（环境工程专业论文）污水污泥热化学特性分析及低温热解产物研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着城市的发展，城市废水量加大， 增加。由于污泥中含有可利用的有机物， 为替代能源而资源化。在多年的探索中， 法更显示出其广阔的应用前景。 由此排出的污泥以每年大于l5 的速度 蕴藏着大量热能，如能回收利用则可作 低温热解作为具有多方面优势的处理方 本文以城市污水厂生物法处理产生的剩余污泥为原料，通过对污泥样品特性 进行工业分析、元素分析，使用t g 分析仪进行热重分析、i c p a e s 分析污泥中重 金属含量来探求污泥的性质，了解污泥成分特性。在此基础上对不同粒径的污泥 颗粒在2 5 0 7 0 0 的温度范围内，进行了低温热解实验，讨论了热解过程和热解产 物产率的分配情况，并使用g c m s 对液相成分进行了分析，得到了以下结果： 通过对样品污泥进行工业分析和元素分析发现，污泥有机氧含量高达 4 7 5 2 ，而碳含量也达4 1 6 6 ；高h c 表明存在含c h 2 基团的长链化合物；并 且污泥的热值达到1 6 6 1 m j k g ；这些特性都表明污泥是一种重要的热解原料。热 重分析实验结果表明，干燥污泥随着温度的升高，其重量百分比呈递减趋势，最 高降幅约在4 0 左右。终温越高，其降幅越大；终温越低，降幅越小；三种粒径 污泥在终温为5 0 0 时，其热解后的固体重量分别为5 8 ，5 6 ，5 2 。同时也看都 污泥的粒径越小，则污泥中的物质越易发生分解。使用i c p a e s 对样品污泥中的 重金属含量进行了检测，发现该样品污泥中1 1 重金属有5 种与其他地区的污泥相 比含量比较高。而热解技术能很好的将这些重金属固定在焦炭内，防止其再污染。 采用管式电炉，在惰性条件下对污水污泥进行热解实验，污泥根据颗粒粒径 分为卜0 5 m m ，0 5 0 2 m m 和s 0 2 m m 三组，温度范围为2 5 0 7 0 0 。结果表明粒 径的大小影响污泥油液的产率：粒径为0 5 0 2 m m 污泥在4 5 0 时，得到最大油产 率3 2 ；污泥粒径越小达到最大产率的温度越低，热解效率越高。使用g c m s 对油液进行分析，以确定不同实验条件下得到的主要成分。三种热解油所含化合 物主要为单环芳烃，脂肪族化合物，含氧有机化合物，含氮化合物，甾族化合物， 卤化物，含氮的杂环化合物，多环芳烃化合物等八类。通过以上的研究，探求在 不同热解温度下污泥热解产物作为燃料或在工业上运用的可行性，并为相关的其 它研究提供参考。 通过该实验研究，了解污水污泥的特性，并为污水污泥进一步资源化利用提供 有利的基础，并针对传统污泥资源化利用过程中的缺点与弊端，制定新的污泥对 策。 关键词：污泥：热特性：低温热解：油液：气体：炭渣 a b s t r a c t i nu r b a nc h i n a ，t h ew a s t e w a t e rg e n e r a t i o nr a t e s i nm a jo rc h i n e s ec i t ya r e i n c r e a s i n gb ys p e e do f15 p e ry e a r t h em a i nc o m p o n e n to f w h i c hi so r g a n i cm a t t e r ， t h u sm a k i n gt h e map r e d o m i n a n t l yr e n e w a b l ee n e r g ys o u r c e d u r i n gt h ee x p l o r a t i o n f 0 rm a n yy e a r s ，l o wt e n l p e r a t u r ep y r o l y s i si s c o n s i d e r e da sm o r ea d v a n t a g e sa n da h u g ep o t e n t i a l i nt h i sw o r k ，i ts t u d i e dt h es e w a g es l u d g e sf r o mt r e a t m e n tf a c t o r yt h a td e a lw i t h w a s t e r w a t e rw i t hb i 0 1 0 9 i c a lp r o c e s s e s i t so b je c t i v ei st oe v a l u a t et h ec h a r a c t e r i s t i c s o f s e w a g es l u d g e t h r o u g hp r o x i m a t e a n a l y s i s ， e l e m e n t s a n a l y s i s ，a n d t h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i sb yt h e r m a l 盯a v i t a t i o n a la n a l y s i sa p p a r a t u s ，m e t a lc o n t e n t a n a l y s i sb yi c p a e s t h e n ，p y r o l y s i so fs e w a g es l u d g ew a si n v e s t i g a t e du n d e ri n e r t c o n d i t i o n si nat u b ef u r n a c et os t u d yt h ee f - f e c t so ft e m p e r a t u r ea n dd i a m e t e ro fs l u d g e p a r t i c l eo nt h ep r o d u c ty i e l dd i s t r i b u t i o na n dc o m p o s i t i o n a st h er e s u l t ss h o w ： f r o mt h er e s u l t sf r o mt h ep r o x i m a t ea n a l y s i sa n de l e m e n t sa n a l y s i s ，t h er e s u l t s s h o wah i g hc o n c e n t r a t i o no fo r g a n i co x y g e nf o rt h es e w a g es l u d g es t u d i e d ，w i t h 4 9 5 2 v a l u e sa n dc a r b o nc o n t e n tw i t hv a l u e sa r o u n do f3 5 6 6 a n dt h ec a l o r i f i c v a l u ei s1 6 6 1 m j k g t h e1 a r g ea m o u n to fo x y g e ns u g g e s t sah i g hn u m b e ro fp o l a r c o m p o u n d sw e r ep r e s e n ti nt h es l u d g e t h eh i g hv a l u eo b t a i n e df o rt h eh c r a t i o i n d i c a t e sah i g hc o n t e n to fa l i p h a t i ch y d r o g e ni nt h e s ew a s t e s ，s u g g e s t i n gt h ep r e s e n c e o fl o n gc h a i n sw i t hc h 2g r o u p s a l lo ft h e s ec h a r a c t e r i s t i c sa c c o u n tf b rt h a ts e w a g e s l u d g ei sav e r yi m p o r t a n tp y r 0 1 y s i sm a t e “a 1 t h et h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i ss h o 、v ， w i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e ，t h em a s sp e r c e n t a g ei sf a nd o w na n dt h eh i g h e s t d e c r e a s i n gr a n g ei s a b o u t4 0 t h eh i g h e rt h e1 a s tt e m p e r a t u r el s ， t h em o r e d e c r e a s i n gr a n g ei sa n dt h e1 0 w e rt h el a s tt e m p e r a t u r ei s ，t h el e s sd e c r e a s i n gr a n g e i s a st ot h r e ek i n d so fs w e a g es l u d g e sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e r ，c h a r sa f t e rp y r o l y s i sa r e 5 8 ，5 6 ，5 2 ，s e p a r a t e r l y t h e s ed a t af r o mi c p a e sa p p e a r st h a t5o f11 m e n t a l si n s a m p l ea r eb e y o n dt h en o r m a lr a n g ec o m p a r e dt os l u d g ef r o mo t h e ra r e a s p y r 0 1 y s i s t e c h n o l o g yc a n 矗xt h em e n t a l si n t ot h ec h a rt op r e v e n ts e c o n dp o l l u t i o n p y r o l y s i so fs e w a g es l u d g ew a si n v e s t i g a t e du n d e ri n e r tc 。n d i t i o n s i nat u b e f u r n a c et os t u d yt h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r ea n dd i a m e t e ro fs l u d g ep a n i c l eo nt h e p r o d u c ty i e l dd i s t r i b u t i o na n dc o m p o s i t i o n t h et e m p e r a t u r er a n g e df r o m 2 5 0t o 7 0 0 a n dt h es l u d g e sw a sd i v i d e di n t ot h r e eg r o u pa c c o r d i n gt od i a m e t e r ：l - 0 5 m m ， n 硕士学位论文 o 5 - o 2 m ma n ds o 2 m m am a x i m u mo f3 2 o i ly i e l dw a sa c h i e v e da tap y r o l y s i s t e m p e r a t u r eo f4 5 0 a n dp a r t i c l ed i a m e t e ro fo 5 - o 2 m m t h eo i lc o m p o s i t i o nw a s a n a l y z e du s i n gg c m st od e t e r m i n et h em a i nc o m p o n e n t su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n t h ec o n l p o u n d si d e n t i f i e di nt h r e eo i l sc a nb eg r o u p e di n t ot h ef o l l o w i n gc l a s s e s ： m o n o a r o m a t i cc o m p o u n d s ，a l i p h a t i cc o m p o u n d s ，a l i p h a t i cc o m p o u n d s ，o x y g e n a t e d h y d r o c a r b o n s ，n i t r o n g e n a t e dc o m p o u n d s ，s t e r o i d ，h a l i d e ，h e t e r o c y c l i cc o m p o u n d w i t hn i t r o g e n ，p a h s t h ep a p e rs t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f p y r o l y s i sp r o d u c t sf o r t h ep r o b a b i l i t yo ft h e s ep r o d u c t sa sf u e la n da p p l i c a t i o ni ni n d u s t r y t h r o u g ht h e s ea n a l y s i s e sa n de x p e r i m e n t s ， t h ed a t af r o mt h i sa r t i c l ec a n c o n n u b i t ef o rt h eu t i l i z a t i o no fs w e a g es l u d g ei nt h i sa r e aa n dm a k i n gp o l i c i e sf 6 r t r e a r t i n gs w e 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 ；t h e r m a lc h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i c s ；l o w - t e m p e r a t u r e ； p y r o l y s i s ；o i l ：g a s ：c h a r n i 污水污泥热化学特性分析及低温热解产物研究 插图索引 图1 1 污泥处理的一般流程一4 图2 1 污泥低温热解流程图1 6 图2 2 新日铁方式垃圾热解熔融处理工艺流程1 9 图2 3 垃圾热解处理的p u r o x 工艺流程图1 9 图2 4t o r r a x 系统示意图一2 0 图2 5e n e r s l u d g e 生产性流程2 1 图3 1t g 曲线2 5 图3 21 0 5 m mt g d s c 曲线2 8 图3 3o 5 0 2 m mt g d s c 曲线2 9 图3 4 0 。2 m mt g d s c 曲线2 9 图3 51 0 5 m mt g d s c 曲线3 0 图3 60 5 o 2 m mt g d s c 曲线3 0 图3 7 0 2 m mt g d s c 曲线31 图3 81 o 5 m mt g d s c 曲线31 图3 90 5 0 2 m mt g d s c 曲线3 2 图3 1 0 0 2 m mt g d s c 曲线3 2 图4 1a s ( i c p a e s 谱线图) 3 8 图4 2c d ( i c p a e s 谱线图) 3 8 图4 3c o ( i c p a e s 谱线图) 一3 9 图4 4c r ( i c p a e s 谱线图) 一3 9 图4 图4 图4 图4 图4 图4 图4 5 6 7 8 9 1 1 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 c u ( i c p a e s 谱线图) 3 9 m n ( i c p a e s 谱线图) 3 9 n i ( i c p a e s 谱线图) 4 0 f e ( i c p a e s 谱线图) 4 0 h g ( i c p a e s 谱线图) 4 0 op b ( i c p a e s 谱线图) 4 0 1z n ( i c p a e s 谱线图) 4 1 污泥热解实验装置示意图4 3 热解温度对固、液、气产物产率的影响( 粒径：1 o 5 m m ) 4 9 热解温度对固、液、气产物产率的影响( 粒径：o 5 0 2 m m ) 4 9 热解温度对固、液、气产物产率的影响( 粒径：o 2 m m ) 5 0 硕士学位论文 图5 。5 不同粒径污泥油产率比较5 1 图5 6 不同粒径污泥气产率比较5 1 图5 7 不同粒径污泥炭渣产率比较5 2 图5 8 低温热解油总离子流色谱图( 粒径：1 o 5 m m 温度：5 0 0 ) 5 3 图5 9 低温热解油总离子流色谱图( 粒径：o 5 0 2 m m 温度：4 5 0 ) 5 3 图5 1 0 低温热解油总离子流色谱图( 粒径：0 2 m m 温度：4 0 0 ) 5 4 v 污水污泥热化学特性分析及低温热解产物研究 附表索引 表1 1 传统城市污水处理厂污泥( 包括固体) 的来源2 表1 2 城市污泥的基本组成描述体系4 表2 1 几种污水污泥的典型热值11 表2 2 污水厂污泥工业分析与热值1 3 表2 3 污水厂污泥元素分析1 4 表2 4 典型的转换产物量2 1 表3 1 样品污水污泥的基本热化学特性2 3 表3 2t g 、d s c 随温度与粒径变化情况3 3 表4 1 污水污泥中的典型重金属含量3 6 表4 2 干污泥中的重金属含量4 1 表4 3 一般污泥与污泥样品中的重金属含量对比4 2 表5 1 各种粒径污泥的最大油液产率5 0 表5 2 不同化合物裂解得温度范围5 l 表5 3 从不同粒径污泥中获得的主要热解产物比例5 4 v i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 客1 缘 日期：砌8 年驴妒月订日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密圈。 年c ) v 月机日 ，一 年d 歹月 d 曰 g 驴 w 炒 肌飙日日 矽 移彤 、陀萨虱砝 务 名名签签者师作导 硕士学位论文 第1 章绪论 随着我国国民经济的发展和城市的现代化建设、城市的环境和生态平衡的要 求，城市污水处理厂的兴建与运行管理已经成为现代化城市建设不可分割的一部 份。各地都在做改善水质、进行污水处理、污水回用、污泥处理处置的工作。根 据我国国民经济发展计划和建设部规划要求，到2 0 1 0 年要实现强化城市排水和污 水处理设施的建设，还要建污水处理厂6 0 0 多座，污水处理率达到4 0 5 0 。污 水污泥处理处置是污水处理事业的重要组成部分，其处理处置程度的好坏是评价 污水处理状况的重要标准，如果污水污泥处理处置的工作做得不好，不但会给环 境带来污染，而且还会造成资源的浪费。 当前我国某些污水处理厂所采用的污泥处理技术如堆肥、卫生填埋、焚烧等， 不仅浪费了资源，而且占用大量土地，污染水源和环境，危害人民身体健康。近 年来，国内外已将污泥处理处置的重点放在资源化利用上：污水污泥同许多其它 有机废物一样含丰富的有机质，因此可以将这些储藏的能量转变为可用能源作为 供热或液体燃料的替代品，也可以利用这些有机质生产特殊的化工产品。污泥热 解技术就是利用污泥这样的特点发展起来的。污泥热解既能解决当前污泥处理带 来的问题，并且还能将污泥中储藏的有机质转化出来使用。作为一个新的替代技 术，污泥热解是更为经济和环境可接受的方法，并且越来越得到人们的关注。低 温热解技术由于处理成本随热解温度的降低而大幅减少，并能有效地控制二次污 染，成为对城市污泥进行无害化、减量化处理的有效手段，可实现真正低成本的 废物资源化。 1 1 污泥的来源及分类 在人们的生活与生产中，主要产生以下几大类型的污泥：污水污泥、给水污 泥、水体( 主要是城市中的河流与湖泊) 清淤淤泥、给排水管网淤泥。在上述几 类污泥中，产量最大、污染程度最高、危害最大、最难处理的当属污水污泥。因 此，污泥处理处置技术的关键是污水污泥，其中涉及的技术、方法、原则可以相 应的应用于其它类型的污泥，所以，本论文将以污水污泥处理为核心。 1 1 1 污泥的来源 城市污水污泥主要来源于城市污水处理厂，当然也包括一部分城市市政设施 运行，维护过程及建筑施工等活动中产生的污泥，如排水沟道( 清通，养护) 污 泥，城市水体疏浚淤泥和城市建筑工地泥浆等。 污水污泥热化学特性分析及低温热解产物研究 由于现在城市污水处理厂运用最多的处理方法是生物处理，其处理的废水量 估计占到了废水处理总量的6 5 ，产生的污泥量占很大的比例，因此本文各章均 以污水处理厂生物处理污泥为主要论述对象。 对于一般的工业污水处理污泥，由于污水在处理过程中具体的产生( 来源) 环节较难定义，而城市污水厂污泥则因污水性质和工艺的相似性，其在污水处理 过程中的产生环节相对确定。有关污水污泥在污水处理厂中的产生环节与特征见 表1 1 【1 】 表1 1 传统城市污水处理厂污泥( 包括固体) 的来源 t h b l e1 1s e w a g es l u d g es o u r c e so fw a s t e r w a t e rt r e a t m e n tf a c t o r y ( i n c l u d i n gs o l i d s ) 1 1 2 污泥的分类 1 按污水的来源特征 大致可分为给水污泥，生活污水污泥和工业废水污泥三类。 2 按污泥性质分 可分为有机污泥和无机污泥。生活污水污泥或混合污水污泥均属有机污泥。 3 按处理方法分 有初次沉淀污泥，腐殖污泥与剩余活性污泥，消化污泥，深度处理污泥。 初次沉淀污泥，是指污水处理过程中产生的污泥，其性质随污水的成分，特 别是混入的工业废水的性质而起变化。 腐殖污泥与剩余活性污泥，是指污水在二级处理过程中产生的污泥。生物膜 法后的二次沉淀池沉淀物称为腐殖污泥；活性污泥法后的二次沉淀池沉淀物称为 活性污泥；扣除回流至曝气池后，剩余的部分称为剩余活性污泥。 消化污泥，是指初次沉淀污泥，腐殖污泥与剩余活性污泥经消化处理后的污 泥，又称熟污泥。 深度处理污泥，指深度处理( 或三级处理) 产生的污泥，常称为化学污泥。 2 硕士学位论文 1 2 污水污泥的基本性质 正确把握污泥的性质是科学合理地处理处置和利用污泥的先决条件，只有根 据污泥的性质指标才能正确选择有效的处理工艺和合适的处理设备及把握资源化 的趋向。因此，表征污泥性质的指标愈精确，取得的效益愈显着。通常需要对污 泥的下述性质指标进行分析测定。 1 2 1 污泥的含水率和固体含量 单位质量污泥所含水分的质量百分数成为含水率，相应的固体物质在污泥中 所含的质量百分数，成为含固量( ) 。污泥的含水率一般都很高，而含固量很低， 例如城市污水处理厂初沉污泥含固量在2 4 ，而剩余活性污泥含固量在 o 5 o 8 ，密度接近l g c m 3 。一般来说，固体颗粒愈小，其所含有机物愈多， 污泥的含水率愈高。 1 2 2 污水污泥的脱水性 一般污泥的含水率都比较高，体积大，不利于污泥的贮存，输送，处理处置 即利用，必须对污泥进行脱水处理。如1 m 3 含水率9 5 的生活污水污泥，其体积 约1 0 0 0 l ，若脱水后含水率降低1 0 ，则其体积减少2 3 ；含水率降低3 0 ，其 体积则减少6 7 。但是不同性质的污泥脱水的难易程度差别很大，应根据其脱水 性能，选择合适的方法，才能取得良好的效果。因此，测定污泥的脱水性能，对 选择污泥脱水方法具有重要的意义。 1 2 3 污泥的理化性质及生物性质 污泥的理化性质主要包括：有机物( 挥发性) 和无机物( 灰分) 的含量，植 物养分含量，有害物质( 重金属) 含量，热值等。我国污泥中的有机物含量为 5 0 7 0 ，低于发达国家( 6 0 8 0 ) ，根据日本的分析，有机物的元素组成为： c 5 0 8 ， h 7 5 6 ，n6 1 1 ， s2 o o ，o3 3 5 ，可以用来改善土壤结构，提 高保水性能和保肥能力，是良好的土壤改良剂；污泥又含较多的氮，磷，钾等植 物养分，可以作为肥料；污泥也有较高热值，干燥后相当于褐煤，可以直接当燃 料或发酵产生沼气作燃气使用等。 污水污泥中含有大量的细菌，病毒，原生生物，寄生虫卵及其它的微生物， 其中部分的微生物会对人体产生危害。对于特定的城市污水污泥中微生物种类和 数量，特别对病原菌含量而言，很大的程度取决于城市的生活水平，并且会随时 间的改变而产生较大变化。 城市污泥处理与利用技术措施选择的依据是城市污泥的性质( 物理，化学和 生物) ，污泥的组成则是其性质表现的基础【2 j 。 污水污泥热化学特性分析及低温热解产物研究 另外，表1 2 给出了城市污泥与环境管理相关的基本组成： 表1 2 城市污泥的基本组成描述体系 t h b l e1 2b a s i cc o m p o n e n t ss y s t e m0 fs e w a g es l u d g e 元素组成：c ，h ，n ，o ，s ，c l 化学毒害性有机物组成：毒害性有机物含量 组成 有机官能化台物组成：醇酸，酯，醛。醚，烃：芳香化台物；腐殖质等 有机 有机生物质组成：可溶性糖类：纤维素；木质素：脂肪；蛋白质等 相 微生物致病菌，病指示性生物含量 固 组成毒 相 寄生虫卵 昆虫卵 污 毒害性无机物组成：a s ，c d ，c r ，h g ，p b ，c u ，z n ，n i 泥 无氧及其化合态 组 机植物养分组成 磷，钾及其可溶态 成 相 无机矿物组成：f e a 1 ，c a ，s i 等的氧化物，氢氧化物 自由水分 流水 间隙水分 动分 表面( 附着) 水分 相 结合水分 水溶性组分 1 3 当前污泥处理及资源化利用现状 1 3 1 污泥处理方法 污泥处理处置的方法很多，但最终目的是实现减量化，稳定化和无害化。污 泥处理处置的基本工艺流程如图1 1 所示3 】： 圈1 1 污泥处理的一般流程 f 蟾u r e1 1s e w a g es l u d g et r e a t m e n tf l o w 4 硕士学位论文 当前，对于污水厂脱水后的污泥处置方法有卫生填埋法、土地利用及焚烧和 倾倒海洋等几种方法，其中倾倒海洋方法由于其对海洋生态环境的危害较大而被 越来越多的国家所禁止，所以污水污泥的处置主要采取前三种方法【4 】。 卫生填埋法是当今国内外主要的污泥处理方法，但其使用前景让人怀疑。填 埋法中污泥不良的物理特性将会产生一些控制和稳定性问题。因此在填埋前，需 对污泥进行稳定和脱水处理，以降低其散发的臭气量、气体量及渗出液。由于稳 定性问题，散发气体和臭味会污染地下水，在一些国家为了把上述问题降低到最 小程度，制订了被处理污泥物理性质的最低标准，这使得污泥填埋的成本大大增 加【5 】。另外的问题是，现有填埋厂可用的空间越来越少，可用来建造新填埋厂的 地点受到了限制，这使得填埋法也受到了限制【6 ，川。 由于污水污泥含有氮和磷等成分，其可用于肥料和土壤调节剂。污泥作为肥 料利用的优点是能为植物提供营养物质，使有机物重新进入生物循环，改良土壤 结构，提高土壤肥力，同时替代了需要耗费大量能源而制造出的人工肥料。污泥 施用与土地，还可利用土壤的自净能力使污泥进一步的稳定。污泥用作肥料的主 要缺点是污泥中的有害物质( 盐分、重金属、有毒有机物) 随污泥的土地施用进 入到土壤中，可能会对土壤一植物系统、地表水、地下水系统产生影响，造成环 境与人类健康风险博j 。 对于那些不能农用和填埋的污泥，焚烧法无疑是很好的选择。和其它方法相 比，焚烧法具有突出的优点【9 1 l 】：1 大大减少了污泥的体积和重量，焚烧后的灰 渣仅为机械脱水污泥的1 0 ，通过高温破坏了有毒有机分子结构，并且焚烧灰可 制成有用的产品；2 污泥处理速度快，不需要长期储存；3 污泥可就地焚烧，不 需要长距离运输；4 可以回收能量，用于发电和供热。但焚烧设备一次性投资大， 直接燃烧热利用低。同时也是剧毒污染物一二恶英的主要发生源。因此，该法目 前在我国应用很少。 决定污泥处理工艺时，不仅要从环境效益，社会效益和经济效益全面权衡， 还要对各种处理工艺进行探讨和评价，根据实际情况进行选定。而污泥的低温热 解正是针对以上污泥处理方法的不足提出的新技术。而热解法具备了其它各种方 法的优点，例如，固体体积的减小：存在于炭基中的重金属对自然析出有相当强的 抵抗力【l 列；热解产生的气体和油有很高的热值，能成为潜在的燃料；热解法所使用 的温度低于焚烧法，因此限制了更多的污染物进入热解气体中【l 引。 1 3 2 污泥资源化利用现状 污泥的能源化也在各国逐渐受到重视。在我国，已有很多污泥资源运用的实 例。如将城市污泥合成燃料进行焚烧，已在长沙罐米食品厂d z l 1 2 5 a 型锅炉上 污水污泥热化学特性分析及低温热解产物研究 取得成功；污泥的直接热化学液化和热分解油化已受到国家自然科学基金的资助； 特别值得注意的是浙江大学热能所，在用异重流化床燃用洗煤泥的基础上，从1 9 9 2 年起就在国内首先系统的开展了污泥流化床焚烧技术的研究，并已取得很大成功， 在此基础上他们在1 9 9 9 年又对现有的流化床焚烧炉进行了改进，将生活垃圾和煤 一起燃烧( 两者的比例为1 ：1 ) 试验结果表明该锅炉每日可处理生活垃圾( m s n ) 15 0 吨，它所产生的蒸汽量为每天2 5 t h 。浙江大学的曾庭华在1 9 9 7 年对污泥的凝聚结 团特性，燃烧过程，热解特性及流化床焚烧污泥时产生的二次污染进行了相关研 究【1 4 ，1 5 】 清华大学的硕士研究生奉华，在2 0 0 1 年首次对北京地区的城市污水污泥的焚 烧处理特性进行了研究，他以高碑店污水厂的污泥为主要研究对象，分析了污泥 的成分特点和燃烧特性，并在预防二次污染方面通过分析重金属元素在污泥中的 存在形式及对污泥焚烧前后重金属含量的变化进行检测，研究了重金属在焚烧过 程中的迁移特性并提出污泥灰渣处理的建议【l6 1 7 1 。 东南大学的洁净煤发电与燃烧技术教育部重点实验室，在2 0 0 3 年利用热重法 分析了城市污泥和煤混合物的燃烧特性。针对所选的城市污泥和煤种，对其单独 及按不同比例混合后进行的热重实验表明：在煤中掺入城市污泥后，混合试样和煤 相比其活化能得到提高，着火温度提前，但是综合燃烧性能却是下降的。在混合 试样的燃烧过程中，煤和污泥基本上保持了各自的挥发分析出特性，煤的燃烧特 性表现得更为明显i l 引。 国外已经有很多学者对污泥的燃烧特性做了很多深入的研究。t o mo g a d a 和 j o a c h i mw e t h e r 与传统的燃料比较，得出了如下结论1 w j ：1 元素分析表明，污泥的 挥发分很高达到8 5 9 5 ( 干燥基) ，并且含水率也极高，这都将对燃烧产生很大 的影响；2 通过对单一污泥颗粒的液化和热解实验研究指出干燥、液化和焦碳燃烧 这些过程是重叠进行的，干燥和大部分的液化发生在低温区，而焦碳的燃烧发生 在高温区；3 在污泥燃烧过程中，8 0 的碳是随着挥发分释放出的，从而进一步 指出污泥的燃烧是由挥发分的气相氧化控制的，因而污泥的燃烧可以近似认为挥 发分和碳的分别燃烧。 r f o n t ，a f u l l a n a ，j a c o n e s a 和f l a v a d o r 通过用t g 法对不同的污泥进行热解 和燃烧分析指出：在热解和燃烧中，污泥的燃烧特性与污泥的来源有关，对于进 行消化稳定处理的污泥来讲，燃烧明显地发生在焦碳热分解温度区在4 5 0 5 0 0 ，随后焦碳燃烧温度超过4 5 0 5 0 0 ；对于未进行消化稳定处理的污泥来说， 燃烧可以被认为是没有大量焦碳形成的氧化热解，要在高温下才能燃烧【20 1 。 j w e t h e 和t o g a d a 指出污水污泥的燃烧特性受污泥的高含水率和高挥发分的 影响，并且污泥的干燥设备和燃烧设备要分别设计；干燥和液化之间是相互联系 的，可同时进行：在干燥区，挥发分的燃烧和释放决定着燃烧设备的温度分布； 6 硕士学位论文 污泥的燃烧主要是由挥发分的燃烧控制，其次是焦碳的燃烧；与此同时，他们还 提出了污泥与垃圾废物一起焚烧的新思路【2 。m i n 香u a n z 对污泥进行了热解特性 研究，热解所得的焦油和热解气与传统的燃料相比，拥有较高的热值，揭示了用 污泥作为燃料的可能性【2 引。 综上所述，尽管国内对污泥热解特性己做了一定的研究，但是在热解反应机 理方面，仍然存在着许多模糊不清之处。已有对污泥热解特性研究时假设其反应 过程为一级反应，确定污泥的热解动力学参数，然而污泥是一种非均质的复杂有 机物质的组合体，其热解特性是许多相互竞争或平行发生反应的综合反映，采用 一级反应过程研究污泥热解反应动力学的合理性需要进一步探讨。 1 4 课题背景及研究目的、意义和内容 1 4 1 研究课题背景 城市污水污泥是一种成分复杂的废弃物，它是指污水厂处理废水所产生的固 态废弃物川。 污泥的来源主要有城市污水处理厂。据不完全统计，城市污水处理厂己覆盖 了全国2 3 个省市自治区，已建成和正在建设中的城市污水处理厂共计4 5 2 座。目前 全国日污水排放量6 3 6 0 万m 3 d ，按污泥产率o 3 0 5 ( 含水率以9 7 计) ，日排出 的污泥达1 9 0 8 万m 3 2 4 1 。如此大量的污泥仅靠堆放是无济于事的，如何处理总量 如此巨大的污泥己成为一项重要的环保课题。 同时污泥的成分非常复杂，含有很多病原微生物、寄生虫卵及重金属，如铜 和锌，通常马路上的污水也含有一定量的铅【25 1 。尽管工业排放污水的标准得到了 控制，但污泥中的污染物的含量仍在增加。不论工厂或是居民所排放的污水中都 含有污染物，如净化过程中的残渣、微量的杀虫剂和聚氯联苯等。从居民区和屠 宰场排出的污水中含有多种病原体。污泥中还含有一些碎布片和一些杂乱的废物， 它们可能是看不见的，并可能在最后的处理过程中产生一些不良影响【26 ，2 7 j 。所以 必须进行适当的处理，才能保证污泥的处理效果，避免更严重的二次污染。 另外，污泥处理的投资和运行费用巨大( 分别占全厂费用的12 3 0 和 2 0 5 0 ) 【2 引。随着人们生活水平的提高和生产规模的扩大，污泥这种污染物质 的危害性也日益明显。因此，寻求经济有效的减容化、无害化和资源化的污泥处 理利用技术具有重要意义。 正如前面所讨论的当今所最普遍使用的污泥处理方法是卫生填埋，海洋倾弃 和焚烧，但是每种方法都无法完全解决现在所面临的污泥问题：脱水污泥通过卫 生填埋的方式处理，无法完全利用污泥内在的化学能并且会引发相关的健康问题； 海洋倾弃至少在局部上扰乱生物圈的生态平衡；焚烧能将污泥体积减至最小同时 能改善燃烧效率但是净化其产生的污染性气体费用开支很大，一次投资也很大。 7 污水污泥热化学特性分析及低温热解产物研究 污水污泥同许多其它有机废物一样富含丰富的有机质，因此如何将这些储藏 的能量转变为有用的能源用于供热或者作为液体燃料的替代品，或者利用这些有 机质生产特殊的化工产品，达到完全的资源化利用，己成为环保的重大问题。而 污泥热解的方法既能解决当前污泥处理带来的问题，并且还能将污泥中储藏的有 机质转化出来。作为一个新的替代技术，污泥热解是更为经济和环境可接受的方 法处理废弃物，并且越来越得到人们的关注【2 9 。3 2 】。 1 4 2 研究目的及意义 正如前面所谈到的，污泥是在城市污水和工业废水处理过程中将产生的沉淀 物和漂浮物【33 | 。它的性质很不稳定，极易腐化，造成污染。故需及时处理，使含 有病原微生物、散发出恶臭的腐化物质数量减少并使其分解。除此以外，污泥的 适用处理技术还应使污泥减容化、稳定化和资源化。 因此，污泥处理的主要目的是【3 4 ，3 5 】： 减少污泥最终处置前的体积，以降低污泥处理及最终处置的费用；通过处理 使污泥稳定化，最终处置后不再产生污泥的进一步降解，从而避免产生二次污染 问题；达到污泥的无害化与卫生化；在处理污泥的同时达到变害为利、综合利用、 保护环境的目的。 研究本课题的意义主要为： 污泥热解特性的研究对于新型污泥热解设备的设计及热解工况的组织具有重 要意义；污泥热化学特性分析对于把握污泥的性质，根据污泥的特点，改进现有工 艺或创造新技术，为污泥减容化、无害化、稳定化和资源化，以及制定符合国家 的环保产业政策提供依据。污泥热解技术利用污泥中富含的有机质，通过热解反 应不仅可以处理大量的污泥，达到无害化，减量化的目的，而且可以产生大量的 有用物质，可以实现经济效益和社会效益的同步增长。符合节能和废物利用的原 则，为废物处理提供新思路。 1 4 3 研究内容 根据文献查阅的结果，可以看到有关的研究和应用已取得一定的成果。但深 入细致的有关具有较大温度梯度的低温热解研究还未展开，热解产物的特性还有 许多不明确的地方，因此十分有必要进行这方面的研究。 针对上述存在的问题，本课题以城市污水处理厂剩余污泥为研究对象，并结 合实际情况，利用自行设计制造的、旨在模拟工业化实际设备中热解特性的小型 外热式固定床实验装置，将以下几个方面的研究作为本人硕士论文工作，目的是 通过研究，取得污水污泥资源化研究成果，为污泥低温热解的实际应用提供理论 和实验基础。 本课题的研究工作主要包括以下几个方面的内容： 8 硕士学位论文 1 污泥样品特性分析。采用仪器测试和实验方法对污泥样品特性进行分析( 工 业分析、元素分析、热重分析、重金属含量分析) 。探求污泥成分的性质，掌握污 泥特性，便于了解其在热解过程中的特点。 2 污泥热解过程研究。在不同热解温度，探求不同粒径的污泥对污泥低温热 解产物成分及产率的影响。通过以上基础性研究，了解污泥在低温热解的过程中 的机理状况，为以后污泥实际工程应用提供基本参数和参考。 3 对热解产物分析。采用先进的分析方法进行详细的研究，探求在不同热解 温度下污泥热解产物特性，特别对液相成分进行了分析，以探索其作为燃料或在 工业上运用的可行性，并为相关的其它研究提供参考。 9 污水污泥热化学特性分析及低温热解产物研究 第2 章热化学基本理论及热解技术 污泥热解反应是污泥热化学反应的一种，任何影响污泥热化学的因素和性质 都会影响污泥热解反应，因此，有必要首先对污泥的热化学特性和热化学处理技 术进行了解。 2 1 污泥的热化学处理 污泥热化学处理的主要目的有三个方面，即1 稳定化和无害化，通过加热使 污泥中的有机物质