含煤污泥深度脱水技术研究进展.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目()作者简介:战玥豪()男山东烟台人在读硕士师从董圣焜副教授主要从事水体毒性控制研究 电话:.通信作者:董圣焜()男河南郑州人副教授主要从事水污染治理研究 :.专论与综述含煤污泥深度脱水技术研究进展战玥豪赵计辉刘杰何国锋周永涛郑媛媛董圣焜(.中山大学 土木工程学院广东 广州.中煤科工清洁能源股份有限公司北京.中煤陕西榆林能源化工有限公司陕西 榆林)摘 要:聚焦于煤化工行业中含煤污泥的脱水技术 随着技术进步脱水方法正从传统技术转向结合多种技术的联合处理旨在通过溶解胞外聚合物()来提高脱水效率 分析了含煤污泥的特性、处理难点并指出未来研究需解决的关键问题:一是优化脱水技术的联合顺序和方法选择二是明确联合深度脱水对污泥能源利用、资源回收及材料制造的影响三是完善含煤污泥脱水工艺的多角度评价体系 建议采用生命周期评价()方法对污泥处理的碳排放、环境影响和成本进行综合评估以推动含煤污泥深度脱水技术的优化与推广关键词:污泥脱水含煤污泥煤化工联合深度脱水中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.().:.().:煤化工行业的迅速发展导致煤化工废水产量巨大这些废水中夹带了大量的含煤污泥其中包含许多的煤渣、煤粉等煤化工固体废弃物 在对废水的处理和净化过程中含煤污泥并没有得到妥善处置而是在一个高含水率的状态下逐渐淤积污泥中渗滤液的释放可能会增加发生区域性环境污染事件的风险相对于市政污泥含煤污泥含有大量煤渣、煤粉和无机颗粒易于板结同时高有机物含量使得含煤污泥难脱水、易腐化 针对含煤污泥的脱水技术研究还不充分 因此本文旨在通过综述煤炭行业污泥脱水技术包括含煤污泥特性、污泥脱水影响因素、脱水技术和现存问题等为煤炭行业污泥脱水技术研究提供参考 含煤污泥脱水的影响因素污泥的固体浓度、粒度分布、表面电荷以及溶液的化学性质都对污泥脱水的效率和效果有着不同程度的影响 但最近越来越多的研究表明胞外聚合物()是污泥脱水的最关键决定因素 本节将从煤炭和 对污泥脱水的影响进应用化工第 卷行分析.煤炭对污泥脱水的影响郑兰香在研究紫外线照射对煤化工污泥进行减量处理的研究中所用污泥的悬浮物浓度为./挥发性悬浮物浓度为./可见煤化工污泥悬浮物浓度并不高 但含有煤炭颗粒的污泥成分上更加复杂污泥中混入不同含量的煤炭颗粒对于污泥的粒径、黏度、流动性、稳定性等物化特性上都会产生影响并进一步影响污泥脱水的效果 等发现与单独水煤浆相比水煤浆污泥混合物水分分离度下降 说明污泥与水煤浆混合体系下自由水的含量降低污泥脱水的性能变差通过测定浆体的 电位后发现煤、污泥和水煤浆的 电位分别为.但水煤浆与污泥混合体系下电负性显著增强 电位变为.带负电荷的污泥颗粒在煤表面的吸附增强了煤颗粒的负电荷已有研究证实负电位的上升会增强污泥颗粒间的静电斥力使得污泥体系更倾向于溶解或分散以更加稳定进而抑制污泥脱水的效果 此外 等的研究表明污泥通过氢键阻止煤颗粒沉降和团聚使得含煤污泥有更好的稳定性仅用机械脱水的工艺更难对含煤污泥进行深度脱水.胞外聚合物()对污泥脱水的影响 是微生物在溶解和吸收有机化合物过程中产生的一些高分子量化合物分布在细胞外和微生物聚集体内部占污泥中总有机组分的 在污泥中可以看到污泥絮凝物中存在丰富的多孔 许多直径为 .的球形细菌被 包裹 这表明 和细胞在污泥中的黏附特性是多样的 的存在可防止微生物免受恶劣的外部环境的影响包括 值变化、重金属和其他有毒物质并且还充当与水分子相互作用的微生物聚集体的最外层 因此 的理化性质显著影响生物絮凝体的亲疏水性可被视为污泥脱水性最重要的决定因素 和通过建立表征 参数与滤饼干物质含量关系的模型证明 可能是影响干物质含量的决定因素并指出了 作为污泥结构和水滞留的主要贡献者的潜在作用 等考察了不同污水处理厂活性污泥理化特性的动态变化特别是 的分布和丰度进而建立絮状特性与污泥脱水特性的关系结果表明污泥脱水性与蛋白质和可溶性 的浓度呈显著负相关而不是其他污泥组分的化学特性 因此污泥脱水效果的提升主要取决于如何对污泥中 的含量与特性进行调整寻找 最合适的临界状态以达到最佳的污泥脱水效果 含煤污泥深度脱水技术.传统机械脱水工艺传统的机械脱水方式主要有压滤式脱水、离心式脱水和真空过滤脱水这 种方式 由于含煤污泥中煤渣、煤粉和无机颗粒等固体颗粒较多会导致污泥的板结和黏结现象使得机械脱水设备的脱水效率较低在传统的机械脱水处理后污泥的含水率仅能降低至 这远远达不到理想的脱水水平 因此在机械脱水前常使用污泥调理技术对污泥进行预处理以实现深度脱水.污泥调理技术污泥结构复杂由有机、无机胶粒和微生物菌团、丝状细菌等多种物质构成 污泥的这一特征意味着若想进一步提高脱水效果必须将重点转至污泥微观的结构之上 常见的污泥调理技术分为物理(热处理、冻融处理、超声波、电处理等)、化学(混凝絮凝处理、酸碱处理、高级氧化 处 理等)、生 物 调 理 技 术(生 物 沥浸、酶处理等).超声波处理 超声波是一种新兴的、非常有效的机械物理调理技术超声波调理通常使用低频超声波(频率 )的循环声音压缩和扩展这些超声波应力起到裂解微生物细胞和细菌结构的作用将细胞内有机物释放到水相中促进污泥中水分的释放和转移以及部分 的降解 超声处理对污泥崩解度与处理时间和超声波频率有关 等发现在相同能量输入下低频率、长持续时间的超声处理比高频率短持续时间的超声处理对污泥崩解更有效 然而超声波处理对污泥脱水性的影响并非都是有利的 等报道说超声处理对污泥脱水性的影响取决于能量输入低能量用量略微增强了污泥的脱水性而高能量用量显著降低了污泥的脱水性实验结果显示 /总固体为最佳能量剂量 等的结果与此一致并且他们认为超声波调理改善污泥脱水特性与污泥分解程度有关 当污泥崩解度过低时污泥脱水性变化不显著 当污泥崩解程度适当时不致密的污泥絮凝体可以破碎成更小的碎片然后在调节剂的帮助下重新絮凝成更紧密的颗粒从而提高污泥脱水性而当污泥崩解度高时产生许多细颗粒导致污泥脱水性变差.添加改性调理剂 由上述内容可见不同研究中超声波对污泥脱水性能改善的作用机制较为一致而针对不同种类的污泥以及改性侧重点类型丰富多样的调理剂因其具备更高的使用灵活性同样得到了大量研究 目前常见的改性调理剂从原理上分为传统的絮凝剂调理和先进调理 传统的絮凝剂调理主要为无机絮凝剂(铁盐、铝盐等)、有机絮凝剂(聚丙烯酰胺、壳聚糖、淀粉第 期战玥豪等:含煤污泥深度脱水技术研究进展等)、助凝剂(石灰、褐煤等)、微生物絮凝剂等主要通过电荷中和和桥梁作用改善污泥脱水而先进调理则针对 溶解以实现脱水效果的提升 毛维东提高聚丙烯酰胺()对含煤生活污泥调理发现投加污泥干重.的 即可以满足脱水要求同时清液浊度较低 此外在研究中发现含煤污泥与矿井水污泥、城镇生活污水污泥等存在较大不同不宜直接套用上述污泥参数进行含煤生活污泥的处理而微生物絮凝剂在具有良好絮凝效果的同时其无毒无害的特性使其更具有应用优势 相比于传统的化学调理絮凝剂基于 溶解的先进调理技术具有更好的研究前景目前正在研究的先进调理技术使用酸碱、氧化等方式来破坏污泥絮凝结构并促进 的溶解将结合水转化为自由水并提高污泥脱水性 通过向污泥中加入酸、碱调节 以提高污泥脱水性能的方法也同样引起广泛探究 等通过添加废硫酸耦合热预处理得到的泥饼含水率比石灰 的处理方式降低了 并且最终所得泥饼的热值提升了.倍 等研究表明碱性预处理同样有助于污泥脱水效果的提升并且()比 的处理效果更好 投加强氧化剂也可以氧化分解污泥 进而促进结合水的释放 其中芬顿氧化因反应性强、无选择性等优点而广泛应用 芬顿氧化过程伴随着氧化和絮凝可以分解污泥絮凝体和 促进结合水的释放 同时在芬顿过程中三价铁羟基络合物可以通过混凝进一步提高污泥脱水性能 此外用于水处理领域的高铁酸钾、过硫酸盐、过氧乙酸等试剂也被发现可以破坏 促进结合水的释放 未来通过酸碱、高级氧化等方式对 的影响机理和对污泥脱水的效果有待进一步研究以便最佳改性剂投加量设计以及新型改性剂的研发.电渗透辅助污泥脱水技术电渗透辅助污泥脱水技术是一种将压力脱水等传统脱水机制与电动效应相结合的技术 电渗透辅助污泥脱水技术的原理是依据电渗透效应使带负电荷的污泥颗粒在外加电场的作用下向正极移动而带有阳离子的水则被驱动到负极 电脱水技术已与常见脱水装置结合使用例如带式压滤机、板框压滤机和隔膜过滤等 与传统机械脱水相比电渗透辅助板框压滤可以把滤饼含水率控制在 以下 因此耦合电渗透工艺与传统机械脱水技术是污泥深度脱水的一个重要方向.联合深度脱水技术上述污泥调理技术都有着不同的处理特点和效果为了更好地贴合实际生产发挥不同技术的处理优势获得更好的处理效果有许多研究是联合了多种处理技术展开的 联合处理将几种方法相互耦合以实现从多角度提升污泥脱水效果克服单一处理方法的缺陷 常见的联合脱水技术有:热与碱结合、热与超声波联合、超声波与调理剂联合等 薛飞等联合超声技术与溶菌酶在进行超声预处理后发现溶菌酶对印染行业污泥的溶胞效果能够得到进一步的提高葛遥等采用 氧化联合氧化钙工艺处理后污泥的比阻降低了 等研究了电氧化电絮凝工艺在有无超声辅助下的污泥脱水处理效果得出在超声辅助下污泥比阻、污泥过滤时间和最终含水率都比辅助前降低的结果黄锦佳等采用超声生物沥浸氧化钙调理联合超高压压滤系统对市政污泥进行深度脱水泥饼含水率可降低至.相较于单一污泥脱水技术依据不同技术的脱水原理、耦合多技术的联合深度脱水在脱水效率提升和成本控制上都有一定优势具有巨大的研究和推广价值 现存问题随着含煤污泥量的快速增长深度脱水的要求进一步提高高能耗、低效率的传统单一机械脱水工艺难以满足目前的要求联合处理能够耦合不同的处理工艺从不同层面对污泥进行深度脱水可作为今后研究的重要方向之一 然而目前含煤污泥深度脱水技术联用手段并不成熟多角度、系统性的评价体系尚未建立.多技术联用手段不成熟目前联合深度脱水技术的发展仍不成熟:首先目前污泥脱水的方式众多若仅仅是随机选择不同的处理方式组合很难保证实现污泥高效、深度脱水 因此需要对不同处理技术在污泥脱水的机理层面进行解释和归类从而指导不同处理技术的顺序及最佳参数等 目前虽已有研究对联合处理时不同脱水技术的机理进行解释但尚未形成一套统一的标准或体系对目前主流技术的脱水机制进行解释 其次目前由于技术和成本问题超声波处理、高级氧化调理等部分先进的脱水技术在实际生产中未必能投入使用若联合一种包含机械脱水的工艺技术体系不仅具有使用更低能耗但同样具有优效脱水效果的技术可能还能在相关工厂进行技术改进时降低更新难度和成本因而具有更高的实际应用价值 最后含煤污泥深度脱水技术的发展污泥的处置方式势必从卫生填埋向土地应用、焚烧和建筑材料等方向发展 等的研究表明污泥脱水时絮凝体的分解有助于后续资源回收(如氮、磷和重金属等)但现有的脱水调理方法大多会降低污泥的能量利用效率此外添加的改性调理剂对后续污泥制造材料时有着关键的影响因此不同处理方式尤其是联合处理对于污泥后续应用化工第 卷资源化上的影响十分必要.多角度评价体系不完善目前研究关注于提高污泥脱水率时往往忽视了污泥脱水工艺的碳排放问题对环境的不利影响在碳达峰、碳中和背景下建立多角度评价体系对污泥脱水工艺进行评估十分必要 生命周期评价()是一种用于评估产品或服务整体生命周期环境影响的工具 它能够帮助人们全面、综合地了解相关产品、服务对资源的消耗和环境的影响以便采取对策减轻人类对环境的影响 已有研究对煤炭产业生命周期的能源消耗、环境排放、经济效益进行评价但对污泥脱水环节的碳排放研究较少 因此基于 进一步完善污泥脱水环节碳排放核算、环境影响、成本分析对煤炭工业清洁生产、固废减量与资源化提供理论与技术支撑具有重要意义 考虑到煤化工行业所形成的污泥成分复杂且毒性强而污泥脱水时对 的破坏导致有机物的释放对污泥毒性的影响十分复杂(表 总结了部分脱水工艺对污泥毒性的影响)因此污泥在处理或资源化之前需对毒性进行评估从而避免破坏环境确保资源化和填埋、焚烧等处理方式的可行性十分重要表 不同污泥处理脱水工艺处理后对污泥毒性影响 污泥脱水方法处理效果毒性评估方法毒性评估结果参考文献絮凝剂调理脱水处理后污泥含水量为.原泥对 两 种 植 物 诱 导 的 分 别 为.和.脱水后污泥对两种植物诱导的 分别为./脱水处理后污泥含水量为.脱水后污泥对两种植物诱导的 分别为.高级氧化调理芬顿试剂/脱水处理后污泥含水量为.选用芸苔(大白菜)和莴苣进行植物毒性测试计算发芽指数()脱水后污泥对两种植物诱导的 分别为.等/脱水处理后污泥含水量为.脱水后污泥对两种植物诱导的 分别为.()/核桃壳脱水处理后污泥含水量为.脱水后污泥对两种植物诱导的 分别为.热和酸洗的零价铁/脱水处理后污泥含水量为.脱水后污泥对两种植物诱导的 分别为.高级氧化调/过硫酸盐脱水处理后污泥含水量为.测量污泥中重金属含量处理后有效提高了污泥中重金属的稳定性降低了重金属的浸出毒性 脱水后、和 的定量风险消失 和 的风险降低 等联合调理超声生物沥浸氧化钙联合超高压压滤系统经预调理联合超高压压滤系统处理后泥饼含水率降低至.比阻去除率和结合水去除率分别达到.和.选用白菜和生菜进行植物毒性测试计算发芽指数()原泥对两种植物诱导的 分别为 和脱水后污泥对两种植物诱导的 分别为黄锦佳等 结论与展望“十三五”规划中对污泥处理提出了无害化、减量化、稳定化、资源化的处置处理技术要求污泥的深度脱水是污泥的高效处理的重要一环 随着煤炭行业污泥脱水技术的进步与发展超声波、电化学、高级氧化和生物沥浸等先进技术投入污泥脱水的研究与应用污泥脱水方式从传统的自然干化、机械脱水等技术向耦合多技术的联合深度脱水方向转变目前污泥脱水技术基于不同机理针对 溶解以实现脱水效果的提升更加细致、精确、高效 联合处理克服单一处理方法的缺陷将几种方法相互耦合以实现从多角度提升污泥脱水效果但尚未形成一套统一的标准或体系对目前主流技术的脱水机制进行解释 此外联合深度脱水对污泥在能源利用、资源回收及材料制造方面的影响也有待进一步探究以确保污泥在土地应用、焚烧和建筑材料等方面的资源化利用 最后基于 进一步完善污泥脱水环节碳排放核算、环境影响、成本分析对含煤污泥减量与资源化提供理论与技术支撑对污泥深度脱水工艺的优化推广、提升民众接受度都具有重要意义参考文献:毛维东.含煤污泥浓缩脱水性能研究.环境科学与技术():.郑岩皓赵东华张翔翔等.污泥脱水调理技术研究综述 中国环境科学学会 年科学技术年会 环境工程技术创新与应用分会场论文集(三).南昌:工业建筑:.(/):.苗兆静.污泥调理中调质条件对污泥脱水性能的影响.武汉:武汉理工大学.():.第 期战玥豪等:含煤污泥深度脱水技术研究进展:.:.():.郑兰香陈卫民李功.基于紫外照射的煤化工剩余污泥减量研究.湖北农业科学():.():.():.().():.:.():.陈丹丹窦昱昊卢平等.污泥深度脱水技术研究进展.化工进展():.柴朝晖杨国录刘林双等.污泥机械脱水前处理方法研究进展.南水北调与水利科技():.:():.:.:.:.:.():.(/):.:.():.:.:.():./.:.().:.黄锦佳梁嘉林杨贤等.超声生物沥浸氧化钙联合超高压压滤系统实现市政污泥深度脱水及其泥饼的毒性评估.环境科学学报():.杨文锋张庆芳杨期勇等.市政污泥脱水及生物淋滤调理技术综述.工业水处理():.():.():.郭毅斌张硕杨玉堂等.改性咖啡渣生物炭提升污泥脱水性能的研究.应用化工():.():.赵继红杨劲峰王清宁等.微生物絮凝剂改善污泥脱水性能的研究.环境科学与技术():.甄广印吴太朴陆雪琴等.高级氧化污泥深度脱水技术研究进展.环境污染与防治():.:.():.:.(下转第 页)应用化工第 卷:.仇丽君王碧楠李军.高铁酸钾与 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