利用城市污泥制备水煤浆的实验研究

金大钺;孔顺利;朱芝材;雷一凡;高明洋;孟献梁

【摘 要】利用干湿污泥制备污泥水煤浆,考察污泥的添加量对水煤浆成浆特性的影响。针对湿污泥水分高,直接与煤掺混制备水煤浆无法得到高品质浆体的特点,进行了添加碱性物质对湿污泥改性制备污泥水煤浆的实验,改性剂分别选用 NaOH、KOH、 Ca( OH)2、 K2 CO3,通过加碱改性实验找到最佳改性条件。结果表明,干污泥添加量在10%时,可以得到成浆特性良好、浓度较高的污泥水煤浆；湿污泥在KOH用量为15%,处理时间为1 h的条件下,制备所得污泥水煤浆的成浆浓度最大。%Using dried and wet sludge to prepare sludge CWS, the influence of the sludge addition on the slurring properties was investigated. The original unmodified sludge can’t be mixed with coal to prepare the high quality sludge CWS due to its high moisture content. Adopted the alkaline matter to modify the sludge, used NaOH, KOH, Ca(OH)2 and K2 CO3 as the modifiers, the best modification condition was found. The results showed that the high quality and high concentration sludge CWS can be produced when the dried sludge blending ratio was 10%, the sludge CWS had the highest concentration when the wet sludge was modified by 15% NaOH for 1 h.

【期刊名称】《广州化工》 【年(卷),期】2015(000)017 【总页数】5页(P106-110)

【关键词】污泥水煤浆;流变特性;加碱改性;表观粘度 【作 者】金大钺;孔顺利;朱芝材;雷一凡;高明洋;孟献梁

【作者单位】中国矿业大学，江苏 徐州 221116;中国矿业大学，江苏 徐州 221116;中国矿业大学，江苏 徐州 221116;中国矿业大学，江苏 徐州 221116;中国矿业大学，江苏 徐州 221116;中国矿业大学，江苏 徐州 221116 【正文语种】中 文 【中图分类】TQ536;X705

随着中国城市的迅速发展和不断扩大，城市污泥产量迅速增大。据估计，我国污泥的年产量为几千万吨［1］。常规的污泥处理方法诸如填埋、焚烧等都有一定的局限性［2］，因此如何有效地处理城市污泥成了一个需要解决的问题。

水煤浆是一种符合我国国情的洁净能源利用技术［3］。理论上来说，将污泥加入到水煤浆制备成污泥煤浆是可行的，制得的浆体可以在燃烧气化等领域中作为替代能源。这种方法能处理大量污泥，同时也有效地利用了污泥中的热值，节约了原煤，而且避免了二次污染［3－4］。然而由于城市污泥含水分高，直接与煤制浆会导致水煤浆难以成浆或浓度很低［5］。因此在利用污泥制备水煤浆之前，有必要对污泥进行改性处理。

本文通过对城市污泥在不同添加比例条件下进行制浆实验，考察了所制浆体的成浆特性。再利用碱性物质对湿污泥进行预处理，设计正交试验得出最优的制浆条件。最终成功利用城市污泥制备出高品质浆体。 1 实验部分 1.1 实验材料

实验所用到的污泥来自徐州污水处理厂，所用气煤来自王楼矿。表1 为煤和污泥的工业分析和元素分析。由表1 可以看出，实验用煤中含有少量水分和灰分，挥发分和固定碳含量偏高，其中固定碳含量超过50%。而与实验用煤相比，污泥中含有的水分增多，但含量不高，适合高浓度污泥－煤浆的制备;灰分和挥发分含量较高，固定碳含量偏低。从元素角度分析，污泥中的碳含量接近50%，主要存在于挥发分当中;氧含量和氮含量与实验用煤相比偏高，由于含氧官能团是影响水煤浆成浆性的重要因素，因此含氧量高不利于水煤浆的制备，但由于水煤浆中煤是主要物质，因此对成浆性影响不大;硫含量和氢含量与实验用煤相比类似。 表1 实验用煤和污泥的工业分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of test coal and sewage sludge样品 Mad Aad工 业分析/%Vad FCadCdaf Hdaf元素O分da析f / %Ndaf St，daf气煤 2.01 8.29 34.53 55.18 79.56 5.26 12.80 1.37 1.01污泥 7.64 49.68 38.34 4.35 46.29 8.47 36.21 7.63 1.40

实验材料的粒度分布采用激光粒度分析仪测得，煤样的体积平均粒径为36.88 μm，粒度分布见表2。

表2 煤样粒度分布Table 2 Particle size distribution of test coal样品 ＜5 μm ＜10 μm ＜30 μm体积＜5分0数μm/% ＜74 μm ＜100 μm ＜180 μm气煤10.67 20.40 46.10 66.45 77.96 89.40 100 1.2 污泥水煤浆的制备

采用干法制浆，准确称取1%的NSF，充分溶于水后，将称量好的城市污泥和煤样充分混合后加入溶液中，同时通过控制加入去离子水的量来调节水煤浆的浓度和表观粘度。采用磁力搅拌机在1500 r/min 的转速下搅拌15 min，停止搅拌后静置片刻，待浆内所含气体释放，得到污泥水煤浆。实验中统一采用250 mL 的烧杯，进行水煤浆制备，每次约制备100 g 的水煤浆，搅拌时搅拌头应距烧杯底1 cm。

1.3 水煤浆的性能测试 1.3.1 流动性测定

将制得的污泥水煤浆倒入粘度计中，观察浆体的流动性状，分为A，B，C，D 四个等级，每个等级的划分标准如下:A－连续流动;B－间断流动，成稠流状;C－间断流动，呈稀糊状;D－不流动。 1.3.2 稳定性测定

考察采用目测法，采用试管静置观察法来检测，将适量水煤浆置于试管中，静置保存7 d 后看其析水程度和沉淀情况。将水煤浆的稳定性的判定分成4 个等级，具体情况如下:A 级－无析水和软沉淀;B 级－少量析水和软沉淀;C 级－少量析水和硬沉淀;D 级－大量析水和硬沉淀。 1.3.3 流变特性测定

使用NXS－4C 型水煤浆粘度计测定所制备污泥水煤浆的表观粘度，测量温度为25 ℃，每次水煤浆用量约为25 mL，剪切速率由10 s－1、20 s－1、40 s－1、60 s－1、80 s－1、100 s－1 递升，再按80 s－1、60 s－1、40 s－1、20 s－1、10 s－1递减，每个剪切速率测量五个数据。 1.3.4 浓度测定

水煤浆的浓度测定按照GB/T 18856.2－2008《水煤浆试验方法 第2 部分:浓度测定》进行。 2 结果与讨论

2.1 干污泥添加对水煤浆成浆性能的影响

污泥添加比例不同，其成浆特性也不相同，采用干污泥添加比例分别为5%、10%、15%、20%制得浆体，考察了不同干污泥添加量下制备得到的浆体的性能。 图1 为干污泥添加量对水煤浆成浆浓度的影响。由图1 可知，干污泥的添加量可显著降低污泥水煤浆的成浆浓度，随着干污泥添加量的增加，污泥水煤浆的成浆浓

度呈下降趋势。

表3 为干污泥添加量对水煤浆的成浆特性的影响。由表3可得，干污泥的加入，对浆体的流动性没有太大的影响。污泥水煤浆的稳定性可以通过出现沉淀的情况和析水情况来考察。水煤浆在静置7 天后，通过观察和棒测法测试稳定性，其上层有大量析水，出现少量硬沉淀。而随着干污泥添加比例的增大，析水减少，硬沉淀逐渐减少至变为软沉淀，污泥水煤浆的稳定性增加。稳定性增加的原因可能是污泥所带的负电荷增强了浆体内部颗粒的负电性，颗粒间的表面斥力变大，从而导致浆体更稳定，不易沉淀。另外，浆体稳定性的增强，还由于污泥在浆体中可以形成一种空间网络结构，有利于阻止煤颗粒的沉降［6］。

图1 干污泥添加量对水煤浆成浆浓度的影响Fig.1 Influence of the dried sludge blending ratio to the concentration of CWS

表3 干污泥添加量对水煤浆的成浆特性影响Table 3 Influence of the dried sludge blending ratio to the property of CWS污量泥/添%加浓煤度浆/%表(m观Pa粘·度s)/流动性 稳定性 最浓大度成/%浆70.69 1303.4 间断流动 大量析水，硬沉淀069.75 1086.2 连续流动 大量析水，硬沉淀68.62 67.96 949.8 连续流动 大量析水，硬沉淀62.91 1461.7 连续流动 少量析水，硬沉淀562.22 1177.1 连续流动 少量析水，硬沉淀61.75 61.72 987.6 连续流动 少量析水，软沉淀60.35 1307.5 连续流动 少量析水，软沉淀1060.15 1106.2 连续流动 无析水，软沉淀60.09 59.98 783.7 连续流动 无析水，软沉淀58.07 1206.2 连续流动 无析水，软沉淀1557.66 1075.5 连续流动 无析水，软沉淀57.46 57.10 860.6 连续流动 无析水，软沉淀56.69 1294.5 连续流动 无析水，软沉淀2056.47 1188.1 连续流动 无析水，软沉淀56.20 56.02 872.3 连续流动 无析水，软沉淀

煤浆流变特性主要指其表现黏度随煤浆剪切速率变化的规律，水煤浆与污泥水煤浆流变特性曲线如图2 ～图3 所示。

图2 为原煤水煤浆的流变特性曲线图。图3 分别为干污泥添加比例为5%、10%、15%、20%的污泥水煤浆流变特性曲线图。由图2 和图3 可知，随着剪切速率的不断增大，原煤水煤浆的粘度增大，浆体呈现屈服涨塑性。添加干污泥后，污泥水煤浆的浓度有所降低，且浆体的表观粘度随着剪切速率的增大而减小，为宾汉塑性流体。由图2 和图3 还可以看出，随着污泥添加量的增大，浆体宾汉塑性增强。 图2 水煤浆的流变曲线Fig.2 Relationship between apparent viscosity and shear rate for original coal

图3 不同干污泥添加量下污泥水煤浆的流变曲线Fig.3 Relationship between apparent viscosity and shear rate for sludge CWS in different dried sludge blending ratio

综合考虑浆体的流变特性和浓度等性质，污泥水煤浆中干污泥最佳添加比例以10%为宜。

2.2 湿污泥添加对水煤浆成浆性能的影响

采用湿污泥添加比例分别为5%、10%、15%、20%制得浆体，考察了不同湿污泥添加量下制备得到的浆体的性能，如图4 所示。

图4 湿污泥添加量对水煤浆成浆浓度的影响Fig.4 Influence of the wet sludge blending ratio to the concentration of CWS

图4 为湿污泥添加量对水煤浆成浆浓度的影响。由图4 可知，湿污泥的添加可显著降低污泥水煤浆的成浆浓度，随着湿污泥添加量的增加，污泥水煤浆的成浆浓度呈明显下降趋势。对比添加干污泥的污泥水煤浆成浆特性，可知添加湿污泥的污泥水煤浆的成浆浓度下降更为显著，其原因主要是湿污泥中含有结合水，在干污泥和湿污泥相同的添加比例条件下，湿污泥的成浆浓度会更低。一般未经处理过的城市污泥中含有大量水分，因此可以对污泥进行干燥预处理后制浆，提高污泥水煤浆的成浆浓度。

表4 湿污泥添加量对水煤浆的成浆性能影响Table 4 Influence of the wet sludge blending ratio to the property of CWS加污量泥/添%浓煤度浆/%表(m观Pa粘·度s)/流动性 稳定性 最浓大度成/%浆70.69 1303.4 间断流动 大量析水，硬沉淀069.75 1086.2 连续流动 大量析水，硬沉淀68.62 67.96 949.8 连续流动 大量析水，硬沉淀55.73 1199.4 间断流动 少量析水，软沉淀554.84 1137.6 间断流动 少量析水，软沉淀54.11 53.58 898.8 间断流动 少量析水，软沉淀48.48 1274.3 间断流动 少量析水，软沉淀1047.73 1174.1 间断流动 少量析水，软沉淀47.35 47.19 926.8 间断流动 少量析水，软沉淀43.41 1075.6 间断流动 少量析水，软沉淀1542.43 1012.9 间断流动 少量析水，软沉淀42.40 42.10 890.2 间断流动 少量析水，软沉淀39.88 1235.3 间断流动 无析水，软沉淀2039.36 1010.7 间断流动 无析水，软沉淀39.30 38.90 929.5 间断流动 无析水，软沉淀

表4 为湿污泥添加量对水煤浆的成浆性能影响。由表4 可得，湿污泥的加入，可以调节浆体的稳定性和流动性。水煤浆在装样时可连续流动，但是其在试管中放置一定时间后，会析出大量水分，并产生硬沉淀。煤浆加入湿污泥后，污泥水煤浆的流动性变差，稳定性增加。污泥水煤浆流变特性曲线如图5 所示。

图5 不同湿污泥添加量下污泥水煤浆的流变曲线Fig.5 Relationship between apparent viscosity and shear rate for sludge CWS in different wet sludge blending ratio

图5 分别为湿污泥添加比例为5%、10%、15%、20%的污泥水煤浆流变特性曲线图。由图5 可知，随着剪切速率的不断增大，水煤浆的粘度增大，浆体呈现屈服涨塑性，加入湿污泥后，所制得的污泥水煤浆为宾汉塑性流体，随着剪切速率的增大，污泥水煤浆表观粘度减小，并且随着污泥添加量的增大，浆体宾汉塑性增强。 对比不同添加比例下的浆体成浆浓度，可知在添加湿污泥后，污泥水煤浆的浓度降低较为明显，而且其粘度增大，流动性变差。由于污泥中含有大量的有机质，具有

一定的表面张力和粘滞力，且污泥的絮体网状结构可以固定部分水分，添加湿污泥后，浆体的流动性变差，粘度明显增加。因此，为了保证污泥－煤浆具有良好的流动性，污泥水煤浆的成浆浓度有所降低［7］。 2.3 湿污泥加碱改性后对水煤浆成浆性能的影响

在制备浆体之前对污泥进行改性处理是改善污泥水煤浆流动性和提高污泥水煤浆浓度的主要手段［5］。由于湿污泥粘度高、流动性差，直接进行污泥水煤浆的制备往往得不到高质量的浆体。为了降低其粘度、改善其流动性，需要对污泥进行加碱改性。本研究以NaOH、Ca(OH)2、KOH、K2CO3 为改性剂，改性时间分别为0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h，改性剂用量分别为污泥干基的5%、10%、15%、20%，探索了污泥加碱改性的最佳工艺条件，考察了不同改性污泥水煤浆的成浆特性。

选择一组 (煤:55.6644 g，湿污泥:25.4883 g，NSF:0.6000 g)来设计正交试验L16(45)，此污泥改性实验共需进行16 次实验，每次实验测定加水量，并且用来制浆，考察污泥水煤浆成浆性能，计算最大成浆浓度(最大成浆浓度定义剪切速率为100 s－1、表观粘度达到1000 mPa·s 时污泥水煤浆所含固体的质量分数［3］)，选出最佳改性条件。

表5 湿污泥改性因素水平表Table 5 Modification factors of the wet sludge水平 添加(剂A)种类 改性(B剂)添时加间/h改性剂(C用)量/%1 NaOH 2.0 15 2 Ca(OH)2 1.5 10 3 KOH 1.0 20 4 K2CO30.5 5

表6 试验方案及试验结果分析Table 6 Test scheme and analysis of the results试验号 A B 空白 C 空白 最浓大度成/%浆1 1 1 1 1 1 51.58 2 1 2 2 2 2 50.43 3 1 3 3 3 3 51.19 4 1 4 4 4 4 49.63 5 2 1 2 3 4 49.84 6 2 2 1 4 3 49.37 7 2 3 4 1 2 50.14 8 2 4 3 2 1 49.76 9 3 1 3 4 2 49.32 10 3 2 4 3 1 51.76 11 3 3 1 2 4 51.05 12 3 4 2 1 3 51.23 13 4 1 4 2 3 49.52 14 4 2 3 1 4 49.51 15 4 3 2 4 1

49.24 16 4 4 1 3 2 49.25 K1 202.83 200.26 201.25 202.46 202.34 K2 199.11 201.07 200.74 200.76 199.14 K3 203.36 201.62 199.78 202.04 201.31 K4 197.52 199.87 201.05 197.56 200.03 k1 50.7075 50.0650 50.3125 50.6150 50.5850 k249.7775 50.2675 50.1850 50.1900 49.7850

续表6k350.8400 50.4050 49.9450 50.5100 50.3275 k4 49.3800 49.9675 50.2625 49.3900 50.0075极差R 1.4600 0.4375 0.3675 1.2250 0.8000因素主次 ACB优方案 A3C1B3 A1C3B2 A2C2B1 A4C4B4

表5 为湿污泥改性因素水平表。表6 为试验方案及试验结果分析。由表6 可知，最佳改性方案为:KOH 添加用量为15%，改性时间为1.0 h;改性后的污泥煤浆浓度有所提高，浆体流动性和稳定性均有所提高，达到了改性的目的。

污泥加碱改性的机理可能是:碱性物质可以杀死污泥中的部分微生物;同时可以破坏污泥的絮体网状结构，使得固定在其中的水分得以释放出来，降低了浆体的粘度［5，8－9］。 3 结 论

(1)干污泥添加量为10%时，可以制备得到成浆特性良好、浓度较高的污泥水煤浆。 (2)湿污泥由于含水多，直接与煤掺混制备污泥水煤浆难以得到高品质浆体，需要进行加碱改性处理后再制备浆体。

(3)加碱改性处理后的湿污泥制备的污泥水煤浆浓度得到提高。当湿污泥在KOH 用量为15%，处理时间为1 h 的条件下，制备所得污泥水煤浆的成浆浓度最大。 参考文献

［1］ 房井新，汪文生，张仁鹏，等.浅谈城市污水厂污泥的处置［J］.中国资源综合利用，2009，27(3):28－29.

［2］ 王助贫，黄鸥，王伟，等.我国污泥处理处置的市场分析［J］.中国建设信息(水工业市场)，2009(05):6－17.

［3］ 王睿坤，刘建忠，胡亚轩，高夫燕，周俊虎，岑可法.水煤浆掺混湿污泥对浆体成浆特性的影响［J］.煤炭学报，2010，35(S0):199－204.

［4］ 李伟东，李明，李伟锋，等.改性污泥与无烟煤成浆性的研究［J］.燃料化学学报，2009，37(1):26－30.

［5］ 段清兵，何国锋，王国房，等.利用碱性物质对污泥改性制备污泥水煤浆的实验研究［J］.洁净煤技术，2014，20(1):96－99.

［6］ 胡勤海，李霞，陈菊芬，等.污泥水煤浆的基础特性研究［J］.环境工程学报，2011(12):2873－2878.

［7］ 王健，何其慧，许仁富，等.掺混污泥对水煤浆性能的影响［J］.洁净煤技术，2013，19(3):83－88.

［8］ 刘猛，段钰锋，李华锋，等.改性污泥与石油焦的共成浆性及流变性分析［J］.中国电机工程学报，2012，32(35):59－65.

［9］ 朱妙军.污泥水煤浆的成浆、燃烧及燃烬特性研究［D］.杭州:浙江大学环境与资源学院，2008.