污泥熱干化技術應用綜述
行業(yè)動態(tài)
1 引言
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，城市污水的排放量及處理量逐年大幅增加，副產(chǎn)物污泥的產(chǎn)量也急劇增加。有關數(shù)據(jù)顯示，2010～2017年我國的污泥產(chǎn)生量從5427萬t/a增長至7436萬t/a，年增長率達到4.6%。長期以來，我國城市污水處理廠存在“重水輕泥”的問題，污泥違法傾倒事件頻發(fā)，如泰興市長江傾倒事件，有學者對城市污水處理廠污泥傾倒對海洋生物的毒性進行了研究。2012年發(fā)布的《“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設施建設規(guī)劃》 針對污泥處理處置提出規(guī)劃指標。2015年4月，《水污染防治行動計劃》正式提出污水處理設施產(chǎn)生的污泥應進行穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置。2016年，《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》進一步加大要求，提出地級及以上城市污泥無害化處理處置率達到90%，京津冀區(qū)域達到95%。
污泥具有熱值低、重金屬超標、病原菌富集等特點，不加以處理，會對環(huán)境造成嚴重的二次污染。通常脫水污泥的含水率在80%左右，污泥的含水率高、體積大、處理量大，要進一步降低污泥中的含水率就必須對污泥進行干化處理，干化后的污泥不僅體積顯著減少，黏度等特性也明顯降低，可進行填埋、焚燒、堆肥等處置。熱干化是主要的污泥干化技術，可快速降低污泥的含水率，實現(xiàn)減量化。本文對污泥熱干化工藝及設備、污泥干化特性進行了分析，為后續(xù)污泥干化研究提供參考。
2 污泥熱干化工藝應用
污泥熱干化主要是利用熱媒與污泥進行直接或間接的換熱。從而脫除污泥中的水分。1910年英國Bradford公司采用轉窯式污泥干化機實現(xiàn)污泥干化，隨后美國、英國陸續(xù)研制了閃蒸式干化機、帶式干化機；20世紀90年代后，歐洲、北美的熱干化設備應用呈爆發(fā)式增長，目前在德國污泥大部分都要進行熱干化處理。我國的污泥熱干化技術起步較晚，采用的干化設備主要是空心槳葉干燥機，該設備由德國引進，現(xiàn)在應用還在逐年增加。目前國內(nèi)污泥熱干化工藝眾多，主流工藝為轉鼓式干化、槳葉式干化、圓盤式干化、薄層式干化、流化床式干化等。下表列出了主流干化設備的結構、干化原理及典型生產(chǎn)企業(yè)。
轉鼓式干化分為直接加熱與間接加熱兩種形式，其中以直接加熱形式居多。自20世紀40年代以來，日本、歐洲和美國就采用直接加熱式轉鼓干燥器來干化污泥。美國采用的轉鼓式干化機為Enviro-Grop研發(fā)的三通道式轉鼓干燥，可將污泥干化至含水率30%～40%。
槳葉式干燥機由聯(lián)邦德國開發(fā)成功，之后日本引進該項技術，并進行改進，開發(fā)出雙軸和四軸兩種結構，研發(fā)出十多種規(guī)格的系列產(chǎn)品，目前國內(nèi)已有幾十家企業(yè)可生產(chǎn)這類干燥器。
圓盤干燥機干化技術已在日、韓以及歐洲成功使用20多年，其中日本三菱研發(fā)的SDK系列圓盤干燥機在韓國污泥熱干化的市場占有率達到83%以上。2009年國內(nèi)天通公司引進日本三菱圓盤干化技術，該技術可實現(xiàn)污泥半干化甚至全干化（含水率＜10%），在蘇州市江遠熱電有限責任公司二期、北京懷柔垃圾焚燒發(fā)電廠、鄭州馬頭崗污水處理廠等多個項目中成功應用。
薄層式干化工藝是用于濃縮化工行業(yè)高黏度介質(zhì)，1980年通過技術改進，如今已成為得利滿、威立雅等多個大型國際工程公司污泥處理項目的首選工藝，業(yè)績遍布全 ，其中包括日處理能力1000t（美國）的污泥干化工廠，目前在我國也有多個工程業(yè)績，如深圳市上洋污泥處理廠半干化-焚燒處理系統(tǒng)、蘇州工業(yè)園污泥干化項目、重慶唐家沱污泥干化處置項目。
流化床干化技術在國內(nèi)應用較少，上海石洞口污水處理廠屬國內(nèi) 應用該技術的項目，該項目采用了德國安德里茨的流化床干化工藝及核心設備，利用焚燒污泥產(chǎn)生的熱能在流化床污泥干化機內(nèi)將脫水污泥干化至含水率低于10%，并于2004年開始投運，每年能持續(xù)運行7200h。2007年清河污水處理廠同樣引進德國安德里茨的流化床干化工藝及核心設備，污泥干化后含水率低于10%。
3 污泥干化特性分析
3.1 污泥水分
熱干化是表面水分氣化和內(nèi)部水分向外部轉移的持續(xù)交替進行的結果，熱干化時污泥干化速率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，且體積發(fā)生收縮。干化初期，污泥開始升溫表面水蒸發(fā)，表層形成裂隙開始向內(nèi)部延伸，此階段不發(fā)生水分的遷移和體積的收縮；干化中期，隨著污泥內(nèi)部溫度逐漸升高，內(nèi)部結合水逐漸向外層擴散，裂隙不斷發(fā)育向內(nèi)部延伸，內(nèi)部水向外遷移距離縮短，水分快速減少，污泥體積發(fā)生收縮。干化末期，污泥內(nèi)部水分稀少，伴隨污泥外層干燥厚度的增加，內(nèi)部水分的向外遷移速率降低，水分減少緩慢，污泥體積收縮到極小值。
污泥的含水率大小影響表面形態(tài)，污泥含水率降低到一定程度時，污泥形態(tài)將由流態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)，體積大幅縮減。污泥含水率為65%～85%時呈塑態(tài)，含水率為35%～40%呈散狀態(tài)，含水率低到10%～15%呈粉末狀態(tài)。同時，干化后污泥含水率大小也影響后續(xù)的處置，實際項目中應從經(jīng)濟、節(jié)能等方面控制污泥干化后含水率大小。陳萌等研究認為采用焚燒處置時，污泥干化后含水率為50%～60%更為適宜。
3.2 污泥熱值
污泥熱值主要由有機質(zhì)提供，污泥的含水率、有機物的揮發(fā)和分解都會影響熱值大小，低位熱值隨含水率的增加而降低，干基高位熱值隨有機質(zhì)含量的增加而升高，隨有機質(zhì)含量的下降而降低。研究表明，干化溫度為150℃時，污泥會損失10%的高熱值，且干化溫度越高，污泥熱值減少越明顯。當溫度高于150℃時，揮發(fā)性物質(zhì)的損失起著至關重要的作用。范海宏等通過對剩余污泥和厭氧消化污泥干化特性研究發(fā)現(xiàn)，干化溫度從100℃提升至300℃時熱值降低約一半，因此建議污泥干化溫度低于250℃。
3.3 污泥黏性
含水率大小影響污泥的黏性，根據(jù)污泥黏性的不同，干化污泥存在黏稠區(qū)、黏滯區(qū)和顆粒區(qū)，其中黏稠區(qū)含水率較大，顆粒區(qū)含水率較小。污泥處于黏稠區(qū)時，含水率＞65%，流動性好、易于攪拌、可擠壓性強、傳熱性能好，污泥干化速率較高。污泥處于黏滯區(qū)時，黏性較大，通常含水率為45%～65%。黏滯區(qū)的污泥在干化時具有較多問題，首先黏滯區(qū)內(nèi)污泥具有很強的黏附和結團能力，會不斷黏附堆積在干化設備傳熱部件表面，造成傳熱阻力急劇增大、傳熱效率降低，熱量只能經(jīng)過導熱傳遞到污泥內(nèi)部，其次攪拌和混合效果變差會導致干化設備運動部件能耗增大，黏著的污泥由于長時間受熱容易發(fā)生過度干化產(chǎn)生安全隱患。Deng等研究認為污泥含水率為55%～60%時，黏性較大，干化時在設備內(nèi)部堆積量較大。污泥處于顆粒區(qū)時，含水率＜45%，此時黏結在傳熱部件表面的污泥開始破碎脫落形成顆粒，干化速率比黏滯區(qū)大。
3.4 干化污泥尾氣
污泥干化尾氣具有惡臭味，其生成大都來自有機物的化學反應，而蛋白質(zhì)作為污泥中有機質(zhì)的主要成分，是干化尾氣生成過程的重要反應物。污泥干化尾氣包括無機氣體和有機氣體，無機氣體有氨氣、氯化氫、氟化氫等，有機氣體有甲烷和揮發(fā)性有機酸。
尾氣中氨氣濃度較高，由污泥中的含氮有機物蛋白質(zhì)經(jīng)水解產(chǎn)生，其大量釋放主要發(fā)生在干化早期階段，且釋放量隨著干化溫度的升高而增加，干化后期由于經(jīng)過較長時間的干化過程，大部分的氨已經(jīng)被釋放，氨的單位釋放量不再繼續(xù)增加。此外，污泥干化溫度和含水率都影響氨的釋放量。翁煥新等研究表明降低污泥干化溫度是控制污泥氨釋放量的有效措施，建議污泥在低溫（＜200℃）條件下完成干化過程。周杰等研究發(fā)現(xiàn)污泥含水率也影響氨的釋放量，污泥含水率為45%～80%時，氨的釋放量隨含水率的減少而增加，污泥含水率小于45%時，氨的釋放量不再增加。
除了氨氣外，其他臭味氣體如氯化氫和硫化氫等無機氣體主要來自污泥中原有游離氯化氫和硫化氫的揮發(fā)，或污泥中復雜組分和含氯、含硫鹽分的受熱分解，甲烷是通過污泥中有機物厭氧降解產(chǎn)生。為了保證污泥干化尾氣排放不造成環(huán)境影響，干化設備后需要配套相應的尾氣處理系統(tǒng)。
3.5 冷凝液
污泥干化尾氣的冷凝液呈堿性，且BOD5、COD和氨氮濃度高。干化時污泥釋放的大量氨氣會溶于水呈堿性，氯化氫、氰化氫等酸性物質(zhì)會溶于水呈酸性，由于氨氣濃度明顯高于其他氣體，導致冷凝液呈堿性且氨氮濃度很高，此外污泥在干燥過程中釋放的甲烷、正己烷和苯等鏈烴或芳香烴等有機氣體會導致污泥中的COD和BOD5增加。酈春蓉采用槳葉式干化機研究污泥干燥特性發(fā)現(xiàn)，污泥冷凝液pH為9.3，BOD5、COD和氨氮濃度遠高于污水處理廠進水水質(zhì)標準，污泥干化后的冷凝液必須再進一步處理或稀釋才能排放。
4 結論
（1）我國的污水污泥熱干化技術起步較晚，主流的干化技術基本都采用引進或引進后自主研發(fā)的形式，能實現(xiàn)污泥含水率低于10%，隨著對污泥處理處置問題的日益重視，目前國內(nèi)已成功運行多個污泥干化處置項目，且運行良好。
（2）熱干化過程中，隨著污泥含水率的降低，干化速率呈先增后減的趨勢，污泥體積會發(fā)生收縮。當含水率從85%下降至10%時，污泥會經(jīng)歷塑狀、散狀、粉末狀三種形態(tài)。實際應用中應根據(jù)后續(xù)處置要求控制污泥含水率。
（3）污泥的含水率和干化溫度影響熱值大小，熱值隨著含水率的降低而減小，當干化溫度達到300℃時，污泥會損失一半的高熱值，建議干化溫度低于250℃。
（4）含水率影響污泥的黏性，干化過程中污泥黏性需要經(jīng)歷黏稠區(qū)、黏滯區(qū)和顆粒區(qū)三個階段，含水率45%～65%時污泥黏性較大，傳熱效率差，能耗高，存在安全隱患。
（5）污泥干化尾氣包括無機氣體和有機氣體，具有惡臭味，以氨氣為主。污泥干化溫度、干化時間和含水率都會影響尾氣中的氣體釋放量。為了降低環(huán)境污染，污泥干化設備后需要配套相應的尾氣處理設備。
（6）污泥冷凝液呈堿性，富含BOD5、COD和氨氮，遠高于污水處理廠的進水水質(zhì)標準，需進一步處理或稀釋才能達標排放。
