在污泥處置費(fèi)用不斷上升的背景情況下，采用太陽(yáng)能和帶式污泥干化變得十分安全，為污泥后處置提供了可靠技術(shù)途徑。除了降低體積和重量之外，全干化后的污泥還能夠穩(wěn)定庫(kù)存和運(yùn)輸。對(duì)于污泥干化工藝來(lái)說(shuō)，要求對(duì)全年的能耗和物流進(jìn)行合理管理 ，廢氣處理必須達(dá)到令人滿意的處理程度。根據(jù)各國(guó)不同的污泥處置政策，產(chǎn)生的干泥可作為燃料或作為肥料回收利用。

1 污泥干化是污泥熱處置和作為農(nóng)肥的前提條件

1.1 降低重量體積，提高污泥庫(kù)存穩(wěn)定性

污泥干化處理的最大優(yōu)點(diǎn)是可以大幅度降低污泥體積和重量。太陽(yáng)能干化后的污泥密度一般是在 800 - 900 kg/m3 范圍內(nèi), 污泥體積可從原來(lái) 1 m3 降低至0.18 – 0.27 m3。 在進(jìn)行帶式污泥干化時(shí)，因?yàn)樵谖勰喔苫氨仨氝M(jìn)行面條化處理, 全干化之后的污泥密度一般是在400 - 600 kg/m3 范圍內(nèi)。污泥體積可從原來(lái) 1 m3 降低至 0.37 – 0.55 m3。舉例來(lái)說(shuō)，如果將進(jìn)料污泥 25% DS全干化至 90% DS時(shí)，重量可以降低77.8%。

圖 1 顯示了消化污泥在20°C 時(shí)從實(shí)驗(yàn)室內(nèi)確定的干化等溫曲線, 此時(shí)藍(lán)色曲線表示在不同水活性情況下– 即可供微生物利用的水量 –污泥固含量變化情況。紅色曲線表示微生物生長(zhǎng)速率?？梢郧宄闯? 當(dāng)污泥固含量超過(guò) 87% DS時(shí)，微生物活性幾乎下降至零，因此全干污泥可以長(zhǎng)期庫(kù)存，不會(huì)產(chǎn)生異味

1.2干泥作為燃料

如果需要將市政污泥作為燃料進(jìn)行能源回收利用時(shí)，則采用免費(fèi)熱能或工業(yè)廢熱進(jìn)行污泥干化處理則是能源回收的前提條件。采用以下公式，可以通過(guò)污泥有機(jī)物含量大致估計(jì)干化后污泥的熱值:

當(dāng)消化污泥的有機(jī)物含量 OTR = 50% 和干化后污泥固含量為90% DS時(shí)，污泥熱值大約是Hu = 10,100 kJ/kg 或 2.81 kWh/kg。在以下表 1內(nèi)，舉例列出了各種不同類型的消化污泥和好氧穩(wěn)定化污泥性能參數(shù)，并和褐煤進(jìn)行比較。根據(jù)污泥熱值，還計(jì)算了干化污泥的熱能商業(yè)價(jià)值。

表 1 不同市政污泥和褐煤的燃料性能/數(shù)值

表 1一方面顯示, 干化后的市政污泥含有較高的爐灰含量, 與褐煤相比較灰燼處置費(fèi)高和焚燒效率低。此外與燃料例如褐煤，石煤和木料相比較，灰燼軟化溫度較低。因此在焚燒有些市政污泥時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題: 許多國(guó)家規(guī)定，最后一段焚燒空氣溫度必須在850°C 時(shí)至少維持2秒[2], 此時(shí)飛灰就很容易粘在煙氣熱交換器表面。較低的灰燼熔化溫度會(huì)容易產(chǎn)生爐渣, 從而在市政污泥氣化裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生負(fù)面影響。在褐煤燃燒時(shí)，當(dāng)灰燼內(nèi)SiO2 上升時(shí)灰燼熔化溫度會(huì)逐步下降[3]。在德國(guó) Emscherflu?-污水處理廠內(nèi)，流化床污泥氣化裝置采用氧氣和水蒸汽作為氣化介質(zhì)，主要處理市政污泥。運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)顯示: 灰燼中SiO2-含量大約 40.3%, 灰燼軟化溫度1,038°C, 灰燼熔化溫度 1,104°C [4].

另一方面，采用市政污泥作為燃料焚燒時(shí)具有CO2-零排放擴(kuò)散的優(yōu)點(diǎn)。但只有今后CO2-排放指標(biāo)能夠在全球范圍銷售運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，才能在商業(yè)基礎(chǔ)上顯示這一優(yōu)點(diǎn)。原則上說(shuō)，在采用單焚燒爐和污泥氣化裝置時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先考慮采用好氧穩(wěn)定化市政污泥。

必須注意, 不同焚燒系統(tǒng)對(duì)于污泥固含量要求是不同的。對(duì)于爐架焚燒爐來(lái)說(shuō)，半干污泥的固含量至少在 65 - 70% DS 以上, 而對(duì)于流化床焚燒爐來(lái)說(shuō)，污泥固含量在45 - 50%DS 范圍就可以滿足要求。此時(shí)，可通過(guò)接觸性污泥干化裝置直接將污泥干化至規(guī)定的污泥固含量，或者將脫水污泥和全干化污泥進(jìn)行混合處理后輸入焚燒裝置。

1.3干泥作為肥料

目前在德國(guó)瑞士基本上市政污泥以熱處置為主情況下，在法國(guó)和美國(guó)仍然還存在很大市場(chǎng)，允許干化后市政污泥作為肥料被回收利用。但此時(shí)必須注意, 污泥農(nóng)用時(shí)必須通過(guò)肥料中間商的銷售途徑進(jìn)入市場(chǎng)。舉例來(lái)說(shuō)，污泥的理論肥料價(jià)值可通過(guò)其中的礦化物質(zhì)組成來(lái)計(jì)算(價(jià)格基礎(chǔ) 2007)[6]。不管如何，計(jì)算所獲得的理論商業(yè)價(jià)值要比前面的污泥燃料高出好幾倍。以下表 2 可以清楚地顯示這一點(diǎn)。

表 2舉例說(shuō)明市政污泥的理論肥料價(jià)值

但在很多國(guó)家或地區(qū)，有時(shí)要求污泥顆粒直徑是在3.25 mm +/- 0.25 mm 范圍內(nèi)[7]，而對(duì)于帶式污泥干化裝置和太陽(yáng)能污泥干化裝置往往很難直接滿足要求，經(jīng)常要求額外配置干泥造粒裝置。

2 何時(shí)采用帶式干化, 何時(shí)采用太陽(yáng)能干化?

2.1 帶式污泥干化

在滿足以下前提條件情況下，可以采用中溫帶式污泥干化裝置:

? 擁有足夠廢熱能源，例如70 - 145°C 范圍內(nèi)的熱水

? 占地較小

? 處理量 > 2000 - 3000 t 脫水污泥 / a

? 要求恒定出泥固含量 > 90%DS

? 裝置連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)

? 對(duì)來(lái)自冷凝裝置的廢熱進(jìn)行深度回收利用，例如用于污泥消化塔的加熱

? 干泥作為肥料時(shí)要求衛(wèi)生化處理，根據(jù)美國(guó)規(guī)范EPA 503 要求達(dá)到等級(jí)A[8]

圖 3 顯示了整套雙帶污泥干化裝置，配置了污泥面條機(jī)和冷凝裝置以及廢氣處理裝置(含2級(jí)化學(xué)洗滌和生物除臭裝置)[9]。

2.2太陽(yáng)能污泥干化

如果滿足以下條件，則可以采用太陽(yáng)能污泥干化技術(shù)(采用或不采用外來(lái)廢熱):

? 沒(méi)有廢熱或只有限量低溫廢熱時(shí), 可在暖房?jī)?nèi)采用加熱地板或熱空氣產(chǎn)生器

? 要求很低的電耗

? 出料污泥的平均固含量在70 - 80%DS

? 當(dāng)?shù)卣谪?cái)務(wù)稅收政策上支持這一?綠色技術(shù)“

在圖 4 顯示了整套太陽(yáng)能污泥干化系統(tǒng)，其中含有翻滾機(jī), 暖房, 環(huán)風(fēng)和廢氣鼓風(fēng)機(jī) [10]。通過(guò)鏟車或運(yùn)輸螺桿可輸入進(jìn)料污泥。干泥出料可在污泥進(jìn)料端(在圖內(nèi)前端)的相反一側(cè)，或者在污泥進(jìn)料端的同一側(cè)。通過(guò)加熱地板，可輸入熱水溫度最高至50°C 或者通過(guò)空氣加熱器輸入熱水溫度最高至90°C。

3 廢氣處理問(wèn)題

用戶接收市政污泥干化裝置的前提條件是廢氣處理裝置能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足國(guó)家規(guī)定的處理要求和排放指標(biāo)。

在采用中溫帶式干化裝置時(shí)，不管何種情況都必須配置安裝廢氣處理裝置, 一般是由酸洗塔, 有時(shí)還配置堿洗塔和生物除臭裝置。

在采用太陽(yáng)能污泥干化裝置時(shí)，正常情況下在處理完全消化后的市政污泥時(shí)不需要配置除臭裝置 。但在污泥干化處理時(shí)，要求對(duì)污泥進(jìn)行高效翻滾通風(fēng)處理，使得污泥床始終處于好氧狀態(tài)。但在以下特殊情況下，有時(shí)仍然要求進(jìn)行除臭處理:

? 廢熱處理比例很高

? 污泥沒(méi)有完全消化處理和穩(wěn)定化處理

? 進(jìn)水內(nèi)很有很高比例的工業(yè)污水，其中含有高濃度蛋白質(zhì)或油脂含量。

在這種情況下，最好事先在一臺(tái)試驗(yàn)裝置內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)污泥干化后的廢棄進(jìn)行分析研究, 這樣可以確定, 采用何種類型的廢氣處理裝置。照片 5 顯示一臺(tái)試驗(yàn)性污泥干化裝置，可以模擬帶式污泥干化裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并配置各種廢氣成份分析的測(cè)試設(shè)備。

4 能源和物質(zhì)管理

4.1 市政污水處理廠內(nèi)的能源利用情況

盡管有些污水處理廠通過(guò)污泥消化可以抽提一部分生物能源，但不管是從電耗1還是從熱耗情況來(lái)看，還無(wú)法達(dá)到能源自給狀態(tài)。尤其是在冬季，為了平衡污泥消化塔和污泥運(yùn)輸管道的熱能損失以及機(jī)房加熱，必須輸入很多熱能來(lái)加熱污泥。帶式污泥干化裝置所需要的熱能和電能有時(shí)需要通過(guò)額外采用天燃?xì)膺\(yùn)轉(zhuǎn)的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置進(jìn)行供電供熱。根據(jù)市政污水處理廠的不同規(guī)模，在沒(méi)有污泥干化裝置情況下，通過(guò)沼氣發(fā)電達(dá)到電耗自給的程度說(shuō)明如下[11]:

- 人口當(dāng)量在 10,000 – 30,000 范圍內(nèi)的小型市政污水處理廠內(nèi)，電耗自給程度是50 %

- 人口當(dāng)量大于 100,000的大型市政污水處理廠內(nèi)，電耗自給程度是68 %

4.2提高能源利用效率的各種可能性

為了提高沼氣能源利用效率和降低用于污泥干化的能耗，可以采取以下技術(shù)措施:

? 通過(guò)定向引入其他工藝技術(shù)和優(yōu)化或選擇合適的絮凝劑來(lái)提高污泥機(jī)械脫水時(shí)的固含量。

? 通過(guò)優(yōu)化混合技術(shù)，有時(shí)通過(guò)污泥水解技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)沼能力

? 多次反復(fù)利用熱能，例如帶式污泥干化裝置利用廢熱之后再用于消化塔加熱或用于太陽(yáng)能干化裝置的加熱

? 利用外來(lái)協(xié)同發(fā)酵基質(zhì)(例如，餐廚垃圾, 油脂分離器內(nèi)涵物質(zhì), 宰雞場(chǎng)垃圾) ，可將污泥消化塔的產(chǎn)沼能力提高2 至 3倍

原則上說(shuō)，污水處理廠的?能源自給“ 只能通過(guò)引入外部的協(xié)同發(fā)酵基質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，德國(guó)漢堡污水處理廠或德國(guó)Straubing 污水處理廠就是按此模式運(yùn)轉(zhuǎn)。所獲得的產(chǎn)沼能力大約為1.1 m3 沼氣 / m3 消化塔/每天，全部用于沼氣發(fā)電。所獲得的電能和發(fā)電廢熱可以滿足整個(gè)污水處理廠的熱能需要(包括污泥干化處理)，甚至還有多余電能進(jìn)行并網(wǎng)銷售[12]。

4.3能源和物質(zhì)管理

考慮到能源供給能力的波動(dòng)性，要求市政污泥干化裝置擁有一定的靈活調(diào)節(jié)能力。舉例來(lái)說(shuō)，污泥消化時(shí)的沼氣產(chǎn)量或熱能產(chǎn)量是和季節(jié)時(shí)間有關(guān)或者太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在一年不同季節(jié)時(shí)間內(nèi)數(shù)值相差很大:

? 帶式干化裝置: 通過(guò)污泥處理量的調(diào)節(jié)來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償能源供給的波動(dòng)狀態(tài)

? 太陽(yáng)能干化裝置: 在暖房?jī)?nèi)或在外部?jī)?chǔ)泥倉(cāng)內(nèi)中間儲(chǔ)存污泥或者采用廢熱進(jìn)行污泥干化處理

5 干化污泥的后制備應(yīng)用

在后續(xù)回收利用干化污泥時(shí)，必須根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)來(lái)滿足以下提出的要求:

? 污泥固含量

? 衛(wèi)生化要求

? 污泥顆粒直徑 / 密度

? 粉塵含量

? 污泥的肥料價(jià)值或熱值

通過(guò)篩濾, 顆粒化或造粒處理以及添加劑混合處理等可以滿足以上各種要求, 但這些技術(shù)處理措施需要額外的投資費(fèi)用和電耗費(fèi)用。

來(lái)自太陽(yáng)能干化裝置的干化污泥可在一根加熱運(yùn)輸螺桿內(nèi)進(jìn)行篩濾和熱水解處理來(lái)滿足肥料應(yīng)用要求。對(duì)于帶式污泥干化裝置來(lái)說(shuō)，則可以通過(guò)投加來(lái)自酸洗塔的硫酸氨溶液和通過(guò)造粒處理來(lái)提高污泥肥料的價(jià)值。

在一般情況下，干化污泥還是被看作是垃圾物質(zhì)而不是資源物質(zhì)。但人們可在歐美國(guó)家看到以下緩慢的發(fā)展趨勢(shì)

? 全干污泥至少在瑞士被免費(fèi)接受，進(jìn)行能源回收利用

? 在美國(guó)，由帶式干化裝置產(chǎn)生的市政污泥達(dá)到等級(jí)A質(zhì)量要求，以作為肥料用于公園綠草房頂或高爾夫球場(chǎng)。

? 在美國(guó)有些地方，等級(jí)A 干化污泥可作為肥料銷售給私人。

? 市政污泥灰燼有時(shí)作為長(zhǎng)效肥料，有時(shí)作為肥料添加劑用于肥料工業(yè)。

不管回收利用途徑如何，一般都是通過(guò)常規(guī)已建立的銷售途徑才能成功地出售干化污泥。

6 總結(jié)

污泥干化是后續(xù)將污泥作為肥料或燃料(污泥焚燒或污泥氣化)時(shí)的基本前提條件。

進(jìn)行有效的能源管理來(lái)解決污泥干化的能耗問(wèn)題是整個(gè)污泥處理處置的關(guān)鍵。

至今為止，在含有污泥干化裝置的污水廠內(nèi)進(jìn)行能源 ?自給“只能通過(guò)引入餐廚垃圾進(jìn)行協(xié)同發(fā)酵來(lái)提高消化裝置的沼氣產(chǎn)量和能源利用效率。

在德國(guó)，目前必須嚴(yán)格按照只有通過(guò)肥料法律和市政污泥規(guī)范才能將干化污泥作為農(nóng)肥使用。盡管如此，肥料市場(chǎng)將污泥作為農(nóng)肥的接受程度在不斷下降。

干化后的污泥是否最后能否作為燃料，一方面是和污泥熱值有關(guān)，同時(shí)也會(huì)受到污泥接受單位對(duì)污泥的具體要求或自己產(chǎn)能時(shí)的框架條件等因素影響。

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