清洁能源污泥干化技术与传统污泥处理工艺的比较分析

1　国外污泥干化技术的发展状况

1. 1　国外污泥干化技术的发展动态

早在20世纪40年代,日本和欧美就已经用直接加热鼓式干燥器来干燥污泥。进入80 年代末期,由于污泥在农用、填埋、投海的各种限制条件和不利因素逐渐突出。同时,由于污泥干化技术的不断改进,设备性能日趋完善,使污泥干化技术在西方工业发达国家得到很快发展。例如,在20世纪80年代初,欧盟只有数家污水处理厂采用污泥热干化设备处理污泥,但到1994年底已有110家污泥干化处理厂,并且还在逐年增加。据估计,在未来10年内,欧洲采用热处理的污泥量将翻番。英国在2001年7月,颁布了第一个与污泥热处理厂设计、运行、管理密切相关的标准《HSE847 /9污泥干燥厂的健康和安全控制》,随着近几年大型污泥干燥厂的投产运行,目前英国污泥干化处理量已达到污泥总量的30%。而在北美,污泥热干化的市场增速很快,平均年增长率为7% ～10% (同期污泥产量的增加率约为1. 5% ) 。目前在纽约、密尔沃基、波士顿等地都有年设计生产能力在350 000 t干质量以上的大型污泥加热干燥工厂[ 2 ] 。

2　欧美常见的污泥干化方法比较

目前主要运用的干化模式有: 传统热能污泥干化和太阳能污泥干化。

传统热能污泥干化是指利用污泥热干化集成设备对污泥实现干化处理。按照热介质与污泥的接触方式, 干化设备又可分为直接干化、间接干化和直接- 间接联合式干化等工艺类型。

其中直接加热污泥干化厂最具有代表性的是欧洲最大的污泥干化厂———英国的B ransands (可蒸发水量为7 ×5000 kg/h) ;间接加热干化厂最具代表性的是西班牙的巴塞罗那(可蒸发水量为4 ×5000 kg/h) 。欧美常见的干化工艺一般以转鼓干化、流化床干化、盘式干化为主。

(1)转鼓干化工艺。以天然气或沼气为能源,以空气为传热介质,湿污泥和部分干化污泥颗粒在混合器中混合,由气流把它带入转鼓干燥器,污泥在转鼓干燥器中随气流以稳定的速度旋转前进,由内筒向外筒转移,污泥逐渐被干化成颗粒。该工艺分为直接加热式和间接加热式。直接加热的转鼓式干燥器要依靠非常复杂的系统来保持。间接加热式转鼓干燥器要在严格的惰性环境下操作,由于内部的温度和热量分配不均衡,易导致小环境中的粉尘积聚、过热,会造成很大的危险隐患。

(2)流化床干化工艺。污泥不需要预处理,直接送入流化床干燥器。在流化床干燥器的整个底部断面均匀地吹进流化气体,使其内部形成流化层。随着污泥逐渐干化,密度减小,升到上部,再随上部抽走的气体而抽出流化床。因污泥的成分决定其流化特性,该处理系统对污泥的成分变化非常敏感,常导致流化床内的热交换不能顺利进行,流化床及管道的磨损很严重,系

统的能耗也较高。

(3)盘式干化工艺。先用外部热源加热一个油炉,再通过油体将热能传到干燥盘。盘式干燥器分为卧式圆盘干燥器和立式多盘干燥器。卧式圆盘干燥器只能采用蒸汽这种标准加热介质。塔吊构造为一个固定体,形成一个水平外壳,其内部旋转部分由一个管状空心轴,轴上固定一些空盘,盘中充满蒸汽等,还有一些搅拌叶片用于输送物料。热媒介通过中心轴进入圆盘,同时被分配到旋转体中。该方法的缺点是干化产品的含尘量极大,须另加单独的造粒系统,并且设备极易磨损。立式多盘干燥器利用污泥特殊的蒸发曲线,制备成污泥的硬质颗粒,使污水处理厂在实现污水达标排放的同时,能安全无二次污染,并且节约能源。此外,还有碟片式、带式、日光式、闪蒸式等干化工艺,但目前大型工程用得很少。欧美的干化装置在技术上已非常成熟,安全性高,设备布置紧凑,占地面积小,并且自动控制水平高,操作运行简单,符合工业化的流行趋势。各种干化工艺主要参数的比较及主要设备供货商见表1[ 3 ] 。

__表1　各干燥器主要参数汇总

序号干燥器形式热源热媒温度/℃ 颗粒温度/℃ 系统含氧量/% 主要设备供货商

1 流化床式蒸汽220 85→40 < 3 WABAG

2 盘式热油250～300 100→40 < 5 SEGHERS

3 转筒式天然气/热油/沼气800 95 < 8 Passavant - rodiger

4 转盘式蒸汽200～300 半干100,全干105 < 10 Atlas - stord

5 转鼓式天然气/沼气450～510 75～80→40 5～7 ANDR ITZ

6 膜式热油280～300 90→40 < 12 Poim

7 带式冷风< 50 < 50 < 10 HUBER

3　太阳能污泥干化处理

太阳能污泥干化是指利用太阳能为主要能源对污泥进行干化处理。该工艺借助传统温室干燥技术, 结合当代自动化技术的发展, 将其应用于污泥处理领域, 主要目的是利用太阳能这种清洁能源作为污泥干化的主要能量来源。其实际商业化应用最早见于1994年德国南部的污水处理厂IST Anlagen2bau GmbH[ 1 ] 。近几年, 随着污泥产量的不断攀升以及相关环境卫生政策的出台制约了传统的污泥处置途径(如: 填埋、农用等) , 在欧洲尤其在法国和德国, 该技术得到了进一步运用, 如威立雅和得利满等水处理公司都相继开发了自身的专利技术Solia工艺和Helantis工艺。

3．1　工作原理和工艺流程

污泥在温室内主要存在有以下三种干化过程:①辐射干化, 当温室内的污泥接受外部太阳光线有效辐射后温度升高, 使其内部水分得以向周围空气加速蒸发, 从而增加了污泥表面的空气湿度, 甚至于达到饱和; ②通过自然循环或通风, 将温室内的湿空气排出, 使污泥表面的湿度由原先的饱和状态进入非饱和状态, 从而促使污泥内部水分进一步向周围空气蒸发。实验证明, 后者污泥干化过程中占据更重要的位置; ③当污泥中的含水率减至近40%～60%时, 污泥中有机物会在有氧的条件下进行发酵, 从而可以观察到污泥堆的内部温度的进一步升高, 起到加速干化作用, 同时也使污泥得到稳定化处理。为了进一步加速污泥中的水分(包括污泥中的自由水分和间隙水分) 蒸发, 一些温室附属设备也得到了相应的开发和利用, 其中包括: ① 大流量强制通风系统并附加气体收集和除臭装置, 满足大面积温室处理污泥的需要; ② 半自动化甚至全自动化的翻泥系统, 使污泥得到经常性的翻动并混合均一, 从而不断翻新蒸发面积, 同时也起到供氧作用, 避免污泥堆内部出现局部厌氧而释放恶臭气体; ③ 暖气系统, 用于减小温室的设计面积,使其适应在不同天气和不同季节条件下干化作业的需求, 缩短处理周期。

313　太阳能污泥干化特点

太阳能污泥干化与传统的热干化技术相比, 其优点主要在于: ①能耗小, 运行管理费用低(在无附加除臭系统的条件下, 蒸发1 t水耗电量仅为25～30kWh, 而传统的热干化技术需耗电为800～1060kWh) ; ②处理后污泥体积减少可达3～5倍,实现稳定化并仍保留其原有的农业再利用价值(低温干化) ; ③系统运行稳定安全, 温度低, 灰尘产生量小; ④操作维护简单、使用寿命长; ⑤系统透明程度高, 环境协调性好; ⑥可同时解决污泥存储的需要; ⑦利用可再生能源太阳能作为主要能源来源, 满足可持续发展的需求。其主要缺点在于: ①占地面积大, 需要在污水处理厂有足够可利用的场地空间; ② 处理效果受天气和季节性条件约束; ③在密闭空气条件下作业; ④在大多数情况下, 需要设置除臭设备。

314　太阳能污泥干化的运用

太阳能污泥干化处理是污泥处理工艺的一种创新方法, 但它不是以污泥的最终处置为目的, 而是通过太阳能干化处理, 使干化后的污泥实现资源利用。此外, 该工艺可以与不同的污泥处置途径相结合, 使其成为通往不同污泥处置途径的一个中转平台, 从而达到降低污泥处置费用, 提高处置手段的灵活性。

4　欧洲实用的太阳能污泥干化处理工艺

　　在欧洲市场上现有的不同工艺系统(见下表)都基于以下相同的自然现象:

(1) 表面干化: 通过污泥的翻动来不停更新污泥的表面, 使污泥表层水分蒸发, 同时利用通风系统将含湿气体排出。

(2) 好氧干化: 利用翻泥系统对污泥进行通风, 使其在好氧条件下实现稳定化处理, 避免厌氧条件下不良气味的产生。但是, 这些工艺使用的技术并不完全相同, 主要体现在以下几点:

(1) 翻泥设备: ①廊道式翻泥机, 常用于堆肥场, 自动化程度较高, 无需现场操作人员; ②机器人装置, 可实现全自动化操作控制, 典型的有Thermosystems工艺中的Electric Mole和Solia工艺中Solimax装置, 集污泥运输和翻动功能为一体;③跨越式翻泥机, 自动化程度较高的移动设备, 适用于大面积操作; ④由农用拖拉机和翻泥机组成,需现场操作人员, 适用大面积操作。

1. 3　污泥干化工艺存在的问题

干化虽是污泥处置的一个比较理想的途径,但投资和运行费用高,主要表现为:干燥设备的能耗高,在工业发达国家, 其能耗超过能耗总量的10% ,因此降低干燥设备能耗是设计面临的长远课题。此外,污泥干化对管理和操作技术的要求也较高,若干化过程中含氧量控制不当,就会引起粉尘baozha,造成重大事故。为此,早在1994年,欧共体就颁布了有关潜在baozha危险的安全标准: ATEX95(94 /9 /EC) [ 4 ]和ATEX137 ( 1999 /92 /EC) [ 5 ] ,并从2003年7月1日起,这两个标准强制在欧共体各成员国执行。美国也颁布了适用于干污泥处理的NFPA654[ 6 ]标准和EPA503 标准。这些标准不仅涉及到安全设计,并对运行人员也提出了要求,以确保工作环境和设备符合安全规范,包括工作程序的规范、例行的系统改造升级以及足够的peixun等。国外污泥干化技术一直处在发展之中,并有部分开始采用二级干化工艺。二级干化工艺由于防止了粉尘的产生,减少了运行的风险性。自1996年至今,国外二级干化工艺已有较多的工程实例[ 7 ] 。　由于太阳能污泥干化占地大、效果不稳定, 所以从目前来看还无法取代传统的热干化技术, 其发展方向是进一步提高温室的集热效率或利用一些辅助能源, 如热力泵等。类似的太阳能干化系统在国内还未见应用实例, 相关报道也较少。虽然, 国内的一般城市污水处理厂规模都较大, 太阳能污泥干化的低效率问题限制了该工艺在国内的应用。但该工艺对于一些工业区或者小城镇中的中小型污水处理厂, 在场地条件允许条件下, 对于节能减排有实用价值, 可有效降低污泥处置成本。

2　国内污泥干化技术的研究进展

2. 1　研究新进展

马德刚和张书廷[ 8 ]对电场协同污泥热干燥技术进行了研究,发现加入电场后,可防止污泥干化过程中粘壁现象的发生,减少了污泥内部的传热阻力,以及污泥与加热面之间的传热阻力。同时,由于在电场作用下,带负电荷的微生物向阳极运动,而水分由于阳离子的驱动和污泥的挤压向阴极运动,从而使泥水分离,改善了污泥的干化效果。朱南文等[ 9 ]对燃气红外干化污泥进行了研究。红外线具有较强的穿透力,不易被大气吸收,可使较薄的污泥层从内到外加热。经红外处理污泥的氮、磷、钾、有机物和重金属都没有变化,而大肠杆菌、蛔虫卵完全被杀死,污泥产品卫生无害。当污泥中重金属含量较低时,干化后的污泥可用于农田和绿化。

2. 2　发展趋势

国内污泥处理处置技术起步较晚,以污泥农用和简单填埋为主。随着经济的发展和环境意识的加强,这两种方法的局限性逐步凸现,并且从国内今后的发展趋势看,城市污水处理将形成以国家投资的大型污水处理厂为主,各个地区根据经济发展状况,而投资兴建不同规模的污水处理厂的局面并存。因此,中国的污泥处置必须寻求适合国情的新途径。污泥干化是比较理想的方法,基本上满足了污泥处置“四化”的要求,而且进一步,能够向资源化开发;退一步,干化污泥仍然可以再去填埋、农用、焚烧[ 10 ] 。国内很多大型城市土地资源紧缺而社会经济

水平又较发达,污泥干化技术有一定的利用价值。深圳、上海、北京、天津、广州等一些城市建立了大型污水处理厂,迫于污泥处置的压力,正在尝试引进国外的污泥干化和焚烧技术及设备,以提高污泥处理和处置水平。如在2004年底,国内第一个采用干化焚烧处理工艺的污水处理厂:上海市石洞口城市污水处理厂建成运行;北京每年有70万t的污泥要消纳,现在已经采用了污泥干化技术;深圳市也已完成专项规划,拟采取热干化加焚烧工艺。

3　结论和建议

污水处理厂污泥的干化处置工艺在国内已经提上议事日程,应针对国内现阶段的经济发展水平,以最低的成本、最有效的方式进行污泥的减量化、资源化、无害化处置。笔者认为,在进行污水处理厂污泥干化处理工艺选择时,应遵循以下原则:

(1)尽量降低能耗和节约运行成本。如采用部分污泥干化以后和湿污泥混合,以降低干化能耗和运行成本。此外,污泥干化具体工艺的选择要和干化后的污泥利用结合,作好干化污泥应用规划,尤其是污泥的工业化利用,如干化制肥、制砖、烧制水泥等,可以补偿污泥处理处置的成本。

(2)尽量降低干化设备投资费用。由于进口污泥干化装置投资费用高,要积极开拓国内干化技术,培育国内干化设备的制造能力,以降低投资成本。同时考虑利用沼气作为干化的第一能源以降低成本,尽量少用增加费用的天然气、燃油等。保持运行中干化设备的最大使用率。

(3)结合本国污水处理厂的现状,逐步改进。要形成以干化为主,综合利用为辅的污泥处置思路和分散处理方案,借鉴国外现行污泥处理处置标准,尽快建立和健全国家污泥处理处置的有关标准,以指导实际生产。

清洁能源太阳能污泥干化设备：王倩 15069287772