污泥熱解技術(shù)探討

摘要：在當(dāng)前嚴(yán)格的環(huán)保要求以及可持續(xù)發(fā)展的需要背景下，一種當(dāng)代城市固體廢棄物新型處理技術(shù)──熱解氣化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這是一條提高能源回收利用且更有利于環(huán)境的固體廢棄物處理新途徑。

關(guān)鍵詞：污泥處理;污泥熱解氣化;熱能自持平衡

中圖分類號：X703?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

城市污水廠污泥產(chǎn)生量與日俱增，填埋或堆肥處理方法的空間越來越小，傳統(tǒng)的直接焚燒處理方法難以適應(yīng)嚴(yán)格的環(huán)保要求以及可持續(xù)發(fā)展的需要。政府和民眾迫切需要更適用于當(dāng)代城市固體廢棄物的處理新途徑，以提高能源回收利用。熱解氣化技術(shù)以“減量化、無害化、資源化”為原則，兼顧能源環(huán)境和資源循環(huán)，對污泥處理處置，真正實(shí)現(xiàn)無污染的循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系。該技術(shù)利用先進(jìn)的污泥熱解氣化處理技術(shù)對現(xiàn)有污水處理廠的污泥進(jìn)行處理，并制備合成氣用于發(fā)電上網(wǎng)，減少目前污泥處理造成的環(huán)境污染，減少溫室氣體排放。處理后形成殘渣很少，可直接填埋。該技術(shù)注意開發(fā)生物質(zhì)能源，實(shí)現(xiàn)資源有效利用，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展目的。

1 國內(nèi)外污泥處理現(xiàn)狀

污泥的處置與利用是環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域的重要課題。近年來國內(nèi)外污泥處理處置技術(shù)狀況如下：

1.1 海洋傾倒

此法操作簡單，其處理費(fèi)用對沿海城市而言較低。隨著政府和民眾環(huán)保意識的加強(qiáng)，污泥對海洋生態(tài)環(huán)境的影響愈受關(guān)注。目前各國已頒發(fā)有關(guān)法律，禁止向海洋傾倒污泥。

1.2 衛(wèi)生填埋

污泥可單獨(dú)或與其他固體廢棄物填埋，此法操作簡單、費(fèi)用低、適應(yīng)性強(qiáng)，但存在以下問題：

（1）污泥含大量高濃度有機(jī)污水，必須收集處理防止二次污染;（2）填埋機(jī)械工作強(qiáng)度和難度較大;（3）填埋場衛(wèi)生狀況惡劣^[1]。

據(jù)報道，美國主要的污泥處置方式是循環(huán)利用，填埋比例下降;我國主要的污泥處置方式是堆放或填埋，一些大中城市現(xiàn)階段已禁止污泥進(jìn)入。

1.3 污泥焚燒

污泥有機(jī)成分較高，具有一定熱值。此法技術(shù)要求簡單，能徹底處理污泥中有機(jī)物和大部分重金屬，減量率達(dá)95%，但存在以下問題：（1）投資和操作費(fèi)用高;（2）對環(huán)境影響大;（3）未充分利用污泥有用成分^[2]。此法在西歐和日本已得到廣泛應(yīng)用。

1.4 污泥干化和熱處理

此法采用熱解氣化處理技術(shù)，利用熱和壓力破壞污泥膠凝結(jié)構(gòu)，使污泥顯著減容，同時消毒滅菌，產(chǎn)品穩(wěn)定、無臭、無病原生物，具有效率高、能耗低、操作便利、占地少、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)。干化污泥可用作肥料、土壤改良劑、替代能源等^[3]。隨著技術(shù)進(jìn)步和實(shí)踐改良，此法已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家污泥處理的重點(diǎn)發(fā)展方向。近年，污泥熱解氣化工藝在污泥處置方面的應(yīng)用研究受到國內(nèi)各方重視，在部分城市進(jìn)行生產(chǎn)試點(diǎn)。

1.5 污泥堆肥

此法將污泥與添加劑按比例混合，利用污泥中好氧微生物發(fā)酵過程，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)。此法設(shè)備投資較高，自動化程度高，日處理量大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，能有效控制環(huán)境污染，具較高綜合效益^[4]。日、韓及歐美均已研究開發(fā)出封閉倉式發(fā)酵系統(tǒng)進(jìn)行污泥堆肥。

2 污泥熱解發(fā)電的技術(shù)

2.1 污泥熱解技術(shù)原理

根據(jù)所用工藝，熱解可分為干餾、焦化、氣化及熱分解;根據(jù)設(shè)備工作溫度，可分為低溫?zé)峤猓?00℃以內(nèi)）、中溫?zé)峤猓?00℃～800℃）和高溫?zé)峤猓?00℃以上）。熱解就是隔絕空氣，在一定溫度環(huán)境里使有機(jī)物受熱分解，形成熱解氣、熱解液以及固體殘留物。熱解溫度是熱解工藝主要影響因素^[5]?，F(xiàn)有污泥熱解設(shè)備大多在低、中溫范圍內(nèi)運(yùn)行。該技術(shù)工藝簡單，運(yùn)行靈活，經(jīng)濟(jì)性好，熱解氣可工藝自用或者并入城市管網(wǎng)。

2.2 污泥熱解工藝流程及特點(diǎn)

與直接焚燒法不同的是，熱解氣化處理工藝的基本原理是采用在無氧或缺氧條件下使固體廢棄物得到完全處理并充分回收能源。工藝包括以下步驟：干燥、熱解、氣化和燃燒，如圖1所示。

污泥熱解氣化焚燒工藝的特點(diǎn)是二段式燃燒。該工藝通過控制熱分解室和氣化室的供風(fēng)量和溫度來實(shí)現(xiàn)熱解氣化和完全燃燒。熱分解室溫度控制在600-800℃，在缺氧條件下依靠燃燒熱使部分污泥分解成為可燃?xì)怏w;氣化室溫度控制在1000℃左右，可燃?xì)怏w充分燃燒，有毒有害物完全分解。煙氣經(jīng)余熱鍋爐產(chǎn)生高溫蒸汽發(fā)電^[6]。

該技術(shù)具備減量化、無害化、資源化特點(diǎn)：（1）熱分解在缺氧條件下進(jìn)行，熱分解室保持負(fù)壓，使垃圾能充分熱解，NO_x、HCl等有害產(chǎn)物少，廢氣量小，大氣污染程度低。（2）爐渣量低，減少后續(xù)填埋處理壓力與成本，防止二次污染。（3）熱分解室工藝溫度相對較低，可提高裝置使用壽命。（4）不需輔助燃料，能耗降低。（5）大部分有害物質(zhì)得到系統(tǒng)處理，排放氣體完全達(dá)到排放要求。（6）熱解氣化產(chǎn)生的氣體燃料可進(jìn)行能源回收。

2.3 技術(shù)關(guān)注點(diǎn)

2.3.1 污泥來源與成分

污泥是城市污水處理過程的副產(chǎn)品，包括初沉池的物化污泥和大量來自二沉池生物處理后的生化污泥。這些微生物及菌膠團(tuán)處于高度活性狀態(tài)，常隨環(huán)境變化發(fā)生快速變異，表現(xiàn)出高致病性、重金屬含量高等特征，引發(fā)了民眾對污泥處置二次污染的擔(dān)憂和關(guān)注。

2.3.2 熱解與其余熱處理技術(shù)對比

隨著近年來對污泥微觀研究深入與工藝改良，污泥熱處理技術(shù)得到較廣泛的應(yīng)用。污泥干化-焚燒、煙氣余熱干化、噴霧干燥-回轉(zhuǎn)式焚燒、一體化干化循環(huán)流化床焚燒等污泥熱處理技術(shù)百花齊放，但二噁英、干化粘結(jié)、尾氣治理、熱處理高能耗等問題都愈加突出。

二噁英生成：污泥中的含氯有機(jī)物在一定范圍的溫度和金屬催化劑作用下生成二噁英，其危害性遠(yuǎn)高于污泥本身及已知的其它物質(zhì)。這是污泥熱處理技術(shù)中直接面對的首要問題。

高溫焚燒在氧化下進(jìn)行，采用提高爐溫來避免二噁英的產(chǎn)生，但無法徹底消除。污泥熱解過程在無氧條件下進(jìn)行，能抑制二噁英的產(chǎn)生;經(jīng)凈化處理后熱解氣不含金屬催化劑。故熱解氣的燃燒過程是潔凈的。據(jù)報道，熱解過程能有效防止二噁英產(chǎn)生，還可處理被二噁英污染的土壤或物質(zhì)。

干化粘結(jié)和尾氣處理：污泥熱處理技術(shù)前段一般是污泥干化過程。在干化過程中，由于污泥的化學(xué)、生物、物理特征，無法避免干化粘結(jié)問題，產(chǎn)生大量臭氣逸出。因此，污泥熱處理技術(shù)中防干化粘結(jié)和尾氣除臭措施的實(shí)效能充分展示工程項(xiàng)目的技術(shù)水平。

污泥干燥過程中含水率40%-60%間存在膠粘相階段，此時進(jìn)行干燥和滅菌顯得困難且能耗比常態(tài)高。若進(jìn)料前先將干泥顆粒返回與濕污泥混合，使混合物含水率降到30%-40%，減輕污泥干化前粘結(jié)，干燥只需蒸發(fā)顆粒表層水分，容易進(jìn)行且降低能耗。

國外的污泥熱處理技術(shù)要求嚴(yán)格，必須保證環(huán)境安全且不產(chǎn)生二次污染，故國外很重視尾氣處理?，F(xiàn)通用轉(zhuǎn)鼓式直接加熱工藝循環(huán)回用氣體。該工藝流程中，熱風(fēng)經(jīng)除塵、冷凝、水洗后85%返回轉(zhuǎn)鼓，15%經(jīng)熱氧化除臭后排放，降低尾氣處理負(fù)荷，極大提高系統(tǒng)安全性能。其后氣體經(jīng)冷凝、水洗后送回燃燒爐，將臭氣徹底分解，尾氣能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。干燥設(shè)備內(nèi)部采用適當(dāng)負(fù)壓，避免臭氣外泄。

機(jī)械改進(jìn)和工藝完善：在近年污泥熱處理工藝應(yīng)用中逐漸形成行業(yè)共識：解決污泥問題必須從污泥處理的工藝完整性進(jìn)行考量。

污泥熱處理工藝能量是否自平衡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是機(jī)械脫水。當(dāng)污泥含水率達(dá)到80%時，很難達(dá)到熱平衡。故降低含水率非常重要。

（1）?首要途徑是提高機(jī)械脫水效率。近年來，研究學(xué)者和專業(yè)技術(shù)人員提出從水力同向、薄層脫水、延長路徑、適當(dāng)施壓等方面著手對新型污泥脫水機(jī)械作出改進(jìn)。

（2）次要途經(jīng)是調(diào)整脫水工藝鏈。實(shí)踐證明，在熱環(huán)境下微生物活性降低，污泥中的水分更易被機(jī)械脫除。在熱處理能量自平衡的前提下，可設(shè)計熱能回流優(yōu)化脫水環(huán)境，當(dāng)熱產(chǎn)出大于熱投入時即形成工藝良性循環(huán)。

3 污泥熱解技術(shù)展望

通過優(yōu)化設(shè)計，能實(shí)現(xiàn)完全解決二噁英生成、污泥干化粘結(jié)和尾氣處理且能量平衡的完善污泥熱解技術(shù)工藝。該工藝具減量化、資源化、無害化特點(diǎn)，與其它熱處理技術(shù)相比更具先進(jìn)性。

工程投資方面，污泥處理工程投資約為25-30萬元/噸。如廣東省在2011-2014年間污泥工程建設(shè)規(guī)模為9000噸/日，污泥工程投資額超過23萬元/噸。由此可知，污泥熱處理工藝的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)具有可行性，如表1所示。

規(guī)模效應(yīng)方面，低溫?zé)峤夤に嚥捎媒M合式裝備，其規(guī)模適應(yīng)性強(qiáng)，適合我國縣級地區(qū)污泥的處理。

綜上所述，污泥熱處理技術(shù)在國內(nèi)前景良好。根據(jù)調(diào)查研究，在此提出對污泥熱解技術(shù)的改進(jìn)。

3.1 將脫水工藝劃歸污泥工藝段管理

污水處理廠常把污泥脫水列在污水工段。由于現(xiàn)代污水處理流程的連續(xù)性和現(xiàn)有機(jī)械脫水設(shè)備的缺陷，加上人為分割管理，末端污泥脫水處理不受重視，對工藝完整性產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。

采用污泥熱處理技術(shù)，在能量自持平衡前提下形成工藝良性循環(huán)，是保證該工藝完整性的重要思路。管理層面必須作出調(diào)整，將脫水工藝從污水工段末端調(diào)整到污泥工段始端。

3.2 培養(yǎng)和充實(shí)專業(yè)技術(shù)力量

從業(yè)人員專業(yè)知識欠缺、對技術(shù)發(fā)展認(rèn)識不足的現(xiàn)象廣泛存在于污水、污泥處理項(xiàng)目運(yùn)行管理層及相關(guān)工程建設(shè)、設(shè)計、建造管理層面。有關(guān)企業(yè)必須緊跟技術(shù)發(fā)展形勢，培養(yǎng)和充實(shí)專業(yè)技術(shù)力量。

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收稿日期：2019-06-16

作者簡介：程鍇（1986—），男，廣東廣州人，本科，講師，研究方向：精細(xì)化工、環(huán)境工程技術(shù)。