污泥的水热干化处理技术-王伟教授

原文来自:(中国水网)

在2007水业高级技术论坛上,清华大学环境系教授王伟与参会代表分享了了我国污泥处理处置现状、污泥处理标准、技术现状和瓶颈等问题,并重点介绍了污泥的水热干化处理技术。本文根据录音整理成文,未经本人核实。

各位领导、各位专家、各位来宾大家下午好!今天我要介绍的题目是:水热干化污泥处理技术。先讲一些污泥处理中存在的问题,这些都是个人的观点,希望能跟各位讨论。

我国污泥的产生及处理处置现状

2004年我们国家污泥的产生量(按1.5t-DS/万t-污水计)是1220万吨,2010年是2740万吨。一方面是污泥量不断增加,另一方面我们国家的污泥处理和污水处理存在脱节的情况。一是处理率低,工艺不完善;二是技术单一,装备水平落后。三是污泥的处置的保障率比较低,二次污染的风险比较大。现在我们国家污水处理厂的出路就是填埋和农用。但是现在污水处理厂80%的污泥比较正规的垃圾填埋厂是拒绝进的。因为它对垃圾的操作影响很大,这就造成了病源微生物的损害,造成了环境的危险;三是污泥生产的成本高,国外大型的污水处理厂采用消化、机械脱水情况下,污水处理与污泥处理的投资比例为1:1.7。而我们国家在“十一五”期间有1:0.4。当然我们更寄希望于我们国家有更先进和更高的处理技术。
从现状来看,我们国家大部分的污水处理厂的污泥,并没有得到真正、有效地处置,造成了很多污染的转移。我这里面摘出来的是三峡库区很多的污水处理厂,由于没有到污泥后续出路的问题,所以带来了污染的状况。从另外一个角度来讲,我们国家现状的“重水轻泥”的结果造成了污水处理的效果“事倍功半”。
我这里面有国家环保总局的统计,就是污泥是污水处理的产物,在污水得到净化的同时,约一半的污染物转移到污泥中。不解决好污泥处理处置的问题,污水处理的效果只是事倍功半。
从污泥处理的角度来讲,污泥处理大家很清楚它是非常高投入和高能耗的过程。一方面污泥里面因为含有大量微生物的菌体和有机胶体物质,使机械脱水很困难。我们普通国内采用的机械脱水的方法,可以使污泥达到80%左右的含水率。第二个是污泥里面的有机物主要以固体形式存在,生物降解困难。
实际上,大家都很关注污泥处理,那么污泥处理的难点在哪里?它比垃圾处理要难,垃圾一年有1.5亿万吨,而污泥只有几万吨,其实只有垃圾的1/10左右,但是大家感觉到了很多的问题。含水率高是很大的问题。污泥的含水率变化非常剧烈,就是含水率高上去了,污泥的体积会迅速增加,如果从95%降到80%体积会迅速减少,从80%降到75%体积又会减少很多。同时,污泥含水率越高,热值就越低。我们现在的含水率大概是80%,就是热值是100多大卡左右。这样低的热值的污泥直接焚烧,显然是无法完成焚烧过程的。也需要去干化,或者是需要添加辅助燃料,才能够完成焚烧的过程。如果把污泥里面的水分降低到50%,那么热值是1200大卡左右。
这个就是我们国家的污泥处理的现状,基本上是直接填埋、堆肥或者是干化焚烧。但是直接填埋,除了刚才几位专家介绍的情况以外,还有一个情况就是欧盟新出的填埋法则已经限制了填埋处置,但是将会对世界各国产生重要的影响。那么二次处理里面产生的污泥有机物是70%到80%。这样将来会受到越来越多的限制,那么堆肥由于含水率高,所以会产生恶臭等等的状况。

 污泥处理的标准

这里面介绍到的是我们国家的农用标准污泥堆肥,污泥作为农用的标准是不是太严格了?这是我个人的观点,我认为标准不是太严格了,而是不健全。因为我们国家只限制了污泥重金属的浓度值。
这是美国的农用标准,刚才张总(编者注:上海市政院张辰总工)也介绍了。它有一个最高值,允许进入农田的值很多都比我们高,但是它有一个月评的浓度。从这里面我们和他的最高浓度比,我们比它严格,但是和它的月平均还有一个累计适应量等等的指标来比的话,它有一些年施用量和施用率,不会对累计造成影响。
那么日本的情况也是这样的,它有一个标准,另外还有一个年施用量的限制,使得能够满足和保证土壤的自然净化的能力,来顺应肥料的状况。在欧盟也是这样的情况。

  污泥处理目的、技术现状和技术瓶颈


  污泥处理的目的和我们所有的有机物都有关系。一是减少水分,为后续处理、利用和运输创造条件,减少最终处置的溶剂。再一个是无害化,杀灭或去除污泥中的病原菌、有机物及其他有毒有害物质。第三个就是资源化,改善污泥的成分和性质,以利于回收能量和资源。
污泥处理的技术现状:一是污泥处理以浓缩、消化、脱水为主,处置率低。流行工艺一个是干燥焚烧,就是现在很多的企业在推动这个东西,通过干燥的方法把水分降下来或者是提上去。但是对于我们各地的排水集团来讲,最大的问题就是成本的问题,我需要高的投资,这是一个很大的矛盾。再一个就是脱水以后再半干化,然后做堆肥。如果半干化做堆肥,可能它的运行成本要比焚烧还要贵,因为它后面是没有能量的节约利用,而焚烧再利用的可能性很高。大家仔细算一下,半干化堆肥的成本更高。
那么污泥处理的技术瓶颈在什么地方呢?就是说污泥最大的、最主要的特征就是它含有大量的细胞质和胶体物质,这造成了脱水困难。我们的现状是脱水到80%左右。由于含水率高,使得污泥的减量化效果差,处理能耗高。如果能够使污泥绝对干燥,就不是问题了,也就100多万吨,早就填埋了,主要还是效率的问题。
那么消化工艺现在我们国家采用的是CSTR混合式的传统的发酵,一般就是最传统的发酵。所以它的效率并不是特别高,另外污泥本身的性质就是难降解的,这使得污泥里面大量的物质没有得到高效地回收。这样的问题带来了我们污泥处理的能耗高、运行成本高和效益差的问题,这是我们面临的现状,也是各个排水集团或者是水厂一个很头疼的问题。
那么形成这种问题的原因就是由于污泥处理长期缺位造成的。现在随着污泥处理的增加和污泥量的增加,越来越认识到了处理的重要性,能够用更高效和更科学的技术解决我们国家的污泥处理的问题。

  污泥处理的关键

污泥处理的关键是三个方面,第一个就是降低含水率是实现系统节能降耗的基础,因为含水率高使得它的堆肥有困难。那么污泥怎么才能降低它的含水率,这主要就是细胞破碎技术,是从细胞上来解决,用超声等等的技术来解决这个问题。
第二个是提高消化效率是实现系统能源回收的核心。但是污泥处理现在厌氧消化技术有很大的发展,像USB和ASB有很多的方法,但是这个对于含有大量悬浮物体的污泥并不适用。所以我们还是用CSTR的技术。如果我们把它的脱水性能转变了,我们可以把30天的停留时间变成3天的停留时间,我的效率可以提高10倍。
那么第三个就是有一个过程的优化集成。我想污泥处理不是靠一个工艺或者是靠一个技术,或者是简单地加料。实际上污泥处理是一个系统,需要系统的优化组合,才能提高整个系统的效率。

  污泥处理的水热干化组合技术


  技术的目标是减量化、无害化和资源化。
水热干化组合技术就是把污泥在一个浓缩的状态,在一个液态的情况下,通过加热的方式,使得里面的细胞质或者是胶体物质得到破坏,他的脱水性能得到大量改善。那么我们普通的污泥直接用脱水机可以脱到80%,那么水热干化之后可以提高50%。
第二个它的水热处理是在170、180度的条件下进行的,这样的情况下,几乎所有的细菌都会被杀灭。污泥经过水热干化以后,100多度的条件下进行分解,它的有机物的生物降解性提高了,那么我们可以用USB的方法替代传统的CSTR,我的效率可以从40%提高到80%,这样实现了资源回收的效益。
从水热干化效果图可以看出,黑色的曲线是成长缓慢的曲线,在180度的时候效果反而更差。在120度甚至到150、170度的时候,这个界面会在很短的时间成长。这是黏度的改善图,在170度的情况下,不同的处理时间,我们可以看到大概在10到15分钟的时间,污泥的黏度从6000降低到1000以下的水平。经过170度的处理之后,污泥就变成了连续的流态的状态,这就是它的形状改变的效果。
脱水就是将没有经过处理的污泥,通过机械的方法把其中自由水去掉。而污泥里面有很多的毛细水、间隙水、吸附水、内部水靠机械的方法是很难去除的。那么我们通过水热的处理方法,把这样的一个胶体的结构,我们把它打碎了。这个是它的基原理。我们在北小河做的试验,污泥处理之后的,脱水率大概是50%到55%左右。
我们的厌氧技术在这几年有了非常大的技术进步,为我们高效处理污泥提供了非常好的基础。但是这个高效的厌氧技术不能直接应用到这个污泥的领域,一方面是厌氧技术快速地进步,另外一方面我们污泥的厌氧的消化一直沿用传统的消化技术。这样两者不能适应,我们可以通过水热干化技术,使得SRT和HRT分离,有利提高ASBR。
这个是我们一个博士生做的ASBR的水热处理的情况,可以提高固体有机物的转化效率。我把固体大量地存留在反应器里面,让它有更长的时间反应,可以有更高的效率。我们做到在20天,污泥的量达到70%左右,比我们国家的污泥直接的消化平均提高1倍的效率。
我们通过研究提出了浓缩、水热干化、脱水、消化等的主题思路。有两套思路,一个是水热干化、脱水,然后脱水泥饼,然后焚烧之后处置。还有一种是我们用ASBR消化,然后再处置。
厦门是我们在北小河做试验的时候采用的工艺流程图。浓缩物一进来之后,和反应器降热,然后进入二次浓缩池,可以浓缩到10%左右,后续的水力负荷大大降低。上清液做一个USB,它的泥饼有8000千焦的热能。最后焚烧,产生的热量提供污泥直接处理所需要的热源。我们通过发热降低主要系统的能耗,然后通过二次浓缩池,主要是为了降低水力负荷。那么富余的能量还可以外供。
如果实现了消化,不包括焚烧,大概系统污泥的减量化可以达到95%以上。 我们实验最后得到的样品的分析,含水率是43%,在这种情况下它的能量是8021大卡。
所谓的水热干化技术,是通过机械浓缩,提高系统整体的处理效率,减小水热处理反应器的容积,经过浓缩后污泥含固率达5%以上。通过水热反应,在一定的温度和压力下,污泥中约30%的悬浮固体发生溶解转移至液相,上清液COD浓度增加。通过二次浓缩,依靠污泥良好的沉降性能,在较短的时间内可以将污泥浓缩至含固率10%左右,从而大大减轻后续脱水处理的水力负荷。最后是脱水,使水热污泥的脱水性能得到改善,直接脱水可得到含固率大于50%的泥饼。与直接脱水工艺相比,可以实现污泥减量80%以上;
最后是一个冷-热泥换热的情况,我们可以让热泥和冷泥通过热交换变成60度左右。下面是我们每天处理200吨污泥的物料平衡。谢谢大家!

提问:王教授您好!因为您要把含水90%多的污泥升到70%多的污泥,这个能耗是怎么样的?
王伟:实际上我刚才介绍到了这个问题,我们在这个系统里面引入了换热的装置,就是把冷泥在进入反应器之前和热泥进行交换,热泥是120度,冷泥是20度,但是换热的温度是40度,所以污泥只需要升温40度。而且在没有压力的状态下,我们一吨污泥需要升高40度是40大卡。如果采用干化的方法,这个水在这样的能量投入,我下面用机械投入法,很低的能量就可以把这个水拿走了。如果我们用干化的方法来处理,我如果把这个从80%降低到50%,一吨污泥蒸发掉600公斤的水,才能达到50%的含水率。那么就是36大卡,差不多是我们这样的能耗和传统的蒸发干燥的工艺,同样地从80%降到50%的情况下,它的能耗降低的1/10。这就是这个技术能够实现节能的关键,一个是蒸发潜热,一个是没有蒸发潜热。

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