城市污泥焚燒特性研究
0 前言
城市污水廠污泥(以下簡稱城市污泥)主要來自初沉池和剩余污泥的排放,含有豐富的可以利用的氮、磷多種微量元素和有機質(zhì),但也含有大量病原體、寄生蟲(卵)和一定量的重金屬和多種有毒有害有機污染物,制約著污泥的資源化利用。我國年產(chǎn)干污泥量約為5.0×109kg,且呈不斷上升趨勢。采用焚燒法處理污泥能最大限度減容、減量化，而且處理速度快，完全滅殺病原物，使有毒污染物被氧化，污泥灰渣中的重金屬活性較污泥中要低得多，并可使空氣凈化設(shè)備排放氣體達標(biāo)，同時污泥燃燒產(chǎn)生熱能可發(fā)電[1]。
本文選取城市污泥，對其焚燒后的灰渣進行了X 射線衍射(XRD) 、X 射線熒光分析(XRF) 和電鏡分析（SEM）,并對結(jié)果作了進一步的分析。
1 原材料來源及實驗方法
本文選取的城市污泥來源于北京某污水處理廠。
本文采用以下實驗研究污泥隨焚燒溫度和焚燒時間的變化：將污泥樣品充分脫水，再將其取出碾碎，經(jīng) 80目篩子(孔徑0.198mm )篩分，稱重后放入箱式電阻爐加熱，試驗溫度分別設(shè)定為500℃、600℃、700℃、800℃和900℃，對污泥灼燒1小時后再取出稱重。另外，為研究焚燒時間對污泥的影響，在焚燒溫度為900℃的工況時，設(shè)定污泥的焚燒時間分別為30min、60 min、120 min進行實驗，在不同的焚燒溫度和焚燒時間分別計算其減重率。并通過X 射線衍射分析(XRD)、X 射線熒光分析(XRF) 和電鏡分析（SEM）對焚燒灰的成分、組成和形貌進行分析。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1 焚燒溫度和焚燒時間對污泥失重率的影響
本文采用污泥的減重率表示污泥的失重隨焚燒溫度和焚燒時間的變化。污泥的減重率是指焚燒過程中污泥的重量變化與污泥原始重量的比值。實驗結(jié)果示于圖1-圖2。
 圖1 不同溫度下城市污泥的失重變化 |
 |
圖2 不同焚燒時間下城市污泥的失重變化
由圖1可知，隨著焚燒溫度由500℃升高到700℃，污泥的減重率也相應(yīng)地提高。但溫度超過 700℃之后減重率的增幅明顯變小，這主要是因為在低溫時污泥中的水分、揮發(fā)份析出、易揮發(fā)的金屬揮發(fā)和一些可燃有機質(zhì)的熱解和燃燒造成了污泥的失重。在較高焚燒溫度下，減重率增幅減小，可能是因為污泥樣品中部分物質(zhì)與空氣中的氧氣發(fā)生了反應(yīng)，生成了穩(wěn)定的氧化物不再析出。
由圖2可知，在相同的溫度900℃下，隨著焚燒時間的增加，城市污泥的減重率隨時間先減小后增加，當(dāng)焚燒時間超過60min之后,減重率有明顯的提高，這可能是因為污泥中一些低溫時較穩(wěn)定的礦物發(fā)生分解造成的，同時也與一些溫度較低時基本不析出的高沸點重金屬元素如Zn，Pb等逐漸析出也有一定關(guān)系[2]。
2.2溫度對污泥焚燒灰渣組成的影響
2.2．1 溫度對污泥焚燒灰渣礦物組成的影響
本文對500℃、700℃和900℃焚燒一小時的污泥灰渣進行XRD分析，觀察各組分在焚燒灰渣中存在的物相，實驗結(jié)果見圖3。
 |
圖3 不同溫度下城市污泥的礦物組成
由圖3可知，溫度為500℃時，污泥焚燒灰渣中的主體成分是SiO2、CuS和Ca(Mg0.67Fe0.33)CO3，由于碳酸鹽的不穩(wěn)定，當(dāng)溫度升高到700℃時，已經(jīng)檢測不到Ca(Mg0.67Fe0.33)CO3，說明碳酸鹽已經(jīng)發(fā)生了分解。K(AlSi3O8)和CaAl2Si2O8在500℃時能檢測到，但到了700℃時就檢測不到了，說 明它們只能在低溫時穩(wěn)定存在，當(dāng)溫度升高到700℃時已經(jīng)完全分解了。在全部工況下所得的灰渣中，SiO2都是其中的主要組成部分，而且CuS也一直存在于所有工況下所得的污泥灰渣中。當(dāng)溫度達到900℃時基本沒有新的物質(zhì)形成，在700℃時存在的 CaMgV2O7、(K0.22Na0.78)(AlSi3O8)和Na8[AlSiO4]6[B(OH)4]2這些物質(zhì)在900℃時依然能檢測到，說明它們比較穩(wěn)定。 Cr元素及其化合物一直是人們關(guān)注的對象。劉剛[2]在污泥焚燒灰渣的研究中發(fā)現(xiàn)Zn和Cr2O3在500℃、700℃焚燒溫度下，比較容易以ZnCr2O4的形式存在，但在本文的研究中未能檢測到，可能的原因就是Cr元素在污泥中的含量太少，致使污泥灰渣中檢測不出ZnCr204。
2.2.2溫度對污泥焚燒灰渣化學(xué)組成的影響
通過X射線熒光分析方法了解污泥在焚燒過程中化學(xué)組成發(fā)生的變化，實驗結(jié)果示于圖4。
 |
圖4 不同溫度下渣中化學(xué)組成的變化
由圖4可知，在焚燒的過程中，城市污泥中的水分和有機質(zhì)含量有所大量減少，致使城市污泥焚燒灰中無機成分的含量有所增加，SiO2、P2O5、MgO和K2O等的含量有所增加， SiO2的含量是最多的，結(jié)合圖3可知主要是因為一些在低溫比較穩(wěn)定的鹽在高溫發(fā)生了分解，而CaO、Al2O3、Fe2O3等的含量沒有明顯變化。
2.3污泥焚燒過程結(jié)構(gòu)分析
為了更好的說明焚燒溫度對污泥灰渣結(jié)構(gòu)的影響，對不同溫度的污泥焚燒灰渣進行掃描電鏡分析，實驗結(jié)果見圖5所示。
 |
圖5 不同溫度下城市污泥掃描電鏡分析
由圖5可知，隨著焚燒溫度的提高，一些污泥大顆粒分解為小顆粒，使得污泥的細顆粒增多，比表面積增大。電鏡照片也逐步呈現(xiàn)疏松狀，說明其中的有機成分也已經(jīng)開始分解，污泥中的揮發(fā)分和氣體逐漸析出，在灰渣表面形成孔隙和氣孔。由圖3可知，Ca(Mg0.67Fe0.33)CO3 在500℃時還能檢測到，到700℃時已經(jīng)不存在了，發(fā)生了分解，由此也驗證了污泥焚燒灰中出現(xiàn)的眾多氣孔。
3結(jié)論
（1）污泥在低溫時失重較為明顯，主要是水分、揮發(fā)份、有機質(zhì)燃燒以及一些氣體的逸出造成的，高溫時減重趨勢趨于平緩，主要是因為高溫時生成了穩(wěn)定的氧化物不再析出。
(2) 由于城市污泥中的有機質(zhì)在焚燒過程中消耗掉，致使無機成分有了相應(yīng)地提高。SiO2、 P2O5、MgO和K2O等的含量有所增加，主要是因為一些在低溫比較穩(wěn)定的鹽在高溫發(fā)生了分解，而CaO、Al2O、 Fe2O3等的含量沒有明顯變化。
（3）隨著焚燒溫度的升高，污泥的細顆粒增多，比表面積增大，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)疏松狀態(tài)，并在灰渣表面形成孔隙和氣孔。
參考文獻
1 Werther J ,Ogada T , Sewage sludge combustion. Progress in Energy and Combustion Science ,1999,25:55
2 劉剛.典型危險廢棄物回轉(zhuǎn)窯熱處置特性和技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2006
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
