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污泥熱處理技術及應用進展

文檔作者：李燕趙紅梅文檔來源：德州市環(huán)境保護科學研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年07月31日
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污泥熱處理技術及應用進展
李燕趙紅梅
(德州市環(huán)境保護科學研究所山東德州253034)
摘要水處理中對污泥合理處置和利用一直是全球各地科研工作者所關注的課題。污泥作為污水處理的伴生物，成分非
常復雜，不僅含有大量有機質。還夾雜有病原微生物及有害重金屬等，長期堆放風險較大，進行處理與處置則需較高費用。對
污泥熱處理技術進行概述，介紹污泥熱處理的內容以及城市污水廠剩余污泥熱處理技術及應用。
關鍵詞污泥熱解技術處理
中圖分類號：×703．1 文獻標識碼：A 文章編號：1672—9064(2012)01—064—03
0前言
目前，污泥改性技術受到了越來越多的關注．污泥改性
技術可以分為改善污泥厭氧消化性能和改善污泥脫水性能
2方面。以實現(xiàn)污泥細胞破碎，釋放胞內大分子有機物從而
克服污泥厭氧消化固體有機物水解限速步驟的方式有機械
破碎、超聲波、凍融、臭氧、化學處理以及臭氧等。以溶解污泥
中懸浮固體和揮發(fā)性懸浮固體降低污泥粘度從而提高脫水
性能的方式有熱化學處理和水熱技術處理。其中．以超聲波
為代表的改善污泥厭氧消化的污泥改性技術在國內外得到
了廣泛的研究。但是，厭氧消化污泥的脫水性能沒有明顯改
進，滿足不了大量污泥的最終處置。水熱干化技術通過將污
泥加熱．在一定溫度和壓力下使污泥中的粘性有機物水解．
破壞污泥的膠體結構．可以同時改善脫水性能和厭氧消化性
能。隨水熱反應溫度和壓力的增加，顆粒碰撞增大，顆粒間的
碰撞導致了膠體結構的破壞．使束縛水和固體顆粒分離。另
外．加熱使污泥中的蛋白質分解，細胞發(fā)生破裂。胞內的水分
被釋放。經過水熱處理的污泥在不添加絮凝劑的情況下機械
脫水的含水率大幅度降低。污泥的水解宏觀上表現(xiàn)為揮發(fā)性
懸浮固體濃度的減少和COD、BOD以及氨氮等濃度的增加。
污泥水熱干化技術相比于其它改性技術．可以同時實現(xiàn)污泥
脫水性能和厭氧消化性能改善．其處理成本比臭氧、超聲波
方式低。且不像普通化學方法需要消耗大量的化學藥劑。產
生新的二次污染．處理后的污泥可以根據(jù)不同地區(qū)的實際特
點，直接用于堆肥、焚燒、填埋等處理處置方式，具有較好的
推廣應用前景．
1污泥熱處理法概述
污泥熱干化就是將已經脫水的污泥餅(含水率75％左
右)進一步降低含水率，以利于儲存和運輸．避免因微生物作
用而發(fā)霉發(fā)臭，使污泥處于穩(wěn)定狀態(tài)。按加熱方式熱干化可
分為直接加熱和間接加熱，其中直接加熱方式熱效率高．干
化過程一般通過回轉圓筒式干燥機、篩式流化床，也有采用
燃氣紅外輻射器來實現(xiàn)，土壤工藝的干化采用回轉圓筒式干
燥機。與國內外技術是吻合的。熱干化過程相當于對污泥作
了1．2 h的滅菌處理(干燥溫度≥95℃)．完全可以達到殺滅
病原菌的衛(wèi)生要求。干燥后污泥含水率在10％左右．微生物
活性完全受到抑制。避免了產品發(fā)霉發(fā)臭．其高溫滅菌較為
徹底。在20世紀90年代干化技術得到了迅速發(fā)展。
對污泥進行處理與處置主要為達到以下目的：①使污泥
穩(wěn)定。通過對污泥進行處理使其停止降解．從而達到穩(wěn)定避
免造成二次污染：②無害化。經過處理的污泥中的寄生蟲卵
和病原微生物可以得到有效殺滅：③使污泥減量。處理后的
污泥體積會減少，降低了處置污泥的費用；④資源的有效回
收利用。經過處理的污泥更容易循環(huán)利用．實現(xiàn)了對環(huán)境的
保護。對污泥的處理和處置有多種方法．實際應用當中應如
何選擇或進行怎樣的結合，需要根據(jù)具體的情況決定．如污
泥的成分、性質、工藝的技術水平、所處環(huán)境的外界條件以及
最終的處理方式等。將污水處理廠的污泥在不進行穩(wěn)定化和
無害化處理的情況下．直接進行填埋和堆置是不正確的。
污泥通常來自于污水處理廠的初次和二次沉淀池．這些
混合的污泥通常含有60％～80％諸如蛋白質、脂肪、碳水化合
物的有機物．以及大量不同種類的微生物．在污泥的堆放過
程中這些物質極易自發(fā)進行厭氧生物反應，產生異味并且使
污泥的脫水性降低。這些都是處理過程中不希望發(fā)生的。對
污泥進行穩(wěn)定化處理以達到以下目的：避免上述狀況的發(fā)
生．或者促進其向著有利方向進行；使污泥脫水性質得到改
善從而減少污泥量；通過穩(wěn)定化處理，為污泥利用于農業(yè)、林
業(yè)、城市綠化以及便于進行垃圾填埋方面創(chuàng)造條件。對污泥
的穩(wěn)定化處理主要有生物法和化學法。
事實上．對污泥進行熱干化和焚燒的穩(wěn)定方法是最完全
的措施。目前．以厭氧消化為主的污泥穩(wěn)定化方法在國內外
的應用較為廣泛。污泥厭氧消化也稱污泥厭氧生物穩(wěn)定．該
方法通過降解作用使污泥中高分子化合物轉變?yōu)榈头肿友?
化物，從而降低以蛋白質、脂肪、碳水化合物形式存在的高能
量物質的含量．與此同時提高污泥的脫水性質并減少其中產
生異味物質和病原體的含量。在歐美、日本及獨聯(lián)體等國家
和地區(qū)50％以上的污泥采用這種方法進行處理。我國在城市
作者簡介：李燕(1984~)，女，山東平原人．助理工程坪，大學本科．主要從事環(huán)境影響評價領域的研完與業(yè)務。
2012．No．1． o
萬方數(shù)據(jù)
污水處理廠污泥處理方面起步較晚．到80年代中期．借助國
外貸款建設城市大型污水廠的項目．不僅在技術上得到了改
進，還引進了新設備。到目前為止．我國城市污水廠在污泥處
理的技術和設備方面都有了極大發(fā)展．并積累了豐富的經
驗．例如中溫厭氧消化技術。
2污泥熱處理內容
2．1濕式氧化法
濕式氧化，指在一定溫度壓力條件下，在水相下。以純氧
或空氣作為氧化劑，通過降解、水解、氧化作用，使污泥中的
有機成分最終轉化為C0、H：O和N：等的過程。滿足濕式氧
化過程實現(xiàn)有2種不同的條件：①低于374℃和lOMPa壓力
的亞臨界條件；②高于374℃和21．8 MPa壓力的超Il缶界條
件。比較而言。第1種條件更容易控制和實現(xiàn)。因此該方法在
國外得到較好的商業(yè)應用．污泥濕式氧化技術適合處理含有
難降解有機物的污泥．但該方法存在設備復雜、運行維護費
用高的缺點。
2．2焚燒法
污泥焚燒技術是目前主要的污泥處置方法．通過該技術
處理的污泥有以下優(yōu)點：處理徹底、減容率達95％左右、有機
物可被完全氧化。污泥焚燒普遍的方法是將脫水干化后的污
泥送入焚燒爐焚燒?；蛘咭部梢灾苯訉⒚撍勰噙M行焚燒。
此外，污泥還可與垃圾混合進行焚燒。隨著技術發(fā)展，國內外
在污泥焚燒方面研究并開發(fā)了多種設備．其中流化床鍋爐由
于其對燃料的高適應性的優(yōu)勢得到廣泛的使用和研究．它不
僅能夠使用高水分、低熱值燃料而且燃燒溫度低。另外多段
爐、回轉窯焚燒爐等也是常用設備。
污泥焚燒技術也存在諸多缺點．主要是二次污染的產生
和高焚燒成本。污泥中存在多種有害成分，在焚燒的過程中
會產生二氧化硫、氮氧化物、金屬煙霧、二a惡英和呋喃等；焚
燒污泥產生的灰渣中重金屬元素得到富集．易造成二次污
染，必須對灰渣進行諸如灰渣熔融等無害化處理；處理燃燒
過程中產生的不良氣體需要龐大的煙氣凈化設備．處理灰渣
亦需要加裝相應的設備。這都增加了污泥焚燒處理的成本。
2．3熱解法
污泥熱解系指在300。900℃溫度范圍內．在惰性氣氛下
污泥中的有機物受熱分解，發(fā)生熱分解、縮聚反應而生成氣
態(tài)、液態(tài)和固態(tài)產物。其中氣態(tài)產物中主要有H：、CH。、CO、
C0：等成分；液態(tài)產物則主要指焦油成分；固態(tài)產物為熱解
殘留物。熱解過程的氣體和液態(tài)產物可以作為能源再利用，
特別是焦油。近年來的能源價值越來越受到人們的關注。熱
解的固態(tài)產物即殘留物可以與煤一起混合燃燒．從而得到一
定的同收利用。也可通過加工改性用作吸附劑。污泥熱解與
污泥焚燒相比而言．可以實現(xiàn)能量的再利用。從而降低了處
理的成本費用。雖然污泥熱解處理有諸多優(yōu)點．但仍沒有焚
燒技術得到的應用廣泛。
另外．濕污泥微波熱解法較干燥污泥熱解法在處理過程
中能產生更多的氣體，且H：含量高。該方法是將濕污泥用微
波干燥、熱解和氣化。產生氣體和同態(tài)物質．氣體中富含C0
2012．No．’．
和H：，固態(tài)殘留物則在高溫下被玻璃化。將重金屬固化在玻
璃體中。這種方法可以避免重金屬產生的二次污染危害。微
波熱解具有省時、節(jié)能的優(yōu)點，且產生的氣體比熱解法多，具
有較好的應用前景。
2．4氣化法
污泥氣化法是以空氣、氧氣或水蒸氣作氣化劑．分解污
泥中有機成分為H：、CH。、CO、CO：等的氣體，這些氣體即可
作為發(fā)電和供熱的燃料，也可用作燃料電池和化工原料。氣
化法處理污泥可以將污泥中的無機成分轉化為灰．這些占濕
污泥體積的1％一5％。污泥氣化不產生焚燒時的煙氣．可有效
避免二次污染．另外．污泥熱解所產生的固態(tài)殘留物有剩余
能量需要進行再次利用，氣化就解決了這個問題。有關研究
表明，氣化法可使大部分的重金屬殘留在灰中。且非常穩(wěn)定，
即使在濃硝酸中也很難被滲濾出來。H只和Cd無法殘留在灰
中，氣化過程中大部分被截留在過濾器中。基于以上優(yōu)點，污
泥氣化可以說是當前污泥處理技術中極有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g．
而目前這一方面的研究工作還相對較少。
3污水處理廠污泥熱處理技術及應用
3．1 2種模式
在污泥處理問題中．世界環(huán)保界面臨這樣一個問題，即
如何利用已有的設備對污水處理廠產生的污泥進行適當?shù)?
處理，并最大限度地發(fā)揮剩余污泥所含熱量的作用．針對這
個問題，國外目前的解決方法主要參照以下2種模式。
(1)日本模式。1993年。日本秩夫小野田公司利用剩余
污泥經過處理生產了“生態(tài)水泥”(bio—Cemerit)。該方法將污
水廠的剩余污泥與垃圾一起焚燒至l000。1300℃．利用焚燒
灰生產水泥，該公司還建成了50叫的試驗生產線，由這種方
法生產的水泥有60％的原料是剩余污泥和城市垃圾．該處理
方法消除了一次污染．且生產出的水泥經測試完全符合相關
的要求。基于該方法的日本模式：利用剩余污泥與城市垃圾
的焚燒灰．通過一定的配比計算加入到水泥生料中，燒制成
水泥。這種模式的缺點在于工藝路線復雜，設備投資大。
(2)德國模式。20世紀80年代中后期，德國的洪堡、保
利休斯等公司進行了一些工業(yè)性試驗．他們將加工過的剩余
污泥、廢棄輪胎等具有可燃性的工業(yè)廢棄物使用于水泥窯預
分解系統(tǒng)．這項研究取得了一定成果并很快應用于工業(yè)生
產。1995年。德國漢饅附近便建成了l臺用于處理生活垃圾
的4500洲水泥同轉窯。德國模式即將處理過的剩余污泥與
生活垃圾作為原料與燃料一起送人回轉窯煅燒．用于制作水
泥。這種方法也使回轉窯具有了燒制水泥和焚燒垃圾的雙重
作用。該方法的不足之處是無法處理所有的垃圾．適應性較
差。
3．2剩余污泥熱處理技術及其應用
(1)低溫熱解法。低溫熱解技術是指在一定的條件下．借
助污泥自身所含物質的催化作用將污泥中的部分有機物質
轉變成碳氫化合物，最終產生油、碳、水和非冷凝氣體，產物
又可作為低級燃料使用。張樹國、吳志超在常壓和缺氧400％
．500％條件下對污泥進行低溫熱解．將產物用于為熱解前污
。
萬方數(shù)據(jù)
泥干燥提供能量．一方面熱解產物可用于發(fā)電，另一方面也
實現(xiàn)了能量的循環(huán)利用。在澳大利亞柏斯有1座日處理干污
泥25t的工廠．這是第l座具工業(yè)規(guī)模的利用污泥煉油的工
廠。Lutz等在溫度為300420℃的條件下將污泥轉變?yōu)橛秃?
木炭，以低溫熱解技術處理巴西市政和工業(yè)污泥，其結果顯
示．剩余污泥60％的能量得以回收，產油量很高，而污泥中的
重金屬則有90％留在了木炭中．其中活性炭質量較差。UUy
等進行了一系列用流化床低溫熱解污泥的實驗研究，考察不
同因素(溫度、氣體停留時間)對反應產物組分的影響情況，
以獲得更高的產油率。溫度為300一600℃、氣體停留時間為
1．5—3．5s時．熱解產生非冷凝氣體、液體和固體3種產物；在
525℃、氣體停留1．5s時．得到污泥質量30％的產油量，此時
產油量最高。用色譜——質譜法分析產生油的成分，主要是
具有l(wèi)～3個芳香環(huán)并帶有羥基的長直鏈碳水化合物。
(2)污泥熱干化法。污泥熱干化法是利用熱能將污泥烘
干．烘干后的污泥呈粉末或顆粒狀，容量減少，且便于其他方
面使用。日本和歐美的一些國家在污泥熱干化技術上起步較
早．在20世紀60年代便以直接加熱鼓式干燥器的方法來烘
干污泥。雖然熱干化處理有諸多優(yōu)勢，但由于當時的技術限
制導致管理復雜、處理成本較高。直到20世紀80年代末期，
污泥熱干化技術才在雅典等國推廣使用．到20世紀90年代
該技術得到迅速的發(fā)展。朱南文進行了相關試驗考察進泥含
水率與出泥干化情況的相關性，利用26只紅外輻射器，控制
進泥量為27．6kg，}I，通風量為0．34從，污泥爐內停留時間為
25min．在其他條件不變的情況下改變進泥含水率．結果表
明，進泥含固率為20％，出泥含固率為90％，干污泥產生量
為8k肌。煤氣消耗量為15．9mⅦ。自熱干化法用于污泥處理
已有幾十年時間．通過不斷的改進，該方法的優(yōu)勢也逐步顯
現(xiàn)，熱干化處理的污泥產物具有穩(wěn)定、無臭、安全、用途廣泛
的優(yōu)點，可用作土壤改良劑，用于施肥，亦可作為能源使用。
綜上．污泥熱干化必將成為一種極具發(fā)展前景的污泥處理技
術得以廣泛應用．
4結語與展望
隨著世界各國污水處理事業(yè)的蓬勃發(fā)展．污水處理過程
中產生的剩余污泥的安全、環(huán)保、有效處置已成為亟待解決
的問題。剩余污泥是一種很有利用價值的潛在資源。最好的
方法是將其穩(wěn)定化、資源化．使其重新實現(xiàn)應有的價值。污泥
的工業(yè)化利用．使得污泥處置不再僅僅是簡單、被動地將其
無害化、減量化，而是一個主動、創(chuàng)造性的生產工序，這樣一
方面可以將污泥處置費用轉移到生產有價值的產品上來．另
一方面可以降低因無資金保障而使污泥處置停頓的風險。
目前．國內外已開發(fā)出了多種污泥處置方法。在諸多工
業(yè)化污泥利用過程中，污泥熱處理技術具有顯著的優(yōu)勢．它
充分利用了污泥中的有機組分和熱值．能夠及時消納城市污
水處理廠、河道、湖泊及城市下水道等地產生的大量剩余污
泥?；颈苊饬硕挝廴荆蛇_到污泥減量化、無害化、穩(wěn)定
化、資源化的目的，變廢為寶，獲取可觀的經濟效益和環(huán)境效
益。但隨著經濟的快速發(fā)展。剩余污泥成份的多樣化、復雜
化．污泥熱處理技術需要進一步完善，還應構建完善的市場
化污泥消納機制．
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5年來全球風電增長迅猛
+從2005～2010年閫。世界風電都以年均40％的速度增
長．據(jù)<全球風能展望20lO>報告預漠I．到2020年全球風電
裝機容量將達到lO億kW，可滿足全球12％的電力需求。
據(jù)全球風能協(xié)會統(tǒng)計．到去年底全球約有67萬人在與
風電有關的各領域工作，其產值也已達到5000億美元。
重金屬污染防治立法正在積極推進
現(xiàn)在中國的重金屬污染形勢比較嚴峻。多是血鉛問題。
我國對已經發(fā)生的每一起重金屬污染事件進行了嚴厲查處。
并及時通報。2010年下達重金屬污染防治專項資金15億
元。
2012．No．1．
國務院已經批復了重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃。
重金屬污染防治包括土壤污染防治方面(因為重金屬影響最
嚴重的就是土壤)的相關立法也在積極推進中。
o </全球風能展望20lO>

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