基于煤粉的污泥调质与机械脱水的实验研究

刘学鹏，  戴财胜，  贾飞跃，  毛玮阳，  孙翠欢，  彭叶琼，  马淞江

 （湖南科技大学化学化T学院，湖南湘潭411201）

  摘要：基于煤粉具有疏水性能强、热值高等特点，采用真空抽滤脱水实验法考察了煤粉投加量、粒度对污泥调质与机械脱水效果的影响。通过测试污泥调质前后的比阻及其分子结构，初步探讨了基于煤粉的污泥调质与机械脱水的机理。结果表明：当煤粉粒度为150—425 p.m、煤粉投加量为2.5 g/100 ml污泥时，污泥经机械脱水后滤饼含水率由调质前的75.22%降至56.60%，抽滤时间从调质前的300 s降至120 s，污泥比阻值从调质前的2,65x106 S2/g降至6.37x10；S2/g，污泥热值从调质前的8.04 MJ/kg提高至17.92 MJ/kg;煤粉改善污泥机械脱水性能的机理主要表现在煤粉能显著降低污泥比阻并增强污泥疏水性能。可见，基于煤粉的污泥调质不仅能显著地改善污泥的机械脱水性能，还能提高污泥的热值，为污泥的能源化利用创造了条件。

  关键词：煤粉；污泥；调质；机械脱水；机理

  城市污泥是城市生活污水及工业废水进入污水处理系统后，经一系列物理、化学和生物处理，在各级的处理构筑物中截留下来的固态物质。污泥的成分很复杂，它是由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物和无机物组成的集合体，除含有大量的水分外，还含有难降解的有机物、重金属以及少量的病原微生物和寄生虫卵等。随着世界工业的发展、城市人口的增加，城市污水排放量日益增多，城市污泥的产量也与日俱增。污泥如果处理不当就进入环境，不仅会造成资源和能源的浪费，还会对环境、人类、动物的健康造成严重的危害。

 近十年来，我国在城市污泥资源化利用方面进行了较多的研究，取得了较多的成果，但绝大多数污泥资源化利用的研究成果还停留在实验室阶段，不能产业化应用，我国污泥资源化利用效率不足20%，其具有共性的关键问题在于污泥经机械脱水后的水分（80%左右）依然很高，不能满足污泥资源化对其水分的要求，阻碍了污泥资源化利用的产业化实施。因此，如何有效提高污泥脱水性能，使污泥水分满足资源化利用要求，成为当前急需解决的关键科学问题。

 目前，污泥脱水一般采用先重力浓缩后机械脱水工艺，浓缩污泥水分由98%降至95%，在经机械脱水后，污泥泥饼含水量在8O%左右。为改善脱水性能，通常对污泥进行调质，改变污泥表面物化性质和组分，破坏胶体结构，减少其与水的亲和力，从而改善脱水性能。目前，常用污泥调质的方法有物理调质法（如：热调质法、微波调质法、超声波调质法等）和化学调质法。

 其中，物理调质法由于其耗能高且条件不好控制等原因，目前尚处于实验室阶段。在化学调质中，一般以氯化铁、氧化钙为化学调理剂对污泥进行调质。陈嘉愉等以氯化铁、氧化钙为主要原料制备污泥调理剂，对污泥进行化学调质。结果表明，将经该调理剂调质后的污泥进行机械脱水，其滤饼含水率可降至60%左右，但由于氯化铁价格昂贵且其添加量大，不符合企业的经济效益。

 近年来，有许多学者发现粉煤灰具有价格低廉、孔隙结构发达、疏水性能强等特点，纷纷将其应用于污泥脱水的研究中，并取得了可喜的成绩。但由于粉煤灰本身不具有热值，经其调质、脱水后污泥的热值极低，不利于污泥的后续能源化利用。

 作者注意到煤粉不仅具有价格低廉、孔隙结构发达、疏水性能强等特点，还具有粉煤灰所没有的热值高的特点，用煤粉作为调理剂对污泥进行调质，不仅能改善污泥的脱水性能，还能提高调质后污泥的热值，有利于后续的能源化利用。本论文对基于煤粉的污泥调质与机械脱水进行了实验研究，旨在探讨煤粉粒度、投加量等因素对污泥调质与机械脱水效果的影响，揭示基于煤粉的污泥调质与机械脱水的机理。

1  实验部分

1.1  实验原料

实验所用污泥为湘潭市河西污水处理厂的剩余污泥，其含水率为98%，其粒度为1～144 um，平均粒径为29.15um。实验所用煤粉为陕西产的一种长焰煤（简称陕西煤），其粒径≤75 um。实验所用的污泥和煤粉的工业分析如表1所示。

1.2  实验方法

1.2.1  污泥调质与机械脱水

 量取100 ml污泥至250 ml烧杯中，加入一定量的煤粉．搅拌15 min，进行污泥调质。然后，将调质好的污泥迅速转移到真空抽滤装置的布氏漏斗中，进行抽滤，抽滤压力为-0.093 MPa，直至真空破坏。本实验将抽滤后滤饼含水率作为评价污泥机械脱水效果的指标。

 滤饼含水率的测定方法参照《城市污水处理厂污泥检验方法》（CJ/T 221-2005）。

1.2.2  污泥比阻的测定

污泥比阻测定装置如图1所示，其测定方法参照文献[13]。

2  实验结果与讨论

2.1  煤粉投加量对污泥机械脱水性能的影响

分别投加0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4g煤粉（粒径75—425 um）至100 ml污泥中，搅拌15 min，对污泥进行调质，并对调质后污泥进行真空抽滤脱水实验，其结果如图2所示。

 由图2可知，空白污泥经真空抽滤后的滤饼含水率为75.22%，当加入0.5 g煤粉/100 ml污泥时，滤饼含水率迅速降至70.52%，且随着煤粉添加量的增力0，滤饼含水率逐渐降低。当煤粉投加量≤2.5 g/100 ml污泥时，滤饼含水率随煤粉投加量的增加迅速降低；当煤粉投加量≥2.5 g/100 ml污泥时，滤饼含水率随煤粉投加量的增加仍有所降低，但降低的速度变缓。综合考虑处理成本和处理效果，选取2.5 g/100 ml污泥为煤粉最佳投加量。

2.2  煤粉粒度对污泥机械脱水性能的影响

为了探讨煤粉粒径分布对污泥机械脱水效果的影响，分别用40目（425 um）、100目(150 um)、200目（75um）、325目(45 um)的筛子将煤粉筛分成A、B、C、D、E、F6组。其中A组粒径分布为150～425um，B组粒径分布为75—150um，C组粒径分布为45—425 p4m，D组粒径分布为75—425um，E组粒径分布为45～75 um，F组粒径分布为≤45 um。分别投加2.5 g/100 g污泥A、B、C、D、E、F组煤粉至100 ml污泥中，搅拌15 min，对污泥进行调质，并对调质后污泥进行真空抽滤脱水实验，其结果如表2、图3所示。

  由表2可知，不同粒径分布的煤粉对污泥调质、机械脱水后，滤饼含水率有显著差异。经A组煤粉（150—425 um）调质、机械脱水后污泥的滤饼含水率水分可降至56.60%，而经E、F组调质、机械脱水后污泥的滤饼含水率水分≥60%。由图3可以更直观地看出，粒径分布中粗颗粒越多、平均粒径越大的煤粉（图3靠右的分组），经其调质、机械脱水后，滤饼含水率越低。故选取A组煤粉为最优粒径分组。

2.3  煤粉在污泥调质与机械脱水中的机理探讨

 为了揭示煤粉在污泥调质与机械脱水中的机理，采用污泥比阻测定仪、红外光谱分析仪等分析手段，初步探讨了煤粉改善污泥机械脱水性能的机理。

2.3.1  煤粉能显著降低污泥的污泥比阻

分别测定原污泥的比阻和经A组煤粉（投加量为2.5 g/100 ml污泥）调质的污泥的比阻，其测定值如表3所示。

 由表3可知，经煤粉调质后污泥的滤饼含水率、抽滤时间、污泥比阻均较未调质的污泥显著降低，这说明煤粉的加入对污泥比阻有着良好的改善作用，从而改善污泥的机械脱水性能。

2.3.2  煤粉对污泥的疏水性能的改善作用

  为了探讨煤粉对污泥疏水性能的影响，采用美国Nico1et公司的Nic1et 6700型傅里叶红外光谱仪对原污泥、煤粉、经A组煤粉（投加量为2.5 g/100 ml）调质的污泥进行红外光谱分析，压片时控制最大透过率为80%。其结果如图4所示，图中从上到下依次为原污泥、经煤粉调质后污泥、煤粉的红外光谱。

  由图4可知，原污泥和经煤粉调质后污泥的红外光谱基本相同，但经煤粉调质后污泥在3 060 cm-1附近有1个微弱的芳香氢伸缩振动峰（疏水基团），而在原污泥中并不存在。同时，煤粉在3 060 cm-1附近表现出很强的芳香氢伸缩振动峰。这说明在污泥调质过程中，在煤粉中大量的疏水基团的作用下，污泥的疏水性能得到显著的改善。原污泥在3 420 cm-1附近有很强的吸收峰，表明其含有大量的羟基（-OH）、羧基（-COOH）等亲水基团。而经煤粉调质后污泥、煤粉在此处的峰依次减弱，这说明煤粉的加入减少了污泥的亲水基团，相应地改善了污泥的疏水性能。

3  结论

 (1)煤粉能显著改善污泥的机械脱水性能。当煤粉投加量为2.5 g/100 ml污泥，粒径为150～425um时，原污泥（含水率98%）经煤粉调质后的真空抽滤（抽滤压力为-0.093 MPa）滤饼水分由调质前的75.22%降低至56.60%。

 (2)煤粉对污泥调质与机械脱水后，不仅滤饼的含水率低，而且其热值相较于原污泥也得到了显著的提高，为污泥的能源化利用创造了条件，有良好应用前景。

 (3)煤粉改善污泥机械脱水性能的机理主要表现在煤粉能显著降低污泥比阻并增强污泥疏水性能。