一種汙泥復配及直接熱解的方法與流程
2023-12-06 16:12:41 3
本發明涉及一種汙泥復配及直接熱解的方法，屬於有機固體廢棄物高效熱化學處置和環境保護領域。
背景技術：
汙水處理過程中，絕大多數的汙染物都轉移到了汙泥裡，包括各種重金屬、有害有機物和病原體等，在進一步的處置過程很容易形成二次汙染，特別是重金屬汙染。經過初步的板框壓濾脫水，汙泥含水質量比一般仍達80％左右，大多數汙泥處置方法要求將含水質量比降至20％以下，乾燥過能耗較大。因此，如何實現汙泥的高效處置及能源資源化利用是亟待解決的難題。
對於重金屬，傳統的處理方法是在汙泥中添加部分水和固化劑，攪拌均勻後進行養護，反應生成的水化物膠體可對重金屬離子進行吸附，降低其浸出特性，後續處置可用作修築路基和建材，或直接進行填埋。但是這類方法僅是對重金屬的單純固化，浪費了汙泥中的有機物資源。
熱化學轉化法能將有機物資源轉化為燃料，有效減少毒性物質的產生，並能將部分重金屬減量化後固定於殘渣中，具有潛在的應用價值。但是，部分重金屬沸點較低，在高溫下會進入氣相，如後續使用不當，會隨氣相擴散至大氣中，形成嚴重的大氣汙染。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決現有汙泥處置方法的不足，而提出了一種汙泥復配及直接熱解的方法。
本發明的技術方案為：在溼汙泥中添加生物質來調控水份和C、H、和O元素比例，並將富含矽鋁的粘土用作汙泥直接熱解的固化劑，通過調整原料比例和熱解條件，獲得較好的溼汙泥處置和資源化利用效果。
本發明的具體技術方案為：一種汙泥復配及直接熱解的方法，其特徵在於：在汙泥中添加固化劑和生物質進行共熱解，其中所述固化劑的質量比為3～10％，生物質的質量比為20～30％，汙泥的質量比為60～77％；具體步驟如下：按比例混合的汙泥、生物質和固化劑攪拌均勻後投放至熱解爐內，升溫至500～700℃，保溫20～30min，再進一步升溫至熱解溫度800～1200℃，保溫10～20min，同時完成原料的乾燥、氣化和裂解。
優選所述的固化劑為凹凸棒土、高嶺土、蒙脫石或水滑石中的至少一種；其中固化劑中的矽鋁質量比為60～80％，粒度為10～20目。
優選所述的汙泥為經過板框式過濾的脫水汙泥，含水質量比為40～80％。
優選所述的生物質為破碎後的秸稈或樹枝；生物質的含水質量比為10～20％，粒度為1～10mm。
有益效果：
(1)在單個熱解爐內完成對汙泥、生物質和固化劑的乾燥、氣化和裂解，簡化了工藝流程，其中生物質的添加可以調控汙泥中的水份，也可以有效的調整C、H和O元素比例，在利用水蒸氣作為氣化劑的同時，可減小含水率過高帶來的高能耗，提高共氣化過程的效率和產氣率。
(2)高溫下，固化劑可將重金屬從具有一定環境毒性的可交換態與可動員態轉化為對環境基本無害的殘渣態，抑制其從固相到氣相的遷移，減小二次環境汙染。
(3)本發明適用範圍廣，對汙泥種類和含水率要求低，可較廣譜地實現汙泥的無害化處置和資源化利用。
具體實施方式
本發明可以通過以下實施例具體實現，但是並不因此限制本發明的適用範圍。
實施例1
本實施例中的脫水汙泥取自於南京市城北汙水處理廠(同以下實施例)，經處理後的汙泥含水質量比為50％，松枝含水質量比為20％，平均粒度為2mm，固化劑為凹凸棒土，粒度為20目，矽鋁質量比為60％。將汙泥、生物質和凹凸棒土按照77％：20％：3％的比例混合均勻，投放至熱解爐內，升溫至500℃，保溫30min，再進一步升至熱解溫度900℃，保溫10min。
所述汙泥含有的重金屬離子為Ba、Cr、Co、Ni、Cu、Mn、Cd、Pb，對熱解後殘渣中的重金屬含量和形態分別進行ICP和XRD檢測，根據重金屬在固相中的殘留率和形態轉換程度對本發明進行評估。ICP分析結果見表1。從表中可以看出，添加凹凸後，各個重金屬的殘留率均有所提高，這說明凹土的添加有效地抑制了重金屬往氣相的遷移。根據XRD結果發現，添加凹土後的殘渣主要以Si-Al氧化物組成，且其成分相較於未添加凹土的殘渣更加複雜，如Pb5Si8O21、PbAl2Si2O8、CdAl2(SiO4)2、CoSiO3等，這意味著凹土的添加可使重金屬從具有一定環境毒性的可交換態與可動員態轉化為對環境基本無害的殘渣態，尤其是Cd和Pb兩種離子。
利用氣相色譜儀對熱解過程中的產氣進行分析，結果表明，熱解燃氣組分主要有H2、CO、CH4、CO2和CmHn等，其中在汙泥原位水蒸汽作為氣化劑的條件下，H2的含量達到了45％，燃氣熱值在15～18MJ/Nm3之間，具有良好的應用前景(同以下實施例)。
實施例2
本實施例中經處理後的汙泥含水質量比為60％，松枝含水質量比為17％，平均粒度為4mm，固化劑為凹凸棒土，粒度為15目，矽鋁質量比為80％。將汙泥、生物質和凹凸棒土按照75％：20％：5％的比例混合均勻，投放至熱解爐內，升溫至550℃，保溫30min，再進一步升至熱解溫度1200℃，保溫15min。根據表1的ICP結果可知，相較於實施例1，各個重金屬離子在固相中的殘留率都有所增大，這說明隨著固化劑比例的越大，熱解溫度的提高，重金屬的固化程度也相對提高。固相殘渣的XRD結果表明重金屬的形態轉換程度也有所提高，這可能是熱解溫度增大的原因。
實施例3
本實施例中經處理後的汙泥含水率為80％，松枝含水率為15％，平均粒度為6mm，固化劑為高嶺土，粒度為13目，矽鋁質量比為60％。將汙泥、生物質和高嶺土按照70％：24％：6％的比例混合均勻，投放至熱解爐內，升溫至600℃，保溫25min，再進一步升至熱解溫度850℃，保溫20min。根據表1的ICP結果可知，相較於實施例2，各個重金屬離子在固相中的殘留率都有所降低，但是相較於實施例1均有所增高，這表明儘管固化劑比例有所增大，但是熱解溫度的降低也會使得重金屬在固相中的殘留率有所降低。同時固相殘渣的XRD結果也表明重金屬的形態轉換程度不大。
實施例4
本實施例中經處理後的汙泥含水質量比為40％，松枝含水質量比為13％，平均粒度為8mm，固化劑為高嶺土，粒度為20目，矽鋁質量比為80％。將汙泥、生物質和高嶺土按照68％：25％：7％的比例混合均勻，投放至熱解爐內，升溫至650℃，保溫25min，再進一步升至熱解溫度1100℃，保溫10min。根據表1的ICP結果可知，相較於實施例3，隨著固化劑比例的增大和熱解溫度的提高，各個重金屬離子在固相中的殘留率都有所增大。固相殘渣XRD結果也表明重金屬的形態轉換程度較大，殘渣態比重增加。
實施例5
本實施例中經處理後的汙泥含水質量比為55％，松枝含水質量比為10％，平均粒度為10mm，固化劑為蒙脫石，粒度為10目，矽鋁質量比為60％。將汙泥、生物質和蒙脫石按照65％：26％：9％的比例混合均勻，投放至熱解爐內，升溫至700℃，保溫20min，再進一步升至熱解溫度800℃，保溫20min。根據表1的ICP結果可知，相較於實施例4，隨著固化劑比例的增大和熱解溫度的降低，各個重金屬離子在固相中的殘留率都略微下降。並且固相殘渣中的重金屬形態轉換程度也有所減小。
實施例6
本實施例中經處理後的汙泥含水質量比為70％，松枝含水質量比為13％，平均粒度為2mm，固化劑為蒙脫石，粒度為15目，矽鋁質量比為80％。將汙泥、生物質和蒙脫石按照60％：30％：10％的比例混合均勻，投放至熱解爐內，升溫至700℃，保溫20min，再進一步升至熱解溫度1000℃，保溫10min。根據表1的ICP結果可知，相較於實施例5，隨著固化劑比例的增大和熱解溫度的提高，各個重金屬離子在固相中的殘留率都隨之增大，是所有實施例中最高的。並且固相殘渣中的重金屬形態轉換程度也相對增大，殘渣態比重增加。
以上介紹了本發明的基本原理和主要特徵，本發明的保護範圍不受實施例的限制，本技術領域的技術人員在本發明的基礎上所做的等同替換和改變，均在本發明的保護範圍之內，本發明接下來會做各種變化和改進，這些變化和改進都落入本發明的保護範圍之內。
表1不同熱解條件下各個重金屬的殘留率