略述城市污水廠污泥熱化學(xué)處理技術(shù)
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簡略地敘述了污水廠污泥熱化學(xué)處理方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。并就污泥焚燒處理與污泥熱解處理進(jìn)行了分析和比較。
隨著城市污水處理的普及，城市污水廠污泥將大量增加，這些污泥如不經(jīng)處置直接排放，會產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。目前污泥處理方法種類繁多，但大都存在一些弊端，如處理不徹底，易產(chǎn)生新的二次污染等。污泥熱化學(xué)處理方法（污泥受熱發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使之穩(wěn)定、減容的方法）具有滅菌效果好，處理迅速，占地相對較少，處置后污泥穩(wěn)定并可利用其所含有機(jī)物實(shí)施能源回收等優(yōu)點(diǎn)。可達(dá)到使污泥處置減量化、無害化、資源化的目的。因此被認(rèn)為是很有前途的污泥處理方法，受到了廣泛關(guān)注。
污泥熱化學(xué)方法主要可分為：焚燒法；低溫?zé)峤夥ā?/div>
1、污泥焚燒
污泥焚燒是將污泥置入焚燒爐內(nèi)，在過量空氣加入情況下，進(jìn)行完全焚燒。焚燒后最終污泥含水率為0，其中多環(huán)芳烴類污染物不復(fù)存在，其它有機(jī)污染物含量也幾乎為0（重金屬離子不能被有效去除，沉積在煤灰中），其體積大為縮小，使污泥最終處置極為便利。
1.1焚燒工藝流程與要素
a.污泥含水率的多少是污泥焚燒處理中的一個關(guān)鍵因素。它直接影響污泥焚燒設(shè)備和處理費(fèi)用（當(dāng)污泥揮發(fā)物含量高，含水率低時，通常能維持自燃）。因此降低污泥含水率對于降低污泥焚燒設(shè)備及處理費(fèi)用是至關(guān)重要的。一般如將污泥含水率降至與揮發(fā)物含量之比小于3.5時，可形成自燃，節(jié)約燃料。b.溫度、時間、氧氣量、揮發(fā)物含量也是焚燒能否取得成功的基本條件。溫度超過800℃時，有機(jī)物才能燃燒。但此時污泥燃燒會產(chǎn)生大量惡臭性刺激氣體。為消除此種氣體，一般將溫度升至1000℃或加設(shè)二次燃燒設(shè)備。焚燒時間越長，焚燒越徹底。但會增加能耗，因此一般污泥焚燒時間為0.5～1.5h。氧氣是焚燒的動力，通常由空氣供應(yīng)（空氣量不足，燃燒不充分，空氣量過多，加熱空氣會消耗過多的熱量，也不適宜）。一般采用50%～100%過量空氣。污泥揮發(fā)物含量一般可反映出污泥含潛在熱量的數(shù)量。這部分熱量可用于污泥焚燒，但往往不足以支持燃燒，因此還需從外界補(bǔ)充熱能。c.污泥預(yù)處理。污泥在進(jìn)入焚化爐前加以必要的預(yù)處理，能使焚燒更有效地進(jìn)行。將污泥粉碎可使投入爐內(nèi)污泥均勻，保障燃燒充分。污泥預(yù)熱，可使其含水率下降，降低污泥焚燒時所耗能源。此工序應(yīng)根據(jù)焚燒爐型、設(shè)置或免除。
1.2設(shè)備
a.污泥焚燒設(shè)備現(xiàn)有多種型號，其中最常見的為立式多段爐。這種爐以逆流方式運(yùn)作，熱效率很高。之所以不像一般城市垃圾采用爐排式燃燒，主要是因?yàn)槲勰囝悘U物一般都很粘稠，點(diǎn)燃后易結(jié)成餅或表面灰化覆蓋在燃燒物外表上，使火焰熄滅。需不斷攪拌，反復(fù)更新燃燒表面，使污泥得以充分氧化。在多段爐內(nèi)各段均設(shè)有攪拌面，物料在爐內(nèi)停留時間也很長，方能使污泥完全燃燒[4]。為保障工藝順利進(jìn)行，除焚燒爐外還需添置污泥器（帶粉碎機(jī)），多點(diǎn)鼓風(fēng)系統(tǒng)，熱量回收裝置加（當(dāng)設(shè)二次燃燒設(shè)備時，尤要注意此點(diǎn)），輔助熱源（起動燃燒器）和除灰設(shè)備等輔助設(shè)備。多段焚燒爐存在的問題主要是機(jī)械設(shè)備較多，需要較多的維修與保養(yǎng)。耗能相對較多，熱效率較低，為減少燃燒排放的煙氣污染，需要增設(shè)二次燃燒設(shè)備。
此外運(yùn)用較多的還有轉(zhuǎn)窯（回轉(zhuǎn)）爐和流化床爐等。處理效果與多段爐相差不大。
b.煙氣處理系統(tǒng)。污泥焚燒產(chǎn)生大量帶飛灰的煙氣，這些煙氣中含有多種有毒物質(zhì)，如二惡英、甲硫醇、SOx等，形成二次污染。煙氣處理工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大、處理成本昂貴。而且廢氣的潛在性危害，有些還處在環(huán)保工作者的進(jìn)一步認(rèn)識、研究之中，如二惡英等。因此，對煙氣的治理決不能掉以輕心。
據(jù)現(xiàn)有資料看，絕大多數(shù)國外污泥焚燒設(shè)備，已從過去的靜電除塵器與干式洗滌法相結(jié)合的處理法，轉(zhuǎn)變成為高性能靜電除塵器與濕式洗滌設(shè)備和脫硝設(shè)備相組合的處理方法。少數(shù)新廠為去除二惡英、呋喃等有毒物質(zhì)，還采用了袋濾式除塵設(shè)備與其它設(shè)備相組合的方式。如美國1991年建成的一套污泥焚燒設(shè)備就采用了干式洗滌器、消石灰噴霧、袋濾式除塵器，可有效地去除二惡英。日本川崎重工采用了濕式洗滌器、袋濾過濾器、脫硝反應(yīng)塔。目前，國際上除了采用袋濾式除塵器外，還廣泛通過改善焚燒爐的燃燒狀態(tài)以解決這一問題。即保持高溫、保持燃燒時間，使污泥得以完全燃燒。污泥焚燒的廢氣處理工序還有待進(jìn)一步完善，還有很大的潛力可挖。污泥焚燒后，體積大為縮小，如美Aypernon污水廠每日進(jìn)消化池污泥9443m3，經(jīng)消化后為7930m3，脫水后為1160m3，焚燒后體積為99m3，為進(jìn)泥體積的1.05%。大大減輕了污泥最終處置的負(fù)擔(dān)。污泥焚燒后的灰渣可以采用安全的土地填埋方法予以處置。污泥焚燒的主要缺點(diǎn)在于能耗太大。如日本污泥焚燒耗能量占污泥處置耗能量的70%。每年因此耗重油3.9×105m3，且焚燒裝置設(shè)備復(fù)雜，建設(shè)和運(yùn)用費(fèi)用高于一般污泥處理方法。因此，國內(nèi)除少量專門系統(tǒng)外，還沒有污泥焚燒設(shè)施投入使用。
2、污泥熱分解
污泥熱分解是一種新興的污泥熱處理工藝。將污泥在無氧或低于理論氧氣量的條件下，加熱到一定溫度（高溫：500～1000℃，低溫：<500℃），使固體物質(zhì)分解為油、不凝性氣體和炭三種可燃物。部分產(chǎn)物作為前置干燥與熱解的能源，其余能源回收。由于高溫?zé)岱纸夂哪艽螅壳把芯恐攸c(diǎn)放在低溫?zé)岱纸馍稀?/div>
2.1工藝流程及產(chǎn)物
德國哥庭根大學(xué)的研究者，已創(chuàng)造出了一種能將污泥轉(zhuǎn)化為液體和固體燃料的間歇式反應(yīng)工藝。此工藝中，干污泥在無氧環(huán)境下被加熱至300～350℃大約30min。加拿大環(huán)保研究人員作了進(jìn)一步研究。他們對美、加、英三國的18種不同污水廠污泥進(jìn)行了檢測后，H.W.Campbell和T.R.Bridle得出了數(shù)據(jù)。
相同條件下，不同性質(zhì)污泥經(jīng)熱解后，產(chǎn)物率是不相同的。生污泥油產(chǎn)率明顯高于消化污泥。在熱解產(chǎn)物中，不凝性氣體熱值很低，產(chǎn)率也不高，但帶有很強(qiáng)烈的臭味。其中含有CO，H2S，CH4，甲硫醇，二甲硫，三甲硫，氨等。這類氣體屬可燃性氣體，可通過燃燒脫臭。所產(chǎn)生熱能作為補(bǔ)充能源用，但要增加相關(guān)設(shè)備。
產(chǎn)油熱值高，收集起來后可作為能源貯存。據(jù)筆者所作試驗(yàn)看，油在熱解過程中以蒸氣相出現(xiàn)，經(jīng)油水冷凝分離，冷卻后，油呈棕褐色、焦油狀、發(fā)粘、有異味、可被明火點(diǎn)燃，性質(zhì)穩(wěn)定。據(jù)上海同濟(jì)大學(xué)與H.W.Campbell等資料看，污泥在450℃以下時，溫度上升，產(chǎn)油率上升。而且經(jīng)微生物處理程度越淺的污泥，有機(jī)物含量越高，其產(chǎn)油率也越高。產(chǎn)物熱值與反應(yīng)溫度基本呈反比。污泥熱解制成的炭為無光澤多孔狀黑色塊粒。炭體積約為原有污泥體積1/3。污泥炭產(chǎn)率隨溫度上升而下降。為取得較高產(chǎn)率炭，將熱解溫度控制在300℃以下，可得到燃燒性能較好的污泥炭。污泥炭性質(zhì)穩(wěn)定，可用于摻煤或直接作為熱解補(bǔ)充能源。污泥熱解、冷凝后的水，含有大量雜質(zhì)，需重新處理后方可排放。
2.2污泥熱分解機(jī)理
污泥在低溫下轉(zhuǎn)化為水、不凝性氣體、油和炭。其組成及分布主要由污泥性質(zhì)決定。但也與熱解溫度有關(guān)。由于現(xiàn)今進(jìn)行的污泥熱解試驗(yàn)多限于試驗(yàn)室規(guī)模，因此提出了不同的作用機(jī)理。較普遍的看法[11]為：在300℃以下發(fā)生的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，主要是污泥中脂肪族化合物的轉(zhuǎn)化。此類化合物沸點(diǎn)較低，其轉(zhuǎn)化形式主要為蒸汽；300℃以上蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化與390℃以上開始的糖類化合物轉(zhuǎn)化，主要轉(zhuǎn)化反應(yīng)是肽鍵的斷裂�；蜣D(zhuǎn)移變性及支鏈斷裂等；含炭物質(zhì)在200～450℃發(fā)生轉(zhuǎn)化，至450℃基本完畢。
2.3生產(chǎn)設(shè)備
由于污泥熱解是一種新型的污泥處理工藝，因此其生產(chǎn)設(shè)備，尚無較規(guī)范的型式。目前，日本進(jìn)行的是將污泥焚燒爐改進(jìn)為熱解爐。降低操作溫度，調(diào)節(jié)進(jìn)入空氣量。其能耗有所下降，但熱解過程中產(chǎn)生大量強(qiáng)刺激性尾氣，需要添置尾氣處理系統(tǒng)。
西歐、北美正在研制帶加熱夾套的臥式攪拌反應(yīng)器。反應(yīng)器分成蒸汽揮發(fā)和氣固接觸二個區(qū)域。二區(qū)域間以一個蒸汽內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)相連接。從而滿足了反應(yīng)機(jī)理對反應(yīng)器的要求。污泥經(jīng)脫水、干燥后，在轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中產(chǎn)生衍生燃料油、炭、不凝性氣體和水，效果良好�，F(xiàn)在進(jìn)行的各式污泥熱解的研究還大都處于實(shí)驗(yàn)室或中試階段，其生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)、創(chuàng)新、定型，尚需時日。
作為一種有待完善的污泥處理工藝——污泥熱解的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，受到廣泛關(guān)注。從筆者所做實(shí)驗(yàn)與上海同濟(jì)大學(xué)污泥熱解實(shí)驗(yàn)看，一般污泥加熱到200℃以上就開始明顯分解，釋放出相當(dāng)數(shù)量的強(qiáng)烈臭氣。溫度上升至250～300℃時產(chǎn)氣量達(dá)到最高值。保溫30～40min后產(chǎn)氣量基本為0。此時產(chǎn)的炭為具有穩(wěn)定性質(zhì)和一定熱值的燃料。平均產(chǎn)炭量為0.40g/g～0.55g/g干污泥，炭能量約占污泥原能量30%～45%，可作為劣質(zhì)煤替代品。產(chǎn)油率為0.2～0.25g/g有機(jī)物，油可回收能量為原污泥能量的35%～50%。油熱值比市售重油熱值低，為33.3MJ/kg。油和炭均可用作鍋爐燃料。對尾氣收集后進(jìn)行二次燃燒分解脫臭。如溫度在1000℃左右，可使各類廢氣分解，不形成二次污染；但油水分離效果不很理想，反應(yīng)水含雜質(zhì)較多，如油脂、灰等。
從設(shè)備構(gòu)成看，污泥低溫?zé)峤獗任勰喾贌黾宇A(yù)干燥器、油水分離設(shè)備。因此設(shè)備費(fèi)會有所增加，但污泥熱解所需溫度（≤450℃）比污泥焚燒所需溫度（800～1000℃）低，因此前者運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于后者。且污泥熱解后生成的油和炭，還可出售或輔助二次燃燒分解獲得一部分收益。二項(xiàng)相抵，污泥低溫?zé)崽幚沓杀緸橹苯臃贌?0%左右。
3、結(jié)束語
污泥熱化學(xué)處理方法作為一種處置徹底、速度快的污泥處理方法，正受到各國廣泛重視。可以預(yù)見，隨著科技水平的提高，這種處理方式將成為我國污泥處理的重要方式。
現(xiàn)簡單歸納上述內(nèi)容如下：
a.污泥焚燒效果好。國外已有較成熟經(jīng)驗(yàn)和工藝，可以直接借鑒使用。但缺點(diǎn)是能耗太高。今后應(yīng)從降低成本，減少二次污染角度著手，生產(chǎn)新設(shè)備。
b.污泥低溫?zé)峤庑Ч嗪�，且能量回收率高，�?jīng)濟(jì)性優(yōu)于焚燒處理，是大有前途的處理方法。在熱解機(jī)理和動力學(xué)研究方面，還有很多工作需進(jìn)一步探討。在工藝和設(shè)備的改進(jìn)方面有待新的突破。
c.發(fā)展污泥熱化學(xué)處理工藝時，應(yīng)注意尾氣處理。力爭在保證尾氣排放質(zhì)量的情況下，降低尾氣處理費(fèi)用。
d.污泥熱化學(xué)處理方法在我國不能得到推廣使用的主要原因是經(jīng)濟(jì)原因。昂貴的設(shè)備、建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，國內(nèi)污水廠目前難以承受。為此，可考慮在當(dāng)前各城市污水處理量偏小的情況下，將污泥作脫水處理后與城市垃圾一并焚燒。待城市污水處理能力增強(qiáng)，污泥量增大后，如發(fā)達(dá)國家那樣，再采用性能優(yōu)異的污泥熱化學(xué)處理工藝和設(shè)施。
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