（环境工程专业论文）不同分散剂对污泥水煤浆成浆性和燃烧性的影响.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着污水处理率的提高，城市污泥产量将逐年增加，如何有效处理这些污泥 已经成为全球关注的课题。本文将城市污水处理厂高含水率污泥与煤粉直接混合 研制污泥水煤浆，使污泥中的水分、热值得到充分利用，对城市污泥的资源化、 能源化利用和处置进行了有益的的探索。本文主要研究了污泥掺混水煤浆的成浆 性与燃烧特性。 城市污泥与煤粉在n d f 、m c 、n c 、m f 型分散剂的配合下研制水煤浆是可 行的。污泥掺制比例为5 、l o 的浆样可以达到很好的成浆性，而污泥添加量 为1 5 、2 0 的水煤浆流动性差，粘度大不能达到成浆的效果。分散剂复配时， m c 与m f 复配水煤浆的粘度最小，流动性好，适当的分散剂复配可以提高水煤 浆的分散性能。 污泥水煤浆的燃烧特性比较复杂，污泥与煤的各自性质对其有很大的影响， 燃烧特性总体表现为两者共同作用的结果。但由于污泥添加比例相对较少，燃烧 特性总体表现贴近水煤浆的燃烧效果，燃烧曲线与普通水煤浆燃烧曲线相似。但 污泥的掺入使水煤浆的着火温度提前约1 0 2 0 ，挥发分析出燃烧更迅速，提高 了其着火性能，可燃性指数c 和综合燃烧特性指数s 均随着污泥添加比例提高而 增大。根据可燃性指数c 和综合燃烧特性指数s 值的表现，污泥添加量为1 0 的污 泥水煤浆燃烧特性好于污泥添加量为5 的污泥水煤浆。 综合考虑，城市污泥掺制比例为5 1 0 ，对应添加剂用量为1 的条件下， 从成浆性角度考虑，污泥掺制水煤浆是可行的。根据燃烧分析结果，污泥掺制水 煤浆的比例在1 0 的条件下可取得较好的燃烧特性。这为城市污泥资源化和能源 化利用提供了新的可行途径。 关键词：城市污泥，水煤浆，污泥水煤浆，成浆性，燃烧 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l li n c r e 舔i n go fs e w a g et r e 锄e n t ，t l l ea m o u n to fs 鲫忸g es l u d g ew i l li n c r e a s e r 印i d l y 跚di t sd i s p o s a lh a sb e e i la 西o b a lc o n c e m c o a l - w 乏吮rs l u n y ( c w s ) p r e p a r e d 、7 i 甜1l l i 曲m o i s t u r es e w a g es l u d g e ，w m c hu t i l i z e dm es l u d g ec a l o r i f i cv a l u e ，r e d u c e d t h es l u d g ep r o c e s s i n gc o s t 赳l dp o l l u t 锄td i s c l l l 玛i n g ，h 嬲吐l ep o s i t i v ee c o r l o r n ya n d e n v 拍n m e n tb e n e f i t s t l l i sr e s e a r c hm a i l l l yf o c u s e do n 廿1 es l 啪呵a b i l 时o fc w s m i x e d 、柝t hs e 啪g es l u d g e 锄dt h ec o n l b u s t i o nc h 删e r i s t i c so f 恤i rb l e n d s w i md i s p e r s 柚t ss u c ha sn d f ，m c ，n c ，m f ，i ti sf e a s i b l em i x i n gt l l es l u d g e 诵t l lc w s ，砌lm t i oo f5 ，lo s l u d g e ，t l l es l u l l 嗲s 锄p l ec o l l l db e9 0 0 dp r o d u c t 、) 缸l et 1 1 es l u d g ed o s a g eo f15 ，2 0 ，t h es l l l qc a i ln o tn o we a s i l y t h e 印p r o p r i a t e 0 fd i s p e r s a n tc a i li m p r 0 v et l l ed i s p e r s i o np r o p e n i e so fc o a lw a t e rs i u r r y t h es l u d g ec o a lw a t e rs l u i t yc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r ec o r n p l e x ，t 1 1 en 乏咴u e o ft h i es l u d g e 锄dc o a lh a sag r e a ti i n p a c t0 nm c i rc o m b u s t i o nc h 卸眦t e r i s t i c s d u et 0 s m a l lp r o p o n i o no fs l u d g e ，m ep e r f l o m 趾c ei sc l o s et om ec o m b u s t i o nc h a r 删s t i c s o fc o a i l 一、) i 妊旺e rs l u r r y 7 n l ec o m b l l s t j o nc h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g e ( c w sa n ds - c w s ) 、v e r es t i l d i e dt l l l - o u 曲也e 恤m 谢觚a l y s i s ( t a ) n er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ei g m t i o n t e m p e r a ：c u r eo fs - c w s 、) l 瑚a b o u t1 0 2 0 l o 、v e rm a l lo r d i n a r yc w s ，b e c 邪eo f v o l a t i l e d e c o m p o s e da n db 啪e dm o r eq u i c k l y w h i c h i i l l p r o v e d t l l e b u f t l i n g p e 墒咖a n c eo fs c w s t h ec o m i ) r e h e i l s i v eb u m 堍m d e xsi l l c r e a s e d 诵t l im e p r o p o r t i o n o f s l u d g e c o n l b i n e d a c c o r d i n g t 0 n 烈l l n a b i l 时i 1 1 d e x c锄d c o r i l i ) r e h e n s i v eb l l r i l i n gi l l d e xs ，廿1 ec o m b u s t i o nc h a m c t e l i s t i c so fs - c w s 谢也1 0 s l u d g e 、) l r 嬲b e 位e r 缸i i ls - c w s 诵n l5 s l u d g e t h k e nt o g e t h e r ，t 1 1 ep r o p o n i o no fm u m c i p a ls e 、a g es l u d g e l j e ds y s t 锄o f5 t 01 0 ，c o n e s p o n d i n gt ot h ea n l o u mo f1 o f 吐屺a d d i t i v e su n d e rt 1 1 ec o n d i t i o n so f s l u 玎y ，n l es l u d g ei i l i x e dw i 1c o a l - w a t e rs l u r 巧s y s t e mi sf e 硒i b l e a c c o r d i l 玛t 0m e r e s u l t so fc o m b l l s t i o na n a l y s i s ，u n d e rt l l ec o n d i t i o no fp r o p o n i o no f1o s l u d g e m i x e d 谢mc 0 a l 眦她s l u n mw l l i c hc 觚b ea c l l i e v e db e t t e rc o m b u s t i o nc l l a b a c t 缸s t i c s t h i sw o u l dp r o p o s e dan e ww a yf o rr e s o u i c eu t i l i z a t i o no fs e w a g es l u d g e k e yw o r d s ：s e w a g es l u d g e ，c o a lw a t e rs l u r s l u d g ec o a lw a t e rs l u r 睇s l u n y a b i l i 吼 c o m b u s t i o n i 浙江大学硕士学位论文 致谢 毕业论文暂告收尾，意味着我接近三年的的研究生生活即将结束。自己最宝 贵的时光能在这样美丽的校园中，能在众多知识渊博、才华横溢的老师们的熏陶 下度过，实是荣幸之极。在此我要衷心感谢我的导师胡勤海老师，在学习工作和 个人发展上给我的精心指导。胡老师学识渊博，治学态度严谨，时时关心课题的 进展，无论在学习和生活上都给了我很大的支持与帮助。您渊博的知识，严谨的 治学态度，敏锐的洞察力，博大的胸怀及兢兢业业的工作作风都深深感染着我， 令我受益终生。同时，我还要衷心感谢环生所的其他众位老师，他们在课题进行 中给予我很多的指导和帮助，在此我向他们致以真诚的谢意。 衷心感谢熊云龙、张辉、王丹、武丽丽、罗彦章、孟嫒嫒等师兄师姐在学业 上给予我很大帮助与指导，在生活中给予我关心与照顾；感谢师妹李霞、刘苗， 宋雪斐，师弟王炜、张荣臻，正是你们无私的帮助和良好的相处，才使我的论文 得以顺利完成。能认识你们并一起出自胡派是我的荣幸，将来无论走到哪里，身 在何处，我都会记得你们。感谢来自环保楼和环生所的众位同学，彼此间的鼓励 让大家共同成长，使生活更加丰富多彩。 最后感谢我的父母，感谢你们对我二十多年的培养和教育；感谢我的家人一 直以来的支持和鼓励。 感谢所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友们! 朱建航 2 0 1 2 年1 月于浙大紫金港 浙江大学硕士学位论文 1 1 污泥处理概述 第一章绪论 城市污泥是城市污水处理厂经污水各级净化处理而产生的沉积物，城市污水 厂污泥产生量一般约为所处理的污水量的4 6 ( 体积，污泥含水率为 9 7 哆扣9 8 ) 。随着我国社会经济和城市化的不断发展，城市污水的产生量在不断 增长，随着公众环境保护意识的加强和国家对水环境污染治理力度的加大，城市 污水处理量大大提高，必然导致污泥产生量有较大增长。此外，污泥产生量还与 城市污水的处理工艺和处理深度有关，污水处理深度的增大，污泥的产量也会随 之增加。根据北京市市政局的统计资料表明，每处理1 0 0 0 m 3 生活污水，由压滤 机产生约o 7 i n 3 、含水率为7 5 一8 5 泥饼1 1 1 。 十一五期间，全国累计新增城市污水曰处理能力超过6 0 0 0 万m 3 ，城市污水 日处理能力达到1 2 5 亿m 3 ，城市污水处理率由2 0 0 5 年的5 2 提高到7 5 以上； 2 0 0 1 年中国污水排放量为4 2 8 4 亿n 1 3 ，到2 0 1 0 年已经达到6 1 7 3 亿m 3 ，其中生 活污水排放量达到3 7 9 8 亿i n 3 。随着中国城镇污水处理设施的高速建设，污泥 产量急剧增加。2 0 0 9 年全国污泥总产量超过2 0 0 0 万吨，2 0 1 0 年接近3 0 0 0 万吨。 污泥是一种含水率高( 浓缩污泥含水率约为9 7 ，脱水污泥含水率约为8 0 ) 黑色或黑褐色的浆状或半固体状物质，有机物含量高，容易腐化发臭，而且颗粒 细，比重小，体积庞大，很难处理1 2 j 。污泥成分复杂，包括混入生活污水或工业 废水中的泥砂、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、由多种微生物 形成的菌胶团及其吸附的有机物、重金属和盐类、少量的病原微生物、寄生虫卵 等【3 】。污泥中含有丰富的可以利用的氮、磷、钾等多种微量元素和有机质，同 时也含大量的病原体、寄生虫( 卵) 、重金属和多种有毒有害有机污染物，如果 不能妥善安全的处置，将给生态环境带来巨大的压力【4 】。 1 1 1 污泥的的来源与性质 城市污水处理厂污泥按照不同的分类标准可大体分为以下几类【5 】： ( 1 ) 按照污水的来源，可以将污泥分为生活污水污泥和工业废水污泥。前者 是生活污水处理中产生的污泥，有机物含量较高，重金属等污染物的浓度低：后 浙江大学硕士学位论文 者是工业废水处理时产生的污泥，污泥的性质主要受废水性质的影响，其所含的 有机物及各种污染物成分由于废水来源的不同而相差很大。 ( 2 ) 按照污泥来源，可以分为栅渣、沉砂池沉渣( 无机固体颗粒) 、浮渣、初 沉污泥、剩余活性污泥、腐殖污泥和化学污泥。 ( 3 ) 按照污泥处理的不同阶段，可以分为生污泥( 新鲜污泥) 、浓缩污泥、 消化污泥( 熟污泥) 、脱水污泥和干化污泥。 污泥的来源和形成过程十分复杂，不同来源的污泥，其物理、化学和微生物 特性差别很大，了解各种污泥的性质是选择合适污泥处理方法的基础。城市污水 处理厂污泥的基本理化性质见表1 1 。 表1 1 城市污水处理厂污泥的基本理化成分 一 ! 呈! ! ! ! ：! ! 垒曼垒箜i 呈业! i 呈型垒! 曼巴i 曼型2 垒坚兰堡垒墅! 12 11 宝鹜宝! ! 坚垒g 曼 项目初次沉淀污泥剩余沉淀污泥厌氧消化污泥 城市污泥以有机物为主，有一定的生物活性，理化性质随处理情况、工艺变 化而不同。不同来源的污水污泥都具有高含水率、颗粒细小、有一定的热值等共 性，这些共性包括以下几方面： ( 1 ) 高含水率。污泥经过压滤脱水后仍具有很高的含水率，一般在7 5 8 5 。污泥与水分子的结合非常紧密，水分子按照与污泥结合的情况可划分为不 同的状态，并对应相应的去除方法。 自由态水：这些水分与污泥中的固体颗粒相互作用力小，容易从污泥中脱出， 其约占污泥含水率的7 0 ，可经重力沉淀和机械作用去除。 物理性结合水：它以毛细管间隙水和胶态表面吸附水形态存在，这些水分 与污泥颗粒间有较强的作用力，这部分水约占污泥总水分的2 0 左右，必须施加 更多的外力才能将之去除( 如混凝剂辅助脱水或者加热脱水) 。 2 浙江大学硕士学位论文 化学性结合水：这些水分通过化学力结合在污泥的颗粒表面或存在于污泥颗 粒内部( 包括生物细胞内的) ，与固体粒子结合牢固，约占污泥水分的3 ，必须 破坏细胞结构，才能够将之脱去。可采用高温加热或冷冻，也可通过生物法脱除。 ( 2 ) 热值。污泥中含有大量有机物，因此具有一定的热值。由于污泥的含水 率差异较大，故其热值一般均以干基( d ) 或干燥无灰基( d a f ) 形式表示。不同 来源的污泥，其干基热值亦不相同，各类污泥干基热值基本在6 0 0 0 k j 瓜g 以上， 与褐煤相当。新鲜干污泥热值较高，消化污泥热值相对较低。干污泥具有较好的 可焚烧性，但污泥经脱水含水率仍在7 5 以上，所以压滤后的湿污泥直接燃烧并 不可行，需要添加辅助燃料才可稳定燃烧。当污泥的含水率降到6 0 以下时，污 泥可以自持燃烧，不再需要添加辅助燃料，而当污泥含水率降至3 0 以下时，其 热量具有利用价值。 ( 3 ) 重金属。污泥中一般含有重金属物质，污泥主要来源于生活污水处理时， 重金属含量一般较低。当含有较多的工业废水时，重金属含量会明显偏高，而且 随着废水的来源不同，污泥中重金属种类和含量会有较大的差异。污泥中常见的 重金属为：锌、铜、铬、铅、镉、镍、砷和汞。 ( 4 ) 致病微生物。在污水处理过程中，细菌及大部分寄生生物都留在污泥中， 病毒也吸附在污泥颗粒上，随颗粒的沉降沉积到污泥里，所以污泥中致病微生物 的含量很高。新鲜污泥中病原菌的数量每克以亿计，仅通过一般的物理和化学的 方法很难完全杀灭这些致病菌。 1 1 2 污泥处理的原则及方法 污泥的产量巨大，其本身又含有大量的有机及无机污染物，若不对之进行有 效的处理，将对生态环境造成极其恶劣的影响。污泥处理处置的典型流程为：污 泥一浓缩一消化一脱水、干燥一污泥处置1 6 】。污泥处理的优先顺序是减容、利用、 废弃，目前污泥经减量、无害化处理后作为资源回收利用已成为主流。污泥处理 与其他固体废物的处理都应遵循减量化、稳定化、无害化及资源化的原则【7 1 。 ( 1 ) 减量化。污泥减量化主要是指污泥脱水，初沉污泥的含水率很高，一 般可达9 5 ，不利于贮存、运输和消纳，因此必须经过减量化处理。污泥含水率 由9 5 降低到7 0 时体积可缩小为原来的1 6 ，而且随着污泥含水率的降低，污 泥的稳定性提高，热值增加，大大降低了污泥后续处理的难度。 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 稳定化。干污泥中有机物含量一般达6 0 7 0 ，会腐烂并产生恶臭， 可以通过生物处理将污泥中的有机组分转化成稳定的腐殖质。也可以通过添加化 学药剂，消灭微生物的活性来稳定污泥，如添加石灰，提高污泥的碱性，p h 值 在1 1 o 1 2 2 时可使污泥稳定，同时杀灭污泥中所含的病原体微生物。 ( 3 ) 无害化。污泥中含有大量病原菌，寄生虫卵及病毒，污泥中还含有多 种重金属离子和有毒有害的有机物，这些有毒有害物质会随着污泥进入环境，污 染水体和大气，造成严重的二次污染。因此在污泥的处理处置过程中必须充分考 虑无害化原则，将污泥中的有害物质去除或者通过化学手段使之固定在污泥中。 ( 4 ) 资源化。污泥中含有丰富的有机质和n 、p 、k 等植物营养元素以及植 物生长所必须的微量元素，干污泥还具有较高的热值可以作为燃料使用。污泥的 资源化是通过改善污泥的某些成分和性质，对污泥中所含有的有益成分进行充分 利用，变废为宝。 大量未经处理的污泥任意堆放和投弃会对环境造成了很大的污染。露天堆放 的污泥经过化学反应，能够杀灭土壤中的微生物，破坏土壤结构，使土壤丧失降 解能力。而且污泥中的有机物被微生物分解后，会释放出h 2 s 、n h 3 等有害气体、 尘埃，加重大气污染。如果污泥中的重金属被植物吸收，通过食物链放大，重新 回到“餐桌上，将会对人体健康造成极大危害。 如何妥善地处置污泥，并将其作为一种新的资源加以有效利用，变废为宝， 已成为城市污水厂和相关部门提高技术水平和管理水平的重要标志【8 】。当今的共 识是将污泥视为一种资源加以利用，在治理污染的同时变废为宝。选择有效的污 泥处置方法，应兼顾到环境生态效益与处置成本、经济效益之间的均衡。一种有 效的、适合本地具体情况的污泥处置方法应该是在环境上卫生、社会上被接受、 经济上有效的方法，污泥的根本出路是资源化和能源化。污泥处理的总目标是确 保污泥中的有毒有害物质，无论是现在还是将来都不会对人类及环境造成不可接 受的危害。 污泥处理处置的方式各个国家不尽相同，同一国家的不同地区也相差很大， 这主要受环境、可行处置方法、公众对污泥处置的关心程度及政治压力等因素的 影响f 9 】。相关学者对各种污泥处理技术展开了广泛的研究【砌，现在被各国广泛使 用的污泥处理、处置和综合利用方法主要有填埋、焚烧、热干化、制造建材等【l 】。 这些方法都能够容纳大量的城市污泥，但在实际应用上都存在一定的缺点和限制 4 浙江大学硕士学位论文 条件。 污泥土地利用与污泥焚烧处理将会是我国今后污泥处理的发展方向。将污泥 作为基质，制成有机肥用于农业、城市绿化等，这种方法的运行成本低，污泥消 纳量大。但由于我国在污泥的管理方面对污泥中的病原菌、p o p s 、重金属等有 毒有害物质重视不够，不合理的施用会造成土壤、作物的重金属含量增加，若长 期将污泥施用于土壤，可能会由于害物质的积累而影响人体健康。因此欧美等发 达国家对剩余污泥土地利用作了严格的规定，而我国在这方面与之差距巨大。 污泥焚烧处理具有无害化、减量化、资源化等显著优点，在欧美及日本等许 多发达国家得到迅速推广【1 2 】，但较高的投资和运行费用在一定程度上限制了污 泥焚烧在我国的大规模应用。机械脱水后的污泥含水率仍然较高，热值很低不能 单独稳定燃烧，故污泥焚烧须先经加热干燥或者添加煤等辅助燃料【1 3 】。造成污 泥焚烧运行费用高，处理成本大，而且污泥焚烧废气处理复杂，控制不当易产生 二次污染，污泥中的有用成分未能得到充分利用等。填埋处置可以迅速处理大量 的污泥，这种方法处理运行成本低，但由于城镇土地资源的紧张，合适的场地不 易寻找；污泥运输及填埋场建设费用较高，渗滤液可能会对地下水造成污染。 热干化是利用热能将污泥烘干。干化后的污泥呈颗粒或粉末状，热干化使污 泥减容，体积仅为原来的1 5 1 4 ，而且由于含水率在1 0 以下微生物活性完全 受到抑制而避免了产品发霉发臭，利于储藏和运输。热干化过程高温灭菌作用很 彻底，产品可以达到卫生标准并使污泥性能全面改善，可用作能源也可土地利用。 干化后污泥的臭味、病原物、粘度、不稳定等负面特性得到显著改善，从而具有 多种用途，如用作肥料、土壤改良剂、替代能源或是转变成油、气后再进一步提 炼化工产品等。热干化成本与焚烧相比较低，而且可以变废为宝，因此在美国得 到广泛应用。 1 1 3 污泥处理方案的选择 面对众多的污泥利用方案，b r i d l e 等提出用生命周期评价法即从“环境卫生 安全、资源回收、资源投入产出比和收益影响比 四个方面评估污泥利用方案的 可持续性【1 4 】。由于各地的经济社会等状况有差别，所得出的结论也不同，所以 应根据本地实际情况选择适合的污泥处理方案。 污泥利用需满足严格的环境卫生标准，不能造成新的环境危害。对于病原菌， 浙江大学硕士学位论文 焚烧与热干化的安全性最佳，通过高温作用，灭菌很彻底，可完全抑制微生物的 活性；碱性稳定化也能基本上达到安全标准；而堆肥则不足以保证病原菌能够被 彻底消除。 污泥土地利用可提供植物生长所需要的营养成分并能显著改善土壤的物理 性质( 降低容重、提高渗透性和保湿性) 。但污泥土地利用需要严格管理，只有达 到污泥农用污泥标准时才可以，而且污泥的施用量也需严加限制，以控制重金属 在土壤中的积累，减少氮、磷淋失对水体的污染。污泥直接焚烧可以利用污泥中 的热量，也可以通过对污泥进行裂解提取油、气等能源物质，具有工业化应用前 景。因此当污泥含有较多的污染物质不能农用或者污泥产量大于农用需求量时， 焚烧是一种好的选择。热干化在污泥利用的所有方案中最具灵活性，适应性最强， 产品用途最为广泛。对可农用的污泥进行热干化处理可形成高质量的颗粒肥，灭 菌彻底；对不可农用的污泥，直接焚烧或干馏制油都需先进行热干化处理，以降 低污泥中的水分，提高污泥的热值。 运行成本及经济承受能力是方案选择的重要因素。污泥焚烧的成本最高( 是 其他工艺的2 4 倍) ，而其他方案的综合成本差异不显著。采用静态条垛式堆肥 工艺时成本最低，但其生产周期长、占用土地多且对周围环境的影响比较大；若 采用发酵仓式堆肥工艺时设备投资和运行费用增加，制成有机肥还需烘干造粒设 备，但其灭菌效果好，处理量大，受环境影响较小。分析污泥处理的成本应在统 一产品质量标准和环境标准下，从设备投资、运行费用、土地价格、劳动力价格 等多方面进行综合评估。 由于污泥处理过程中可能会产生臭味、有毒有害物质等环境问题，所以污泥 处理设备的选址会对处理方案选择产生决定性影响。污泥宜就近处理以节省运输 费用减少湿污泥运输途中的污染。如果污水处理厂远离城区且有闲置土地，则堆 肥会是一种比较合理的选择；在用地紧张的情况下，焚烧、热干化会比较有优势， 它占地面积很小，而且可以满足严格的环保标准( 尾气经严格处理后达标排放) 。 污泥经过减容、稳定和无害化处理后，可以作为资源加以综合利用。面对各 地区千差万别的污泥利用经验，应立足于本地区的实际情况，在兼顾环境生态、 社会和经济效益平衡的前提下，审慎地、全面地论证各种方案实施的可行性，从 中选出最佳方案。 6 浙江大学硕士学位论文 美国和英国以农用为主，西欧以污泥填埋为主，日本以焚烧为主，而澳大利 亚以污泥填埋和投海为主。日本由于国土面积较小，所以污泥的处理处置以焚烧 为主，约占6 3 ；为了更好的处理污泥，降低污泥对环境的危害，日本专门制定 了大区域污泥处置和资源利用的a c e 计划，即a ( a 面c u l t u r e ) 污泥无害化用于 农田、园林或绿地；c ( c o n s t r u c t i o nu s e ) 污泥焚烧后的污泥灰制成建筑材料；e ( e n e 唱yr e c o v e 巧) 利用污泥所含能量发电、供热，污泥的焚烧最终处置达5 5 。 欧盟对污泥处理设立的目标为2 0 1 0 年污泥最终处置物与2 0 0 0 年相比减少2 0 ， 到2 0 5 0 年减少5 0 【”】。为达到这一目标，欧盟设立了一系列措施：减少污泥产 生、调整污泥输送、循环利用污泥、提高处理条件、污泥气化利用能量等【l 6 1 。 我国城市污水处理厂污泥处理起步较晚，随着我国城市污水处理设施的普及 和污水处理厂的逐渐增多，城市污泥产量急剧增加，研究适合我国国情的有效处 理处置污泥的技术具有重要的现实意义。污泥的处理也已由过去的浓缩、脱水、 干化、露天简易堆放等初级处理发展到目前的堆肥发酵、卫生填埋、焚烧发电、 能源利用、生产各种建筑材料等资源化处理和污染控制有机结合阶段。 在污水处理领域，我国长期存在着重水轻泥现象。在污泥处理方面存在着管 理体系不健全、资金投入不足、缺少成套的处理处置设备以及缺乏系统研究等问 题。根据调查【1 7 】，国内污泥处理投资只占污水处理厂总投资的2 0 5 0 ，而发 达国家如美国及欧洲国家已占污水处理厂总投资的5 0 7 0 。我国污泥处理、 处置费用估算统计如表1 2 。 表1 - 2 我国污泥处理、运行费用统计 ! 垒垒! 呈! 兰里兰! 垒翌型i 翌g ! 垡i ! ! i 兰2 翌! ! 坚垒g 皇璺i i 仑2 兰垒! 垫垒望：宝i 堕巴! 兰堕呈苎2 塑 投资成本运行成本 项目 万融污泥元t 污水融污泥融污水 由上表可知，污泥处理处置费用因处理方式的不同投资和运行成本存在着较 大的差异。干化焚烧运行成本最高，但考虑到堆肥后土地利用和填埋的后续监测 与管理的等其他间接费用，干化焚烧的成本未必一定是最高的。 7 浙江大学硕士学位论文 1 2 水煤浆技术的发展 水煤浆( c o 甜w - a t e fs l u n y ，简称c w s ) 是一种煤基流体燃料，是由大约6 0 7 0 的煤粉、3 0 的水和约1 的化学添加剂，经强力搅拌而形成的煤水两相混 合浆体。水煤浆作为一种燃料，具有良好的流动性和稳定性，能够像燃料油那样 易于装卸、贮存、管道输送及雾化燃烧，又保持了煤炭原有的物理特性，被称为 液态煤炭制品。 从能源结构分析，我国是一个富煤贫油少气的国家，石油能源仅占石化能源 储量的5 3 ，并呈逐年下降趋势。而我国的煤炭储量较大，占已知全部能源储 量的8 0 左右。根据b p 公司的统计数据，2 0 1 0 年，我国能源消费构成：原煤 7 0 5 ，原油1 7 6 ，天然气4 0 ，水电6 7 ，核电o 7 ，再生能源o 5 。2 0 1 0 年全国累计进口原油量达到2 3 9 亿吨，原油对外依存度达到5 3 8 ，较上年同期 提高2 7 个百分点。到2 0 2 0 年我国石油供需缺口将更大，对外依存度将达6 0 以上。发展水煤浆技术，用煤制取清洁燃料，以煤代油，是我国能源发展的现实 选择【1 8 】，对我国的经济建设和能源安全具有战略意义。为此国家也相继出台了 一系列相关文件，为水煤浆的发展奠定了良好的基础【1 9 1 。水煤浆在制备、燃烧、 储存、运输和污染控制等方面的优势，使得水煤浆是一种当今较为适宜的准清洁 能源，与其他能源相比，水煤浆具有以下几个方面的优势： ( 1 ) 经济优势。水煤浆燃烧系统与燃油一样，为喷雾燃烧，燃烧高效，运行 稳定，火焰、温度也易于控制、调节。与一般原煤或动力配煤的热值( 约2 0 m j 瓜g ， 锅炉的热效率一般在6 5 7 0 ) 相比，水煤浆的燃烧效率达9 6 9 9 ，锅炉 效率在9 0 左右，达到燃油等同水平，燃烧调节方便，运行稳定可靠。水煤浆的 热值一般在1 8 5 挑以上，与重油与轻油( 热值约4 1m j 埏) 相比，有效热 量相当与其的一半，即燃2 2 吨水煤浆可替代约1 吨重油。原有油炉只需经过简 单改造即可换烧水煤浆，改造、推广成本低；与油炉改烧粉煤相比，改烧水煤浆 的投资仅为改烧粉煤的1 3 1 2 ，改造时间仅为改烧粉煤的1 3 ，而且无需炉前 备煤系统和备煤场，排灰场占地仅为燃煤的l 4 ，燃油锅炉改烧水煤浆经济效益 显著。 ( 2 ) 环保优势。水煤浆一般由低灰、高发热量、高挥发分的原煤经洗选、筛 分及加水研磨后，加入少量添加剂经充分强力搅拌而成，其灰分、硫分较低，燃 8 浙江大学硕士学位论文 烧后产生的飞灰量及s o x 的量比一般的燃煤锅炉低。水分的存在降低了燃烧温 度，并使炉内呈还原性气氛，抑制了n o x 生成。目前水煤浆的制备通常采用湿 磨工艺，密闭无粉尘污染，固、液污染物基本零排放，生产过程清洁；且可结合 洗煤工艺一起完成，或是利用造纸废液、焦化厂废水等制浆，可解决洗煤厂细煤 及工业废液处理问题。相对于煤炭散装堆放、储运中的损失，水煤浆自煤炭进入 磨机后即可以采用管道、罐车输送，整个制各、储存、运输过程为全封闭，燃烧 后的灰渣可作为水泥掺合料，没有二次污染。 ( 3 ) 运输优势。由于煤炭长途运输过程中存在着中转、分散贮存、制备等多 种环节，造成煤炭运输过程中的损耗很高。水煤浆可以集中制备，长距离管道输 送；也可以区域性集中制备，用管道近距离输送，火车罐车运输或汽车罐车运输。 可以降低制备及贮存过程中造成的煤炭的损耗，有利于改善城市和矿区的环境、 减少设备投资和土地占用。由于集中制备，特别是矿区集中制备、管道运输煤浆 的方式，使煤源稳定、煤炭设备的经济性和安全性高，且不会因煤种多变而造成 锅炉燃烧不稳定、运行操作变动频繁、事故频繁等问题。由于管道输浆量具有运 量大，投资少( 总投资为铁路的l 3 ，为输电线路的2 5 ) ，沿途煤炭损耗少、不占 地、不受地形限制等优点，其在我国是一种很有前景的运煤方式。 1 2 1 水煤浆的性质 水煤浆主要有以下性质【2 0 】： ( 1 ) 为了利于燃烧，水煤浆的含煤浓度不能太低，通常煤的质量分数在6 0 以上，才能够符合燃烧的要求。水分含量过高会降低水煤浆中可燃烧的煤组分量， 使水煤浆的热值达不到要求。 ( 2 ) 水煤浆在燃烧过程中要泵送、雾化，优良的水煤浆必须像油一样，黏度 小，流动性好，并应具有良好的流变特征。通常要求在1 0 0 s 1 剪切率及常温下， 表观黏度不高于1 2 0 0 i n p a s ，存放时粘度要高，具有剪切变稀的触变性。 ( 3 ) 为防止在储运过程中产生沉淀，应具有良好的稳定性。一般要求能静置 存放一个月不产生硬沉淀。 ( 4 ) 水煤浆体系的粒度级配和燃烧效率，对煤的粒度有严格的要求，煤粒应 达到一定的细度和级配，粒度上限为3 0 0 p m ，其中小于2 0 0 目( 7 4 眦) 的含量不少 于7 5 。 9 浙江大学硕士学位论文 水煤浆的上述各项性能是相互制约的。例如，要想获得高浓度的水煤浆，其 含水量就要少，而其得流动性就会受到很大影响，黏度也会增大；要想流动性好， 黏度低，就要多加水，但热值会降低，稳定性也会变差。因此，水煤浆的制备复 杂，影响因素多，涉及到煤化学、颗粒学、胶体学、有机化学、表面化学及流变 学等学科领域。 1 2 2 影响水煤浆性质的主要因素 水煤浆是具有一定粒度分布的煤粒、水和添加剂等几种介质组成的复杂的多 级分散悬浮体系。要制备出浓度高、粘度低、稳定性好、流动性能良好的高性能 水煤浆，需要考虑诸多因素而且各因素之间不是单独存在，而是相互影响、相互 依赖的。煤质特性、煤粉粒度分布、添加剂种类及其与煤种的相匹配性是决定成 浆性和流变性的三大主要因素。 ( 1 ) 煤的主要性质。对于水煤浆，煤种和煤质是制浆过程中的决定性因素， 这主要包括煤的变质程度、表面亲水性、灰分、孔隙率及煤孔结构特征、煤岩相 组成、矿物组成、煤的可磨性指数等在内的煤表面物理和化学结构特征【2 1 1 。煤 炭的成浆性根据煤种不同，成浆性差别很大，有的煤炭在常规条件下，很容易制 成高浓度的水煤浆，有的则很难制浆，或者需要采用较复杂的制浆工艺和以较高 的制浆成本才能制出高浓度水煤浆。 煤是由碳、氢、氧、氮、硫等多种化学元素组成的复杂的有机物混合体，具 有多极性的基团和发达的毛细孔，可以吸附水从而使之成为内在水。煤的内水含 量是影响制浆的重要因素，直接影响水煤浆的浓度，并在一定程度上影响水煤浆 的稳定性和可燃性。内水高意味着煤粒微孔结构中的“死水”含量较高，而在煤 粉颗粒间起润滑作用的游离水就相对减少，从而影响了水煤浆的流动性。变质程 度越低的煤种，煤中氧含量越高，极性官能团越多，煤粒表面的亲水性和电位也 就越高，同时孔隙率越发达。在煤粒表面吸附大量的水分子形成水化膜，减少了 自由流动水量，而且高含量的极性官能团增强了煤表面的负电性，削弱了煤表面 对阴离子型分散剂的吸附，从而导致成浆性变差。在煤的所有含氧基团中，羧基 ( _ o o h ) 对成浆性的影响最大，羧基含量越高，煤的亲水性就越强，成浆性越 差。除使自由水减少外，还将使煤粒间容易通过分布在外表面上的这些基团产生 氢键缔合作用，使煤粒间的相对运动阻力增大，定黏浓度减小。煤的最高内水或 1 0 浙江大学硕士学位论文 空气干燥基水分是煤的变质程度及表面亲水基团和孔隙率等多种因素的综合表 现，它是不利于成浆的一个重要煤质因素。 矿物组分对煤的成浆性影响复杂，是几种作用综合的结果。煤中矿物质主要 包括粘土类、硫化物类、碳酸盐类、氧化物类与硫酸盐类。煤中无机矿物的密度 约为煤的两倍，所以在同样质量浓度下，矿物含量越高的煤样所占体积越小，有 限水量在c w s 中的体积分数越大，对增加水煤浆的成浆性有利；而其对水煤浆 的稳定性会有不利影响，使水煤浆容易沉降，而且矿物质不能燃烧，高的灰分含 量对提高水煤浆的热值不利。不同煤中因所含矿物种类、数量不同，其溶出的量 不同，无机电解质通过影响煤粒表面的电化学性质影响煤的成浆性。金属离子和 氢离子对水煤浆有增粘作用，使液相中颗粒表面阴离子电位降低，减少粒子间的 静电斥力，导致水煤浆的粘度升高，而含硫的阴离子对浆体有降粘作用【2 2 】。 煤的研磨系数直接影响煤浆的粒度分布，可磨性越高的煤越易制备出高浓 度、低粘度的水煤浆。可磨性指数越高，煤在磨制过程中产生的细粒级或胶态颗 粒越多，煤粒度分布宽，级配好，堆积效率高，从而使煤的成浆浓度提高。煤的 挥发分要高，含有较高挥发分的煤易于燃烧，挥发分小于1 7 的水煤浆不易燃 烧，必须添加更多的助燃剂，制备水煤浆一般采用挥发分大于2 5 的煤种。 煤的变质程度越低，煤中氧碳比( o c ) 与氢碳比( h c ) 越高，亲水官能 团越多，内在水分越高，孔隙越发达，可磨性指数越小，煤的成浆性越差【2 3 1 。 因此适宜制备高浓度煤浆的煤种应具有亲水性低、低灰分、可磨性好、孔隙率小 等特点。 ( 2 ) 煤的粒度分布【2 4 1 。粒度分布即煤粉的堆积效率会直接影响悬浮体系的流 体力学特征，合理的粒度分布是减小煤粒间隙，增加煤浆浓度、降低水煤浆的粘 度的重要条件。适宜的粒度分布条件可以配制出稳定、高浓度的水煤浆悬浮体系。 煤粒分布与堆积效率之间关系的级配技术是水煤浆制备技术的基础，目前国内外 大多采用双峰级配制水煤浆。级配技术可以使煤颗粒的粒度分布达到较高的堆积 效率，即颗粒相互堆积时，大颗粒间的空隙被小颗粒充填，小颗粒间的空隙又被 更小的颗粒充填。 当粒度分布宽度一定时，随着体系中微粒的增加，颗粒的比表面和相界面迅 速增长，同时微粒的凝聚作用也加强，导致水煤浆体系粘度的急剧增长。而细颗 粒含量较少时煤浆中粗颗粒沉降速度较快，易析水，悬浮体系稳定性较差。水煤 浙江大学硕士学位论文 浆体系中具有足够宽的粒度分布，且粗、细颗粒在适宜的范围内，这样颗粒间的 镶嵌程度高，从而可以达到紧密的堆积，使空隙量小，固体含量高，减少空隙中 的水量，提高制浆浓度，改善水煤浆的流动性。通过改变粒径分布，可以使颗粒 空间重新分布，从而使浆体的粘度降至理想值。水煤浆的制浆用煤粒径最大不能 超过2 5 0 u m ，制浆控制粒径7 4 岫的颗粒占总煤粉的7 0 8 0 ，煤粉的平均粒 径分布为2 0 3 0 u m 之间为宜【2 引。 ( 3 ) 水煤浆添加剂。上述因素属于煤的自然属性，但制备c w s 用的各种添 加剂，可以在一定范围内改变这些属性。使不利于成浆的某些因素减弱，或者使 有利于成浆的因素增强，从而提高煤的成浆性。制浆时所用添加剂按照功能可分 为：分散剂、稳定剂及其他一些辅助化学药剂，如消泡剂、调节剂、防霉剂、p h 表面改性剂及促进剂等。在这些添加剂中，不可缺少的是分散剂和稳定剂【2 引， 其中分散剂最为重要，它直接影响着水煤浆的质量和制各成本。 水煤浆添加剂是制备高浓度、高稳定性水煤浆的关键。煤是疏水性物质，不 易为水所润湿；煤浆中的煤粒具有粒度小并且有很大的比表面，容易自发地聚结， 因而煤粒不能在水中良好地分散。添加剂一端是非极性疏水基团，另一端则是极 性的亲水基团。向煤浆中按照适宜的比例加入添加剂，煤粉表面会大量吸附与之 结构相似的添加剂中的疏水基团，添加剂的亲水基则伸向外面的水，则煤粉与水 之间有大量的添加剂的两性基团的存在。根据同性相斥的原理，煤粉之间不会凝 聚成大的团粒，从而保证了水煤浆中的颗粒不沉降，煤粉在水中的良好分散性， 因而具有良好的流动性。 添加剂的加入量对成浆性的影响也较为显著。当添加剂加量太少时，添加剂 未能同煤粒充分作用，起不到良好的分散效果，水煤浆浓度较低，粘度大；当添 加剂添加量过多时，添加剂分子之间会形成胶束，反而使其有效浓度降低，也会 影响分散效果。因此，添加剂添加量存在最佳值。对于变质程度低的煤种，由于 其比表面积大、内孔多、含氧宫能团多，添加剂的最佳加入量会较大，在此情况 下，应结合成浆性和经济性来确定适宜的添加剂的量。实际生产过程中应兼顾水 煤浆的成浆性及经济性，在此基础上确定出适宜的添加剂添加量。 水煤浆质量高低除了与煤质、煤粉粒度分布、水煤浆添加剂相关外，搅拌强 度、搅拌时间( 即剪切时间) 以及p h 值、温度等外界条件对水煤浆的性质亦有 较大的影响。煤浆在搅拌过程中，开始时随剪切时间的增加粘度下降，当超过临 1 2 浙江大学硕士学位论文 界搅拌时间后，粘度值反将增加【2 7 1 。水煤浆p h 值过高或过低都会严重腐蚀生产 设备，煤浆中的煤颗粒会受到水合作用和羟基化作用，溶液中p h 值不同会释放 矿或o h ，使煤表面获得一定的表面电荷1 2 引。因此，煤表面的电荷组成会由于 p h 值的不同而不同，进而影响到水煤浆的成浆效果，工业应用中的p h 值一般 是在6 1 0 之间。温度是水煤浆制备和使用过程中影响到粘度的重要参数，煤浆 的温度低于一定温度时( 6 0 ) 煤浆的粘度会随着温度的升高而不断减少，超过 6 0 时，粘度会有增加【2 9 】。 1 3 水煤浆添加剂 由于煤是疏水物质，不易为水所润湿，故必须寻找一种同时具备亲油亲水性 质的添加剂，在煤和水之间架起“桥 ，以达到形成性能稳定，流动性好的分散 体系。添加剂是制备高浓度低粘度水煤浆的关键【3 0 】，制浆用添加剂主要有分散 剂、稳定剂和其他辅助药剂，其中分散剂起关键作用。 制备c w s 用的各种添加剂，可以在一定范围内程度不同地改变煤的属性， 使不利于成浆的因素减弱，有利于成浆的因素增强，从而提高煤的成浆性。不同 分散剂对同种煤或同种分散剂对不同种煤成浆性都有差别，而且水煤浆的表观粘 度随煤浓度增加的速率都存在着程度不同的差别，在煤浓度相对较低时，浆体表 观黏度增加缓慢；在煤浓度相对较高时，浆体表观黏度增加较快。如果添加剂和 制浆用煤达不到最佳匹配，相应的煤就不可能表现出最佳成浆性能。从分散性能 上看，定黏浓度越高，分散剂与煤的匹配性越好。 1 3 1 分散剂的分类 水煤浆分散剂根据其性质和原料来源的不同，可分为合成和天然高分子改性 两大类。其中天然高分子改性类分散剂又分为萘系分散剂、木质素系分散剂和腐 殖酸系分散剂。根据水煤浆用分散剂分子链上所带电荷性质，可将其分为非离子 型、阴离子型和阳离子型等。阳离子型分散剂成本高，而且由于煤表面为负电性， 少量阳离子分散剂不足以改善煤表面润湿性，故不常用。常用的合成分散剂为阴 离子型和非离子型两大类【3 1 1 。 ( 1 ) 阴离子型分散剂 此类化合物属低分子量电解质或大分子及准高分子聚电解质。包括磺酸盐、 a 够浙江大学硕士学位论文 羧酸盐及少量磷酸酯类，普遍应用的是磺酸盐，如萘磺酸盐、磺化腐植酸盐、磺 化木质素以及石油磺酸盐、磺化沥青等。 各类取代基聚萘磺酸盐系列。其中最典型的是萘磺酸钠甲醛缩合物，其 适用范围广，能与各类分散剂混合使用。此类分散剂的特点是减粘作用及流动性 好，但通常稳定性差和价格高，所以常和其它类型的分散剂共用。 木质素磺酸盐。其主要来自于造纸黑液再加工，它最大的优点是原料丰 富，易于加工，价格便宜，且浆的稳定性能好。缺点是杂质含量大，对水煤浆的 降粘效果较差，匹配性低。因此该类分散剂适用于易制浆的煤种。 腐植酸盐及磺化腐植酸盐系列。这类分散剂来自泥炭、褐煤或风化煤，