基于微波誘導(dǎo)的市政污泥干化與熱解研究.pdf

1、隨著污水處理廠建設(shè)進(jìn)程的加快,我國市政污泥規(guī)模逐年增加,急需減量化和資源化處理。鑒于目前污泥熱處理技術(shù)存在的效率低、能耗高的不足,本文以基于微波誘導(dǎo)的市政污泥干化和低溫?zé)峤饧夹g(shù)作為研究內(nèi)容,并針對污泥處理過程中其它關(guān)鍵技術(shù)開展了實驗和模擬研究。
　　考察了溫度、微波破解對市政污泥干燥特性的影響。研究表明:干燥溫度越高,污泥干燥的速率就越快。當(dāng)干燥溫度從70℃上升到160℃時,相對應(yīng)的最大干燥速率從0.005g·(g·min)-1變

2、化到0.060g·(g·min)-1。微波誘導(dǎo)污泥相對原始污泥容易干化。在實驗條件下,微波誘導(dǎo)污泥干化時間比普通污泥最大可縮短近30％。微波輻射能夠大幅度提高市政污泥的擴散系數(shù),在輻射劑量15w/g,60s、90s、180s條件下,相對原始樣提高了228%、295%、388%;在20w/g、60s輻射條件下,污泥的有效擴散系數(shù)提高了293%。經(jīng)Fick定律計算得出同等溫度條件下,市政污泥的擴散系數(shù)比造紙污泥大3個數(shù)量級。利用Arrhen

3、ius等式對實驗數(shù)據(jù)計算,市政污泥的平均活化能為37kJ/mol。市政污泥的組分和結(jié)構(gòu)與造紙污泥存在較大差異,在相同熱力條件下的干化過程,市政污泥比造紙污泥吸熱更多,能耗更高。通過最佳擬合度選擇,篩選出WeiBull模型相比其他動力學(xué)模型能更好地模擬污泥干燥過程。
　　通過對不同污水處理廠的兩種污泥開展TG-DSC實驗研究,獲得污泥熱解的溫度—失重數(shù)據(jù),利用Coats-Redfern積分法計算得到熱分解反應(yīng)的表觀活化能、反應(yīng)級數(shù)及

4、頻率因子,其中20K/min升溫速率下,熱解反應(yīng)的活化能分別為45kJ/(mol·k)、41kJ/(mol·k)。采用Malek尋優(yōu)法在常用的機理函數(shù)中找出最慨然函數(shù),證明污泥熱解是以三維擴散反應(yīng)為主的多級反應(yīng)。
　　利用低劑量微波的誘導(dǎo)作用,了解其在傳統(tǒng)熱源熱解過程中提高產(chǎn)率和節(jié)能效果。通過TG-DSC實驗,研究微波輻射對污泥熱解特性的影響,與污泥—生物質(zhì)混合熱解特性作對比,并利用Coats-Redfern積分法計算出污泥熱分解

5、反應(yīng)的表觀活化能、反應(yīng)級數(shù)及頻率因子。實驗發(fā)現(xiàn)在輻射劑量為10、20、25w/g輻照劑量和10K/min升溫速率的條件下,污泥TG實驗的失重率分別提高了4.6%、5.7%和11.6%;熱解反應(yīng)的活化能分別降低了19.2、2.6、12.7kJ/(mol·k),平均降低了24%,反應(yīng)級數(shù)略有變化。10K/min升溫速率下,添加5%木屑和麥稈提高污泥熱解失重率,具有促進(jìn)作用。
　　通過污泥固定床熱解實驗,利用紅外分析儀、氣相色譜-質(zhì)譜儀

6、等分析手段,定性地分析微波破解對污泥熱解反應(yīng)的促進(jìn)作用。污泥與微波破解污泥對比實驗發(fā)現(xiàn),不同終溫下的三態(tài)產(chǎn)物產(chǎn)率的變化表明后者熱解難度降低,深度得到加強。GC-MS分析發(fā)現(xiàn),污泥熱解生物油中多以單環(huán)芳香化合物和含氮芳香化合物為主,而后者的熱解生物油成分發(fā)生了較大改變,含氮芳香化合物含量增加;以400℃終溫為例,胺和酮的含量分別提高了152%和118%。實驗還發(fā)現(xiàn)微波破解污泥在較低終溫下氣體產(chǎn)率更高,而最大產(chǎn)率沒有提高。FTIR光譜對比分

7、析顯示,微波作用使熱解殘渣中烷烴、烯烴、醇、酮有機物含量降低。
　　通過市政污泥粘度測量實驗,得到污泥剪切速率與剪切應(yīng)力關(guān)系數(shù)據(jù),并且觀察到剪切稀化現(xiàn)象;運用分段擬合方法求解出初始屈服應(yīng)力和臨界剪切速率,從而得到全范圍污泥流變曲線。在此基礎(chǔ)上,建立污泥管流模型并完成計算,計算結(jié)果與參考文獻(xiàn)中經(jīng)驗公式和實驗結(jié)果接近。且可知管徑、流速以及流動指數(shù)對管道流動的影響顯著。入口流速不變的條件下,減小流動管徑33%,驅(qū)動壓力增大了152.1%

8、;管徑不變條件下,提高入口流速10倍,驅(qū)動壓力增大了11倍;保持管徑和入口流速條件不變,增大流動指數(shù)10倍,驅(qū)動壓力減少了20.2%。
　　通過Aermod、K-ε和K-ω-sst湍流模型對有害氣體擴散污染情況的模擬預(yù)測。Aermod結(jié)果顯示最遠(yuǎn)廠界以外600米范圍濃度超過污水廠排放國家一級標(biāo)準(zhǔn),但是滿足二級標(biāo)準(zhǔn)。對比研究發(fā)現(xiàn),相同污染源排放條件下,采用高斯擴散模型為核心的AERMOD模型計算結(jié)果比K-ε模型計算濃度值偏大;K-ω