黃菊文 朱昊辰 徐竟成 賀文智 李光明
(1 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院;2 污染控制與資源化國家重點實驗室)
近年來,水泥窯協(xié)同處置工藝因其具有有機(jī)物分解徹底,資源化利用程度高等特點,在污水廠污泥的處理處置中越來越受到重視。氮氧化物(NOx)作為水泥窯協(xié)同處置污泥工藝的特征污染物[1-2],其減排是協(xié)同處置工藝調(diào)控的重要內(nèi)容。系統(tǒng)處置過程中污泥的摻入會引入額外的氮元素,在干化過程中,污泥中蛋白質(zhì)、氨基酸中的氮,是氣相含氮產(chǎn)物NH3、HCN 及HNCO 的主要來源[3],但其對水泥窯系統(tǒng)內(nèi)NOx的耦合影響機(jī)制尚無明確結(jié)論,其影響機(jī)理與控制策略仍有待深入研究。本研究圍繞水泥窯協(xié)同處置過程中污泥在干化和煅燒階段氮釋放轉(zhuǎn)化問題,通過研制模擬水泥窯協(xié)同處置污泥試驗裝置,構(gòu)建其氮氧化物檢測方法,進(jìn)行實驗室模擬研究,其目的是通過檢測分析探討其遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理并得到相應(yīng)的污泥氮控制策略,從而提出基于氮氧化物特征污染物控制的工藝優(yōu)化途徑。
試驗搭建高溫箱式爐(型號KSL-1700X-A2)串聯(lián)平臺模擬水泥窯協(xié)同處置污泥過程,采用硅鉬棒作為加熱元件,其裝置流程圖如圖1 所示,通過配氣系統(tǒng),模擬不同窯工況下的煙氣濃度。通過管式爐串聯(lián)平臺,分別模擬污泥在干化階段及焚燒階段的處置過程,其中干化階段廢氣經(jīng)吸收液收集,測試的氣態(tài)有機(jī)物的種類和濃度,焚燒階段裝置末端采用煙氣分析儀觀測裝置NO、NOx和O2濃度的變化。
圖1 污泥干化及模擬煅燒試驗裝置
試驗所用的儀器和設(shè)備如表1 所示。
參照《環(huán)境空氣和廢氣NH3 的測定納氏試劑分光光度法》(HJ533-2009),用硫酸吸收液c(1/2H2SO4)=0.01 mol/L 吸收空氣中的氨,定容后過0.45μm 濾膜,加入掩蔽劑酒石酸鉀鈉,顯色劑納氏試劑后,在420nm 波長處測量吸光度,根據(jù)吸光度計算氨的含量。
表1 試驗所用主要儀器設(shè)備
參考《水質(zhì)氰化物的測定容量法和分光光度法》(HJ 484-2009)方法,采用10g/L NaOH 吸收氰,吸收液用硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,氰離子與硝酸銀作用生成可溶性的銀氰絡(luò)合離子[Ag(CN)2]-,過量的銀離子與試銀靈指示劑反應(yīng),溶液由黃色變?yōu)槌燃t色。
采用OPTIMA7 手持式煙氣分析儀(德國,MRU 公司),對模擬煅燒過程中的NOx變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測。
采用二氯甲烷(CH2Cl2)作為模擬過程有機(jī)物污染物的吸收液,有機(jī)物吸收過程采用兩級吸收。
吸收液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上(40℃)濃縮至10mL 左右,經(jīng)無水硫酸鈉吸收水分后轉(zhuǎn)移樣品至離心管。無水硫酸鈉為分析純,且用二氯甲烷索氏抽提72h,室溫下干燥,在馬弗爐中600℃烘4h,裝入錐形瓶中用二氯甲烷浸泡備用。
用氮氣吹干儀將經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后的吸收液進(jìn)一步氮吹至0.5mL 左右,加入CH2Cl2定容至2mL,轉(zhuǎn)移樣品至1mL 樣品瓶中,將樣品瓶放入冰箱4℃冷凍保存至氣相色譜/質(zhì)譜分析。
3.1.1 供試污泥
試驗所用普通石灰干化污泥,簡稱石灰泥(LS),將石灰按5%、10%、15%、20%的摻比(質(zhì)量比,wt%)加入到原泥中,快速攪拌5min,穩(wěn)定12h 調(diào)制而成。樣品基本性質(zhì)及元素組成如表2 所示,其中樣品編號為“石灰污泥縮寫+石灰摻比量”。
表2 石灰穩(wěn)定脫水污泥基本性質(zhì)及元素組成(wt%)
3.1.2 供試生料
水泥燒制生料為北京某水泥廠經(jīng)計量、配比、球磨混合均勻后的工業(yè)原料。結(jié)合該廠水泥回轉(zhuǎn)窯中的煤灰渣中帶入的成分,修正后生料的組分如表3 所示。
調(diào)整后的生料,在110℃下烘干24h 后用球磨機(jī)粉磨至0.08mm 方孔篩篩余量小于2.5%。本試驗所用生料均以調(diào)整后的生料為準(zhǔn)。
按一定比例配比設(shè)計參比生料,分別摻入一定比例的不同種類干化污泥后,在球磨機(jī)中混合4h。稱取約15g 混合均勻的生料放入模具中,使用粉末壓片機(jī)在壓力為30MPa 下,壓片時間5min,制成φ40×5mm 的圓柱體薄片。將烘干后的水泥生料料片放入剛玉坩堝內(nèi),置于高溫爐(硅鉬棒)中升溫至到設(shè)定溫度(1450℃),升溫速率為10℃/min,保溫60min,然后在空氣中急冷至室溫,保存于干燥瓶中用于測試熟料性能測試。燒制好的熟料使用破碎機(jī)破碎至100 目后,球磨機(jī)粉磨至全部通過φ0.08 方孔篩后放入塑料瓶中密封保存。
表3 生料XRF 化學(xué)組成分析 (wt%)
試驗流程如圖1 所示,1#管式爐模擬污泥干化階段,不同石灰投加量污泥NH3釋放隨溫度變化規(guī)律見圖2,從圖2 以及表4 可知,不同石灰投加量的污泥釋放的NH3隨溫度變化規(guī)律一致:即在100~130℃時,隨著溫度升高NH3釋放量逐漸增大,溫度升高到130℃時,NH3釋放量最大,約2.554.46㎎/gDS,在此過程中吸收液無明顯現(xiàn)象;而后在130~220℃時,隨著溫度升高NH3釋放量逐漸降低,約2.00㎎/gDS,同時伴隨著吸收液渾濁,顏色變黃,刺激性臭味加重的現(xiàn)象;而在220~250℃時,隨著溫度升高NH3釋放量增加,20%石灰污泥在250℃NH3釋放量高達(dá)4.88㎎/gDS,在該階段吸收液渾濁且表層出現(xiàn)黃色油狀物質(zhì),且具有難聞刺激性味道。
圖2 不同溫度下NH3 釋放規(guī)律
表4 烘干過程吸收液實驗現(xiàn)象
試驗流程如圖1 所示,1#管式爐模擬污泥分解過程,2#管式爐模擬污泥水泥窯煅燒過程,NOx濃度變化采用Optim 7 煙氣分析儀進(jìn)行在線監(jiān)測。在試驗中,經(jīng)干化階段進(jìn)一步降低含水率后,污泥進(jìn)入水泥窯協(xié)同焚燒,水泥窯系統(tǒng)NOx的模擬以NO 標(biāo)準(zhǔn)氣體模擬,為控制NO 及O2濃度,Ar 作為配氣對系統(tǒng)氣氛調(diào)節(jié)。在氧含量3%,系統(tǒng)原始NOx濃度在(1100±20)ppm,管式爐2# 分別保持300℃、500℃、700℃、900℃和1100℃條件下,污泥添加對系統(tǒng)NOx 的影響規(guī)律見圖3。
圖3 不同溫度條件下污泥添加對NOx 的影響規(guī)律
⑴鑒于水泥窯協(xié)同處置工藝,研制了污泥干化實驗裝置和管式爐串聯(lián)組成的模擬煅燒實驗裝置,構(gòu)建了含氮氣態(tài)污染物檢測方法,為探討其遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理并得到相應(yīng)的氮控制策略提供重要保障。
⑵以水泥窯協(xié)同處置過程中干化溫度對NH3釋放的影響以及煅燒溫度對NOx釋放的影響為例進(jìn)行分析,得到的結(jié)果是可信的,說明實驗裝置合理的、檢測與分析方法可行的。