申请日2017.02.24
公开(公告)日2017.07.04
IPC分类号C10L1/32
摘要
本发明涉及污泥处理技术，旨在提供一种通过污泥预处理提高污泥水煤浆成浆性能的方法。该方法是先向污泥中添加调理剂，混匀后利用微波进行辐射，通过预处理改善污泥的物理和化学特性;经过预处理后的调理污泥再用于与煤粉、水和水煤浆添加剂掺混制备成污泥水煤浆。所述调理剂为氯盐，其添加量是污泥质量的0.5～1%;微波的频率为2450MHz或900MHz，微波辐射时间为0.5～3min。本发明简单可行，变废为宝，具有明显的社会和经济效益，是一种有效的减量化、无害化、资源化利用方式。利用调理剂和微波辐射双重预处理改性，方法容易实现，便于操作，但取得的效果非常显著，可大幅度提高污泥水煤浆的浓度和污泥掺混量，降低污泥水煤浆粘度。
权利要求书
1.通过污泥预处理提高污泥水煤浆成浆性能的方法，其特征在于，是先向污泥中添加调理剂，混匀后利用微波进行辐射，通过预处理改善污泥的物理和化学特性;经过预处理后的调理污泥再用于与煤粉、水和水煤浆添加剂掺混制备成污泥水煤浆;
所述调理剂为氯盐，其添加量是污泥质量的0.5～1%;微波的频率为2450MHz或900MHz，微波辐射时间为0.5～3min。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的污泥为城市污水或工业污水处理过程中产生的活性污泥或其机械脱水产物，含水率80%以上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的水煤浆添加剂是：亚甲基萘磺钠-苯乙烯磺酸钠-马来酸钠、亚甲基萘磺酸盐甲醛缩合物或木质素磺酸钙。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调理剂是氯化钠、氯化钾或氯化钙。
5.根据权利要求1至4任意一项中所述的方法，其特征在于，在制成的污泥水煤浆中，各组分的质量浓度百分比为：按含水率80%折算的调理污泥10～20%、煤粉52.5～62.2%、水17～37%、水煤浆添加剂0.5～0.8%。
说明书
通过污泥预处理提高污泥水煤浆成浆性能的方法
技术领域
本发明涉及污泥处理技术，特别涉及一种提高污泥水煤浆成浆性能的方法。具体方法是将污泥先进行预处理，再和煤、水、添加剂等掺混制备污泥水煤浆，以此大幅提高污泥水煤浆的成浆浓度，增加污泥掺混量。
背景技术
我国化石能源分布特点为富煤、贫油、少气，煤炭在我国的一次能源消费结构中占60%以上，这种以煤为主的能源生产和消耗结构在较长时期内不会改变，因此，煤炭在我国国民经济发展和人民生活中占据十分重要地位。水煤浆是一种新型的煤基液态清洁燃料，由60-70%左右的粉煤、30-40%左右的水和0.5-1%左右的化学添加剂组成，水煤浆既保持了煤炭原有的物理特性，又能像液体燃料油一样流动、储存、搅拌、雾化燃烧和气化，在目前石油供应较为紧张情况下，能够取代燃油和燃气，是一种理想的锅炉燃料和气化原料。水煤浆技术自上世界70-80年代诞生以来，已在国内外得到较为广泛的应用，包括各种工业锅炉、电站锅炉，冶金、建材窑炉，化工气化炉等。
随着经济和社会的快速发展，城市和工业污水处理厂的污泥数量也大幅度增加，由于污泥不仅含有大量的有机质，同时含有有毒有害物质，如病原微生物、细菌、重金属等，处理难度大、成本高，易造成二次污染。如何高效清洁低成本地处理这些污泥，使城市和工业、社会的发展可持续化，已成为迫切需要解决的问题。目前常规的污泥处理技术有农用、填埋、焚烧等，特别是焚烧技术被认为是比较彻底的污泥减量化、无害化、资源化利用。但一般污水处理厂出厂的污泥是经过机械脱水后的湿污泥，含水率仍然达到80%以上，很难进行直接焚烧或掺混煤燃烧，需要把水分进一步脱除到40%左右，才能进行焚烧或燃烧处理，然而水分从80%左右脱除到40%，还需要消耗大量的热能，影响到经济效益。近年来将湿污泥直接与煤、水、添加剂等物质掺混制备污泥水煤浆是一种全新的、有效的污泥资源化利用方法。该技术不需要对机械脱水后的湿污泥再进行脱水处理，污泥中的高水分处理得当还可以节省制浆所需的清水，这样不仅节省了大量脱水用的热能，而且简化了工艺和技术，提高了污泥利用的经济性。此外，燃烧含污泥的水煤浆不仅可以处理大量的污泥，又能回收利用其热值，实现了变废为宝的目的。
由于污泥组分十分复杂，已有的研究均表明水煤浆掺混污泥后，成浆浓度会大幅度下降，而成浆粘度会上升。其原因是：1)污泥中较多水分为细胞水(微生物细胞内部的水分)，在制备成水煤浆后仍赋存在细胞中，不能成为流动的自由水，使最终水分占比提高了，即浆体的固相浓度下降了;2)污泥中存在大量絮状组织，这种结构有着强大的吸水能力，被吸附的水分同样不能自由流动，使起润滑作用的水分减少，导致浆体浓度下降或粘度上升。3)污泥中的胞外聚合物和颗粒表面的含氧官能团具有很强的亲水性，在水煤浆中会大量束缚水分，使之不能成为自由水而影响水煤浆的浓度和粘度。根据研究显示，当湿污泥掺混量为15%时(湿污泥和干煤粉的占比)，会使水煤浆的浓度下降10个百分点以上。而开发污泥水煤浆的目的是要尽可能多的掺混污泥量，节约煤炭资源，提高经济性和社会效益，以达到节能减排的目的。如何提高污泥水煤浆的浓度和污泥的掺混量，降低污泥水煤浆粘度，是解决污泥水煤浆成浆性能的关键，已成为人们普遍关注的热点问题。
因此，开发一种能增加污泥在水煤浆中的掺混量，提高污泥水煤浆的成浆浓度，降低污泥水煤浆的粘度的技术方法，对大规模处理城市和工业污泥，降低污泥处理成本，加快污泥的减量化、无害化、资源化综合利用有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提出一种通过污泥预处理提高污泥水煤浆成浆性能的方法。该方法能提高污泥水煤浆的浓度和掺混量，降低污泥水煤浆的粘度。
为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种通过污泥预处理提高污泥水煤浆成浆性能的方法，是先向污泥中添加调理剂，混匀后利用微波进行辐射，通过预处理改善污泥的物理和化学特性;经过预处理后的调理污泥再用于与煤粉、水和水煤浆添加剂掺混制备成污泥水煤浆;
所述调理剂为氯盐，其添加量是污泥质量的0.5～1%;微波的频率为2450MHz或900MHz，微波辐射时间为0.5～3min。
本发明中，所述的污泥为城市污水或工业污水处理过程中产生的活性污泥或其机械脱水产物，含水率80%以上。
本发明中，所述的水煤浆添加剂是：亚甲基萘磺钠-苯乙烯磺酸钠-马来酸钠、亚甲基萘磺酸盐甲醛缩合物或木质素磺酸钙。
本发明中，所述调理剂是氯化钠、氯化钾或氯化钙。
本发明中，在制成的污泥水煤浆中，各组分的质量浓度百分比为：按含水率80%折算的调理污泥10～20%、煤粉52.5～62.2%、水17～37%、水煤浆添加剂0.5～0.8%。
发明原理说明：
污泥由于含有大量稳定的细胞水、呈絮状结构的有机胞外聚合物和亲水性极强的含氧官能团，使其与煤掺混制备水煤浆后，浆体的固相质量浓度大幅下降，影响了污泥的掺混量，一般掺混比例在15%以下，否则将会使浆体粘度大幅上升或浆体浓度大幅下降，甚至降至50%以下，失去合理的经济效益，影响到推广应用。因此，如何破坏污泥中的细胞壁，使水成为自由流动的水;打碎污泥中絮状结构，破坏胞外聚合物，减弱持水能力;改善或分解污泥中含氧官能团，减轻污泥颗粒表面的亲水性等，是提高污泥水煤浆成浆性能的关键。本发明通过对污泥先进行调质预处理，尽可能消除上述问题，然后再与煤掺混制备污泥水煤浆，这无疑是一种高效的提高污泥水煤浆浓度和污泥掺混量的技术路径。
本发明提出利用调理剂和微波辐射双重预处理方法。由于污泥的介电特性不强，对微波的吸收能力较弱，直接采用微波辐照效果不好，氯盐调理剂能改善泥的介电特性，强化离子传导，提高微波能在污泥中的转化效率和污泥辐射温度。微波具有特殊致热效应和选择性加热特点等，同时会引起污泥内部激烈搅拌，在调理剂的辅助下，造成局部高温和高压，破坏污泥中微生物的细胞壁，分解含氧官能团;此外，微波的辐射过程中会产生自由基和受激活性氧，具有强的氧化性，能分解和破坏污泥中的有机胞外聚合物;微波还具有降粘作用，能够降低体系的空间位阻，促进污泥更好地溶于水中。
在氯化盐调理剂和微波辐射双重作用下，污泥中微生物的细胞壁将被破坏，细胞水流出成为制浆中需要的自由水，达到在煤颗粒和污泥颗粒之间起润滑作用的目的;污泥中的絮状组织被打碎破坏，胞外聚合物被分解，以有机物为基础的细胞壁、碳水化合物的细胞组织和油脂将被分解，促使污泥颗粒中的束缚水和细胞水得以释放;在高温高压和调理剂作用下，污泥颗粒表面大量的含氧官能团也将分解，污泥颗粒表面亲水性得到彻底改善;此外辐射和调理可以调整污泥胶体粒子群排列状态，克服电性排斥作用和水合作用，减小其与水的亲和力，降低污泥絮体的持水性能。以上各种效果均能高效改善污泥与煤的成浆特性。经过预处理后的调理污泥再与煤、水和添加剂按一定比例掺混制备成污泥水煤浆。
本发明中，在掺混过程中通过调整水的添加量，使最终制得的污泥水煤浆中的固体的质量浓度为55-67%。与常规污泥水煤浆相比，经过预处理后的污泥水煤浆成浆浓度或污泥掺混量可大幅提高，浆体粘度下降。
与现有技术相比，本发明的技术优势是：
(1)利用水煤浆技术处理污泥，方法简单可行，变废为宝，具有明显的社会和经济效益，是一种有效的减量化、无害化、资源化利用方式。
(2)利用调理剂和微波辐射双重预处理改性，方法容易实现，便于操作，但取得的效果非常显著，可大幅度提高污泥水煤浆的浓度和污泥掺混量，降低污泥水煤浆粘度。
附图说明
图1为本发明中污泥预处理制备污泥水煤浆的流程示意图。
附图标记：①污泥;②破碎机;③混合装置;④调理剂;⑤微波辐射装置;⑥制浆装置;⑦煤粉;⑧水;⑨添加剂;⑩储浆罐。
具体实施方式
以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。
如图1所示，本发明利用调理剂和微波对污泥进行预处理改性，提高污泥水煤浆的成浆浓度(或降低成浆粘度)和污泥掺混量。具体方法：污泥①经过常规的破碎机②，使污泥颗粒大小破碎至5mm以下，在混合转置③中和粉状调理剂④进行机械混合，混合装置可以是一般机械式掺混装置;掺混调理剂的污泥再进入微波辐射装置⑤进行调质预处理，该微波辐射装置可以是普通微波炉或类似装置，在微波中停留时间为0.5-3分，微波功率根据预处理污泥的量来确定;预处理后的调理污泥再进入制浆装置⑥，同时加入煤粉⑦、水⑧及水煤浆添加剂⑨一起制备成污泥水煤浆，制浆装置可以是目前常用的水煤浆湿法球磨机制浆工艺装置，水为普通工业用水或适合制浆的废水，添加剂为常用的水煤浆添加剂，如亚甲基萘磺钠-苯乙烯磺酸钠-马来酸钠、亚甲基萘磺酸盐甲醛缩合物、木质素磺酸钙等。制备完成的污泥水煤浆置于储浆罐⑩中备用。
下述各实施例中，污泥为城市污水或工业污水处理过程中产生的活性污泥或其机械脱水产物，含水率80%以上(各实施例中的污泥或调理污泥的质量百分比例均按含水率80%折算)。
实施例1：
材料：
污泥为杭州某污水处理厂经过机械脱水后的污泥，含水率约为80%。煤为山东兖州烟煤，空干基水分、灰分、挥发分和固定碳分别为1.18%、15.24%、29.50%和54.08%。添加剂为亚甲基萘磺钠-苯乙烯磺酸钠-马来酸钠。
步骤：
按照预估水煤浆浓度，计算出制浆所需的湿污泥、煤(粒度≤4mm)、水以及添加剂的用量。污泥不进行预处理，将相应质量的污泥、煤颗粒和对应比例的水、添加剂装入变频行星式球磨机中，所占的容积大约为球磨机罐容积的三分之一，然后按照试验要求将一定配比的钢球(大球、中球和小球的直径分别为：20mm，10mm，6mm)加入罐中，关上盖罩，设定好球磨机的转速、换向运行周期和运行时间等参数后，启动球磨机，制备水煤浆。
各组分质量百分比例：
污泥：10%，煤：52.5%，水：37%，添加剂：0.5%。
实施例2：
材料：
污泥为南京某石化企业污水处理后的污泥，含水率约为80%。煤为山东兖州烟煤，空干基水分、灰分、挥发分和固定碳分别为1.18%、15.24%、29.50%和54.08%。添加剂为木质素磺酸钙。
步骤：
按照预估水煤浆浓度，计算出制浆所需的湿污泥、煤(粒度≤4mm)、水以及添加剂的用量。污泥不进行预处理，将相应质量的污泥、煤颗粒和对应比例的水、添加剂装入变频行星式球磨机中，所占的容积大约为球磨机罐容积的三分之一，然后按照试验要求将一定配比的钢球(大球、中球和小球的直径分别为：20mm，10mm，6mm)加入罐中，关上盖罩，设定好球磨机的转速、换向运行周期和运行时间等参数后，启动球磨机，制备水煤浆。
各组分质量百分比例：
污泥：15%，煤：56.3%，水：28%，添加剂：0.7%。
实施例3：
材料：
污泥为杭州某污水处理厂经过机械脱水后的污泥，含水率约为80%。煤为山东兖州烟煤，空干基水分、灰分、挥发分和固定碳分别为1.18%、15.24%、29.50%和54.08%。添加剂为亚甲基萘磺钠-苯乙烯磺酸钠-马来酸钠。调理剂为氯化钾。
步骤：
按照预估水煤浆浓度，计算出制浆所需的湿污泥、调理剂、煤(粒度≤4mm)、水以及添加剂的用量。污泥进行预处理，将相应质量的污泥和调理剂混合均匀后放入微波辐射装置改性0.5min，微波功率800w，频率2450MHz;改性后的调理污泥、煤颗粒和对应比例的水、添加剂装入变频行星式球磨机中，以后重复实施例1步骤。
各组分质量百分比例：
污泥：10%，煤：52.5%，水：37%，添加剂：0.5%;调理剂氯化钾质量占污泥质量的0.8%。
实施例4：
材料：
污泥为杭州某污水处理厂经过机械脱水后的污泥，含水率约为80%。煤为山东兖州烟煤，空干基水分、灰分、挥发分和固定碳分别为1.18%、15.24%、29.50%和54.08%。添加剂为木质素磺酸钠。调理剂为氯化钙。
步骤：
按照预估水煤浆浓度，计算出制浆所需的湿污泥、调理剂、煤(粒度≤4mm)、水以及添加剂的用量。污泥进行预处理，将相应质量的污泥和调理剂混合均匀后放入微波辐射装置改性3min，微波功率800w，频率900MHz;改性后的调理污泥、煤颗粒和对应比例的水、添加剂装入变频行星式球磨机中，以后重复实施例1步骤。
各组分质量百分比例：
污泥：20%，煤：62.2%，水：17%，添加剂：0.8%;调理剂氯化钙质量占污泥质量的0.8%。
实施例5：
材料：
污泥为南京某石化企业污水处理后的污泥，含水率约为80%。煤为山东兖州烟煤，空干基水分、灰分、挥发分和固定碳分别为1.18%、15.24%、29.50%和54.08%。添加剂为亚甲基萘磺酸盐甲醛缩合物。调理剂为氯化钠。
步骤：
按照预估水煤浆浓度，计算出制浆所需的湿污泥、调理剂、煤(粒度≤4mm)、水以及添加剂的用量。污泥进行预处理，将相应质量的污泥和调理剂混合均匀后放入微波辐射装置改性1.5min，微波功率800w，频率2450MHz;改性后的调理污泥、煤颗粒和对应比例的水、添加剂装入变频行星式球磨机中，以后重复实施例1步骤。
各组分质量百分比例：
污泥：15%，煤：56.3%，水：28%，添加剂：0.7%;调理剂氯化钠质量占污泥质量的0.8%。
实施例6：
材料：
污泥为杭州某污水处理厂经过机械脱水后的污泥，含水率约为80%。煤为山东兖州烟煤，空干基水分、灰分、挥发分和固定碳分别为1.18%、15.24%、29.50%和54.08%。添加剂为亚甲基萘磺钠-苯乙烯磺酸钠-马来酸钠。调理剂为氯化钠。
步骤：
按照预估水煤浆浓度，计算出制浆所需的湿污泥、调理剂、煤(粒度≤4mm)、水以及添加剂的用量。污泥进行预处理，将相应质量的污泥和调理剂混合均匀后放入微波辐射装置改性1.5min，微波功率800w，频率2450MHz;改性后的调理污泥、煤颗粒和对应比例的水、添加剂装入变频行星式球磨机中，以后重复实施例1步骤。
各组分质量百分比例：
污泥：15%，煤：56.3%，水：28%，添加剂：0.7%;调理剂氯化钠质量占污泥质量的0.5%。
实施例7：
材料：
污泥为杭州某污水处理厂经过机械脱水后的污泥，含水率约为80%。煤为山东兖州烟煤，空干基水分、灰分、挥发分和固定碳分别为1.18%、15.24%、29.50%和54.08%。添加剂为亚甲基萘磺钠-苯乙烯磺酸钠-马来酸钠。调理剂为氯化钠。
步骤：
按照预估水煤浆浓度，计算出制浆所需的湿污泥、调理剂、煤(粒度≤4mm)、水以及添加剂的用量。污泥进行预处理，将相应质量的污泥和调理剂混合均匀后放入微波辐射装置改性1.5min，微波功率800w，频率2450MHz;改性后的调理污泥、煤颗粒和对应比例的水、添加剂装入变频行星式球磨机中，以后重复实施例1骤。
各组分质量百分比例：
污泥：15%，煤：56.3%，水：28%，添加剂：0.7%;调理剂氯化钠质量占污泥质量的1%。
各种实施例制备的污泥水煤浆的性能如表1所示。
表1中实施例1和实施例2是污泥没有经过预处理制备的污泥水煤浆的性能，实施例3至实施例7是污泥经过调理剂和微波辐射双重预处理后制备的污泥水煤浆的性能。由表可见，污泥经过双重预处理改性后，在同等粘度下，污泥水煤浆固相浓度和污泥掺混量得到较大幅度提高(如实施例4和实施例2相比)，且浆体流动性变好;在同等污泥掺混量下，污泥水煤浆粘度得到较大幅度的下降(如实施例5、6、7和实施例2相比，实施例3和实施例1相比)，且浆体的流动性变好。
综上所述，本发明对污泥经过预处理改性后，能使污泥水煤浆的成浆性能得到大幅改善。
