污水處理污泥摻配水煤漿氣化重金屬遷移研究及灰渣排放評價

楊東元，王亞紅，扈廣法，孫育濱，3，常春然

(1.西安交通大學 化學工程與技術學院 陜西省能源化工過程強化重點實驗室，陜西 西安 710049；2.陜西延長石油(集團)有限責任公司，陜西 西安 710069；3.陜西延長石油(集團)有限責任公司大連化物所西安潔凈能源(化工)研究院，陜西 西安 710069；4.陜西延長西大先進技術研究院有限公司，陜西 西安 710069；5.西安元創化工科技股份有限公司，陜西 西安 710061)

污水處理過程產生的污泥是石化行業重要的危險固體廢棄物，我國年產污水處理污泥達到 5 000萬t 以上，具有組分復雜、來源廣泛、危害性強、毒性大等特點[1]，如不妥善處置，將對環境造成巨大危害[2]。現有處置技術主要有焚燒法、熱解法、填埋法、溶劑萃取分離法、制磚固化法及微生物處理等技術[3-4]，普遍存在能消高[5]、存在二次污染、綜合利用率低等問題[6]。

污泥的成分主要為微生物殘余物、烴類化合物、污水及土壤組分，具有一定的熱值[7]。將污泥與煤、水及添加劑混合后氣化，可將現有處理技術中利用成本較高的烴類及微生物資源轉化為CO及H2[8]。將污泥與煤共氣化，利用氣化爐協同處置危廢是一種簡單、經濟的資源化技術。污泥的主要有害物質為其中所含的烴類化合物、有害微生物及重金屬，在高溫氣化反應下全部轉化為合成氣，而進行氣化處理后重金屬遷移規律及其對氣化灰渣的影響就成為氣化無害化處理的關鍵所在[9-10]。本文將污泥氣化工業化運行裝置的灰渣、灰水排放數據進行分析[11-13]，對其中重金屬的遷移特性進行分析并評估其對灰渣排放的影響[14-15]。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

污泥，取自鄂爾多斯盆地某大型石油加工企業污水車間污泥減量化裝置離心機出口油泥餅。

MB-32型紅外水分測定儀；VEL元素分析儀；康塔400型環境掃描電鏡；6800型ICP光譜儀；AFS-3000型原子熒光儀。

1.2 分析方法

污泥及煤按GB/T 212—2008方法進行工業分析；污泥及原料煤的微量元素、重金屬元素分析按 GB/T 15618執行，元素分析、灰熔點、發熱量等參照GB/T 474、GB/T 214、GB 476等標準執行。

1.3 制漿及氣化過程

將污泥及專用污泥分散劑經高壓柱塞泵經計量加注到水煤漿磨機內，按現有的水煤氣加壓氣化工藝(見表1)進行氣流床氣化，對外排黑水、灰水、灰渣、合成氣組分及工藝運行指標進行分析與評價。

表1 摻配污泥水煤漿氣化工藝條件Table 1 The gasification of the mixing sludge

2 結果與討論

2.1 煤、污泥重金屬及元素分析結果

污泥樣品及原料煤樣的重金屬含量分析見表2。

由表2可知，污泥中砷、鉛、汞、鉻及鎘重金屬及有害元素含量除鉻外基本與煤接近，其影響基本可忽略。污泥中有害元素及重金屬在氣化過程中的遷移影響，主要是與煤共氣化過程中產生的。

表2 煤及污泥重金屬元素分析Table 2 The heavy metal analysis of coal and sludge

2.2 污泥摻配水煤漿制漿研究

使用氣化原料煤樣1或2，在自制污泥含氟疏水高效分散劑的作用下，對摻配污泥后水煤漿進行成漿性及穩定性、流變特性分析。

含5%污泥水煤漿密度根據GB/T 18856.9—2002進行測定。含污泥水煤漿的固含率為60%(質量分數)，漿體的密度約為1.135 g/cm3，pH值為 7.0，污泥漿的表觀粘度為584 mPa·s，可滿足有關水煤漿氣化使用要求。

2.3 摻配5%污泥水煤漿氣化工藝評價

2.3.1 污泥水煤漿特性分析 對工業水煤漿及摻配5%污泥的水煤漿進行工業分析、發熱量、灰熔點、粘溫特性分析、元素分析及灰成分分析，結果見表3～表8。

表3 煤、污泥及摻配污泥煤樣工業分析Table 3 The industrial analysis of coal/sludge/coal-sludge

表4 煤、污泥及摻配污泥煤樣的元素分析Table 4 Elemental analysis of coal，sludge and coal-sludge

表5 煤、污泥及摻配污泥煤樣的熱值分析Table 5 Caloricity analysis of coal，sludge and coal-sludge

表6 煤、污泥及摻配污泥煤樣的灰熔點分析Table 6 Ash fusibility analysis of coal，sludge and coal-sludge

表7 煤、污泥及摻配污泥煤樣的粘溫特性Table 7 Viscosity-temperature characteristic analysis of coal，sludge and coal-sludge

表8 煤、污泥及摻配污泥煤樣的灰成分分析Table 8 Ash composition analysis of coal，sludge and coal-sludge

由表6～表8可知，摻配5%污泥后，水煤漿的灰熔點中的FT變低，但粘溫特性改變不明顯，高溫氣化后，灰渣組成及含量基本一致。

2.3.2 污泥氣化灰渣重金屬含量分析 將間隔2 h取樣的不含污泥水煤漿及摻配5%油泥水煤漿氣化后粗渣按序號進行標記，其中有害元素及重金屬含量分析見表9。

表9 摻配5%污泥水煤漿與空白水煤漿氣化粗渣重金屬含量分析Table 9 The heavy metal content analysis of coarse slag of sludge-CWS and blank CWS

由表9可知，含5%污泥水煤漿氣化粗渣的重金屬含量與空白水煤漿相比，總體變化很小，除鉛含量略有升高外，其他重金屬元素基本保持不變；同時，摻配污泥后的水煤漿其氣化粗渣中重金屬的含量均符合國家一般固體廢棄物排放標準。

將間隔2 h取樣的不含污泥水煤漿及摻配5%油泥水煤漿氣化后細渣按序號進行標記，其中有害元素及重金屬含量分析見表10。

表10 摻配污泥水煤漿與空白水煤漿氣化細渣重金屬含量分析Table 10 The harmful elements analysis of fine dregs of sludge-CWS and blank CWS

由表10可知，含污泥水煤漿氣化細渣的重金屬含量與空白水煤漿相比，總體變化很小，除鉛含量略有升高外，其他重金屬元素基本保持不變。同時，摻配污泥后的水煤漿其氣化細渣中重金屬的含量均符合國家一般固體廢棄物排放標準。

綜合污泥摻配水煤漿氣化粗渣及細渣的重金屬分析數據，可以初步得出，污泥中的重金屬在氣化爐內遷移特性基本為遷移至氣化灰渣內，并進行高溫固化，其中細渣中重金屬含量要高于粗渣，重金屬主要隨細渣進行固化遷移。

3 結論

(1)摻配5%煉油污泥水煤漿氣化后，粗渣及細渣的主要灰成分、重金屬等均符合國家有關一般固體廢棄物排放安全標準，污泥摻配水煤漿氣化灰渣可實現安全排放。

(2)污泥中的重金屬含量與煤基本一致，不存在重金屬超標問題，其重金屬在氣化爐內進行氣流床高溫氣化反應主要遷移特性為向氣化灰渣遷移并固化，其中氣化細渣的遷移大于氣化粗渣中的遷移。