利用超声波破解污泥絮团改善污泥水煤浆成浆性的方法与流程

本发明涉及一种提高污泥水煤浆成浆性的方法，具体涉及采用超声波对污泥进行改性，并将改性后的污泥、煤、制浆添加剂、水等掺混制备污泥水煤浆，或者将改性污泥直接掺入成品水煤浆中形成污泥水煤浆，利用超声波空化作用破解污泥絮团结构进而提高浆体的成浆性的技术方法。

背景技术：

随着社会和经济的快速发展，我国对能源的需求不断增加，优质能源如石油、天然气的需求量更是呈加速增长态势。2016年，我国石油全年累计进口数量38101万吨，累计同比上涨13.56%。未来一段时期内，我国经济仍将高速发展，石油需求量仍将保持强劲增长趋势，供需缺口将继续加大。寻找可靠的石油替代燃料，对于我国能源供应稳定和能源战略安全具有重大的现实意义。

与此同时，随着工业的快速发展以及生活水平的不断提高，工业和生活污水产量大幅增加，由此产出了数量庞大的污泥。污泥中含有较多的盐分、营养物质、重金属、病原物、有机污染物等，未经合理处置的污泥排入环境中必然会产生严重的环境危害。如何高效清洁低成本地处理这些污泥，已成为城市可持续发展亟待解决的问题。一般地，污水处理厂的出厂污泥是经过生化处理并机械脱水后的污泥，含水率仍然达到80%以上，很难进一步直接利用。如焚烧或掺混煤燃烧，需要把水分脱除到40-50%左右，这样还需要消耗大量的热能。

水煤浆是一种技术成熟的煤基浆体燃料，具有近似于石油的流动性，可通过管道输送，保证了煤基燃料输送和储存的环境清洁性，能够在锅炉中高效率的雾化燃烧，也可以用作气化燃料产出可燃气，是一种比较理想的代油燃料。污泥水煤浆技术是将污泥作用含碳含能物质与煤掺制水煤浆或直接将其掺入水煤浆中，在对水煤浆进行燃烧或气化利用过程中，实现了污泥的同步利用和处理。污泥水煤浆技术主要表现出以下优势：不需要对污泥进行干燥处理，可以在继承污泥与煤混合燃烧或气化的优势的情况下，解决由污泥高水分引起的应用问题；污泥中高含量的水分通过合理的处理后，能转化为自由流动的水，可以节省制浆所需的清水；污泥水煤浆通过燃烧或气化可以实现污泥中能量的回收利用，且污泥减容效果显著。此外，在污泥与煤混合燃烧和气化时，通过优化配置和合理操作，能有效控制排烟污染物和重金属的排放。鉴于上述优势，污泥水煤浆技术逐渐成为污泥高效资源化利用的主要途径之一。

浆体的成浆性既关系到浆体的制备效益，又直接影响到其泵送、雾化和燃烧（或气化）效果，是评估水煤浆质量的关键指标。浆体的成浆性具体通过成浆浓度、成浆粘度等参数衡量，良好的成浆性要求浆体成浆浓度高且成浆粘度低。然而，由于污泥具有较高的水分含量和粘稠性，将其与煤掺混制备水煤浆或者直接将其掺入水煤浆中，都会引起污泥水煤浆粘度极大的增加，成浆浓度也明显下降。这必然造成水煤浆利用效益下降，不利于污泥的大规模高效处理。

因此，开发一种能改善污泥水煤浆成浆性的技术方法，降低污泥水煤浆成浆粘度，增加其成浆浓度，对降低污泥水煤浆的应用成本、加快污泥水煤浆技术的发展和推广应用具有重要意义。

技术实现要素：

本发明针对现有的技术问题，提供利用超声波破解污泥絮团改善污泥水煤浆成浆性的方法，目的是克服现有污泥水煤浆技术中浆体成浆性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：利用超声波破解污泥絮团改善污泥水煤浆成浆性的方法，其包括以下步骤：

(1)污泥首先进入超声波发生装置进行预处理，利用超声波空化效应产生的剪切作用和高温高压环境破坏污泥絮体结构及污泥中微生物细胞壁，降低污泥颗粒粒度，释放部分间隙水，获得改性污泥；

(2)对原煤依次进行破碎、研磨、筛分处理，获得粒径小于150μm的煤粉；

(3)将制浆添加剂充分溶解于水中，得到添加剂溶液，之后将步骤(1)中的改性污泥与步骤(2)中的煤粉加入添加剂溶液中，通过制浆搅拌装置充分搅拌，获得均匀的污泥水煤浆；或者将步骤(1)中的改性污泥直接掺入成品水煤浆中，通过搅拌装置充分搅拌，获得均匀的污泥水煤浆。

进一步，作为优选，本发明中，超声波处理器的运行条件为：工作频率为15khz～35khz，功率为114w～325w，超声波输入比能量为0～75kj/g干污泥(ds)；其中超声波输入比能量的计算公式为：

式中：espec——超声波输入比能量，kj/gds；

p——输入污泥的超声波功率，kw；

t——超声波持续时间，s；

v——稀释污泥样品的体积，l；

s——干质污泥的浓度，g/l。

进一步，作为优选，超声波处理器的运行条件为：工作频率为15khz-35khz，功率为114w-325w，超声波输入比能量为0-75kj/g干污泥；。

进一步，作为优选，污泥水煤浆各原料组分的质量配比关系为：采用按含水率90%折算的污泥：干煤粉=30：100，添加剂：干煤粉=0.8：100。

进一步，作为优选，所述的污泥为城市污水处理厂产出的剩余污泥或其机械脱水产物，其含水率为90%-98%。

进一步，作为优选，所述的制浆添加剂采用萘磺酸盐甲醛缩合物或者木质素磺酸盐。

进一步，作为优选，所述的成品水煤浆是利用煤粉、水、制浆添加剂配制成的水煤浆。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用超声波对污泥进行改性，利用超声波空化效应产生的剪切作用和高温高压环境破坏污泥絮体结构及污泥中微生物细胞壁，降低污泥颗粒粒度，释放部分间隙水，然后将改性后的污泥与煤、制浆添加剂、水等物质掺混制备污泥水煤浆，或者将改性污泥直接掺入成品水煤浆中形成污泥水煤浆，能明显降低污泥水煤浆的成浆粘度，提高其成浆浓度，获得成浆性优良的污泥水煤浆。

与现有技术相比，本发明的优势是：

1、本发明采用低频超声波对污泥进行预处理改性，预处理时间短，能耗相对较低，方法容易实现，便于操作；

2、可以降低成浆粘度41%以上，增加成浆浓度3个百分点以上。与现有技术相比，降低了泵送成本，增加了污泥水煤浆热利用经济性。

3、改善污泥水煤浆的成浆性，提高其成浆浓度，实现了污泥更高效率的资源化利用，减少了污泥的环境污染。

附图说明

图1为本发明中超声波改性污泥与煤粉、添加剂和水掺制污泥水煤浆的工艺流程示意图。

图2为本发明中超声波改性污泥掺入水煤浆中制备污泥水煤浆的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：利用超声波破解污泥絮团改善污泥水煤浆成浆性的方法，其是利用超声波空化效应对污泥进行改性处理，并利用改性污泥与煤、添加剂、水等掺混制备污泥水煤浆（如图1所示）或将改性污泥掺混入成品水煤浆中形成污泥水煤浆（如图2所示）。在超声波改性过程中，污泥絮团被明显破解，颗粒粒度大大降低，同时超声波能够打开污泥絮团内部空间和污泥中微生物细胞结构，其中的间隙水被释放形成自由水。利用改性污泥制污泥水煤浆可以得到成浆粘度低、成浆浓度高的浆体。

实施例1：

(1)实施方法

污泥取自某污水处理厂产出的剩余污泥，经过不同程度的机械脱水后，形成含水率分别为90%、95%和98%的污泥样品，用于超声波改性及后续制污泥水煤浆。

采用探头式超声波化学处理系统，该装备由发生器、换能器及超声探头三部分组成。超声波频率为20khz，超声波功率分别设置为190w，超声波输入比能量选定为0（即不经超声波处理）、3.8、7.5、15、30、75kj/gds。

改性污泥制水煤浆时，各原料组分的质量配比关系为：按含水率90%折算的污泥：干煤粉=30：100，添加剂：干煤粉=0.8：100。添加剂选用萘磺酸盐甲醛缩合物。制成的水煤浆的固体质量浓度为60%。

浆体的表观粘度利用旋转粘度计测定。

(2)实施效果

表1给出了超声波改性污泥制污泥水煤浆的成浆粘度（ηc，剪切速率为100s−1下的平均表观粘度）。从表1中可见，污泥水煤浆的成浆粘度随超声波比能量的增加而迅速降低，说明污泥经超声波处理后与煤掺混制备水煤浆的成浆性变好。以95%含水率的污泥来说，未经处理的原污泥与煤掺混制备的污泥水煤浆的成浆粘度较高，为1663.60mpa·s，污泥经过30kj/gds的超声波处理之后，污泥水煤浆的成浆粘度降为1205.43mpa·s。经过75kj/gds的超声波处理之后，污泥水煤浆的成浆粘度降为980.85mpa·s，成浆粘度相较于原污泥水煤浆减少了41%。未经处理的原污泥絮体疏松，具有丰富的内部空间和空隙，束缚水能力很强，且原污泥中含有大量的细胞组织，将未经处理的原污泥掺入水煤浆中，浆体中的自由水一部分被疏松的污泥絮体束缚成为间隙水，另一部分渗透入细胞组织内成为细胞水，因此原污泥水煤浆的粘度较高。当污泥经过超声波处理之后，污泥絮体受到超声波空话作用产生的强大剪切力而破解，絮体有机残片相互缠绕的能力下降，污泥絮体内部空间由于絮体的破解而变得开放，污泥絮体束缚水的能力下降，当超声波比能量较高时，污泥中的细胞组织也遭到破坏，污泥束缚水得以释放。因此经超声波处理的污泥与原污泥相比，制得的污泥水煤浆的粘度下降。另一方面，污泥颗粒经超声波处理后，粒度变小，有利于提高浆体的固体填充料，这也会在一定程度上降低浆体的粘度。

表1.超声波改性污泥制污泥水煤浆的成浆粘度

污泥水煤浆的最大成浆浓度定义为在剪切速率为100s⁻¹的条件下表观粘度达到1000mpa•s时污泥水煤浆所含固体的质量分数，可用于衡量浆体的成浆性能。以95%含水率的污泥来说，原污泥水煤浆和超声波处理（超声波输入比能量为75kj/gds）后的污泥制备的污泥水煤浆的最大成浆浓度分别为57.39%和60.47%，即经过超声波改性的污泥制成的污泥水煤浆在最大成浆浓度上增加了3个百分点以上。最大成浆浓度增加，表明在相同的粘度下，浆体浓度可以达到更高水平，浆体成浆性也越好。也就是说，经过超声波处理后，污泥成浆性能得到极大改善，经济效益也会提高。

实施例2：

（1）实施方法

污泥取自某污水处理厂产出的剩余污泥，经过一定程度的机械脱水后，形成含水率分别为95%的污泥样品，用于超声波改性及后续制污泥水煤浆。

与实施例1相同，采用探头式超声波化学处理系统，该装备由发生器、换能器及超声探头三部分组成。超声波频率为20khz，超声波功率分别设置为114w、190w和266w，超声波输入比能量为75kj/gds。

改性污泥制水煤浆时，各原料组分的质量配比关系为：按含水率90%折算的污泥：干煤粉=30：100，添加剂：干煤粉=0.8：100。添加剂选用萘磺酸盐甲醛缩合物。制成的水煤浆的固体质量浓度为60%。

浆体的表观粘度利用旋转粘度计测定。

(2)实施效果

表2给出了经不同超声波功率下改性的污泥制污泥水煤浆的成浆粘度和最大成浆浓度。从表2中可见，与未经处理的原污泥相比，经过超声波改性的污泥制成的污泥水煤浆具有较低的成浆粘度和较高的成浆浓度，表明超声波改性污泥的成浆性增强。超声波功率越大，成浆粘度越低，最大成浆浓度越高。这是因为超声波功率大，空化作用就更强，对污泥的破解效果就更明显。另外，空化作用伴随产生热效应，在超声波处理过程中，污泥局部温度升高。超声波功率增加时，达到相同的超声波强度需要的时间短，散热少，污泥局部温度水平较高，因此污泥破解效果会更高。

表2.经不同超声波功率下改性的污泥制污泥水煤浆的成浆粘度和最大成浆浓度

实施例3：

(1)实施方法

污泥取自某污水处理厂产出的剩余污泥，经过一定程度的机械脱水后，形成含水率分别为95%的污泥样品，用于超声波改性及后续制污泥水煤浆。

采用多频率超声波细胞破碎仪对污泥进行改性。超声波频率分别为15khz、25khz和35khz，超声波功率分别设置为325w，超声波输入比能量分别为4kj/gds和30kj/gds。

水煤浆采用事先制好的成品，制水煤浆时添加剂为木质素磺酸盐，添加剂与干煤粉的质量配比关系为0.8：100。

改性污泥掺入水煤浆中充分搅拌，形成均匀的污泥水煤浆样品，污泥掺入的质量比例为：按含水率90%折算的污泥：水煤浆中的干煤粉=30：100。制成的水煤浆的固体质量浓度为60%。

浆体的表观粘度利用旋转粘度计测定。

(2)实施效果

原污泥制成的水煤浆的成浆粘度为1656.8mpa•s，污泥经超声波处理后再制浆时，粘度降低，成浆性变好。超声波输入比能量为4kj/gds时，污泥经过15khz、25khz和35khz的超声波处理后制浆的成浆粘度分别降低为1210.4mpa•s、1421.5mpa•s和1557.5mpa•s；超声波输入比能量为30kj/gds时，污泥经过15khz、25khz和35khz的超声波处理后制浆的成浆粘度分别降低1127.0mpa•s、1186.2mpa•s和1230.6mpa•s。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。