污泥脱水干化工艺的技术探讨

污泥脱水、干化工艺的技术探讨污泥的产生在人类活动过程中是不可避免的。污水处理产生的大量污泥的任意堆放和投弃对环境造成了新的污染，如何妥善处置这些污泥已成为全球共同关注的课题。一、污泥概述污泥(sludge)是由水和污水处理过程所产生的固体沉淀物质。1.污泥的分类根据其来源，污泥可以划分为：1）市政污泥(sewagesludge)，主要指来自污水厂的污泥，这是数量最大的一类污泥。此外，自来水厂的污泥也来自市政设施，可以归入这一类。2）管网污泥，来自排水收集系统的污泥。3）河湖淤泥，来自江河、湖泊的淤泥。4）工业污泥，来自各种工业生产所产生的固体与水、油、化学污染、有机质的混合物。在非特指环境下，污泥一般指市政排水污泥。污水处理厂的污泥根据处理的工艺级别不同，又可以分为以下几种：1）初沉污泥(Primary)：只经过物理-化学处理2）二沉污泥(Secondary)：生物处理后的污泥3）三沉污泥(Tertiary)：脱磷/脱氮后的污泥根据污泥的性质，又可以区分为：1）未消化生污泥（undigested）2）消化污泥(digested)污泥的消化又有好氧消化与厌氧消化之分。各个级别的污泥的物理化学性质不同，消化和未消化污泥的性质差别更大。很多后端处理工艺必须了解前端污泥的性质才能确定其处理方式。2.污泥的主要成分因污泥成分不同，未消化的市政污水污泥的有机物含量可能占到干物质的60%－75%，高效消化处理后减半。有机硝酸盐是污泥中的主要有效成分。施用到土壤里，硝酸盐经生物降解可改善土壤。污水厂污泥具有很强的流动性，这是因为其含水率很高，一般在95%以上，这是污泥本身的性质决定的。根据分析，污泥与水分子的结合非常紧密，并具有不同的相态：1）自由态水：可经重力沉淀和机械作用去除；2）物理性结合水：须更多能量去除（如加热），包括毛细管/间隙水、胶态/表面吸附水。3）化学性结合水：只有打破化学键才能去除，被称为“平衡水”，包括细胞内的水、分子水。3.污泥处理、处置存在的问题1）污泥处置：污泥的处置指的是给污泥一个最终的归宿：要么作为肥料施用到农田、绿化等土壤中，成为土壤的一部分；要么加以资源化利用，形成有用的材料，如铺路的渣土、水泥、制砖等；要么填埋，未加任何利用，且耗费土地资源而弃置。2）污泥处理：任何不能达到最终安置的过程，都可以算作处理。比如污泥堆肥，杀灭细菌和熟化后才能产生安全的肥效；焚烧最终还会产生灰烬，这部分的数量要占到原干物质质量的40％以上，因此还要考虑填埋或利用；干化是为了去掉泥饼中的大部分水份，节约运输成本，减少占地，少付填埋费，并为其它的最终处置方案提供减量、卫生化和经济性条件。污泥处理的主要目的是减少水分，为后续处理、利用和运输创造条件；消除污染环境的有毒有害物质；回收能源和资源。污泥的处理工艺包括污泥的浓缩、消化、脱水、干化及焚烧等方法以及最终处理。由于污泥是一种有潜在危险的物质，所以污泥处理面临以下的问题：1）干污泥中一般含有65%的有机物和35%的无机物。在中国，污泥中的有机物含量较低。2）湿污泥中含有各种各样的细菌、病毒和寄生生物，病菌在其中大量繁殖。3）污泥中还含有锌、铜、铅和镉等重金属化合物，有毒的有机化合物，杀虫剂等等，所有这些一旦进入食物链将会导致严重的健康问题。对于工业发达的大中城市，这个问题尤其突出。在欧洲，根据欧盟规定：截止到2005年，有机物含量超过5%的废弃物将被禁止填埋；在美国，根据国家环保局的503污泥卫生法规定，只有经过灭菌处理，达到细菌或病毒无法检出的A级污泥才可以在市场出售；而B级污泥的使用则必须满足特殊的使用条件，即污泥的细菌或病毒含量不会对公众和环境造成影响。而特级污泥，即污泥的细菌或病毒和重金属的含量都满足要求，其使用所受到的限制与普通的肥料一样。由于A级污泥没有对重金属的含量有任何限制，因此国家环保局的503污泥卫生法不是很严格。目前，在新泽西州，在加利弗尼亚，内华达和亚利桑那州的部分县已经立法禁止污泥的填埋；佛罗里达洲等一些州的立法正在进行。4.污泥的脱水与干化污水处理所产生的污泥具有较高的含水量，由于水分与污泥颗粒结合的特性，采用机械方法脱除具有一定的限制，污泥中的有机质含量、灰分比例特别是絮凝剂的添加量对于最终含固率有着重要影响。一般来说，采用机械脱水可以获得20%-30%的含固率，所形成的污泥也被称为泥饼。泥饼的含水率仍然较高，具有流体性质，其处置难度和成本仍然较高，因此有必要进一步减量。此时，在自然风干之外，只有通过输入热量形成蒸发，才能够实现大规模减量。采用热量进行干燥的处理就是热干化。污泥干化是水分蒸发的过程。为了进行干化项目的调研，以确定减量处理的规模，必须了解有关污泥项目的一些经济参数，这些参数包括：•机械脱水后的湿泥含固率•最终处置的目的、类型•当地能够找到的廉价热能及其价格指数污泥成分是根据污水厂的来水水质变化的，当然在很大程度上也会受到污水处理工艺的影响。最终会对干化工艺产生重大影响的内容则是絮凝剂添加量。对干化工艺来说，以下内容值得注意，这些内容通常是通过试验来确认其干化效果的：•污泥中絮凝剂含量；•污泥的粘度、弹性；•有机物在干物质中的比例；•磨蚀性成分的比例（如沙、石等）；•腐蚀性成分的浓度（如氯、硫等）；•油脂类物质的百分比。污水中的污染物和营养成分在大量繁殖的细菌作用下，在化学药剂的作用下形成聚集，逐渐增大的团粒结构最终在水中沉淀下来，形成污泥。进一步添加高分子絮凝剂，采用物理方法浓缩，可以脱去大部分或一部分所谓的自由态水，形成我们所见到的脱水污泥。因此经生物处理所得到的污泥，其有机物构成主要就是这些微生物细菌。二、污泥的主要处理、处置途径1.污泥处理、处置的工艺路线污水厂污泥的处理和处置主要遵循以下的途径：1)污泥的浓缩。污泥浓缩的目的是使污泥初步脱水、缩小污泥体积．为后续处理创造条件。浓缩脱水方法有重力沉降浓缩、上浮浓缩以及其他浓缩方法。2)污泥消化。为了减少污泥量，防止污染环境和提高利用价值，一般需经过消化处理。污泥消化即是借助微生物的代谢作用，使污泥中有机物质分解成稳定的物质，去除臭味，杀死寄生虫卵，减少污泥体积．回收利用消化过程中所产生的沼气。3)污泥脱水与干化。污泥经浓缩和消化之后，其含水率仍在96％左右，体积很大，不便于运输和使用，需要进一步脱水干化处理，其主要方法有自然蒸发法和机械脱水法两种。4)污泥焚烧。污泥干化后．含水仍达10%-20%，体积仍较大，通过焚烧可将污泥中水分和有机杂质完全去除．并杀灭病原微生物。有些污泥含有有毒物质而不宜作农肥，或因其他原因使污泥难以利用时，为防止污染．也采用焚烧方法。焚烧污泥的装置为焚烧炉。5)污泥的最终处理。污泥含有重金属离子等有毒物质时，还须做最终处理，深埋或投弃海洋。2.污泥处置方式污泥的主要处置方式有1）投海。由于对环境的负面影响（环境和生物受到污染的危险），在美国已经被法律所禁止。在中国，相信在将来也不能采用污泥海洋投弃法作为处置方式。2）填埋。脱水泥饼直接填埋本身是对资源的严重浪费，此外，还可能对填埋场形成诸多困难：填埋场一般是一层固废一层覆土，然后进行碾压，以确保更好的空间利用。污泥的高含水率、高粘度经常使得碾压机械打滑甚至深陷其中，给填埋操作带来困难。污泥的流变性使得填埋体易变形和滑坡，成为人为的“沼泽地”，给填埋场带来极大安全隐患。污泥的高含水率大大增加了填埋场渗滤液处理量，由于污泥细小，经常堵塞渗滤液收集系统和排水管，加重了固废坝的承载负荷，给填埋场安全和管理带来困难。清理收集系统的费用极为昂贵。填埋资源有限，必然导致填埋成本的上升。填埋法将受到越来越严格的的限制，在今后数年内美国将关闭大部分的污泥填埋场。直接填埋污泥浆，所占用的土地非常多，而且由于存在病原体继续繁殖、臭味等问题，尤其在人口非常稠密的地区这种方法并不实际。因此这种处理方式在中国的沿海发达地区也将行不通。3）堆肥化堆肥是稳定和卫生的产品，但是大规模污泥堆肥存在着许多限制：（1）污泥本身不是一个非常好的堆肥物料，降解性差，孔隙率低，含水率高，须添加大量调理剂来松散污泥，堆肥化处理污泥的量相对很低（经堆肥化处理的大部分是大量的调理剂），不适合多雨的南方地区。（2）堆肥化过程没有实现体积减量化，而且处理、储存、缓冲区占地面积很大。（3）臭味处理过程复杂，系统庞大。对于南方多雨的气候，储存和堆肥化的场地和设施要求高，同样也增加了投资。（4）运行费用较高：供氧、通风和气味处理所需的耗电量大，除虫所需的化学剂量大，购买大量蓬松调理剂，运输和储存费用大。污泥堆肥不适应于大型处理项目，而且没有大型处理项目在成功运行实例。目前世界上成功运行的最大的污泥堆肥场，其处理能力为10，000吨/年。4）焚烧焚烧是一个很好的解决方案，尤其：（1）污染严重的污泥（例如重金属含量或化学污染物超标的工业污泥）：污泥最终要实现完全矿化。（2）处理规模大（大于50000吨（泥饼）/年）：规模大，投资省。（3）污泥焚烧的投资和运行费用要高于干燥/造粒，这是因为：焚烧运行温度高（焚烧850℃，干燥100℃）；工艺复杂（还未实现完全自动化运行，需要更多人工，严格的排放限制，高额的最终二次固废填埋费用）。（4）在一些国家公众对焚烧技术的接受程度较低（负面印象：可能对人们身体健康造成危害的高风险的心理负担）。多级焚烧炉由于其本身固有的缺陷，尾气排放超标，需要补充辅助燃料。因此许多多级焚烧炉已经被流化床焚烧炉所取代。即使对于流化床焚烧炉，只有当水分含量小于为25%，干污泥的有机物含量为75%，即绝干污泥的低位发热值为4155Kcal／Kg,并且需要将燃烧空气预热到650度以上时，才无需辅助燃料。但对于中国的市政污泥，其有机物含量大约为50到65%，热值为2400到3600Kcal/KG。很显然，如果直接采用现有的流化床焚烧炉来焚烧中国的市政污泥，补充辅助燃料是不可避免的，只是补充辅助燃料的多少不同，取决于湿污泥的具体的水分含量和发热值。目前，仅在美国，就有近２００家污水处理厂采用焚烧的方式来处理污泥，处理的污泥量占全美的总产量的20％。5）干燥干燥的优点是非常明显的（1）大幅度减小体积，从而减小了储存，处置和运输费用（2）用途灵活：最终产品用途广泛（既可用来做肥料也可用于其它工业工艺过程中的燃料）（3）最终产品资源化利用：如果干燥污泥本身的重金属和有机污染物等指标达标，污泥颗粒可用于肥料和土壤改良剂，是干燥厂的主要收入来源之一。（4）安全、高效、投资和运行成本低。（5）安全高效的工艺意味着最终产品完全干燥（含固率＞90%），无尘、无菌、硬度高、密度大的球形颗粒。这样可以确保安全、卫生和低成本的运输、处置、长时间的储存和最终使用。但干燥也有其问题：（1）对于重金属含量高的污泥，如果用做肥料，会带来土壤污染的问题；（2）污泥作肥料的市场问题。由于污泥的N、P、K的含量比化肥低许多，并且公众担心其危害，市场需要开发。即使在美国，经过多年的宣传，推广，污泥作肥料的市场仍然困难很大。加拿大的多伦多的干燥污泥要船运到佛罗里达销售；（3）价格问题。由于以上问题，在美国，吨干污泥的出厂价仅为10到20美圆。而干燥成本（仅包括能源，未考虑设备折旧，人员工资等）就达50到70美圆（尽管如此，仍有许多城市对市政污泥进行干燥，主要原因是每吨湿污泥的拖运费用现在为30到50美圆，而干燥后，重量减少到原来的1/3到1/4。）。在中国，这个问题尤其突出，因为中国的天然气和电力价格比美国高35%到40%。在中国，只有用煤做燃料时，才可以考虑用干燥污泥作肥料。而目前，在大中城市，煤被禁止用做燃料。如果污泥干燥设备采用进口，那么代价将非常高。对于每小时脱水4吨的污泥干燥设备，整个项目的投资大约在690万美圆（1999年价格，2002年佛罗里达的坦帕采用Andritz的污泥干燥设备,整个项目的投资已达到1000万美圆）。6）固废焚烧发电厂与市政固废混烧处理污泥与市政固废混烧是可能的但是处理量不大。从目前运行的固废焚烧厂的经验来看，为保证正常稳定的运行，湿污泥的添加量不能超过8%