略述城市污水廠污泥熱化學處理技術
簡略地敘述了污水廠污泥熱化學處理方法的現狀及發(fā)展趨勢。并就污泥焚燒處理與污泥熱解處理進行了分析和比較。
隨著城市污水處理的普及，城市污水廠污泥將大量增加，這些污泥如不經處置直接排放，會產生嚴重的污染。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，易產生新的二次污染等。污泥熱化學處理方法(污泥受熱發(fā)生化學反應使之穩(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物實施能源回收等優(yōu)點�？蛇_到使污泥處置減量化、無害化、資源化的目的。因此被認為是很有前途的污泥處理方法，受到了廣泛關注。
污泥熱化學方法主要可分為：焚燒法;低溫熱解法。
1污泥焚燒
污泥焚燒是將污泥置入焚燒爐內，在過量空氣加入情況下，進行完全焚燒。焚燒后最終污泥含水率為0，其中多環(huán)芳烴類污染物不復存在，其它有機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鍵因素。它直接影響污泥焚燒設備和處理費用(當污泥揮發(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備及處理費用是至關重要的。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，有機物才能燃燒。但此時污泥燃燒會產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℃或加設二次燃燒設備。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(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，因此還需從外界補充熱能。c.污泥預處理。污泥在進入焚化爐前加以必要的預處理，能使焚燒更有效地進行。將污泥粉碎可使投入爐內污泥均勻，保障燃燒充分。污泥預熱，可使其含水率下降，降低污泥焚燒時所耗能源。此工序應根據焚燒爐型、設置或免除。
1.2設備
a.污泥焚燒設備現有多種型號，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，主要是因為污泥類廢物一般都很粘稠，點燃后易結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，反復更新燃燒表面，使污泥得以充分氧化。在多段爐內各段均設有攪拌面，物料在爐內停留時間也很長，方能使污泥完全燃燒[4]。為保障工藝順利進行，除焚燒爐外還需添置污泥器(帶粉碎機)，多點鼓風系統(tǒng)，熱量回收裝置加(當設二次燃燒設備時，尤要注意此點)，輔助熱源(起動燃燒器)和除灰設備等輔助設備。多段焚燒爐存在的問題主要是機械設備較多，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，需要增設二次燃燒設備。
此外運用較多的還有轉窯(回轉)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)。污泥焚燒產生大量帶飛灰的煙氣，這些煙氣中含有多種有毒物質，如二惡英、甲硫醇、SOx等，形成二次污染。煙氣處理工藝復雜、技術難度大、處理成本昂貴。而且廢氣的潛在性危害，有些還處在環(huán)保工作者的進一步認識、研究之中，如二惡英等。因此，對煙氣的治理決不能掉以輕心。
據現有資料看，絕大多數國外污泥焚燒設備，已從過去的靜電除塵器與干式洗滌法相結合的處理法，轉變成為高性能靜電除塵器與濕式洗滌設備和脫硝設備相組合的處理方法。少數新廠為去除二惡英、呋喃等有毒物質，還采用了袋濾式除塵設備與其它設備相組合的方式。如美國1991年建成的一套污泥焚燒設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污水廠每日進消化池污泥9443m3，經消化后為7930m3，脫水后為1160m3，焚燒后體積為99m3，為進泥體積的1.05%。大大減輕了污泥最終處置的負擔。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，且焚燒裝置設備復雜，建設和運用費用高于一般污泥處理方法。因此，國內除少量專門系統(tǒng)外，還沒有污泥焚燒設施投入使用。
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℃)，使固體物質分解為油、不凝性氣體和炭三種可燃物。部分產物作為前置干燥與熱解的能源，其余能源回收。由于高溫熱分解耗能大，目前研究重點放在低溫熱分解上。
2.1工藝流程及產物
德國哥庭根大學的研究者，已創(chuàng)造出了一種能將污泥轉化為液體和固體燃料的間歇式反應工藝[9]。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)保研究人員作了進一步研究。他們對美、加、英三國的18種不同污水廠污泥進行了檢測后，H.W.Campbell和T.R.Bridle得出了數據。
相同條件下，不同性質污泥經熱解后，產物率是不相同的。生污泥油產率明顯高于消化污泥。在熱解產物中，不凝性氣體熱值很低，產率也不高，但帶有很強烈的臭味。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。所產生熱能作為補充能源用，但要增加相關設備。
產油熱值高，收集起來后可作為能源貯存。據筆者所作試驗看，油在熱解過程中以蒸氣相出現，經油水冷凝分離，冷卻后，油呈棕褐色、焦油狀、發(fā)粘、有異味、可被明火點燃，性質穩(wěn)定。據上海同濟大學與H.W.Campbell等資料看，污泥在450℃以下時，溫度上升，產油率上升。而且經微生物處理程度越淺的污泥，有機物含量越高，其產油率也越高。產物熱值與反應溫度基本呈反比。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。污泥炭產率隨溫度上升而下降。為取得較高產率炭，將熱解溫度控制在300℃以下，可得到燃燒性能較好的污泥炭。污泥炭性質穩(wěn)定，可用于摻煤或直接作為熱解補充能源[10]。污泥熱解、冷凝后的水，含有大量雜質，需重新處理后方可排放。
2.2污泥熱分解機理
污泥在低溫下轉化為水、不凝性氣體、油和炭。其組成及分布主要由污泥性質決定。但也與熱解溫度有關。由于現今進行的污泥熱解試驗多限于試驗室規(guī)模，因此提出了不同的作用機理。較普遍的看法[11]為：在300℃以下發(fā)生的熱化學轉化反應，主要是污泥中脂肪族化合物的轉化。此類化合物沸點較低，其轉化形式主要為蒸汽;300℃以上蛋白質轉化與390℃以上開始的糖類化合物轉化，主要轉化反應是肽鍵的斷裂�；蜣D移變性及支鏈斷裂等;含炭物質在200～450℃發(fā)生轉化，至450℃基本完畢。
2.3生產設備
由于污泥熱解是一種新型的污泥處理工藝，因此其生產設備，尚無較規(guī)范的型式。目前，日本進行的是將污泥焚燒爐改進為熱解爐。降低操作溫度，調節(jié)進入空氣量。其能耗有所下降，但熱解過程中產生大量強刺激性尾氣，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器。反應器分成蒸汽揮發(fā)和氣固接觸二個區(qū)域。二區(qū)域間以一個蒸汽內循環(huán)系統(tǒng)相連接。從而滿足了反應機理對反應器的要求。污泥經脫水、干燥后，在轉化反應器中產生衍生燃料油、炭、不凝性氣體和水，效果良好。現在進行的各式污泥熱解的研究還大都處于實驗室或中試階段，其生產設備的改進、創(chuàng)新、定型，尚需時日。
作為一種有待完善的污泥處理工藝——污泥熱解的經濟性和實用性，受到廣泛關注。從筆者所做實驗與上海同濟大學污泥熱解實驗看，一般污泥加熱到200℃以上就開始明顯分解，釋放出相當數量的強烈臭氣。溫度上升至250～300℃時產氣量達到最高值。保溫30～40min后產氣量基本為0。此時產的炭為具有穩(wěn)定性質和一定熱值的燃料。平均產炭量為0.40g/g～0.55g/g干污泥，炭能量約占污泥原能量30%～45%，可作為劣質煤替代品。產油率為0.2～0.25g/g有機物，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，反應水含雜質較多，如油脂、灰等。
從設備構成看，污泥低溫熱解比污泥焚燒要增加預干燥器、油水分離設備。因此設備費會有所增加，但污泥熱解所需溫度(≤450℃)比污泥焚燒所需溫度(800～1000℃)低，因此前者運行費用遠低于后者。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。二項相抵，污泥低溫熱處理成本為直接焚燒的80%左右。
3結束語
污泥熱化學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�？梢灶A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。
現簡單歸納上述內容如下：
a.污泥焚燒效果好。國外已有較成熟經驗和工藝，可以直接借鑒使用。但缺點是能耗太高。今后應從降低成本，減少二次污染角度著手，生產新設備。
b.污泥低溫熱解效果亦好，且能量回收率高，經濟性優(yōu)于焚燒處理，是大有前途的處理方法。在熱解機理和動力學研究方面，還有很多工作需進一步探討。在工藝和設備的改進方面有待新的突破。
c.發(fā)展污泥熱化學處理工藝時，應注意尾氣處理。力爭在保證尾氣排放質量的情況下，降低尾氣處理費用。
d.污泥熱化學處理方法在我國不能得到推廣使用的主要原因是經濟原因。昂貴的設備、建設費用和運行費用，國內污水廠目前難以承受。為此，可考慮在當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，污泥量增大后，如發(fā)達國家那樣，再采用性能優(yōu)異的污泥熱化學處理工藝和設施。
原標題:略述城市污水廠污泥熱化學處理技術
