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微波能作用下污泥脱水和高温热解的效能与机制

方琳  
【摘要】: 污泥产量的增加及带来的环境污染已成为环保界关注的焦点。污泥脱水是污泥处置的瓶颈,污泥高温热解则因能促进其资源化而成为近年研究的热点。本论文针对污泥处理处置的关键技术,将微波能引入污泥脱水预处理及高温热解处置中,以污泥减量化、无害化、资源化为主线,研究微波能作用下污泥脱水性改善及结构破坏历程,分析污泥微波高温热解的效能与机制,考察微波对污泥中主要污染物——重金属的固定效果及机理,探讨热解固态产物的再利用前景。 本文提出采用微波能促进污泥脱水性的改善,考察130s内污泥沉降、过滤脱水性的变化,并通过粒度分布及污泥胞外聚合物含量变化探讨了相关机理,分析了污泥结构的破坏历程。结果表明:适宜的微波辐射可明显改善污泥结构及脱水性,900、720和540W微波改善污泥沉降及过滤脱水性的最适宜时间分别50、110和130s,处理后污泥SVI30分别较原泥减少48%、38%和30%,真空抽滤含水率由原泥直接抽滤的85%降为71%。分析认为:污泥结构破坏是微波改善去其脱水性的重要因素,900W微波辐射50s污泥中超胶体颗粒有效减少30.7%,胞外糖含量介于15.8-16.5mg/gMLSS时污泥脱水性最佳。核酸能较好地指示微波辐射下污泥细胞壁开始破裂的时间,过量的微波辐射因破坏污泥的细胞壁结构,导致胞内物质大量溢出、污泥黏度增加,脱水性恶化。 采用微波能进一步实现湿污泥的直接干燥,确定其中重金属的固定效果及机理。试验表明:含水率98%的污泥经900W微波作用8min即可实现低耗、快速干燥;不同标准方法及拟自然水体流动条件下的浸出试验表明:微波干燥污泥可实现其中重金属Cu、Cr、Zn、Pb的有效固定,试验通过SEM及XRD手段分析干污泥的化学组成、结晶状况、孔径结构发现:微波可通过破壁、堆积、包埋、固定、成孔过程将重金属有效闭塞在干污泥0.075-0.75μm的孔径中,实现重金属与干污泥的紧密结合。 通过不同污泥在微波场中的升温特性确定:污泥在微波场中的加热温度低于200℃;通过添加少量SiC、Fe2O3、活性炭、炭化污泥,可促进污泥800℃微波高温热解。在优化反应条件下,微波高温热解污泥有机质转化率较传统热解过程增加10%以上,可实现污泥高效热解。 微波高温热解污泥固态产物中的重金属是其再利用过程中必须考虑的问题。试验研究发现:与传统热解过程相比,微波高温热解污泥过程可有效减少重金属挥发,而且TCLP方法下固态产物中Cd、Pb、Zn、Cu的浸出浓度降低了80.29%以上;在改变浸取液、液固比、pH以及拟自然水体流动的浸出试验中,微波高温热解污泥固态产物中重金属的固定效果优于传统高温热解。机理分析发现:微波高温热解污泥固态产物呈碱性、重金属赋存稳定态增加、不稳定态减少是实现重金属化学固定的重要因素;固态产物历经玻璃转化、形成微米级颗粒是实现重金属物理固定的重要因素;化学及物理固定对重金属固定共同发挥作用。 在确定微波高温热解污泥有效固定重金属的基础上,进一步研究发现:添加炭化污泥条件下的微波高温热解污泥固态产物对伊红、番红的吸附量可达到73.99mg/g及79.82 mg/g,Freundich等温吸附模型可较准确描述伊红和番红在固态产物上的吸附特征;该固态产物也可同时用作微波能吸收物质,多次回添到微波高温热解污泥过程,但会因粉末化及熔融烧结作用破坏其的吸附性,因此对固态产物用作吸附剂或微波能吸收物质应有所选择。 通过上述微波能作用下污泥脱水及高温热解效能与机制的系统研究,可以确定:微波在改善污泥脱水性、实现污泥高效热解、促进重金属有效固定以及产物可再利用方面均具有一定的优势,为污泥处理处置的无害化、减量化及资源化提供了一种新的有效途径。


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