（环境工程专业论文）污泥焚烧灰渣改性及吸附性能研究.pdf

i l l l l lii i i ii i1 1 11 1 1 i ii 17 3 9 6 8 3 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e s t ud yo nthemo di f ic a t iono fs lud g einc iner a t ion a s ha n di t sa d s o r p t i o np r o p e r t y m a s t e rc a n d i d a t e ：c h e nm i n t i n g s u p e r v i s o r ：p r o f s u ns h u i y u j u n e2 0 l o f a c u l t yo fe n v i r o n m e n ts c i e n c e & e n g i n e e r i n g g a u n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，51 0 0 0 6 摘要 摘要 污泥的焚烧被认为是一种有发展前景的污泥减量化和资源化技术。如何控制污 泥焚烧中的二次污染和污泥焚烧灰渣的处理成为污泥焚烧推广应用必需解决的技术 难题。 论文分析了污水污泥和造纸污泥的焚烧灰渣的组成及性质，重点研究了两种污 泥焚烧灰渣的表面改性及其对重金属c u 2 + 和亚甲基蓝的吸附性能，探讨了改性前污泥 焚烧灰渣吸附机理。 首先对两种污泥焚烧狄渣的理化性质( 包括水分、灰分、挥发分、固定碳和重 金属的含量) 及组成和元素成分进行了分析。结果表明，污泥焚烧灰渣的挥发分和 灰分较高，两者之和为9 0 - 一9 5 ，重金属主要为z n 、m n 、c u 、p b 、n i 和c r ；s i 0 2 和a 1 。0 3 是污水污泥灰渣的主要组成，而c a o 、s i0 2 和a l ：0 3 是造纸污泥灰渣的主要组 成；污水污泥灰渣中以0 、s i 和a 1 元素为主，而造纸污泥灰渣则以0 、c a 和c 元素 为主。 接着重点研究了污水污泥灰渣的改性及其改性前后吸附性能的差异。试验中用 酸、碱、盐、表面活性剂、微波、超声波及两两组合，共2 0 种配方进行改性，结果 表明，改性后灰渣对重金属c u 2 + 去除率和亚甲基蓝的脱色率得到改善，对重金属c u 2 + 的吸附以磷酸+ 微波的改性效果最佳，吸附率由改性前的4 9 3 2 增至9 9 6 4 ；对亚 甲基蓝溶液的脱色以过硫酸铵氧化的改性效果最好，脱色率由改性前的4 4 2 8 提高 到9 6 1 8 ；考察不同条件对c u 2 + 和亚甲基蓝的吸附效果的影响，及其吸附等温线符 合l a n g m u i r 等温吸附方程。造纸污泥焚烧灰渣对重金属c u 2 + 的吸附率高达9 9 5 ， 故不需要改性，但改性后对亚甲基蓝的吸附效果没有得到改善。 最后探讨了改性前污泥焚烧灰渣吸附机理，污泥焚烧灰渣因为其表面带负电荷， 主要依靠静电引力发生吸附，属于非专性吸附所致。而电镜分析结果表明污泥焚烧 灰渣的表面有一定的孑l 隙，为其吸附提供了通道。 本文的研究结果为污泥焚烧灰渣作为吸附剂提供了试验数据。 关键词：污泥焚烧灰渣；吸附；改性；机理 a b s t r a c t a bs t r c a t s l u d g eb u r n i n gi sc o n s i d e r e da sap r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o rs l u d g er e d u c t i o na n d r e c y c l i n g h o wt oc o n t r o lt h et r e a t m e n to fs l u d g ei n c i n e r a t i o no fs e c o n d a r yp o l l u t i o n a n da s ho fs l u d g ei n c i n e r a t i o nb e c o m e sad i f f i c u l tt e c h n i c a lp r o b l e mt h a ti s n e c e s s a r y t ob es o l v e di nl i e uo f p r o m o t i o na n dd e v e l o p m e n t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec o m p o s i t i o na n dp r o p e r t i e so fs e w a g es l u d g ea n dp a p e r s l u d g ei n c i n e r a t i n ga s h , f o c u s i n go nt w ot y p e so fs u r f a c em o d i f i e da d s o r p t i o n m e c h a n i s mo fs l u d g ei n c i n e r a t i n ga s ha n da d s o r p t i n gc a p a c i t yo fh e a v ym e t a lc u 2 + f o r m e t h y l e n eb l u e f i r s to fa l l ，t h ec o m p o s i t i o na n de l e m e n t so fp h y s i c a lp r o p e r t i e so ft w o s l u d g e i n c i n e r a t i n ga s hw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tv o l a t i l ea n da s hc o n t e n to f s l u d g ei n c i n e r a t i n ga s ha r eh i g h ，a n dt h e ya r eu pt o9 0 t o9 5 m a i n l yh e a v ym e t a l s z n ，m n ，c u ，p b ，n ia n dc r ；s i 0 2a n da 1 20 3a r et h em a i nc o m p o s i t i o no f s e w a g es l u d g e a s h ，a n dc a o 、s i 0 2a n da 1 2 0 3a r et h em a i nc o m p o n e n t so f p a p e rm i l ls l u d g ea s h ；0 ，s i a n da ie l e m e n t sm a i n l ye x i s ti nt h es e w a g es l u d g ea s h , w h i l et h ep a p e rs l u d g ea s h m a i n l yc o n t a i n s0 ，c aa n dc t h e nt h ed i f f e r e n c e so ft h eb e f o r ea n da f t e ra d s o r p t i o no fs e w a g es l u d g ea s hi s d i s c u s s e d t e s t sh a v ee m p l o y e da c i d ，a l k a l i ，s a l t ，s u r f a c t a n t ，m i c r o w a v e ，u l t r a s o u n du p t ot o t a lo f2 0k i n d so fm o d i f i e df o r m u l a t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d i f i e da s h h e a v ym e t a l sc u 2 + r e m o v a la n dd e c o l o r i z a t i o no fm e t h y l e n eb l u ei m p r o v e ，a n do nt h e a d s o r p t i o no fc u 2 + + m i c r o w a v em o d i f i e dp h o s p h a t ei st h eb e s t t h ea d s o r p t i o nr a t eo f 4 9 3 2 b e f o r em o d i f i c a t i o nr i s et o9 9 6 4 ，w i t ht h e b e s tm o d i f i c a t i o ne f f e c to nt h e d e c o l o r i z a t i o no fm e t h y l e n eb l u es o l u t i o na m m o n i u mp e r s u l f a t eo x i d a t i o no ft h eb e s t d e c o l o r i z a t i o n4 4 2 8 f r o mt h ep r e m o d i f i c a t i o ni n c r e a s e dt o9 6 18 ；e f f e c t so f d i f f e r e n tc o n d i t i o n so nt h ec u “a n dm e t h y l e n eb l u e a d s o r p t i o ne f f e c t ，a n dt h e a d s o r p t i o ni s o t h e r ml a n g m u i ri s o t h e r me q u a t i o nl i n e p a p e rs l u d g ei n c i n e r a t i o no f h e a v ym e t a l sc a 2 + a d s o r p t i o nr a t ei s9 9 5 ，s oi td o e sn o tr e q u i r em o d i f i c a t i o n a n dt h e m o d i f i e dm e t h y l e n eb l u ea d s o r p t i o nd o e sn o te n h a n c e 广东工业大学硕士学位论文 f i n a l l y ，t h ea d s o r p t i n gm e c h a n i s mo ft h em o d i f i c a t i o no ft h ef o r m e rs l u d g e i n c i n e r a t i o na s hi sd i s c u s s e d ，a n db e c a u s eo fi t sn e g a t i v e l yc h a r g e ds u r f a c e ，t h e s e w a g es l u d g ei n c i n e r a t i o na s ha d s o r p t i o no c c u r sm a i n l yd e p e n do ne l e c t r o s t a t i c f o r c e s ，d u et oan o n s p e c i f i ca d s o r p t i o n t h ee l e c t r o nm i c r o s c o p ya n a l y s i ss h o w e d t h a tt h es u r f a c eo fs l u d g ei n c i n e r a t i o na s ha n ds l a gh a v eac e r t a i np o r o s i t y ， p r o v i d i n gac h a n n e lf o ra d s o r p t i o n t h er e s u l t so ft h i sp a p e rp r o v i d et h es l u d g ei n c i n e r a t i o na s ha sa na d s o r b e n t w i t ht e s td a t a k e yw o r d ：s l u d g ei n c i n e r a t i o na s h ；a d s o r p t i o np r o p e r t y ；m o d i f i c a t i o n ；m e c h a n i s m i v 目 录 目录 摘j i 9 e i a b s t r c a t i i i 第一章绪论1 1 1 污泥焚烧灰渣处置综述l 1 1 1 水泥原料1 1 1 2 水泥混凝土填料2 1 1 3 砖石2 1 1 4 水处理吸附剂2 1 2 污泥焚烧灰渣在废水处理中的运用3 1 3 污泥焚烧灰渣的改性方式3 1 3 1 酸处理4 1 3 2 盐或碱处理4 1 3 3 微波处理5 1 4 研究的背景、思路及创新之处6 1 4 1 研究背景6 1 4 2 研究思路6 1 4 3 创新之处7 第二章污泥焚烧灰渣理化性质分析8 2 1 试验用品及仪器8 2 1 1 试验用水8 2 1 2 试验药品8 2 1 3 试验主要仪器8 2 2 污泥焚烧狄渣性质分析9 2 2 1 分析内容9 2 2 2 分析药剂及仪器1 0 2 2 3 污泥焚烧狄渣水分、灰分和挥发分测定1 0 v 广东工业大学硕士学位论文 2 2 4 污泥焚烧灰渣的组成分析1 2 2 2 5 污泥焚烧灰渣的元素分析1 3 2 2 6 污泥焚烧灰渣的s e m e d x 分析1 3 2 3 污泥焚烧灰渣的重金属含量分析1 4 2 3 1 分析方法1 4 2 3 2 分析药剂及仪器1 5 2 3 3 污泥焚烧灰渣重金属含量分析1 5 2 4 本章小结1 6 第三章污泥焚烧灰渣吸附性能的研究1 7 3 1 试验方法17 3 2 污泥焚烧灰渣对重金属c u 2 + 的吸附性能研究1 7 3 2 1 污泥焚烧灰渣对重金属c u 2 + 的吸附作用中影响因素的确定1 7 3 2 2 试验数据分析2 3 3 3 污泥焚烧灰渣对亚甲基蓝溶液的吸附性能研究2 4 3 3 1 污泥焚烧灰渣对亚甲基蓝的吸附作用中影响因素的确定2 4 3 3 2 试验数据分析3l 3 4 本章小结3 l 第四章对污泥焚烧灰渣进行改性试验3 3 4 1 吸附重金属c u 2 + 的改性试验方法3 3 4 1 1 试验方案3 3 4 1 2 试验效果3 3 4 1 3 试验数据分析3 4 4 2 吸附亚甲基蓝的改性试验方法3 4 4 2 1 试验方案3 4 4 2 2 试验效果3 5 4 2 3 试验数据分析3 6 4 3 本章小结3 6 第五章改性污泥焚烧灰渣吸附性能的研究3 7 5 1 试验方法3 7 5 2 改性污泥焚烧灰渣对重金属c u 2 + 的吸附性能研究3 7 v l 目录 5 2 1 改性污泥焚烧灰渣对重金属c u 2 + 的吸附作用中影响因素的确定3 7 5 2 2 试验数据分析4 0 5 2 3 吸附等温线的绘制4 0 5 3 污泥焚烧灰渣对亚甲基蓝溶液的吸附性能研究4 1 5 3 1 污泥焚烧灰渣对亚甲基蓝的吸附作用中影响因素的确定4 l 5 3 2 试验数据分析4 4 5 3 3 吸附等温线的绘制4 5 5 4 本章小结4 5 第六章污泥焚烧灰渣吸附机理的探讨4 6 6 1 污泥焚烧灰渣的成分分析4 6 6 2 污泥焚烧灰渣的电镜图4 7 6 3 小结4 8 结论4 9 参考文献5 1 攻读硕士期间发表的论文及获得的成果5 5 独创性声明5 6 致 射5 7 v i i 广东工业大学硕士学位论文 co n t e n t s a b s r r a c ti nc h i n e s e i a b s r r a c ti ne n g l i s h i i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1o v e r v i e wo f d i s p o s a lo f s l u d g ei n c i n e r a t i o na s h 1 1 1 1c e m e n tr a wm a t e r i a l 1 1 1 2c o n c r e t ef i l l e r 1 1 1 3 m a s o n r y 2 1 1 4w a t e ra b s o r b e n t 2 1 2t h ea p p l i c a t i o no fs l u d g ei n c i n e r a t i o na s ha d s o r p t i o nu s e di nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t 2 1 3t h em o d i f i c a t i o no f s l u d g ei n c i n e r a t i o na s ha d s o r p t i o np r o p e r t i e s 3 1 3 1a c i dt r e a t m e n t 3 1 3 2s a l to ra l k a l it r e a t m e n t 3 1 3 3 m i c r o w a v e 4 1 4r e s e a r c hb a c k g r o u n d ，i d e a sa n di n n o v a t i o n s 5 1 4 1b a c k g r o u n do f t h es t u d y 5 1 4 2 i d e a so f t h es t u d y 6 1 4 3i n n o v a t i o no f t h es t u d y 7 c h a p t e r 2a n a l y s i st h ec o m p o s i t i o na n dp r o p e r t i e so fs l u d g ei n c i n e r a t i o na s h 8 2 1t e s ts u p p l i e sa n de q u i p m e n t s 8 2 1 1e x p e r i m e n t a lw a t e r 8 2 1 2e x p e r i m e n t a ld r u g s 8 2 1 3m a j o re q u i p m e mi ne x p e r i m e n t 8 2 2a n a l y s i so nc h a r a c t e r i z a t i o no fs l u d g ei n c i n e r a t i o n 8 2 2 1c o n t e n to f a n a l y s i s 9 2 2 2a n a l y s i so f p h a r m a c e u t i c a la n de q u i p m e n t s 1 0 2 2 3d e t e r m i n a t i o no fs l u d g ei n c i n e r a t i o na s h , m o i s t u r e ，a s ha n dv o l a t i l e 10 2 2 4a n a l y s i so nc h a r a c t e r i z a t i o no f s l u d g ei n c i n e r a t i o n 1 2 v i i i c o n t e n t s 2 2 5a n a l y s i so f s l u d g ei n c i n e r a t i o na s he l e m e n t s 1 3 2 2 6a n a l y s i so f s l u d g ei n c i n e r a t i o na s hs e n - x d e 1 3 2 3a n a l y s i so ft h ep u r i t yo fh e a v ym e t a l si ns l u d g ei n c i n e r a t i o na s h 14 2 3 1m e t h o do f a n a l y s i s 1 4 2 3 2 a n a l y s i so f p h a r m a c e u t i c a la n de q u i p m e n t s 1 5 2 3 3a n a l y s i so f t h ep u r i t yo f h e a v ym e t a l si ns l u d g ei n c i n e r a t i o na s h 1 5 2 4s u m m a r yt h i sc h a p t e r 1 6 c h a p t e r 3r e s e a r c ho nt h ea d s o r p t i o no f s l u d g ei n c i n e r a t i o n 1 7 3 1e x p e r i m e n t a lm e t h o d 1 7 3 2r e s e a r c ho nt h ea d s o r p t i o no f h e a v ym e t a lc u + b ys l u d g ei n c i n e r a t i o n 17 3 2 1t h ed e t e r m i n i n a t i o no ft h ea f f e c t e df a c t o r so fs l u d g ei n c i n e r a t i o na s ha n ds l a g t ot h eh e a v ym e t a l s 1 7 3 2 2a n a l y s i so nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a 2 3 ，： 3 3t h er e s e a r c ho f t h ea b s o r p t i o no f s l u d g ei n c i n e r a t i o ns o l u t i o no f m e t h y l e n eb l u e 2 4 3 3 1t h ed e t e r m i n a t i o no f a f f e c t e df a c t o r so f s l u d g ei n c i n e r a t i o na s ha n ds l a go nt h e a d s o r p t i o no f m e t h y r l e n eb l u e 2 4 3 3 2e x p e r i m e n t a ld a t a a n a l y s i s 3 l 3 4s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 3 2 c h a p t e r 4t h e t e s to fm o d i f i c a t i o no fs l u d g ei n c i n e r a t i o na s ht e s t 3 3 4 1m o d i f i c a t i o no f t h ep r o g r a mf o rh e a v ym e t a l s 3 3 4 1 1e x p e r i m e n t a lp r o g r a m 3 3 4 1 2e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 3 3 4 1 3a n a l y s i so f e x p e r i m e n t a ld a t a 3 4 4 2e x p e r i m e n t a lm e t h o do f m o d i f i e dm e t h y l e n eb l u e 3 4 4 2 1e x p e r i m e n t a lp r o g r a m 3 4 4 2 2e x p e r i m e n t a lr e s u r 3 5 4 2 3a n a l y s i so f e x p e r i m e n t a ld a t a 3 6 4 3s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 3 6 c h a p t e r 5r e s e a r c ho f a d s o r p t i o np r o p e r t i e so f m o d i f i e ds l u d g ei n c i n e r a t i o n 3 7 5 1e x p e r i m e n t a lm e t h o d 3 7 i x 广东工业大学硕士学位论文 5 2r e s e a r c ho fm o d i f i c a t i o no fh e a v ym e t a l si ns e w a g es l u d g ei n c i n e r a t i o na s ha n ds l a g o nt h ea d s o r p t i o no f c u 2 + 3 7 5 2 it h ed e t e r m i n a t i o no ff a c t so fs l u d g ei n c i n e r a t i o nm o d i f i e dc u 2 + o nt h e a d s o r p t i o no f h e a v ym e t a l s 3 7 5 2 2a n a l y s i so nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a 4 0 5 2 3t h ed r a w i n go f a d s o r p t i o ni s o t h e r m s 4 0 5 3t h er e s e a r c ho ft h ec h a c t e r a t i o no fs l u d g ei n c i n e r a t i o ns o l u t i o no fm e t h y l e n eb l u e a d s o r p t i o n 4 1 5 3 1t h ea f f e c t e df a c t o r ss l u d g ei n c i n e r a t i o na s ha n ds l a go nt h ea d s o r p t i o no f m e t h y l e n eb l u e 4 1 5 3 2a n a l y s i so nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a 4 4 5 3 3t h ed r a w i n go f a d s o r p t i o ni s o t h e r m s 4 5 5 4s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 4 5 c h a p t e r 6t h ed i s c u s s i o no fs l u d g ei n c i n e r a t i o na s ha n ds l a g o nt h ea d s o r p t i o n m e c h a n i s m 4 6 6 1a n a l y s i so f t h ec o m p o s i t i o no f s l u d g ei n c i n e r a t i o na s h 4 6 6 2e l e c t r o nm i c r o g r a p h s 4 7 6 3s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 4 8 c o n c l u s i o n 4 9 r e f e r e n c e s 5 l r e s u l t so f m a s t e ro f p a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gt h es t u d ya n do b t a i n a t i o n 5 5 o r i g i n a ls t a t e m e n t 5 6 t h a n k s 5 7 x 第一章绪论 第一章绪论 近年来城市环境污染日趋严重，大量产生的生活污泥处理问题引起人民的广泛关 注。污泥处理的总目标是确保污泥中的有毒有害物质不会对人类和环境造成危害。利用 以焚烧为代表的热化学处理技术对污泥进行处理或安全处置逐渐引起人们的重视。焚烧 技术是处理污泥的一种常用方法之一，而焚烧后的灰渣中的重金属可能对环境造成严重 污染。 1 1 污泥焚烧灰渣处置综述 使用污水污泥焚烧灰时的问题多来自其形状、物性和所含成分。与形状有关的问题 在于微细的粉体。容易飞散。关于物性，由于吸水性和干燥收缩比较大，当作为混凝土 混合材料和陶瓷材料大量使用时，会使强度降低并使最终的成形管理变得困难。此外， 由于污水污泥含有较多的磷，影响混凝土的凝聚反应，使强度降低，所以在使用含磷量 高的污泥时，需加以注意。污泥中含有的重金属等有害物质，虽然含量很少。但烧结度 低的再生材料等也有不能满足土壤环境标准的情况发生。 e s p i n o s a 等人对电镀污泥在炉内焚烧的热特性及其重金属c r 的迁移规律做了研 究，认为：9 0 以上的c r 留在了焚烧灰渣中；谭中欣瞳1 等人对污泥焚烧过程中的热分析 以及重金属的迁移规律中发现p b 、c d 、n i 明显的富集在灰渣中；张衍国口1 研究认为有 害金属大多数都富集在灰渣中，只有a s 、h g 等富集在飞灰中。因此焚烧后产生的灰渣 绝不能随便的堆放，应进行无害化处理和资源化利用。 1 1 1 水泥原料 由于焚烧灰渣与作为水泥主要原料的粘土成分相似，所以用其取代部分粘土使用 h 1 。焚烧灰渣作为水泥主要原料使用的话，无需进行设备投资，并可以大量、稳定的使 用，比填埋处置的费用低廉晦1 。因此，用作水泥原料的焚烧灰渣是主要的利用方式。 广东工业大学硕士学位论文 1 1 2 水泥混凝土填料 j o o - h w at a y 1 研究表明：混凝土中污泥焚烧灰渣的比例增加时，其工作性能有所 改善。当灰渣比例高至2 0 时，对混凝土组份现象、凝结时间、收缩应变及吸水性能都 没有很大的影响。污泥焚烧灰渣能代替部分水泥作为混凝土的填料。但在使用它作为合 适的填料之前，还须研究如耐久性、体积变化等一些有关长时期的性能。目前，只能推 荐污泥焚烧灰渣用于铺路、筑路及下水道建设等方面。 1 1 3 砖石 利用污泥焚烧渣制砖的方法在国外很普遍，在同本、美国、新加坡和德国都有很多 应用的实例盯1 。一般情况下，污泥焚烧渣的s i q 含量低，c a o 、p 她的含量高，故通常需 要加入适量的粘土和硅砂，以调整混合料的各项组分。比较适宜的配料重量比为：焚烧 灰渣：粘土：硅砂= 1 0 0 ：5 0 ：( 1 5 , - - - , 2 0 ) 啪。 1 1 4 水处理吸附剂 张志峰国1 等利用某市污水处理厂污泥焚烧扶渣( 以f e ：0 3 和c a s 0 4 为主的无机矿盐) 制备水处理药剂，并选用以盐酸为主、硫酸为辅的混酸体系。研究结果表明，在反应温 度为11 0 - 1 2 0 c 、反应时间在2 5 h 、液固比大于2 0m l g 的情况下，l k g 污泥焚烧灰 渣能制备到酸度较小、含铁量略大与2 8 9 l 的水处理药剂i o l ，而该药剂能应用于该厂 生化出水，最终物化出水满足g b 8 9 7 8 1 9 9 6 的要求。 夏畅斌n 州2 3 等研究污泥焚烧灰对重金属离子的吸附性能进行研究。结果表明，起始 p h 值、吸附剂用量、金属离子初始浓度和吸附时间都对重金属离子的去除有一定的影 响。在最佳工艺条件下处理废水，c u 、z n 的去除率能达到9 5 以上，其他的重金属都能 达到很好的去除效果。 因此，在焚烧灰渣的资源化上，采用狄渣来处理废水，并改进与完善此工艺技术， 研究和开发一项科学、高效的综合回收利用污泥焚烧狄渣的工艺与技术，既能防止其对 环境的污染，又能做到“以废治废”，可大大降低废水的处理费用，实现环境效益与经 2 第一章绪论 济效益的统一。 1 2 污泥焚烧灰渣在废水处理中的运用 城市污水处理厂产生的剩余污泥是一种半固体的废弃物，长期以来一