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1、污泥热干化在美国的应用在美国东岸和西岸的污泥处理情况不尽相同。西岸的闲置土地较多，填埋的成本较低，污泥填埋处置的比例仍较高；东岸则由于填埋成本非常高，且污泥无法就近农田利用，所以人们为了生产出适合市场销售的污泥产品选择了热干化。污水处理厂将污泥热干化制成颗粒肥，既可装袋出售也可运往佛罗里达州的肥料厂和柑橘园。随着传统肥料市场对污泥肥的逐渐认同和相关产销条例的出台，热干化作为污泥处理利用的手段日益受到欢迎。 1 热干化的应用 污泥热干化设备在北美的应用情况见图 11。 污泥热干化在美国的迅速发展始于 20 世纪 90 年代，且污泥热干化设备的使用基本集中于美国的东岸地区。热干化设备仅用于生产干固
2、体，无论其最终出路是填埋还是市场销售，那些用于降低污泥含水率、最终污泥被焚烧的设备并未包括在内。 2 热干化技术的进展 2 虽然污泥热干化早于 20 世纪 40 年代已有应用，但真正成熟地大规模应用于市政污泥处置是在 90 年代，在此之前多数的干化设备是为处理工业污泥设计的。相对于工业污泥而言，市政污泥中的水分较难蒸发，污泥易粘结，在干化过程中存在粘结相，湿污泥不稳定、储存时易消化产生沼气，干污泥和粉尘可燃、给生产和储存带来自燃和爆炸等安全隐患。经过 10 年的不断改进，其设备性能也逐步得到完善。2.1 直接加热干燥技术在 1995 年以前投入使用的 18 套设备中，有 9 套采用直接加热转鼓
3、式干燥工艺，其中主要是由 E nviroGrop 研发的 ESP 工艺。ESP 工艺的设备包括一个 3 通道式转鼓干燥器、燃气热风炉和干泥返混系统(包括筛网和粉碎机用于筛分和粉碎大颗粒，并将粉尘送回进料口与脱水污泥混合)。在返混过程中干污泥颗粒起着“晶核”的作用，湿污泥包裹在干泥颗粒外面形成大颗粒，并将进料的含水率降到 30%40%，直接克服了污泥的粘结。由于只是外层的湿泥需要干燥，所以污泥的干燥性能得到改善，可得到稳定的球形颗粒产品。ESP 工艺将热风导入转鼓，蒸发污泥中的水分并带走干颗粒。由于 ESP 系统的热风量大，尾气热氧化除臭处理的费用使污泥干化费用增加，这使人们逐渐将兴趣转向间接加
4、热系统，后者的风量只需能把水蒸气带出干燥器即可，因而尾气量要小得多。该时期的 18套设备中有 6 套间接加热系统，其中只有 1 套(Baltimore Back River 的 Seghers 干燥设备)带有干料返混系统，其余 5 套在实际运行中都遇到了由于污泥的粘结导致干燥器内部磨损严重和难以生产出颗粒产品的问题，有 3 套不久就停产了。2.2 尾气循环技术1995 年1999 年使用的 17 套设备中有 8 套为直接加热转鼓式干燥器，其中有 5 套采用了气体循 环再用技术(由 Andritz 公司和Swiss Combi 公司引入美国)，另外 3 套采用了专利设计的转鼓 ，可增加干泥中的营
5、养成分(BER 工艺)。尽管 BER 工艺的经济可行性尚待论证，但以上这些技术都强有力地促进了热干化技术的发展。气体循环技术是将 80%85%的尾气送回热风炉，其余的经再生热氧化器(RTO)处理后排放。新鲜空气和回用气流首先通过冷凝器(热气流被冷却而新鲜空气被预热)，再经过水洗塔除去 其中的水蒸气、粉尘和可冷凝的挥发性物质后返回热风炉，这样尾气量就大大减少了。气体循环回用的另一个好处是使转鼓中的氧气含量保持在10%以下，这是一个非常重要的安全参数。由于该技术的引入，原先间接加热系统尾气处理量少的技术优势被大大削弱了。早期的 ESP设备也进行了技术改造，加装了气体循环装置。该时期同样值得注意的是
6、适用于中小型污水处理厂的间接加热回转设备进入美国市场，另外还有两种将机械脱水和热干化连成一体的技术，它们是由 Dry Vac Enviromental andTWI 开发的真空过滤带式干燥系统和 Humboldt 开发的离心脱水干燥系统。2.3 蒸气为热源技术该时期值得注意的是以蒸气为热源的 4 套流化床干燥设备。由于 4 套流化床都带有干料返混系统，所以其产品的性状与转鼓式干燥器是相似的。该时期的 11 套设备中仍有 4 套为转鼓式干燥器，由此看来该技术仍将继续扮演重要角色，同时它也在向设备精、处理量大的方向发展。在美国 Jacksonvill FL 的新项目中计划安装产生蒸气能力达 7m3
7、/h 的直接加热式转鼓 DDS70，这将比美国现有最大干燥设备的处理能力还要大 1/4。位于 Shamokin PA 的由 Weston 公司开发的 Kvaemer 干燥设备也值得关注，因为它将是第一套带有干料返混系统的间接加热式美国设备。干料返混系统已能成功生产出可以包装上市销售的生物固体产品。在不远的将来，预计将有越来越多的干燥设备(包括间接加热式)，会采用干料返混系统来改善最终产品的性状。 3 干化污泥的土地利用 在污泥处置中土地利用很有潜力。1993 年美国环保署制订了USEPA503 条例，规范了污泥的土地利用(见表 1)。该条例除限制了农用污泥中有害重金属的含量外，还将污泥分成要求
8、严格的 A 级和较宽松的 B 级。 表 1 美国对农用污泥中重金属含量的限制 3 重金属 B 级 A 级 施 用量 土壤(mg/kg) (mg/kg) kg/(hm 2a) (mg/kg)As 75 41 2.0 Cd 89 39 1.95 13Cr3 3000 1200 150 Cu4 4300 1500 75 50140Pb 840 300 15 50300Hg 57 17 0.85 11.5Mo 75 75 Ni 420 420 21 3075Se 100 36 5 Zn 7500 2800 140 150300USEPA503 中还对应用 B 级污泥的作物收成时间作了相应的规定，A 级
9、污泥则无此限制，而且可施用于花园、草地。在美国污泥干化后基本都作土地利用，现在有 10%的耕地在施用污泥肥 4 。各地区根据市场的需求选择干化工艺，因为不同干化工艺的产品性状不同，不含干料返混系统的间 接加热设备生产的产品多为粉末或片状，适合于土壤改良或供肥料厂作生产复合肥的基质添加剂；带有干料返混的间接加热和多数直接加热设备则直接生产出 14 mm 粒径的颗粒，非常适合作撒播机施肥，也可袋装销售。由于污泥干化后在化学质量、微生物学质量、美学质量、农业价值、商品化和可接收程度等方面都有极大改善，所以产品满足 A 级标准，可作为一种优质缓释肥用于耕地、草坪、花卉、苗圃、高尔夫球场、柑橘种植等。表
10、 2 为南卡罗来纳州 Sumter City 热干化项目的实际运作费用。从表 2 可知，生产成本(125 美元/kt)折合到含水率为 85%的湿污泥处理成本为 19 美元/kt，而如果湿污泥直接填埋的话，则湿泥的填埋费用就需要美元/a，显然干化处理的成本要低得多，而且可以变废为宝。即使污泥干化后农用并不能实现赢利，污水处理厂还是愿意应用热干化来处理污泥，这也是热干化得以在美国迅速发展的原因之一。 表 2 Sumter City 的污泥热干化费用 美元/a费用 金额运行和维护费用 408 828设备款的还本付息 589 197污泥倾倒费用 127 932颗粒肥的销售收入 196 630净支出 6
11、73 462注： 生产成本为 125 美元/kt。4 结语 将污泥干化处理后土地利用已经逐渐成为美国污泥处理、处置的重要途径。由于污泥填埋越来越受到土地和费用的限制，美国现有的大部分填埋场将在未来的数年内关闭，因此可以预见污泥热干化在美国的应用将更加普及。 污泥热化学处理的试验研究随着城市污水处理率的上升，城市污水厂污泥将大量增加。污泥处理方法种类繁多，但大都存在一些弊端。土地填埋处理由于可供填埋场地越来越少，今后将受到严格控制；焚烧法处理由于设备及运行费用昂贵、投资大，也不普遍适用 1。至于目前国内广泛使用的污泥浓缩、压滤脱水后即行排放的处理方法，则有处理不彻底，易引起二次污染等缺点 2。而
12、污泥热化学处理法具有灭菌效果好、处理迅速、占地相对较少、处置后污泥性质稳定并能进行能源回收等优点，因此能达到使污泥处置减量化、无害化、资源化的目的。 1 污泥热分解机理目前进行的污泥热解试验尚不能完全有效地阐明其作用机理。国内外学者较普遍的看法为：污泥被加热至 200300，其中的脂肪族化合物发生转化；加热至 300390时，蛋白质类化合物转化；390以上，糖类化合物转化，肽链断裂，基因变性转移；与此同时，碳化合物发生转化至 450时转化完成。所以污泥热解在 500以下即可完成。本人的大量实验测试结果亦证实如此，但在无氧或缺氧条件下热解状况会略有不同 3,4。2 试验2.1 试验原理缺氧条件下
13、，加热脱水污泥至一定温度（320），通过热解和干馏作用，使污泥性质发生变化，分解产出碳、油和不凝气体。大部分产物可进行能源回收。2.2 试验原料所取污泥为武汉水质净化厂脱水污泥，经取样和化验，其平均数据如下：表 1 污泥肥份及大肠杆菌数值项目 有机质（%）全 N（%）全 P（%）全 K（%）大肠杆菌（个/100g）S(%)混合 62.1 1.520 0.735 1.04 2400 0.835初沉 64.8 1.457 1.416 1.01 2400 0.650表 2 污泥重金属含量表(mgkg -1)项目 Cu Zn Cr Cd Hg Pb As混合 148.4 543.9 72.8 0.70
14、 0.42 55.1 18.8初沉 132.7 568.2 78.6 0.75 0.94 57.5 21.4从以上两表可看出，污泥中有机质含量较高，具有一定热值，而N、P、K 等植物营养素含量不高，部分污泥重金属含量超标（GB4284-84）。这种污泥农用不会有好的效果。2.3 试验设备及方法2.3.1 主要设备： 电热干燥箱，马弗炉，热解器，氧弹测热仪，冷凝瓶，分液漏斗，日产 TAS-100 热分析仪2.3.2 测试项目：反应温度、时间、含水率、VS 含量、TG 图和放热值2.3.3 试验结果及讨论表 3 污泥含水率及 VS 含量污泥样 W1(g) W2(g) W3(g) P(%) VSS(
15、%)1 24.972 38.128 30.698 34.222 56.4762 23.876 37.191 29.569 33.425 57.2433 24.573 37.771 30.270 34.012 56.827注：测试所用方法参见文献 5。污泥热解在温度大于 200时开始有明显表象生成,至 300停留 1小时后，反应基本停止（图 1）。污泥热解产物为炭、油、水和不凝气体，主要是炭和油，故对这两类物质进行分析。从图可知，污泥热解时产炭率随温度升高而下降，产油率随温度升高而上升。得到的炭占污泥干重的 5070%，体积约为原污泥的1/31/2。一般含有机物较多的炭为无光泽的黑色块粒。污泥炭
16、性质稳定，无异味，杀菌率为 100%，可长期贮存。所得油有浓重的气味，呈棕色，易被明火点燃，所得率在 2035%左右（重量比）。所得气体带恶臭味，主要含有 H2S、甲硫醇和氨等物质，这些气体可通过燃烧脱臭。由于在实验过程中，避开了生成二噁英等持久性污染物的最佳温度区域，故不必担心生成这类物质 6,7。采用日产 TAS-100 热分析仪进行 TG 和 DTA 测试。污泥热解自 200开始，放出烟气。大约至 300时，烟气放出速率最高，维持一段时间后浓烟消失，至 350时反应基本停止。图 3 污泥 DTA 曲线从 TG 和 DTA 曲线判断污泥热解在缺氧条件下进行的是放热反应。其中 200350对于城市污水厂污泥而言是较好的热解温度范围。当温度升至 500左右，其转化率为最高，但热解温度高，需增加大量加热设备、消耗大量热能，不经济。同时在该温度下，会产生难
