城市污水污泥掺烧的研究

城市污水污泥掺烧的研究

1 引言

随着污水排放标准的日趋严格及污水处理设施的不断发展, 污泥的产量大幅增加的同时, 浓缩在其中的重金属、致病微生物及难降解的有机物等有毒有害物质的种类和数量也急剧增加.据统计, 2015年中国城市污水污泥的年产量超过3000×104 t, 这些污泥的成分复杂、含水率高、不稳定且较易腐化, 急需进行有效的处理处置.与卫生填埋、用作农肥、热解等传统的污泥处理处置方法相比, 焚烧法具有减量化、无害化、快速化且可回收能源等优点而具有广阔的应用前景, 其处理方式包括单独焚烧和掺烧.我国环保部出台的《城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南(试行)》(2010年)及《污水处理厂污泥处理处置最佳可行技术导则(征求意见稿)》(2008年)中明确把污泥焚烧作为我国污泥处理处置最佳可行技术之一, 但目前各类机械脱水后污泥具有高水分、高灰分、高粘度、低热值的特点, 导致污泥单独焚烧具有焚烧不彻底、挥发分不易析出等缺点, 因此, 急需开展污泥的掺烧实验研究.

为了获得污泥掺烧过程的燃烧特性, 国内外学者多采用热重分析法对不同来源、不同混合比污泥及其与生物质的混燃特性进行研究.刘敬勇和孙水裕研究表明不同来源的污泥燃烧性能与污水处理厂水处理工艺、污泥种类及其理化性质有关; 李洋洋等指出煤中加入一定比例干污泥后可以改善其着火性能; 廖艳芬等指出生物质脱灰后其着火性能明显改善; 宁寻安等研究表明印染污泥和木屑混燃后其综合燃烧特性指数增大; Xie和Ma发现造纸污泥掺烧秸秆可以改善其燃烧性能.可见, 污泥中掺烧生物质可以改善污泥的燃烧性能.在众多的生物质中, 咖啡渣含有脂肪酸、木质素、纤维素和半纤维素等有机物.目前，全世界每年咖啡渣产量约600×104 t, 其研究主要集中于提炼生物柴油、提取甘露聚糖和聚羟基脂肪酸、制备生物质活性炭等资源综合利用方面.由于咖啡渣中生物油含量高达15%, 因此其被视为新一代极具潜力的生物质能源.前期已有研究表明咖啡渣具有灰分低、有机质含量高、热值高等特点, 且咖啡渣的固定碳燃烧较松木和无烟煤容易.但是, 目前咖啡渣用来燃烧或掺烧获得能源的研究却鲜见报道.

基于此, 本文选取污泥及掺烧物料咖啡渣为研究对象, 进行两者之间的混燃实验, 重点探讨不同升温速率、不同混合比以及不同气氛条件下污泥与咖啡渣的单一样及其混合试样的燃烧特性, 计算了其混燃的各类综合燃烧特性指数, 并采用Coats-Redfern积分法进行燃烧动力学关键参数求解, 建立其燃烧动力学模型, 研究结果可为污泥与生物质混烧工艺设计及掺烧工况运行提供指导, 同时为咖啡渣的有效处理处置及协同处理提供新的思路.

2 材料与方法

2.1 试样

本文所采用的咖啡渣取自广州市某速溶咖啡加工厂, 污泥为广州市某大型污水处理厂的终端脱水污泥, 取回的样品放在阴凉通风处晾干后用破碎机破碎, 然后经过玛瑙研钵研磨、筛分, 使粒径小于200目.

筛分后样品采用恒温烘干箱在105 ℃下干燥24 h.混合样为污泥、咖啡渣按照4种不同比例混合而成, 其中咖啡渣在混合样中的质量分数分别为10%、20%、30%、40%.试样的工业分析采用GB/T28731—2012《固体生物质燃料工业分析方法》, 样品的元素分析和工业分析结果见表 1.

表 1 污泥和咖啡渣的元素分析和工业分析

2.2 实验装置

热重实验装置采用德国生产的热综合分析仪(NETZSCH Simultaneous Thermal Analyzer STA 409PC Luxx), 可获得试样的TG及DTG曲线, 其主要技术指标如下:测量温度范围为室温至1400 ℃; 最大试样量:1000 mg;热天平精度为1 μg; 升温速率为0~20 ℃·min-1; 实验气氛为空气、富氧气氛(VO2:VCO2=2:8).

2.3 实验条件

样品研磨至粒度小于200目, 然后按照要求进行充分混合.实验温度范围为25~1000 ℃, 以3种升温速率(10、15、20 ℃·min-1)进行升温, 燃烧气氛为空气气氛及富氧气氛

(V(O2):V(N2)=2:8), 载气流量为50 mL·min-1.每次取试样质量为(10±0.5)mg.为了减小

实验误差, 每次热重实验都需扣除空白影响, 并在同批次样品中抽取1个样品进行3次重复实验以进行数据监控.

3 结果与讨论

3.1 燃烧特性曲线分析

3.1.1 污泥及咖啡渣单一样品的热重曲线分析

从图 1a可以看出, 污泥燃烧过程中的失重主要分为3个阶段:第一阶段为水分蒸发阶

段(30~185 ℃), 占总失重的9.32%, 主要是污泥中结合水的析出; 第二阶段为挥发分的析

出和燃烧(185~401 ℃), 占总失重的47.24%, 主要是由于污泥中易挥发分及可降解有机物

等物质的析出和燃烧过程, 该阶段DTG曲线存在一个明显的失重峰, 并当温度>330 ℃存在一个明显的侧峰.呈现这种侧峰现象的原因应该是污泥中所含挥发分化学键的强弱不一导致燃烧的难易程度的不同.第三阶段为挥发分和固定碳的燃尽(401~636 ℃), 占总失重的

40.49%, 此时易挥发性组分以及可降解有机物燃烧基本完成, 难挥发性组分开始析出燃烧, 同时炉内的氧气缓慢渗透到达固定碳表面, 固定碳开始燃烧, 直至难挥发分分解完成, 炉

内氧气充分与固定碳表面接触, 固定碳开始迅速燃烧并燃尽.由图 1b可知, 咖啡渣的

TG-DTG曲线与污泥相比有明显区别, 主要分为2个阶段, 第一阶段为挥发分的析出与燃烧(200~340 ℃), 即主挥发分析出区, 该阶段失重率高, 占总失重的55.79%, 其失重峰对应的温度为300.2 ℃, 主要是半纤维素的分解; 第二阶段为挥发分的燃尽与固定碳的燃烧(410~465 ℃), 占总失重的27.08%.第二失重峰对应的温度为428.8 ℃, 主要是纤维素燃烧与焦炭化.

图 1升温速率为20 ℃·min-1时单一污泥和咖啡渣燃烧的TG和DTG曲线(a.污泥; b.

咖啡渣)

对比图 1中a、b可以看出, 咖啡渣的挥发分及固定碳燃烧两个阶段的失重速率峰值都比污泥大, 并且两个失重峰对应的温度区间、最终剩余质量百分数都明显比污泥小, 这说明与污泥相比, 咖啡渣燃烧过程中其挥发分的释放及燃烧更加集中, 且咖啡渣燃烧更彻底更充分.主要原因可能是咖啡渣的主要可燃成分为油脂、纤维素、木质素等成分, 且有机质含量高, 灰分含量远低于污泥.另外, 根据图 1中TG和DTG曲线确定污泥和咖啡渣的着火温度和燃尽温度(试样失重占总失重的98%时对应的温度), 求得污泥的着火温度和燃尽温度

分别为236.0 ℃和630.1 ℃, 咖啡渣的着火温度和燃尽温度分别为283.1 ℃和481.2 ℃.污泥的燃尽温度比咖啡渣高148.9 ℃, 说明污泥相比咖啡渣含有较难燃尽的物质.由表 1

工业分析可知, 咖啡渣的灰分含量比污泥低, 挥发分含量比污泥高, 但污泥的着火温度却比咖啡渣的低47.1 ℃, 主要原因是污泥主要成分为低级的有机物, 其结构简单且经过生

物氧化后在高温下易分解.

3.1.2 不同升温速率条件下污泥及咖啡渣单一样品的热重曲线分析

图 2为单一污泥和咖啡渣试样在空气气氛下, 升温速率分别为10、15和20 ℃·min-1的燃烧曲线.由图 1a可知, 随着升温速率的升高, 污泥的DTG曲线向高温区偏移, 峰值增大, 燃烧区间变宽, 燃烧失重速率变大, 达到相同失重所需时间减少.结合表 2可知, 升

温速率由10 ℃·min-1增加到20 ℃·min-1, 污泥的燃尽时间由59.0 min缩短至31.3 min, 并且达到最大失重速率所需时间和着火时间分别减少12.3 min和9.3 min.这主要是因为升温速率的提高, 一方面使试样燃烧反应时间减少, 反应变得更加剧烈; 另一方面试样内外层温度差别增大, 传热传质受到限制, 导致DTG曲线向高温区偏移.

图 2不同升温速率下污泥和咖啡渣的TG和DTG曲线(a.污泥; b.咖啡渣)