。

1.3 制浆及气化过程

将污泥及专用污泥分散剂经高压柱塞泵经计量加注到水煤浆磨机内，按现有的水煤气加压气化工艺(见表1)进行气流床气化，对外排黑水、灰水、灰渣、合成气组分及工艺运行指标进行分析与评价。

表1 掺配污泥水煤浆气化工艺条件Table 1 The gasification of the mixing sludge

2 结果与讨论

2.1 煤、污泥重金属及元素分析结果

污泥样品及原料煤样的重金属含量分析见表2。

由表2可知，污泥中砷、铅、汞、铬及镉重金属及有害元素含量除铬外基本与煤接近，其影响基本可忽略。污泥中有害元素及重金属在气化过程中的迁移影响，主要是与煤共气化过程中产生的。

表2 煤及污泥重金属元素分析Table 2 The heavy metal analysis of coal and sludge

2.2 污泥掺配水煤浆制浆研究

使用气化原料煤样1或2，在自制污泥含氟疏水高效分散剂的作用下，对掺配污泥后水煤浆进行成浆性及稳定性、流变特性分析。

含5%污泥水煤浆密度根据GB/T 18856.9—2002进行测定。含污泥水煤浆的固含率为60%(质量分数)，浆体的密度约为1.135 g/cm3，pH值为 7.0，污泥浆的表观粘度为584 mPa·s，可满足有关水煤浆气化使用要求。

2.3 掺配5%污泥水煤浆气化工艺评价

2.3.1 污泥水煤浆特性分析 对工业水煤浆及掺配5%污泥的水煤浆进行工业分析、发热量、灰熔点、粘温特性分析、元素分析及灰成分分析，结果见表3～表8。

表3 煤、污泥及掺配污泥煤样工业分析Table 3 The industrial analysis of coal/sludge/coal-sludge

表4 煤、污泥及掺配污泥煤样的元素分析Table 4 Elemental analysis of coal，sludge and coal-sludge

表5 煤、污泥及掺配污泥煤样的热值分析Table 5 Caloricity analysis of coal，sludge and coal-sludge

表6 煤、污泥及掺配污泥煤样的灰熔点分析Table 6 Ash fusibility analysis of coal，sludge and coal-sludge

表7 煤、污泥及掺配污泥煤样的粘温特性Table 7 Viscosity-temperature characteristic analysis of coal，sludge and coal-sludge

表8 煤、污泥及掺配污泥煤样的灰成分分析Table 8 Ash composition analysis of coal，sludge and coal-sludge

由表6～表8可知，掺配5%污泥后，水煤浆的灰熔点中的FT变低，但粘温特性改变不明显，高温气化后，灰渣组成及含量基本一致。

2.3.2 污泥气化灰渣重金属含量分析 将间隔2 h取样的不含污泥水煤浆及掺配5%油泥水煤浆气化后粗渣按序号进行标记，其中有害元素及重金属含量分析见表9。

表9 掺配5%污泥水煤浆与空白水煤浆气化粗渣重金属含量分析Table 9 The heavy metal content analysis of coarse slag of sludge-CWS and blank CWS

由表9可知，含5%污泥水煤浆气化粗渣的重金属含量与空白水煤浆相比，总体变化很小，除铅含量略有升高外，其他重金属元素基本保持不变；同时，掺配污泥后的水煤浆其气化粗渣中重金属的含量均符合国家一般固体废弃物排放标准。

将间隔2 h取样的不含污泥水煤浆及掺配5%油泥水煤浆气化后细渣按序号进行标记，其中有害元素及重金属含量分析见表10。

表10 掺配污泥水煤浆与空白水煤浆气化细渣重金属含量分析Table 10 The harmful elements analysis of fine dregs of sludge-CWS and blank CWS

由表10可知，含污泥水煤浆气化细渣的重金属含量与空白水煤浆相比，总体变化很小，除铅含量略有升高外，其他重金属元素基本保持不变。同时，掺配污泥后的水煤浆其气化细渣中重金属的含量均符合国家一般固体废弃物排放标准。

综合污泥掺配水煤浆气化粗渣及细渣的重金属分析数据，可以初步得出，污泥中的重金属在气化炉内迁移特性基本为迁移至气化灰渣内，并进行高温固化，其中细渣中重金属含量要高于粗渣，重金属主要随细渣进行固化迁移。

3 结论

(1)掺配5%炼油污泥水煤浆气化后，粗渣及细渣的主要灰成分、重金属等均符合国家有关一般固体废弃物排放安全标准，污泥掺配水煤浆气化灰渣可实现安全排放。

(2)污泥中的重金属含量与煤基本一致，不存在重金属超标问题，其重金属在气化炉内进行气流床高温气化反应主要迁移特性为向气化灰渣迁移并固化，其中气化细渣的迁移大于气化粗渣中的迁移。