葉臘石耦合微波改善燃料乙醇厭氧消化污泥脫水性能*

包振宗 朱新萍# 臺明青 侯艷艷

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.南陽理工學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 南陽 473000)

葉臘石耦合微波改善燃料乙醇厭氧消化污泥脫水性能*

包振宗1朱新萍1#臺明青2侯艷艷1

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.南陽理工學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 南陽 473000)

利用金剛石生產(chǎn)廢物葉臘石耦合微波對燃料乙醇厭氧消化污泥(FEADS)進行處理，探討該處理方法對FEADS脫水性能的改善效果及機理。結(jié)果表明：含水率為97.65%的FEADS，投加葉臘石粉(2 g/L)后沉降性能大幅提高，20 min時沉降比(SV)由70.2%減小為54.3%；經(jīng)葉臘石粉(2 g/L)耦合微波(640 W、2 min)處理后脫水性能大幅提高，污泥比阻(SRF)由1.21×1013m/kg減小為7.23×1012m/kg，可壓縮系數(shù)由1.33減小為0.63；掃描電鏡表明，葉臘石耦合微波處理后FEADS水分容易通過；熱重曲線中失重峰明顯滯后，顯示葉臘石耦合微波處理改善了FEADS的脫水性能。

燃料乙醇厭氧消化液 葉臘石 脫水性能 可壓縮性

伴隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，世界能源需求日益增加，煤炭、石油等日益枯竭[1-2]，為此開發(fā)新型可持續(xù)能源已成為世界各國爭相研究的熱點。燃料乙醇作為一種新型可再生的能源，由于具有熱值高、燃燒效率高、性能好以及CO2排放量少等優(yōu)點，被作為天然化石燃料首選的替代品之一，廣泛受到認(rèn)可。目前，中國的燃料乙醇生產(chǎn)量位居世界第3位，然而在燃料乙醇的生產(chǎn)過程中，燃料乙醇厭氧消化污泥(FEADS)含有較高有機物濃度，需要先經(jīng)過絮凝與脫水處理，再經(jīng)過好氧等深度處理后方可達標(biāo)排放，因此脫水性能越好，越能降低后續(xù)好氧等深度處理的成本。以往研究中，通過投加粉煤灰[3-4]、改性粉煤灰[5]、生石灰[6]及生物質(zhì)[7]等材料可改善污泥脫水性能，其中粉煤灰對污泥脫水效果顯著。也有采用適宜的微波輻射改善脫水性能的報道[8-10]。葉臘石是生產(chǎn)金剛石后的廢料，是一種與粉煤灰性質(zhì)相近的礦物質(zhì)，因此開展利用葉臘石耦合微波改善FEADS脫水性能的研究，不但可探索出一種新的高效、低成本、無環(huán)境危害并利于FEADS后續(xù)處理的聯(lián)合處理方法，而且可對葉臘石廢物進行資源化利用，研究結(jié)果可為葉臘石廢物應(yīng)用于FEADS脫水處理提供科學(xué)參考。

1 試驗部分

1.1 主要試驗材料

FEADS取自南陽市某燃料乙醇有限公司，含水率為97.65%。葉臘石取自南陽市某金剛石有限公司。

1.2 試驗方案和分析方法

1.2.1 FEADS沉降性能的影響試驗

在4個150 mL燒杯內(nèi)分別倒入100 mL FEADS，分別投加葉臘石粉0、2、4、6 g/L，勻速攪拌后將FEADS移入100 mL刻度量筒，觀測在1、3、5、10、15、20、25、30 min時的FEADS沉淀層體積。FEADS的自然沉降速率可用30 min的沉降比(SV)來表征，為靜止后沉淀層體積與液體總體積的比例。

1.2.2 污泥比阻(SRF)的影響試驗

在150 mL燒杯內(nèi)分別倒入100 mL FEADS，分別投加葉臘石粉0～5 g/L或葉臘石粉(0、1、2、3 g/L)耦合微波(240、480、640、800 W，2 min)進行處理，攪拌混勻后進行過濾脫水，在38 kPa真空壓力條件下測定SRF。SRF測定和計算過程見文獻[11]。

1.2.3 含水率的影響試驗

在150 mL燒杯內(nèi)分別倒入100 mL FEADS，分別投加葉臘石粉1～5 g/L或葉臘石粉(0、2 g/L)耦合微波(240、480、640、800 W，2 min)進行處理，勻速攪拌后將FEADS移入100 mL刻度量筒，然后放入微波爐內(nèi)在不同功率下加熱，取出冷卻后測定含水率。

1.2.4 FEADS的可壓縮性試驗

FEADS可壓縮性用可壓縮系數(shù)表征，試驗中測得抽濾真空壓力分別為38、43 kPa下的SRF，利用公式[12]計算出樣品1(FEADS)、樣品2(單獨葉臘石粉(2 g/L)處理后FEADS)、樣品3(單獨微波(640 W、2 min)處理后FEADS)、樣品4(葉臘石粉(2 g/L)耦合微波(640 W、2 min)處理后FEADS)的可壓縮系數(shù)。

1.2.5 污泥形態(tài)分析

分別取FEADS和經(jīng)葉臘石粉(2 g/L)耦合微波(640 W、2 min)處理后FEADS各5 g，自然干燥后進行掃描電鏡(SEM)分析。

1.2.6 熱重(TG)分析

分別取FEADS和經(jīng)葉臘石粉(2 g/L)耦合微波(640 W、2 min)處理后FEADS各5 g，自然風(fēng)干處理后，在升溫速率為10 K/min、熱解氣為高純氮氣、通氣速率20 mL/min的條件下進行TG-熱重一次微分(DTG)分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003對數(shù)據(jù)進行處理，用Origin 8.0作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 FEADS沉降性能

SV能反映沉降性能好壞，SV越大，沉降性能越差。由圖1可見，F(xiàn)EADS的自然沉降速度緩慢，20 min時SV為70.2%。經(jīng)過不同投加量的葉臘石粉處理后，其沉降性能得到了不同程度改善。當(dāng)葉臘石粉投加量為2 g/L時，20 min時SV下降到54.3%，F(xiàn)EADS的沉降性能最好。FEADS含有大量的微小顆粒，在過濾或沉降過程中，小顆粒會被壓縮變形，孔隙減少，影響水分通過。而葉臘石粉顆粒堅硬且表面不規(guī)則，投加到FEADS中能在脫水過程中形成一個多孔隙、多通道的骨架結(jié)構(gòu)，從而能減小脫水的阻力，利于污泥的脫水[13]。

圖1 投加葉臘石對FEADS沉降性能的影響Fig.1 The FEADS settleability under the pyrophyllite powder treatment

2.2 FEADS的SRF

由圖2可知，F(xiàn)EADS的SRF為1.21×1013m/kg，投加葉臘石粉后FEADS的SRF先降后升，但總體低于FEADS，表明脫水性能有一定改善。經(jīng)對比，投加2 g/L葉臘石粉后，F(xiàn)EADS的SRF減小為7.23×1012m/kg，降幅為40.25%，效果最明顯。

圖2 投加不同量葉蠟石粉后FEADS的SRFFig.2 The SRF of FEADS under the pyrophyllite powder treatment

由圖3可知，當(dāng)葉臘石粉(2 g/L)耦合微波(640 W、2 min)時，F(xiàn)EADS的SRF下降為3.23×1012m/kg，下降速率最快，比單獨葉臘石粉(2 g/L)處理時降低了55.32%，比單獨微波(640 W、2 min)處理時(6.54×1012m/kg)時降低了50.61%。可見，葉臘石耦合微波處理可提高FEADS的脫水性能，這與MIKKELSEN等[14]研究結(jié)果吻合，這是由于FEADS在葉臘石作用下，絮體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，絮凝程度提高，容易堵塞濾餅孔隙的分散顆粒減少，有效降低了SRF。

圖3 葉臘石耦合微波對SRF的影響Fig.3 The SRF of FEADS under the pyrophyllite powder coupled microwave treatment

2.3 FEADS的含水率

由圖4可知，隨著葉臘石粉投加量增加，F(xiàn)EADS含水率變化與SRF變化相似。由圖5可知，單獨微波處理時，F(xiàn)EADS的含水率先下降，由240 W時的89.30%下降為640 W時的84.30%，之后上升。葉臘石粉(2 g/L)耦合微波處理時，F(xiàn)EADS的含水率同樣也是先下降，由240 W時的85.50%下降為640 W時的81.30%，之后上升。可見，葉臘石耦合微波處理下FEADS的含水率最低。

圖4 葉臘石粉投加量對FEADS含水率的影響Fig.4 Moisture content of FEADS under the pyrophyllite powder treatment

2.4 FEADS的可壓縮性

增強可壓縮性是獲得高含固率和進一步脫水的關(guān)鍵。可壓縮性是通過FEADS可壓縮系數(shù)來表征，其值大，說明樣品蓬松，可壓縮性越小，反之樣品緊密，可壓縮性越大。由圖6可見，F(xiàn)EADS的可壓縮系數(shù)為1.33，單獨葉臘石粉或單獨微波處理后FEADS的可壓縮系數(shù)都降低，葉臘石粉(2 g/L)耦合微波(640 W、2 min)處理后FEADS的可壓縮系數(shù)減小到0.63，降低幅度最大，說明葉臘石耦合微波能最大幅度增強FEADS的可壓縮性。

圖5 葉臘石耦合微波對FEADS含水率的影響Fig.5 Moisture content of FEADS under the pyrophyllite powder coupled microwave treatment

圖6 不同處理方式FEADS的可壓縮系數(shù)Fig.6 Compressibility coefficient of FEADS under different treatments

2.5 FEADS的SEM

由圖7(a)可以看出，F(xiàn)EADS呈現(xiàn)連續(xù)的表面，且沒有孔隙。THAPA等[15]對城市污泥研究過程中也觀察到污泥形成連續(xù)的表面。由圖7(b)可以看出，葉臘石耦合微波處理后FEADS的顆粒擁有不規(guī)則的表面和孔隙。這些不可壓縮的葉臘石粉顆粒被壓縮時仍保持原有的孔隙，故水分容易通過。這與THAPA等[16]研究結(jié)果類似。

2.6 FEADS的TG

由圖8(a)可知，F(xiàn)EADS的TG曲線中有一個較明顯的失重階段，溫度為75.88～130.00 ℃，失重率為34.88%，該階段失重是由于FEADS內(nèi)在水分與少量吸附水蒸發(fā)所致。分析得出，340.00 ℃時質(zhì)量減少91.40%；熱解終止溫度為399.39 ℃，此時殘留質(zhì)量為4.83%。由圖8(b)可知，葉臘石耦合微波處理后FEADS的TG曲線也有一個明顯的失重段，溫度為81.55～130.00 ℃，失重率為36.17%。分析得出，425.00 ℃時質(zhì)量減少92.83%；熱解終止溫度為450.00 ℃，此時殘留質(zhì)量為4.89%。對比可知，兩種樣品熱解失重過程原理與溫度大致相同。但由于處理方式的不同，熱解特性都會有特定的差異，主要表現(xiàn)為：50～130 ℃為水分脫除階段，葉臘石耦合微波處理后FEADS較原FEADS失重峰溫度出現(xiàn)明顯后滯。FEADS失重峰明顯后滯現(xiàn)象說明FEADS中水分更易被脫除，也表明了葉臘石耦合微波處理改善了FEADS的脫水性能。

圖7 不同處理方式后FEADS的SEMFig.7 SEM of the FEADS with different ways of processing

圖8 不同處理方式后FEADS的TG曲線Fig.8 TG curve of FEADS with different ways of processing

3 結(jié) 語

葉臘石粉(2 g/L)耦合微波(640 W、2 min)處理后FEADS沉降性能大幅提高，SRF及可壓縮系數(shù)下降明顯，由SEM及TG分析得出，葉臘石耦合微波改善了FEADS的脫水性能。利用葉臘石耦合微波處理FEADS，實現(xiàn)對FEADS的深度脫水和資源化，達到了降低生產(chǎn)燃料乙醇成本及實現(xiàn)葉臘石廢物資源化利用的效果，因此該處理方法在污水處理領(lǐng)域中具有較好的應(yīng)用前景。

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Theimprovementoffuelethanolanaerobicdigestedsludgedewaterabilitybypyrophyllitecouplingmicrowave

BAOZhenzong1，ZHUXinping1，TAIMingqing2，HOUYanyan1.

(1.CollegeofGrasslandandEnvironmentSciences，XinjiangAgriculturalUniversity，UrumqiXinjiang830052；2.SchoolofCivilEngineering，NanyangInstituteofTechnology，NanyangHenan473000)

The dewatering performance of fuel ethanol anaerobic digested sludge (FEADS) was investigated by the way of pyrophyllite powder from diamond production coupled microwave. The results showed that the sedimentation performance of the FEADS with the moisture content of 97.65% was significantly improved from 70.2% to 54.3% with the addition of the pyrophyllite powder (2 g/L) drastically improved after 20 min of treatment，SRF decreased from 1.21×1013m/kg to 7.23×1012m/kg，and compressibility factor decreased from 1.33 to 0.63 after treated by pyrophyllite (2 g/L) coupled microwave (600 W，2 min). Scanning electron microscopy showed that the FEADS moisture easily passes through pyrophyllite coupled microwave treatment. The gravimetric peak of the thermogravimetry curve lags behind, indicating that pyrophyllite coupled microwave treatment improves the dehydration performance of FEADS.

fuel ethanol anaerobic digestion solution； pyrophyllite； dewatering performance； compressibility

包振宗，男，1991年生，碩士研究生，研究方向為環(huán)境監(jiān)測與評價。#

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*新疆維吾爾自治區(qū)高校科研計劃項目(No.XJEDU2012S10)；車用生物燃料技術(shù)國家重點實驗室開放課題資助項目(No.KFKT2014021)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.016

2016-12-04)