城市污泥特性及其干化技術(shù)
行業(yè)動態(tài)
1 城市污泥特性
表征污泥特性的指標(biāo)有含水率和含固率、揮發(fā)性固體、營養(yǎng)物質(zhì)、有毒有害物質(zhì)、脫水性能以及化學(xué)動力學(xué)性質(zhì)等。
（1）含水率和含固率。城市污泥的含水率很高,含固率很低。一般來說,固體顆粒愈小,其所含有機物愈多,污泥的含水率愈高。
（2）揮發(fā)性固體。污泥的揮發(fā)分是一種氧、硫、氮和其它元素的有機化合物以及飽和的和不飽和的芳香族碳氫化合物的混合物。揮發(fā)性固體通常用來表征污泥中有機物的量。揮發(fā)性固體越多,污泥穩(wěn)定性越差。不同種類和不同地域的污泥加熱時析出揮發(fā)分的數(shù)量差別很大,一般情況下,工業(yè)污水污泥揮發(fā)分的析出比率大于生活污水污泥的析出比率。
（3）營養(yǎng)物質(zhì)。李艷霞對16個中國城市29座污水處理廠城市污泥養(yǎng)分的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),城市污泥（不包括工業(yè)污泥）的有機質(zhì)平均含量達到384.0g/kg,全氮27.0g/kg、全磷14.3g/kg和全鉀7.0g/kg,氮、磷、鉀總養(yǎng)分含量平均達到48.3g/kg。由此可見,污泥含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì),可將其作為肥料施于農(nóng)田,但應(yīng)該注意它對土壤的污染。
表1是典型城市污泥中干固體、揮發(fā)份固體以及有機質(zhì)等污泥特性指標(biāo)的含量。
（4）有毒有害物質(zhì)。污泥中的有毒有害物質(zhì)是指有毒有機物、致病微生物和重金屬3類物質(zhì)。其中,重金屬元素一直是人們較為關(guān)注的污染物。
表1：城市污泥部分特性指標(biāo)含量（以干重計）
項目 | 初次污泥 | 活性污泥 | 消化污泥 |
干固體/% | 2.0～8.0 | 0.1～1.16 | 6.0～12.0 |
揮發(fā)性固體/% | 60～90 | 60～88 | 30～60 |
總氮（TN）/% | 2.0～3.4 | 3.5～7.2 | 1.6～6.0 |
磷（P2O5）/% | 1.0～3.0 | 3.3～11.0 | 1.5～4.0 |
鉀（K）/% | 0～1.0 | 0.5～0.7 | 0～3.0 |
有機質(zhì)含量/% | 60.0～80.0 | 61.0～75.0 | 30.0～60.0 |
灰分含量/% | 20.0～40.0 | 25.0～39.0 | 40.0～70.0 |
表2是2006年我國107座城市的污水處理廠污泥（二沉池的脫水污泥）重金屬含量統(tǒng)計結(jié)果，可以看出，我國城市污泥重金屬污染以Zn和Cu為主，其他重金屬含量相對較低。
表2：我國城市污泥重金屬含量變化范圍和平均含量
重金屬種類/（mg/kg） | 平均含量 | 標(biāo)準(zhǔn)限值（pH＜6.5） | 標(biāo)準(zhǔn)限值（pH≥6.5） |
Cd | 2.01 | 5 | 20 |
Hg | 2.13 | 5 | 15 |
Pb | 72.3 | 300 | 1000 |
Cr | 93.1 | 600 | 1000 |
As | 20.2 | 75 | 75 |
Ni | 48.7 | 100 | 200 |
Zn | 1058 | 2000 | 3000 |
Cu | 219 | 800 | 1500 |
Poletschny對德國6800個污泥樣本進行了重金屬含量分析，研究結(jié)果見表3。
表3：德國城市污泥和土壤中的重金屬含量
重金屬種類/（mg/kg） | 污泥中 | 農(nóng)耕土壤中 | 自然泥土中 |
Cd | 3.8 | 0.44 | 0.3 |
Hg | 2.7 | 0.12 | 0.4 |
Pb | 159 | 36 | 20 |
Cr | 91 | 25 | 90 |
Ni | 39 | 15 | |
Zn | 1318 | 67 | 95 |
Cu | 330 | 15 | 45 |
中國污泥與德國污泥中重金屬的平均含量相當(dāng)，只是在某幾種重金屬含量上存在差異。從表3可以看出，城市污泥中重金屬的平均含量比大多數(shù)農(nóng)耕土壤中的要高。直接排放未經(jīng)處理的污泥，會對農(nóng)田造成污染，進而通過農(nóng)產(chǎn)品影響人類健康。
（5）脫水性能。污泥的脫水性能常用污泥過濾比阻抗值（r）和污泥毛細管吸水時間（CST）兩項指標(biāo)來評價。比阻抗值（r）即單位干重濾餅的阻力,其值越大,越難過濾,污泥的脫水性能越差。通過調(diào)質(zhì)（調(diào)理）可以改善污泥的脫水性能,另外,Fenton過氧化反應(yīng)以及超聲波處理也可提高污泥的脫水性能。
劉曉艷對投加陽離子PAM1%（占干污泥量的百分比）調(diào)質(zhì)后的白鶴嘴水廠污泥進行了干化試驗。結(jié)果表明,加藥提高了污泥的脫水速度,干化周期縮短了10天左右。
（6）化學(xué)動力學(xué)特性。污泥的化學(xué)動力學(xué)特性是表征污泥本身能量利用的價值及焚燒特性的重要指標(biāo),是能否對其進行資源化的依據(jù)。
各國采用熱重法對污泥熱解、燃燒過程及動力學(xué)特性進行了研究。研究表明,污泥的燃燒特性與污泥種類和性質(zhì)、加熱環(huán)境、加熱速率以及研究模型和方法-12等因素有很大關(guān)系。一般認為污泥燃燒過程分為四個階段1：水分析出階段、揮發(fā)分析出階段、揮發(fā)分燃盡階段以及固定碳燃盡階段。研究還表明,污泥燃燒反應(yīng)初期揮發(fā)分的燃燒受控于化學(xué)反應(yīng)速率,隨著溫度的不斷提高,剩余揮發(fā)分的燃盡和固定碳的燃燒總反應(yīng)速率逐漸受擴散因素控制。
2 城市污泥干化技術(shù)
20世紀(jì)80年代末,由于脫水污泥在農(nóng)用、填埋、投海時存在突出的不利因素,也由于污泥熱干化技術(shù)在歐美等 的成功應(yīng)用,使污泥干化技術(shù)在西方 很快推廣開來。
污泥干化是在機械脫水后,對污泥進行的深度脫水操作。干化處理后的污泥可以用作肥料、土壤改良劑以及替代能源等。干化的目的,是使污泥進一步脫水,從機械脫水后含水率80%脫水至含水10%～50%,一方面進行了有效的減容,另一方面方便了污泥的存儲、運輸和利用。干化污泥由于含水率低,相對穩(wěn)定,微生物和病菌也大大減少。
污泥干化技術(shù)主要有熱干化、太陽能干化、微波加熱干化、超聲波干化以及熱泵干化等。目前應(yīng)用較廣泛也是較成熟的是熱干化技術(shù)。
根據(jù)熱介質(zhì)與污泥的接觸方式可將熱干化技術(shù)分為三類：直接干化法、間接干化法和直接一間接聯(lián)合干化法。
2.1 直接干化法
直接干化是利用燃燒裝置向干化設(shè)備提供熱風(fēng)和煙氣,污泥與熱風(fēng)和煙氣直接接觸,在高溫作用下污泥中的水分被蒸發(fā)。此技術(shù)熱傳輸效率及蒸發(fā)速率較高,可使污泥的含固率從25%提高至85%～95%。但由于與污泥直接接觸,熱介質(zhì)將受到污染,排出的廢水和水蒸氣須經(jīng)過無害化處理后才能排放；同時,熱介質(zhì)與干污泥需加以分離,給操作和管理帶來一定的困難。閃蒸式干燥器、轉(zhuǎn)筒式干燥器、帶式干燥器以及流化床干燥器等都屬于直接干化類型。其中,直接加熱轉(zhuǎn)鼓式干燥器是較常用的直接干化設(shè)備。
典型的安德里茲（Andritz）的直接加熱轉(zhuǎn)鼓式干化工藝中,脫水后的污泥從漏斗進入混合器,按比例與返流的干化污泥充分混合,使干濕混合污泥的含固率達60%～70%,直接克服了污泥的粘結(jié)。干濕混合污泥再經(jīng)螺旋輸送機運到三通道轉(zhuǎn)鼓式干燥器中,被700℃左右的熱氣流加熱,經(jīng)20min烘干后污泥達到80～85℃,成為含固率95%的粒狀污泥。細小的干污泥（＜0.8mm）被送到混合器中再次與濕污泥混合后送人轉(zhuǎn)鼓式干燥器。
該干化工藝采用了氣體循環(huán)回用的設(shè)計,熱風(fēng)經(jīng)過除塵、冷凝、水洗后,85%返回轉(zhuǎn)鼓,只有15%需經(jīng)過熱氧化除臭后排放。這減少了尾氣處理的負擔(dān),更重要的是大大減少了外部空氣的引人量,將轉(zhuǎn)鼓內(nèi)氧氣的含量維持在很低的水平（氧氣含量＜8%）,從而很大程度上提高了系統(tǒng)的安全性能。轉(zhuǎn)鼓干燥器的燃燒器可使用沼氣、天然氣、熱油以及木屑等生物質(zhì),甚至是干化污泥作為替代燃料,因此,可以節(jié)省能耗。安德里茲（Andritz）公司的轉(zhuǎn)鼓式干燥器已經(jīng)被國內(nèi)外很多城市污泥處理廠采用。
2.2 間接干化法
與直接干化法相對應(yīng)的是間接干化法,由加熱設(shè)備提供的蒸汽或熱油首先加熱容器,再通過容器表面將熱傳遞給污泥,使污泥中的水分蒸發(fā)。間接干化技術(shù)主要有盤式干燥、膜式干燥、空心槳葉式干燥、涂層干燥技術(shù)等。該技術(shù)有效避開污泥的塑性階段,且污泥有機物不易破壞,另外還具有工廠化操作、占地少、自動化程度高、易操作等優(yōu)點。
間接式多盤干燥技術(shù)又稱珍珠工藝,在歐洲和北美得到廣泛利用。其中,西班牙的巴塞羅那污泥干化廠安裝的污泥干化裝置為 較大的間接干化污泥設(shè)備,蒸發(fā)能力為4×5000kgH2O/h,美國的巴爾的摩污泥處理干化裝置的蒸發(fā)能力為3×6000kgH2O/h。
間接式多盤干化器是一個預(yù)混合立式多級轉(zhuǎn)盤造粒機,是干化和造粒一步完成的工藝。產(chǎn)出的顆粒干性成分可達90%,粒徑為1～4mm。該工藝有以下特點：干燥和造粒過程氧氣濃度＜2%,干燥后顆粒溫度90℃,避免了著火和爆炸的危險性；顆粒呈均勻圓球形、堅實、無灰塵、具有較高的熱值可作為燃料,尾氣經(jīng)冷凝、水洗后送回燃燒爐,將產(chǎn)生臭味的化合物徹底分解,使其尾氣能滿足很嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。
2.3 直接-間接聯(lián)合式干燥技術(shù)
直接-間接聯(lián)合式干燥技術(shù)是對流和傳導(dǎo)技術(shù)的整合,VOMM設(shè)計的渦輪薄層干燥器,Schwing的INNO二級干化系統(tǒng),Sulzer開發(fā)的新型流化床干燥器以及Envirex推出的帶式干燥器都屬于這種類型。
渦輪薄層干燥工藝既采用熱傳導(dǎo)也采用熱對流,其有效的熱對流占換熱總量的40%左右,熱傳導(dǎo)占60%以上。其優(yōu)點在于：污泥干燥處理后（含水率＜5%）僅為脫水后污泥（含水率為70%～80%）體積的20%～25%,減量率＞70%；可以保證對微生物及病菌的徹底消滅,并保護污泥中的植物養(yǎng)分和生物能不被破壞；運行經(jīng)濟,在能耗方面處于歐洲污泥干化能耗的下限；污泥干化過程中,無廢氣排放,冷凝水也可循環(huán)使用,不會造成二次污染。
3 污泥處置技術(shù)及其發(fā)展趨勢
3.1 污泥處置方法
污泥處置方法主要有：土地利用、污泥農(nóng)用、填埋、能源化利用和綜合利用。
3.1.1 土地利用
土地利用包括林地和市政綠化的利用以及用于嚴(yán)重擾動的土地的修復(fù)與重建。污泥的土地利用投資少、能耗低、運行費用低,其中有機質(zhì)部分可轉(zhuǎn)化為土壤的有效成分,因此污泥土地利用是一種有發(fā)展?jié)摿Φ奶幹梅绞健?/span>
過去20年,美、英、德等許多 對污泥改良土地進行了大量研究,并將其投人使用。例如,澳大利亞的墨爾本東方污水處理廠產(chǎn)生的污泥中有1.2萬m3干污泥制成土壤改良劑零售給苗圃；美國各州將污泥作為各種采礦區(qū)以及退化草地的改良劑。
3.1.2 污泥農(nóng)用
污泥農(nóng)用是 各國主要的污泥處置方式。美國25%、歐盟37%的城市污泥用于農(nóng)田。目前,我國的污泥農(nóng)用比例約為44.8%。污泥干化后具有含水率低、儲存和運輸方便等優(yōu)點,有利于污泥農(nóng)用。但污泥農(nóng)用存在隱患和風(fēng)險,各國對污泥農(nóng)用都有嚴(yán)格限制。
3.1.3 填埋
大部分歐洲 的污泥以填埋為主,但歐盟規(guī)定有機質(zhì)含量＞5%的污泥不得用于填埋,這意味著污泥填埋將漸漸地被海汰。2005年,歐盟 的污泥衛(wèi)生填埋場僅能容納污泥總產(chǎn)量的17%；未來十幾年內(nèi)美國將有近80%的填埋場被關(guān)閉。
3.1.4 污泥干化焚燒
直接焚燒脫水污泥不僅十分困難,而且也是極不經(jīng)濟的。干化后的污泥熱值接近褐煤的熱值,焚燒干化污泥不僅能徹底處理污泥,殺死病原體,較大限度地減少污泥體積,還能回收利用其熱能。污泥焚燒后產(chǎn)生的飛灰可用于改良土壤、筑路,制造磚瓦和陶瓷等。在日本60%以上污泥采用了干化焚燒處理方式,歐洲也有10%以上的污泥采用這種處理方法。
污泥焚燒主要有單獨焚燒和混合焚燒兩種方式。污泥混合焚燒是將干化污泥與垃圾、水泥窯燃料及電廠用煤等燃料摻混燃燒,是一種合理的處置途徑。
3.1.5 污泥的低溫?zé)峤馓幚?/span>
污泥低溫?zé)峤馐且环N能量回收型污泥熱化學(xué)處理技術(shù),不僅運行經(jīng)濟,還減少了污染,是一種前景廣闊的污泥處理方法。它通過在催化劑作用下無氧加熱干燥污泥至一定溫度（＜500℃）,由干餾和熱分解作用使污泥轉(zhuǎn)化為油、不凝性氣體和炭三種可燃產(chǎn)物,轉(zhuǎn)化率取決于污泥組成、熱解條件和催化劑的種類等因素,正常情況下,每噸干污泥可產(chǎn)油200～300L,其性質(zhì)與柴油相似。但這種方法的產(chǎn)物油具有低毒性,燃燒會產(chǎn)生有害物質(zhì)和惡臭氣體,該技術(shù)也沒有焚燒法發(fā)展完善。
3.1.6 綜合利用
污泥綜合利用主要是指污泥作建材利用,較農(nóng)業(yè)利用、能源化利用具有經(jīng)濟效益突出、無處置殘留物等優(yōu)勢,是污泥資源化處置的一個重要發(fā)展方向。但污泥建材利用只能處理少量污泥,且該方法在中國和西方發(fā)達 還處于研究和嘗試階段。
3.2 發(fā)展趨勢
從發(fā)達 污泥處理的發(fā)展趨勢分析,今后污泥處理的方向?qū)峭恋乩煤湍茉椿?污泥填埋的比例將大幅度降低。污泥土地利用將會向更安全、更經(jīng)濟的利用方向發(fā)展；污泥焚燒和熱能利用的比例將會進一步增加。
采用污泥干化焚燒方法時,干化濕污泥需要干化熱源,運行成本較高。隨著科學(xué)技術(shù)和實踐水平的發(fā)展,一些新的污泥處理技術(shù)（如低溫?zé)崽幚?、污泥氣化、污泥水煤漿等）也漸漸地投入實際應(yīng)用。
污泥水煤漿是一種近幾年來提出有關(guān)泥污減量化、無害化、資源化新技術(shù),它直接將濕污泥、煤、水以及添加劑混合制備,形成一種新型的漿體燃料,可作為代油清潔燃料在鍋爐上燃燒應(yīng)用。采用這種方式,既可以處理大量污泥,又不需要干化熱源,還可以有效地避免二次污染。初步研究表明,污泥的摻人,可以提高漿體燃料的穩(wěn)定性,并有利于漿體的燃燒和著火穩(wěn)定性,燃燒特性在某些方面也優(yōu)于污泥和水煤漿的單一燃燒,因此,從成漿性能和燃燒性能來說,利用濕污泥直接摻混水煤漿是可行的。
我國是個農(nóng)業(yè)大國,雖然污泥的土地利用和農(nóng)田利用是符合國情的主要的污泥處理方法,但由于污泥的土地利用和農(nóng)田利用存在風(fēng)險和隱患,因此,必須嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行污泥利用,并要不斷地完善 或地方的污水污泥凈化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及污泥的土地利用標(biāo)準(zhǔn)。此外,還須建立有效的土壤質(zhì)量監(jiān)測和評估體系。
4 結(jié)論
（1）城市脫水污泥具有以下特點：含水率80%以上,不易脫水,揮發(fā)份含量高；含有豐富的植物營養(yǎng)成分,并含有大量的病原體、重金屬以及有毒有機物等有毒有害物；有一定的熱值,可對其進行熱能回收利用。
（2）熱介質(zhì)與污泥的接觸方式可將熱干化技術(shù)分為三類：直接干化法、間接干化法和直接一間接聯(lián)合干化法。直接加熱轉(zhuǎn)鼓式干燥器是較常用的直接干化設(shè)備,該設(shè)備減小了尾氣處理的負擔(dān),提高了系統(tǒng)安全性；間接式多盤干燥技術(shù)是常用的間接干化設(shè)備,該干燥工藝安全性高,尾氣能滿足很嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)；渦輪薄層干燥工藝是主要的直接一間接聯(lián)合干化技術(shù),采用對流和傳熱相結(jié)合的方法,使得該工藝能耗很低,運行非常經(jīng)濟。
（3）污泥干化后的終端處理方法有土地利用、污泥農(nóng)用、填埋、能源化利用和綜合利用等。其中土地利用和能源化利用被認為是今后污泥處理的發(fā)展趨勢。隨著一些新技術(shù)（如污泥低溫?zé)崽幚怼⑽勰鄽饣?、污泥水煤漿等）的出現(xiàn),污泥的終端處理方法也漸漸地朝著多元化、安全化、經(jīng)濟化的方向發(fā)展。
