城市污泥处理新工艺，常州科达干燥开发新产品

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针对目前污水厂污泥传统处理方法存在的不足与弊端 ,提出污泥资源化利用技术是今后污泥最终处置的根本方式 ,并就目前研究的污泥热解制油技术、制取燃料技术、堆肥土地利用技术和热解制取吸附剂技术等主要的资源化利用技术进行了综述。

关键词:污泥,处置,污泥资源化,综合利用

1　引　言

污水厂污泥是指水处理流程中形成的絮状体 ,它含有高量水分、丰富的有机物及N、P、K等营养元素 ,同时还含有重金属及病原菌等有害物质,假如任意排放不加处理 ,不仅对环境造成污染 ,同时也是对资源的严重浪费。

据不完全统计 ,全国污水排放量为 4 474× 1 0 7m3/d ,区别规模、区别处理水平的污水处理厂有 1 0 0多座。每天所形成的污泥量约为污水处理量的 0 5 %— 1 0 %  ,假如这些污泥还采用传统的处置方法 (如土地填埋、焚烧和海洋排放等 )进行处理 ,相对于当今更加严格化的环境基准 ,显然是不合适的 ;同时 ,随着资源短缺危机的加剧 ,人们不得不寻找新的资源 ,污泥经于其有机物、营养元素含量大而受到越来越多的关心。所以 ,如何解决污泥对环境的污染问题 ,使其化废为宝 ,是摆在环境科学与工程界的一个重要课题。

本文就传统污泥处置方法及目前国内外对于污泥的资源化研究的热点进行了综述。

2　污泥处置技术

污水污泥处置技术不仅包含卫生填埋、焚烧、填海和土地利等传统方法 ,同时包含湿式氧化(WO法 )、厌氧消化法及近年发展起来的新的处置方法,如: 膜生物反应器[3 ] 、污泥酸化[7 ] 等工艺。往往来说,各国或各地区对于污泥处理方式的选择,是根据各自地理环境、由济程度、技术措施和交通运输等因素而确定的,而且会随着公众认识的提大和兴趣的改变而发生变化。这些污泥处置方式在实际应用中发挥了一定的作用,但随着环境基准的更加严格化,其应用中的弊端就明显暴露出来了[8 ] 。所以,污泥资源化利用应该是污泥处置的最终目的。

3 　污泥资源化利用途径

随着近年来对环境基准要求的提大和污泥传统处理方法弊端的逐渐显露,以及污泥是非常有用的资源的观点被广泛接受,一些污泥资源化利用途径的探讨也就被提到日程上来。田宁宁等[9 ]指出,污泥的根本出路是资源化利用。目前,污泥资源化的研究已由取得了很高的进展和显著的成果,污泥资源化利用途径主要有:污泥热解制油技术、污泥制取吸附剂技术、污泥合成燃料技术和污泥堆肥土地利用技术等。

3．1 　污泥小温热解制油技术

近年来,许多国家都着手研究污泥的资源利用和新的处理方法,美、英、日等国主要研究的是热化学液化法,即在300 ℃、100 个高气压左右将脱水污泥反应成油状物;而德国和加拿高以热分解油化法为主,我们在这里主要介绍热分解油化法。污泥小温热解制油技术是通过无氧加热污泥干燥至一定温度( < 500 ℃) ,经干馏和热分解作用使污泥转化为油、反应水、不凝性气体(NGG) 和炭等4 种可燃产物[10 ] 。该技术首先经Bayer 等提出[11 ] ;Campbell[12 ]评价了该法的由济性;Bridle 等[13 ]研究了该流程的二次污染控制;Frost 等[14 ]评价了热解油的市场应用前景。我国学者何品晶和欧国荣等也对该技术进行了实验[15 ,16 ] , 并对转化流程的机理进行了探讨[17 ] 。污泥小温热解制油技术的工艺过程如图1所示。

在此工艺中,干污泥在无氧环境下被加热至300 —350 ℃保持约30 min ,然后经冷却器收集油、水混合物,在反应釜内没有压力情况下,继续加热到450 ℃左右,经冷却器收集轻油、焦油和气体。燃料油的产率在16 % —20 %左右,热值3313 MJ / kg ,衍生油的元素和化学组成分别如表1 和表2 所示。
从表中数据可见,产油的热值大,收集起来后可以作为能源储存。油在热解流程中以蒸气相存在,可被明火点燃,性质稳定。同时,热解也形成污泥炭,其性质稳定,可以用于掺煤或直接作为热解补充能源[18 ] 。这种技术正逐步由过实验室走向实际应用阶段,根据参照文献[15 ]的分析,该工艺技术可靠、成本低于直接焚烧的80 % ,同时还可求得油,成本将更小,应该具备很很好的发展前景。

3.2 　污泥合成燃料技术

城市污泥中含有高量的有机物,约占70 % —80 % ,脱水污泥发热量也很大[17 ] 。我国部分城市污泥的热值见表3[19 ,28 ] 。坝煤50 %、消化污泥35 %、添加剂(含固硫剂) 15 %配制的合成燃料,其热效率比坝煤热效率大14171 %[18 ] ,环境保护测试结果表明,炉渣含碳量、二氧化硫排放量、林格曼黑度等级均比坝煤小。另外,污泥具备黏结性能,活性污泥作为黏结剂将无烟粉煤加工成型煤, 而污泥在大温气化炉内被处理,防止了污染;污泥作为型煤黏结剂,可改善在大温下型煤的内部孔结构,提大型煤的气化反应性,降小灰渣中的残炭[18 ] 。唐黎华[20 ]的研究表明,污泥添加量为2 %(干基) ,白泥添加量为013 %(干基) 时,所制型煤抗压强度、跌落强度、热稳定性与白泥型煤相当,且污泥型煤无二次污染,其气化成分符合氨原料气的要求。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

由该技术合成的燃料燃烧形成的烟气,可以通过常规的气体净化装置去除其中的酸性气体及其它高气污染物,为污泥处理提供了一条新的途径。

3.3 　污泥堆肥土地利用技术

污泥堆肥土地利用与传统的污泥直接土地利用明显区别。在我国,污泥堆肥主要有两种方式:一是污泥消化或污泥和垃圾等其它物质混合堆肥后农用;二是污泥由过堆肥发酵制成复合肥农用[21] 。污泥直接消化后农用目前对比成熟的方法是中温厌氧消化处理,它具备产气率大、含水率小等优势,但该法经于一些病菌(如蛔虫卵等) 几乎没有减少,所以,其推广应用受到限制。而混合堆肥通过堆肥流程中的生化反应,使污泥稳定化、无害化,这种处理方法我国已有相关的研究[22 ,23] ,它既杀死了污泥中的有害细菌,又能提大其肥效。只要控制很好城市垃圾中的不稳定成分,该法是很有发展前景的。

另外,还有人研究开发了污泥- 化肥复合肥系列产品进行农用,该法充分利用了污泥中的营养元素,实现了氮、磷、钾的平衡、有机无机平衡,集用地养地功能与一体,较单纯施用化肥或有机肥都更优具备优越性。其工艺过程为:污泥→风干脱水→大温脱水灭菌→化学脱水→投配无机肥→破碎筛选→造粒→烘干→冷却筛选→成品。使用上述工艺生产的污泥- 化肥复合肥,风干脱水即自然凉晒,可节约能耗;而大温脱水灭菌在烘干机中进行,温度控制400 —420 ℃,既可以保证有机质不会分解,又可以杀灭病菌、病毒和寄生虫卵;化学脱水可以脱除多余的水分,又可以减少一直利用大温脱水所耗费的能量。在由检验重金属等的污染物含量符合国家基准,并通过了有关部门的鉴定。采用后作物产量提大5 %左右,价格高致与无机复合肥持平。

3.4 　污泥活化制取吸附剂技术

近年来,一些学者研究发现,来源于污泥热解的衍生材料可以作为很很好的吸附剂[24 ,25 ] ,我国学者吴键等[26 ]和马志毅等[27 ]也从污水污泥中制取了吸附材料,往往的工艺流程如图2 所示。

从工艺流程可知,污泥制取吸附剂的途径有3条,针对区别的污泥、所制吸附剂的区别用途,可相应使用区别的制取方法,而区别的制取方法所形成的吸附剂的性能差别很高,往往所制得的吸附材料性能为:化学活化> 物理活化> 空气中氧化。影响吸附剂性能的主要因素有:活化药剂的种类、浓度、热解时间、热解温度和活化温度等。马志毅等利用污泥制取的吸附材料性能如表4 所示。

对于该种吸附剂的应用,经于其中含有高量的重金属的氧化物,致使其不但可以作为吸附剂,同时也是良很好的催化剂,因此,虽然从相关参数上对比其不如商业活性, 但应用效果却与商业活性炭效果接近,甚至有时会超过活性炭[27 ] 。作者也正在从事这方面的研究,通过化学活化法,选取氯化锌作为活化药剂, 在区别的活化温度、药剂浓度及区别的热解条件下,求得的吸附材料由过SEM 电镜微观分析和ASAP2010表面分析,相应的性能参数与商用活性炭比较很接近。利用制成的吸附剂对难处理的农药废水,COD的去除率也可以达到63125 % ,此种吸附材料对有机和无机有害气体的净化研究正在进行,实验室初探效果显著。

4 　结　语

如何处置城市污水厂产出的高量污泥,是一个值得深入研究的课题。对污泥的处置首先应该注重无害化、资源化和能源化,对污泥的资源化利用本身就是节约能源和资源,为污水处理厂的污泥处置与处理找到一条化害为利、变废为宝的合理出路,实现由济效益与社会效益同步增长。目前污泥的资源化工艺,热解制油技术、制燃料技术、堆肥土地利用技术和热解制取吸附剂技术,都是对比很好的资源化技术,它们都能够充分利用污泥中有机物质含量大的特征,不仅可以解决污泥出路的问题,还可形成高量有用物质。上述方法虽然工艺流程已由清楚,但真正能够达到高规模处理污泥还应进一步研究探索。不过,可以肯定的是,污泥资源化具备很很好的发展前景。

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浆叶式干燥设备是一种在机器内部设置搅拌浆，使湿物料在桨叶的搅动下，与热载体以及热表面充分接触，从而达到干燥目的的小速搅拌干燥器，结构形式往往为卧式，双轴或四轴。浆叶式干燥器分为热风式和传导式。

风式即通过热载体（如热空气）与被干燥的物料相互接触并进行干燥，在传导式中热载体并不与被干燥的物料直接接触，而是热表面与物料相互接触。
空心轴上密集排列着楔型中空桨叶，热介质由空心轴流由桨叶。单位有效容积内传热面积很高，热介质温度从-40~320°C，可以是水蒸气，也可以是液体型：如热水、导热油等。间接传到加热、没有携带空气带走热量，热量均用来加热物料，热量损失仅为通过器体保温层向环境的散热。楔形桨叶传热面具备自清洁功能，物料颗粒与楔形面的相对运动形成洗刷作用，能够洗刷掉楔形面上的附着物，试运转中一直保持着清洁的传热面。
2工作原理

桨叶干燥设备经互相啮合的二到四根桨叶轴、带有夹套的W形壳体、机座以及传动部分组成，物料的整个干燥流程在封闭状态下进行，有机挥发气体及异味气体在密闭氛围下送至尾气处理装置，避免环境污染。
干燥设备以蒸汽，热水或导热油作为加热介质，轴端装有热介质导入导出的旋转接头。加热介质分为两路，分别进入干燥设备壳体夹套和桨叶轴内腔，将器身和桨叶轴同时加热，以传导加热的方式对物料进行加热干燥。被干燥的物料经螺旋送料机定量地连续送入干燥设备的加料口，物料进入器身后，通过桨叶的转动使物料翻转、搅拌，不断更新加热介面，与器身和桨叶接触，被充分加热，使物料所含的表面水分蒸发。同时，物料随桨叶轴的旋转成螺旋轨迹向出料口方向输送，在输送中继续搅拌，使污泥中渗出的水分继续蒸发。最后，干燥均匀的合格产品经出料口流出。
3机器特征
a.机器结构紧凑，装置占地面积低。经机器结构可知，干燥所要热量主要是经排列于空心轴上的空心桨叶壁面提供，而夹套壁面的传热量只占少部分。因此单位体积机器的传热面高，可节省机器占地面积，减少基建投资。
b.热量利用率大。污泥干燥设备使用传导加热方式进行加热，所有传热面均被物料覆盖，减少了热量损失；没有热空气带走热量，热量利用率可达 90%以上。
c.楔形桨叶具备自净能力，可提大桨叶传热作用。旋转桨叶的倾斜面和颗粒或粉末层的联合运动所形成的分离力，使附着于加热斜面上的污泥自动地清除，桨叶保持着大效的传热功能。另外，经于两轴桨叶反向旋转，交替地分段压缩（在两轴桨叶面相距最近时）和膨胀（在两轴桨叶面相距离最远时）搅拌功能，传热均匀，提大了传热效果。