污泥改性制备污泥水煤浆的中试试验研究
摘 要：为解决污泥与煤掺混制浆时存在配入量少、污泥水煤浆浓度过低、添加剂用量大、成本高等问题，在实验室开发了污泥复合改性剂与高效改性机相结合的新型污泥改性制备高浓度污泥水煤浆的工艺，并进行了中试制浆试验。结果表明，采用复合改性剂与高效改性机对污泥进行改性，得到的改性污泥黏度比单纯用改性剂得到的改性污泥黏度降低30%以上，这种改性方法完全可以替代流体激波工艺处理污泥。污泥添加量为15%时，污泥水煤浆浓度比不添加改性污泥的普通水煤浆低3%左右，而采用同样污泥改性工艺和优化粒度级配，污泥水煤浆的浓度与普通水煤浆浓度相当，说明采用污泥改性和优化粒度级配可以解决污泥水煤浆浓度低的问题。中试生产线制浆试验结果验证了小试结果和中试装置的可靠性。
关键词：污泥改性；水煤浆；黏度；污泥无害化处理
0 引 言
城市污泥是污水厂在处理城市生活污水和工业废水过程中产生的带有大量污染物的污水处理副产物。随着城市化进程的加快和污水排放标准的提高，城市污水处理的规模和程度不断增加。2014年全国投运的城镇污水处理设施共4 436座，平均处理水量1.35亿m3/d，污泥产量庞大[1]。污泥含水率高(75%～98%)，成分复杂，含有大量有机物质、有毒有害重金属、病原微生物等难降解物质[2-3]。通常，污泥的处理与处置费用占污水处理总费用的30%～40%，因此，如何妥善处置这些数量日益庞大、高度集中的有机固体废弃物，使其不仅可以作为优质的“二次资源”，还可使其达到减量化、稳定化、无害化和资源化，已成为全球关注的课题。传统的污泥处理方法主要有填埋、焚烧和土地利用等[4]，资源化能源化利用率低，焚烧减量明显，是国际上污泥处理的方向之一。但污泥自身发热量较低，约6.28 MJ/kg，通常不能直接燃烧，目前存在运营成本高等问题[5-6]，仍处于起步阶段。随着污泥处理技术的不断深入，现已开发出污泥堆肥、污泥生产建材、污泥制沼气等多种污泥资源化利用方法[7]。利用污泥的超细颗粒和有一定发热量的特性，将污泥与煤混合制成水煤浆，从而有效降低污泥处理的投资和处理成本，是污泥无害化、资源化的有效途径。近年来，国内很多学者进行了污泥制备水煤浆的研究[8-10]，王睿坤等[11]研究了污泥掺混量、添加剂、温度以及剪切速率对污泥水煤浆成浆特性的影响，结果表明，随污泥配入量的增加，煤浆浓度下降，当采用成浆性好的兖州煤制浆且污泥添加量为15%时，污泥水煤浆的最大成浆浓度比不加污泥的普通水煤浆浓度低9%；金大钺等[12]针对污泥水分高、直接配入制备水煤浆浓度低等特性，利用碱性物质对污泥改性后制备污泥水煤浆，污泥水煤浆的最大成浆浓度仅为51%，比原煤制浆低近20%；胡勤海等[13]研究了污泥添加量对水煤浆流变性、稳定性及燃烧等特性的影响，在污泥添加量为5%～10%，分散剂用量为0.6%～1.2%，稳定剂用量为0.1%的情况下，可以得到流变性和稳定性良好的污泥水煤浆。上述研究虽然取得了一定进展，但多数处于起步或实验室阶段，尚不能工业化应用。由于污泥的低固含量、高持水性和不流动性，使得污泥直接与煤掺混制浆时仍存在配入困难、配入量少或污泥水煤浆浓度过低、添加剂用量大、成本高等问题。为解决上述问题，笔者利用国家高技术研究发展计划(863计划)课题“污泥掺混制备生物质燃料技术装备及应用”，以原有研究为基础[14-15]，进行了大量污泥改性制备水煤浆的试验研究，在小试研究的基础上，采用国家水煤浆工程技术研究中心的中试试验装置进行了污泥制浆试验验证，以期在不降低或少降低污泥水煤浆浓度的基础上，尽可能多配入污泥制备污泥水煤浆，为实现污泥水煤浆的工业示范及应用提供参考。
1 试 验
1.1 试验原料
试验原料主要包括制浆用煤和城市污泥。制浆用煤选用低阶煤，城市污泥取自北京某污水处理厂的污泥，试验用原料的特性分析见表1、表2。
表1 试验用煤的特性
Table 1 Characteristic analysis of experimental coal
表2 城市污泥的特性
Table 2 Characteristic analysis of municipal sludge
由表1、表2可知，制浆用煤内水含量较高、灰分低、挥发分高、硫分低，属于低灰、低硫、高发热量的低阶煤。由于该种煤的内水含量高、可磨性指数低，属于难成浆性煤种。北京污泥全水大于80%，灰分大于45%，挥发分高达44.01%，热值仅为10.75 MJ/kg，具有高持水、高灰分、高挥发分、低发热量的特性。将污泥与煤配合制浆可以利用污泥有一定发热量代替少量制浆用煤，同时污泥的高挥发分可以改善污泥水煤浆的燃烧特性[16-17]，对促进污泥水煤浆的燃烬具有一定作用。
1.2 试验方法
1.2.1 污泥改性试验
试验采用改性剂和改性装置相结合的方法对污泥进行二级改性。由于流体激波污泥改性装置属于高压设备，入料粒度非常苛刻，而污泥的高含水量、高黏度特性，导致污泥难以连续在流体激波污泥改性装置中进行改性处理。因此，采用高效改性机代替流体激波污泥改性装置对污泥进行二级改性。具体改性方法为：先在污泥中添加适量改性剂充分混合均匀，得到一级改性污泥。然后将一级改性污泥送入高效改性机中进行处理，得到流动性较好的二级改性污泥。
1.2.2 制浆试验
将破碎至一定粒度的低阶煤、改性后的污泥、分散剂及部分细浆按一定比例加入棒磨机中磨矿20～30 min后，将污泥水煤浆取出并对其产品质量等指标进行分析。污泥制备高浓度水煤浆的工艺流程如图1所示。
图1 污泥制备高浓度水煤浆的工艺流程
Fig.1 Process of high concentration coal water slurry prepared by sludge
1.2.3 污泥水煤浆性能检测
污泥水煤浆的浓度按照GB/T 18856.2—2008《水煤浆试验方法 第2部分：浓度测定》进行检测，黏度按照GB/T 18856.4—2008《水煤浆试验方法 第4部分：表观黏度测定》进行检测。
污泥水煤浆流动性采取目测法，分4个等级：A为流动性很好，连续流动；B为流动性较好，半连续流动；C为有一定流动性，间断流动；D为无流动性。
污泥水煤浆的稳定性评价方法采用传统的棒插法观测，即将被测水煤浆试样密闭静置24 h后，观察水煤浆的沉淀情况。水煤浆稳定性的判定分成4个等级：A级为浆体保持其初始状态，无析水和沉淀产生；B级为存在少量析水或有少许软沉淀产生；C级为有软沉淀产生，密度分布不均，但经搅拌后可再生；D级为产生部分硬沉淀或全部硬沉淀。
2 结果与讨论
2.1 改性条件对污泥改性效果的影响
2.1.1 改性剂种类的影响
试验选择3种复合改性剂，按照2%的比例将改性剂配入污泥中，在搅拌机中混合约30 min后，得到一级改性污泥，然后将其送入高效改性机中进行30 min的改性处理，得到二级改性污泥。通过对二级改性后的污泥进行浓度、黏度和流态检测，考察改性剂种类对污泥改性效果的影响，结果见表3。由表3可知，不同改性剂对污泥改性效果影响很大，其中NM型改性剂的改性效果最好，GM型次之，YM型最差。污泥经过NM型改性剂改性后，流态为B，即有一定的流动性，但经过高效改性机改性30 min后，污泥的浓度、黏度、流态均发生较大变化。污泥浓度由14.1%降至13.2%，这可能是高效改性机的特殊结构能加速NM改性剂与污泥的充分接触，并使污泥中的某种组分(如聚丙烯酰胺)发生部分降解，释放出部分自由水，导致污泥浓度有一定幅度的降低。因此，污泥的黏度由300 mPa·s降至202 mPa·s，降低32.7%,污泥的流态也得到明显改善。污泥经二级改性后的性质变化充分说明污泥经过改性剂与高效改性机共同处理后的效果十分明显。改性污泥的黏度降低可以在一定程度上解决污泥水煤浆浓度过低的问题。
表3 不同改性剂的改性效果
Table 3 Modification results of different modifiers
2.1.2 改性时间的影响
采用NM型改性剂对污泥进行二级改性，研究了不同改性时间对污泥改性效果的影响，结果见表4。
表4 不同改性时间的改性效果
Table 4 Modification results of different modified times
由表4可知，污泥经过NM型改性剂与高效改性机二级改性后，随改性时间的增加，改性污泥的浓度、黏度下降，流态变好。改性时间为20 min时，改性效果不明显，改性时间30 min时，改性效果明显变好，之后随着改性时间的增加，改性污泥的浓度、黏度虽有下降，但变化不大。因此，考虑污泥改性处理量以及改性成本，选择改性时间为30 min。
2.2 污泥添加量对污泥水煤浆成浆性的影响
采用NM复合型改性剂2%、改性时间30 min获得的改性污泥以及国家水煤浆工程技术研究中心研制的污泥水煤浆专用添加剂，研究了不同改性污泥添加量对污泥水煤浆成浆性的影响，结果见表5。
表5 不同污泥添加量对污泥水煤浆性能的影响
Table 5 Influence of sludge dosages on performance of sludge coal water slurry
由表5可知，随着污泥添加量的增加，污泥水煤浆浓度降低，污泥添加量为15%时，污泥水煤浆浓度比不添加改性污泥的普通水煤浆低3%左右，而采用优化粒度级配，污泥水煤浆的浓度与普通水煤浆浓度相当，说明采用污泥改性和优化粒度级配可以解决污泥水煤浆浓度低的问题。当污泥添加量为20%时，污泥水煤浆的浓度比不添加改性污泥的普通水煤浆浓度低6%左右，同时煤浆黏度高、流动性变差。这是因为污泥中含有絮凝作用的聚丙烯酰胺，其是高黏度和高持水性的高分子聚合物，污泥表面具有强大的吸附能力。随着污泥掺混量的增加，有更多的自由水被固定到污泥的絮状结构中，引起表观黏度增加或浓度降低。虽然在用污泥改性剂和高效改性剂对污泥改性时已经对聚丙烯酰胺进行了部分降解，破坏了其网状结构并释放出部分自由水，但现有污泥改性方法还不能彻底解决其高黏度和网状结构的特性。因此，采用污泥制备水煤浆时，污泥的添加量以不超过15%为宜。
2.3 污泥与煤掺混制备水煤浆的中试试验
根据上述试验结果，采用NM复合型改性剂2%、改性时间30 min，将15%的改性污泥、添加剂与低阶煤煤按照图1的污泥水煤浆制备流程进行了中试试验装置的验证，制浆方案见表6，对成品水煤浆的性能进行了检测，结果见表7。
表6 污泥水煤浆制浆方案
Table 6 Preparation scheme of sludge coal water slurry
表7 污泥水煤浆性能检测
Table 7 Performance test of sludge coal water slurry
由表6、表7可知，方案1是采用国家水煤浆工程技术研究中心开发的粗细煤粉粒度级配制浆，在配入污泥改性剂2%、污泥添加量15%、高效添加剂的添加量0.7%的条件下，不经改性机处理得到的改性污泥水煤浆不仅浓度较低，而且黏度高、流动性差、稳定性差，发热量也较低。方案2是在添加相同改性剂和污泥添加量后又在高效改性机中处理一定时间，制备的污泥水煤浆质量很好，特别是煤浆发热量，高于要求的13.82 MJ/kg。方案3采用优化粒度级配工艺制备污泥水煤浆，在改性污泥及高效添加剂的添加量与方案2相同的条件下，制备的污泥水煤浆的质量指标更好，煤浆浓度超过60%，与采用粗细煤粉粒度级配、不添加污泥制备的普通水煤浆浓度相当，而煤浆发热量达到16.77 MJ/kg，基本解决了掺入污泥制浆后污泥添加量少或煤浆发热量过低的问题。
总之，方案2、3在中试装置上制备的污泥水煤浆性能很好，与实验室小试的研究结果相当，进一步验证了中试装置的可靠性。
3 结 论
1)改性条件试验结果表明，单纯采用改性剂对污泥进行一级改性后制备的水煤浆不仅浓度低、黏度高、流态也很差，只有将改性剂与高效改性机联合使用，才能达到理想的改性效果。采用NM型改性剂2%及在高效改性机中处理污泥30 min后，制备的污泥水煤浆性能均较好。
2)污泥添加量对污泥水煤浆的成浆性有很大影响，随着污泥添加量的增加，煤浆浓度下降，黏度增加，流态变差，这是因为污泥中含有絮凝作用的聚丙烯酰胺是高黏度和高持水性的高分子聚合物，其污泥表面具有强大的吸附能力。随着污泥掺混量的增加，有更多的自由水被固定到污泥的絮状结构中，引起表观黏度增加或浓度降低。研究表明，污泥的添加量以不超过15%为宜。
3)根据实验室小试的污泥制浆研究结果，采用复合改性剂与高效改性机对污泥进行二级改性，改性污泥黏度大幅降低，这种改性方法完全可以替代流体激波工艺处理污泥，同时克服了流体激波因压力高，对原料要求苛刻，不能连续生产等问题。
4)中试生产线制浆试验结果表明，采用二级污泥改性工艺及粗细分级研磨制浆工艺，得到污泥水煤浆的浓度仅比普通水煤浆的浓度低3%～4%，而采用同样污泥改性工艺及优化粒度级配工艺制备的污泥水煤浆浓度与不添加污泥的普通水煤浆浓度相当。
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Pilot-scale experiment study on sludge coal water slurry preparation by sludge modification
Abstract:In order to improve the addition of sludge and sludge coal water slurry concentration,reduce additive and production cost,a process of preparing high concentration sludge coal water slurry was developed in the laboratory by compounding modifying agent and high efficiency modification machine.Pilot-scale experiments were carried out to verify the results.The results showed that by using the compound modifying agent and high efficiency modification machine,the modified sludge viscosity was reduced by 30%,and the modified method could completely replace the fluid shock process.When the sludge content was 15%,the concentration of coal water slurry prepared by the modified sludge was 3% lower than that of ordinary coal slurry.The concentration of sludge water coal slurry prepared by the same sludge modification process and the optimized particle size distribution was quite similar to that of ordinary coal slurry.The pilot-scale results verified the laboratory-scale results and the reliability of the pilot-scale device.
Key words:sludge modification;coal water slurry;viscosity;sludge harmless disposal
中图分类号：TQ536.1
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2016)03-0011-05
收稿日期：2016-03-25；责任编辑白娅娜
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.03.003
基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA063506)
引用格式：王国房.污泥改性制备污泥水煤浆的中试试验研究[J].洁净煤技术，2016，22(3)：11-15.
WANG Guofang.Pilot-scale experiment study on sludge coal water slurry preparation by sludge modification[J].Clean Coal Technology，2016，22(3)：11-15.
