城市污泥中水和有害杂质的赋存特性及其与煤共成浆行为研究

摘要

城市污泥（污泥）含有大量由丝状微生物、菌胶团、胞外聚合物（EPS）和丰富水分构成的絮凝体结构，因而具有凝胶体性质，并且其中还含有各种无机物、有机物，有的还具备有毒有害的特性。随着水处理事业的发展，污泥的产量也逐年上升，因此，环保、高效地处理处置污泥，才能避免其中的有害物质，如难降解有机物、重金属、病原微生物和寄生虫等对环境造成严重污染。本文将污泥掺混入水煤浆中制备污泥水煤浆，以利用污泥热值和所含水分，该方式不仅解决了污泥能源化资源化利用的问题，又能直接应用于水煤浆工业的各种燃炉和气化设备，从而达到大规模高效和无害化处理污泥的目的。本研究主要内容包括：
　　⑴采用将污泥样品改良预处理后进行 SEM测试的方法、以及红外光谱和热分析实验等方法对三种来源地不同的污泥进行特性研究。综合考察热干燥、机械力变化等因素对污泥中水分的影响作用，通过正交实验对污泥水煤浆的成浆性、热值和流变性进行了深入系统的研究。改良污泥样品预处理过程避免了传统预处理方法中由于温度或风干因素造成的污泥大量失水，从而避免了污泥结构的坍塌和破损，最大限度的保持了污泥微观形貌。热分析实验分别测量了干燥基样品和原污泥，结果显示不同水分类型对污泥热重结果的影响。污泥对定粘浓度有抑制作用，且污泥添加量越大，定粘浓度越低，当污泥添加量从5％增加到20%时，佛山湿污泥和徐州湿污泥成浆的定粘浓度分别从50.78%下降到46.55%，从50.35%下降到44.40%；佛山干污泥和徐州干污泥成浆定粘浓度的变化未呈现同样规律且定粘浓度变化范围分别为53.35%至52.42%和53.33%至51.51%。污泥中水分及其赋存结构是造成污泥水煤浆定粘浓度低的主要因素，并超出污泥地域差异所带来的影响。浆体均表现出剪切变稀的特性，但在剪切速率上行阶段，流体类型均不清晰；剪切速率下行阶段，流体均具有宾汉塑性流体的特性。在实验条件下，污泥水煤浆均达到或接近商用水煤浆的热值要求，最高达到14.169MJ/kg；并且经剪切后屈服应力普遍比水煤浆数值大，而塑性粘度则大多与水煤浆值相当。结合胶体化学中空间稳定理论和分形理论，提出“复合污泥煤粒”的概念，通过其形成过程和特点，充分解释了污泥掺混水煤浆体系产生的影响作用。
　　⑵采用单因素平行实验对复合污泥煤粒的作用进行更详细考察，污泥添加量从5%、10%、15%，增加到20%时，所成浆体中对应的最高定粘浓度分别为67.73%、65.80%、64.00%和61.05%；结合浓分散体系相关性质和成浆体系流变特性、固液界面化学、吸附作用、吸附动力学和 DLVO理论计算颗粒间界面能等方法来研究污泥中有害杂质对体系的影响作用。浆体均符合屈服-幂方律方程，且拟合度均高于0.99；吸附分散剂后，三种污泥和有害杂质的表面电负性均随着 pH值的增大而增强，其中佛山污泥等电点降幅最大为0.551。三种污泥的等温吸附曲线更接近S型，并均符合 Langmuir吸附方程模型且拟合度>0.98，饱和吸附量分别为7.61，7.98和8.63 mg/g；三种有害杂质中，两种在实验浓度内未达到饱和状态，测得石英的饱和吸附量为20.38 mg/g。来源地不同的污泥对分散剂的吸附分属不同的动力学方程类型，这与分散剂的性质和污泥颗粒组成的疏松结构有直接的关系。复合污泥煤粒结构中有害杂质颗粒由于粒度较小而镶嵌在煤-分散剂骨架结构中，其界面作用能计算显示有害杂质颗粒与煤颗粒之间由于范德华力的作用而互相排斥，并由于静电作用势能的影响而存在能垒和临界距离。验证试验证明提高分散剂添加量，可以在一定程度上减弱有害杂质的影响，提高污泥水煤浆的成浆特性。
　　⑶对污泥进行不同碱的改性处理，进一步考察化学破解对污泥中水分和污泥水煤浆成浆特性的影响，通过分析正交实验结果可知，改性污泥水煤浆的定粘浓度最高可达66.95%，且NaOH的改性效果最好。对浆体的流变性考察发现，所有浆体均具有良好的流变特性；Ca(OH)2和CaO与NaOH和KOH改性污泥制备浆体的流变特性差异在于含钙碱改性污泥所成浆体不存在屈服应力。采用热分析实验、红外光谱和表面电位对改性污泥性质进行考察，并通过SEM-EDX联用对污泥中有机碳进行定点测定考察改性前后污泥中碳元素的分布，发现改性后污泥中水分析出温度小幅上升，水析出速率有所降低，羟基官能团大量减少，表面电负性增强，随着碱作用破坏了胞内和胞外有机结构，造成了大量水分析出，碳元素随之分布均匀。这也造成改性污泥不再具备形成复合污泥煤粒的特点，因而所成浆体与污泥水煤浆具有很大的区别。
　　⑷通过湿法球磨方式制备污泥水煤浆和对应的水煤浆，详细深入的考察成浆性、流变性、粒度分布和颗粒形状的差异，进一步分析了复合污泥煤粒的作用机理。污泥水煤浆与水煤浆在<74μm颗粒的最大累积分布差距达到38%；对污泥水煤浆来说，湿法球磨时间的影响程度大于分散剂添加量，水煤浆则相反；对颗粒中位径D50的分布状况考察也验证了这一规律，污泥水煤浆中最小的D50值达到17.67μm，而水煤浆的最小 D50值为26.21μm。粒度分布计算表明，污泥水煤浆的粒度分布接近与 Alfred模型，但颗粒形状为非等径球体，促进了粘度的增加。此外，复合污泥煤粒理论能够从所含 EPS等有机物、无机电解质和矿物颗粒等三个方面来诠释污泥有助于提高浆体的稳定性的作用机理。

目录

致谢

变量注释表

1绪论

1.1研究背景与意义(Background and significance)

1.2研究进展(Research progresses)

1.3研究内容及思路(Research contents and ideas)

2实验方法及特性研究

2.1药品及仪器（Experimental medicines and instrument）

2.2成浆原料分析（Analysis of slurrying materials）

2.3分散剂性质(Characteristics of dispersant)

2.4吸附实验研究(Adsorption experiment)

2.5污泥水煤浆的制备(Preparation of CSS)

2.6浆体的性能测定(Measurement of CSS characteristics)

3污泥中水分对共成浆行为的影响机制

3.1污泥中水的分布(Moisture distribution in sludge) 3.1.1污泥微观形貌的测试

3.2 污泥水分对浆体特性的影响 (Influences of moisture and its occurrences on CSSs characteristic)

3.3 污泥中水分在成浆过程中的胶体化学行为 (Colloid chemical behaviors of moisture in slurrying process)

3.4本章小结(Chapter summary)

4有害杂质在污泥水煤浆分散体系中的作用机理

4.1污泥单因素平行制浆实验(Single factor slurrying experiments)

4.2 有害杂质组成及基本性质 (Basic properties of main minerals in sludge)

4.3 有害杂质在成浆过程中的胶体化学行为 (Colloid chemical behaviors of detrimental impurities in slurrying process)

4.4有害杂质影响成浆效果弱化的表征 (Characterization of reducing influences of detrimental impurities on slurrying)

4.5本章小结(Chapter summary)

5碱改性污泥共成浆的影响机理

5.1改性污泥制浆正交实验(Orthogonal experiment of slurrying)

5.2碱对污泥的改性机理(Mechanism of modifying sludge by alkalis)

5.3 改性污泥的微观形貌和碳分布(Micromorphologies of modified sludge and C element distribution)

5.4污泥水煤浆密度研究(Study of density of CSSs)

5.5本章小结(Chapter summary)

6污泥对湿法球磨方式制浆的影响

6.1污泥水煤浆和对应水煤浆的特性差异(Different characteristics of CSSs and CWSs)

6.2 浆体的粒度分析和颗粒形状 (Analysis of CSSs particle size and shape)

6.3本章小结(Chapter summary)

7结论

7.1主要结论(Main conclusions)

7.2创新点(Innovations)

7.3展望(Prospects)

参考文献

作者简历

声明

学位论文数据集