利用城市污泥制备水煤浆的实验研究

第43卷第17期州化工Vol 43 No 17015年9月Guangzhou Chemical IndustrySep.2015利用城市污泥制备水煤浆的实验研究金大钺,孔顺利,朱芝材,雷一凡,高明洋,孟献梁(中国矿业大学,江苏徐州221116)摘要:利用干湿污泥制备污泥水煤浆,考察污泥的添加量对水煤浆成浆特性的影响。针对湿污泥水分高,直接与煤掺混制备水煤浆无法得到高品质浆体的特点,进行了添加碱性物质对湿污泥改性制备污泥水煤浆的实验,改性剂分别选用NaOHKOH、Ca(OH)2、K2CO3,通过加碱改性实验找到最佳改性条件。结果表明,干污泥添加量在10%时,可以得到成浆特性良好浓度较高的污泥水煤浆;湿污泥在KOH用量为15%,处理时间为1h的条件下,制备所得污泥水煤浆的成浆浓度最大。关键词:污泥水煤浆;流变特性;加碱改性;表观粘度中图分类号:TQ536,X705文献标志码:A文章编号:1001-9677(2015)017-0106-05CWS Preparation with Sewage sludgeJIN Da-yue, KONG Shun-li, ZHU Zhi-cai, LET Yi-fan, GAO Ming-yang, MENG Xian-liangChina University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China)Abstract: Using dried and wet sludge to prepare sludge Cws, the influence of the sludge additionproperties was investigated. The original unmodified sludge cant be mixed with coal to prepare the high quality sludgeCWs due to its high moisture content. Adopted the alkaline matter to modify the sludge, used NaOH, KOH, Ca(oh)2and K,CO3 as the modifiers, the best modification condition was found. The results showed that the high quality and highconcentration sludge Cws can be produced when the dried sludge blending ratio was 10%, the sludge Cws had thehighest concentration when the wet sludge was modified by 15% Naoh for 1 hKey words sludge CWS; rheological characteristics; modification by alkaline; apparent viscosity增大。据估计,我国污泥的年产量为几千万吨。常规的污泥1实验部分处理方法诸如填埋、焚烧等都有一定的局限性2,因此如何有效地处理城市污泥成了一个需要解决的问题。1.1实验材料水煤浆是一种符合我国国情的洁净能源利用技术3。理论实验所用到的污泥来自徐州污水处理厂,所用气煤来自王上来说,将污泥加入到水煤浆制备成污泥煤浆是可行的,制得楼矿。表1为煤和污泥的工业分析和元素分析。由表1可以看的浆体可以在燃烧气化等领域中作为替代能源。这种方法能处出,实验用煤中含有少量水分和灰分,挥发分和固定碳含量偏理大量污泥,同时也有效地利用了污泥中的热值,节约了原高,其中固定碳含量超过50%。而与实验用煤相比,污泥中含煤,而且避免了二次污染34。然而由于城市污泥含水分高,有的水分增多,但含量不高,适合高浓度污泥-煤浆的制备直接与煤制浆会导致水煤浆难以成浆或浓度很低3)。因此在利灰分和挥发分含量较高,固定碳含量偏低。从元素角度分析用污泥制备水煤浆之前,有必要对污泥进行改性处理本文通过对城市污泥在不同添加比例条件下进行制浆实氮含量与实验用煤相比偏高,由于含氧官能团是影响水煤浆成验,考察了所制浆体的成浆特性。再利用碱性物质对湿污泥进浆性的重要因素,因此含氧量高不利于水煤浆的制备,但由于行预处理,设计正交试验得出最优的制浆条件。最终成功利用水煤浆中煤是主要物质,因此对成浆性影响不大;硫含量和氢城市污泥制备出高品质浆体。含量与实验用煤相比类似。表1实验用煤和污泥的工业分析和Table 1 Proximate and ultimate analysis of test中国煤化工样品工业分析/%TYHECNMHG气煤79.565.2649.6838.3446.298.477.63第一作者:金大钺(1993-),男,学生,化学工程与工艺专业第43卷第17期金大钺,等:利用城市污泥制备水煤浆的实验研究107实验材料的粒度分布采用激光粒度分析仪测得,煤样的体积平均粒径为36.88μm,粒度分布见表2表2煤样粒度分布Table 2 Particle size distribution of test coal体积分数/%样品5 um<30μ<50μm74 um<180m1.2污泥水煤浆的制备浆体更稳定,不易沉淀。另外,浆体稳定性的增强,还由于污采用干法制浆,准确称取1%的NSF,充分溶于水后,将泥在浆体中可以形成一种空间网络结构,有利于阻止煤颗粒的称量好的城市污泥和煤样充分混合后加人溶液中,同时通过控沉降制加入去离子水的量来调节水煤浆的浓度和表观粘度。采用磁力搅拌机在1500r/min的转速下搅拌15min,停止搅拌后静置片刻,待浆内所含气体释放,得到污泥水煤浆。实验中统一采用250mL的烧杯,进行水煤浆制备,每次约制备100g的水煤浆,搅拌时搅拌头应距烧杯底1cm1.3水煤浆的性能测试E然3.1流动性测定将制得的污泥水煤浆倒入粘度计中,观察浆体的流动性状,分为A,B,C,D四个等级,每个等级的划分标准如下A-连续流动;B-间断流动,成稠流状;C-间断流动,呈稀糊状;D-不流动1干污泥添加量对水煤浆成浆浓度的影响1.3.2稳定性测定Influence of the dried sludge blending ratio to the考察釆用目测法,采用试管静置观察法来检测,将适量水concentration of cws煤浆置于试管中,静置保存7d后看其析水程度和沉淀情况将水煤浆的稳定性的判定分成4个等级,具体情况如下:A级表3干污泥添加量对水煤浆的成浆特性影响无析水和软沉淀;B级-少量析水和软沉淀;C级-少量析水和Table 3 Influence of the dried sludge blending ratio硬沉淀;D级-大量析水和硬沉淀。the property of CWs1.3.3流变特性测定泥添加煤浆表观粘度最大成浆使用NXS-4C型水煤浆粘度计测定所制备污泥水煤浆的表量/%浓度/%(ma,)流动性稳定性浓度/观粘度,测量温度为25℃,每次水煤浆用量约为25mL,剪切70.691303.4间断流动大量析水,硬沉淀速率由10s-、20s、40s-、60s-1、80s-1、100s递升,再069.751086.2连续流动大量析水,硬沉淀68.6按80s-1、60s-1、40s-1、20s-、10s-递减,每个剪切速率测67.96949.8连续流动大量析水,硬沉淀量五个数据。62.911461.7连续流动少量析水,硬沉淀1.3.4浓度测定562.221177.1连续流动少量析水,硬沉淀61.75水煤浆的浓度测定按照GB/T18856.2-2008《水煤浆试验61.72987.6连续流动少量析水,软沉淀方法第2部分:浓度测定》进行。60.351307.5连续流动少量析水,软沉淀1060.151106.2连续流动无析水,软沉淀60.092结果与讨论5998783.7连续流动无析水,软沉淀58.071206.2连续流动无析水,软沉淀2.1干污泥添加对水煤浆成浆性能的影响75.5连续流动无析水,软沉淀57.46污泥添加比例不同,其成浆特性也不相同,采用干污泥添57.10860.6连续流动无析水,软沉淀加比例分别为5%、10%、15%、20%制得浆体,考察了不同6.691294.5连续流动无析水,软沉淀干污泥添加量下制备得到的浆体的性能2056.4711881连续流动无析水,软沉淀图1为干污泥添加量对水煤浆成浆浓度的影响。由图1可56.02872.3连续流动无析水,软沉淀知,干污泥的添加量可显著降低污泥水煤浆的成浆浓度,随着干污泥添加量的增加,污泥水煤浆的成浆浓度呈下降趋势。煤浆流变特性主要指其表现黏度随煤浆剪切速率变化的规表3为干污泥添加量对水煤浆的成浆特性的影响。由表3律,水煤浆与污泥水煤浆流变特性曲线如图2~图3所示。可得,干污泥的加人,对浆体的流动性没有太大的影响。污泥图2中国煤化工线图。图3分别为干污泥水煤浆在静置7天后,通过观察和棒测法测试稳定性,其上层线价水煤浆的稳定性可以通过出现沉淀的情况和析水情况来考察添加CNMH污泥水煤浆流变特性曲口以速率的不断增大,原煤水有大量析水,出现少量硬沉淀。而随着干污泥添加比例的增煤浆的粘度增大,浆体呈现屈服涨塑性。添加干污泥后,污泥大,析水减少,硬沉淀逐渐减少至变为软沉淀,污泥水煤浆的水煤浆的浓度有所降低,且浆体的表观粘度随着剪切速率的增稳定性增加。稳定性增加的原因可能是污泥所带的负电荷增强大而减小,为宾汉塑性流体。由图2和图3还可以看出,随着了浆体内部颗粒的负电性,颗粒间的表面斥力变大,从而导致污泥添加量的增大,浆体宾汉塑性增强。化工2015年9月综合考虑浆体的流变特性和浓度等性质,污泥水煤浆中干污泥最佳添加比例以10%为宜。2.2湿污泥添加对水煤浆成浆性能的影响采用湿污泥添加比例分别为5%、10%、15%、20%制得浆体,考察了不同湿污泥添加量下制备得到的浆体的性能,如图4所示0102030405060708090100剪切速率/图2水煤浆的流变曲线between apparent viscosity andshear rateinal coal干污泥添加比例:5%浓度%图4湿污泥添加量对水煤浆成浆浓度的影响Fig 4 Influence of the wet sludge blending ratio to the concentration of cws图4为湿污泥添加量对水煤浆成浆浓度的影响。由图4可知,湿污泥的添加可显著降低污泥水煤浆的成浆浓度,随着湿剪切速率/s污泥添加量的增加,污泥水煤浆的成浆浓度呈明显下降趋势。3000干污泥添加比例:10%对比添加干污泥的污泥水煤浆成浆特性,可知添加湿污泥的污60.35泥水煤浆的成浆浓度下降更为显著,其原因主要是湿污泥中含有结合水,在干污泥和湿污泥相同的添加比例条件下,湿污泥的成浆浓度会更低。一般未经处理过的城市污泥中含有大量水分,因此可以对污泥进行干燥预处理后制浆,提高污泥水煤浆的成浆浓度。表4湿污泥添加量对水煤浆的成浆性能影响Table 4 Influence of the wet sludge blending ratioto the property of CWs干污泥添加比例:15%污泥添煤浆表观粘度加量/%浓度/%(mPa·s)流动性稳定性最大成浆浓度/%70.691303.4间断流动大量析水,硬沉淀69.751086.2连续流动大量析水,硬沉淀68.6267.96949.8连续流动大量析水,硬沉淀1000l199.4间断流动少量析水,软沉淀554.841137.6间断流动少量析水,软沉淀54.1150610203040506070809010053.58898.8间断流动少量析水,软沉淀剪切速率s48.481274.3间断流动少量析水,软沉淀干污泥添加比例:20%56.69%1047.731174.1间断流动少量析水,软沉淀47.3547.19926.8间断流动少量析水,软沉淀43.411075.6间断流动少量析水,软沉淀42.431012.9间断流动少量析水,软沉淀42.442.10890.2间断流动少量析水,软沉淀1235.3间断流动无析水,软沉淀中国煤化工析水,软沉淀39.30CNMHG剪切速率表4为湿污泥添加量对水煤浆的成浆性能影响。由表4可图3不同干污泥添加量下污泥水煤浆的流变曲线得,湿污泥的加人,可以调节浆体的稳定性和流动性。水煤浆Fig, 3 Relationship between apparent viscosity and shear在装样时可连续流动,但是其在试管中放置一定时间后,会析rate for sludge CWS in different dried sludge blending ratio出大量水分,并产生硬沉淀。煤浆加入湿污泥后,污泥水煤浆的流动性变差,稳定性增加第43卷第17期金大钺,等:利用城市污泥制备水煤浆的实验研究109污泥水煤浆流变特性曲线如图5所示低2.3湿污泥加碱改性后对水煤浆成浆性能的影响5500湿污泥添加比例:5%3在制备浆体之前对污泥进行改性处理是改善污泥水煤浆流动性和提高污泥水煤浆浓度的主要手段51。由于湿污泥粘度3500高、流动性差,直接进行污泥水煤浆的制备往往得不到高质量的浆体。为了降低其粘度、改善其流动性,需要对污泥进行加碱改性。本研究以NaOH、Ca(OH)2、KOH、K2CO3为改性剂:改性时间分别为0.5h、1.0h、1.5h、2.0h,改性剂用量分别为污泥干基的5%、10%、15%、20%,探索了污泥加碱改性剪切速率/s的最佳工艺条件,考察了不同改性污泥水煤浆的成浆特性。选择一组(煤:55.6644g,湿污泥:25.4883g,NSF:湿污泥添加比例:10%0.6000g)来设计正交试验L(43),此污泥改性实验共需进行65016次实验,每次实验测定加水量,并且用来制浆,考察污泥水煤浆成浆性能,计算最大成浆浓度(最大成浆浓度定义剪切速率为100s、表观粘度达到1000mPa·s时污泥水煤浆所含固体的质量分数3),选出最佳改性条件。表5湿污泥改性因素水平表501020304506070809010Table 5 Modification factors of the wet sludge剪切速率/s水平(B)添加(C)添加剂种类改性剂时间/h改性剂用量/%湿污泥添加比例:15%(OH)2KOHK, CO0.5表6试验方案及试验结果分析Table 6 Test scheme and analysis of the results剪切速率/s试验号最大成浆B空白浓度/%湿污泥添加比例:20%→3988%2449.37剪切速率s图5不同湿污泥添加量下污泥水煤浆的流变曲线3Fig. 5 Relationship between apparent viscosity and shear1011图5分别为湿污泥添加比例为5%、10%、15%、20%的污泥水煤浆流变特性曲线图。由图5可知,随着剪切速率的不49.52断增大,水煤浆的粘度增大,浆体呈现屈服涨塑性,加入湿污泥后,所制得的污泥水煤浆为宾汉塑性流体,随着剪切速率的49,24增大,污泥水煤浆表观粘度减小,并且随着污泥添加量的增大,浆体宾汉塑性增强。中国煤化工3K对比不同添加比例下的浆体成浆浓度,可知在添加湿污泥CNMH46202.34后,污泥水煤浆的浓度降低较为明显,而且其粘度增大,流动性变差。由于污泥中含有大量的有机质,具有一定的表面张力和粘滞力,且污泥的絮体网状结构可以固定部分水分,添加湿污泥后,浆体的流动性变差,粘度明显增加。因此,为了保证50.707550.065050.312550.615050.5850污泥-煤浆具有良好的流动性,污泥水煤浆的成浆浓度有所降k249.77550.267550.18050.190049.7850广州化工2015年9月续表6(3)加碱改性处理后的湿污泥制备的污泥水煤浆浓度得到k350.840050.405049.945050.510050.3275提高。当湿污泥在KOH用量为15%,处理时间为1h的条件k449.380049.967550.262549.390050下,制备所得污泥水煤浆的成浆浓度最大。极差R1.46000.43750.36751.22500参考文献因素主次[]房井新,汪文生,张仁鹏,等.浅谈城市污水厂污泥的处置[J].中国优方案A,,B3 A, C3B2 A2 C2B 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