5污泥处理过程中的物质与能量流分析

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1、污泥处理过程中的物质与能量流分析张健摘要：介绍污泥处理单元与处理处置途径，对不同工艺组合的物质流和能量流加以分析并结合中国目 前情况加以讨论关键词：污泥 处理 能量流 物质流 优化Mass and Energy Flow Analysis of Sludge Treatment ProcessAbstract:The treatment and disposal options for municipal sludge are described. The mass and energy flow of various process combinations are analyzed wit

2、h discussion about the current situation in ChinaKeywords: sludge, treatment and disposal, mass and energy flow optimization1背景关于污泥处理处置不同对策的讨论与争议通常远比对污水处理工艺的探讨要激烈和复杂得多。除了商 家利益和设计、决策者所处的部门局限等主观因素外，污泥处理处置不仅涉及多个环节而且在短期和长期 规划、最终去向等方面与很多边界条件和政策导向相关。通过对不同处理手段的组合、相应的物质和能量流分析，并对投资和运行费用进行比较，常可将问题 和讨论更客观化。本文根

3、据一些实际工程经验的总结对不同工艺组合的物质流和能量流加以分析并结合中国目前情况 加以讨论。2工艺组合图1简单综合了欧洲较为常用的污泥处理、处置或利用的途径。3单元操作3.1生物稳定化通过稳定化处理，污泥被进一步无机化、减量化，而且脱水性能得到改善。处理后的污泥，由于降低了 产气潜能从而可以更好地贮运。出于简化工艺，欧洲小型处理厂(50020,000人口规模)有较多采用好氧 工艺，而大一些的污水处理厂考虑能量回收和运行费用的优化则采用厌氧工艺。采用焚烧处理手段时，消化作为一个中间单元操作来说所要达到的目的就简化为减量、便于中间储存和 改善机械脱水性能，至于消化的其它功能，比如污泥中有机物含量是

4、否对焚烧有利，以及建造消化系统的 投资对污泥处理系统总的影响，则要与其它单元操作综合起来统一考虑。在厌氧消化污泥的过程中，一部分干物质转化成沼气，可用于发电、制备热水或低压蒸气、作为燃料 供给发酵系统保温或作为污泥干燥和污泥焚烧时的辅助燃料。厌氧消化过程所需要的能量主要是污泥输送和搅拌的电能，以及污泥升温及消化池的保温。目前中国 对消化设施运行数据的总结和报道尚较少。图2是根据德国较典型的设计、运行数据归纳的结果 (Zhang,1999)。计算中假设处理前干污泥中灼烧挥发份占65%，挥发份的热值是22000KJ/kg，消化后灼 烧挥发份减少50%。重力浓缩污泥的浓度、消化温度均会对相关数据产生

5、影响。3.2机械脱水与干燥机械脱水的效率在没有仔细考虑污泥处置和片面强调一次性投资的节省时常常被忽视，但在绝大多数情 况下，机械脱水脱水率的增加对后续处理处置费用的减小至关重要。污泥可被部分干燥或全部干燥。干物质含量超过92%的污泥可视为无生物活性，并可长期储存。特别是对于规模较大的污水处理厂，干燥所需能量的来源常常是干燥应用的最大制约。德国上世纪 90年代约有120多家污泥干燥厂，这些装置大约可处理市政污水处理设施污泥产生量的10%，单体处理规 模远小于中国污水处理厂平均规模。由于严格的排放标准限制，实际常采用间接热交换工艺。图3给出污泥干物质中不同挥发性固体物含量与污泥干物质含量及污泥低位

6、热值的相关关系。计算中 假设灼烧挥发份的热值为22,000KJ/Kg，图中还标出了污泥干燥时不同初始干物质含量及干燥后干物质含量 与干燥所需最小理论热量。仇一 凸评 r*i1坐1/毓|甘-.-:嘛而#ifi焯常的窝导n *图3污泥干燥能耗与热值变化污泥的机械脱水是进一步处理的重要前提。如果将焚烧或其它热处理作为最终处理手段，则要求机械 脱水效率尽可能高，因为机械脱水每处理一吨含水污泥需要12kwh的能量（电能），而干燥时不仅需要 一部分电能，而且需要大量的热能用于水的蒸发。图4概括了污泥脱水、干燥的基本能量流。特别需要注意的是干燥过程中被蒸发出来的水分含有较高浓度的氨氮。通常的做法是将冷凝下来

7、的水 排到污水处理厂进行处理，从而在不同程度上增加了氨氮负荷。3.4杀菌与固化利用氧化钙和添加其他材料或工业废物，如水泥、粘土、石粉、飞灰和烟气净化的粉尘等对脱水污泥 进行杀菌和固化处理西方国家在上世纪七、八十年代作了较多的应用研究，包括处理后的填埋性能与工艺。 虽然近20多年来这一处理手段在专家学者的视野中几乎消失，但不能忘记的是即使在西欧的发达国家如德 国，几年前仍有近60%的污泥以填埋作为最终处置手段，而填埋前通常经过杀菌和固化处理。除了卫生学上的意义外，氧化钙与含水污泥混合，在与水分子反应的同时放热并使一部分水分蒸发。 加入氧化钙后污泥含水率降低、硬度增加。少量的铝盐和(或)磷酸盐的添

8、加可以进一步增加污泥的硬度。该操作单元的另一个重要作用在于污泥的改性：无形状的和块状的污泥在适宜的混合器中进行固化处 理后形成流动性良好的颗粒，由于去除了生物活性从而易于堆积、储存和运输。这一单元操作的关键在于混合。原始的处理装置是在蜗杆输送机中加入钙粉，因为物料只经过推送过 程所以混合不均匀(耗钙粉多、混合不均匀，效果差)同时难以实现污泥性状的改善。现代的混合设备采 用混合器中特制的绞刀使污泥破碎并流态化，处理后的物料(污泥)变成流动性良好的颗粒。这种形式的 处理在德国得到普遍应用。图5是一个简化的污泥固化的框算。该处理单元的作用主要为以下几点：(1) 单组分或与垃圾混合填埋的预处理；(2)

9、 酸性土壤的改良；(3) 污泥热干燥的替代方案；(4) 污泥焚烧炉或工业窑炉焚烧的预处理(加入的氧化钙起一定的脱硫剂作用)；(5) 改善储存和运输。图5加氧化钙混合处理前后污泥性能变化与能耗3.5农业利用和土壤改良污泥农业利用或用作土壤改良有几种不同的形式，如在极小型污水处理厂经生物稳定化处理后的浓缩 污泥直接农用，经机械或加热脱水后的污泥农用、堆肥等。遗憾的是，现代城市混合排污系统使得污泥成 分复杂，因此农用在安全性方面有一定的局限，而用于绿化和土壤改良虽然更为适宜，但由于政策和组织 管理方面的原因难以实施。很多情况下宣传者过于宏观地强调农用或土壤改良的效益和收益而不去研究和 解决支持这一运

10、作的资金来源，其结果恰恰限制了这一途径的产业化。3.6污泥焚烧与烟气净化焚烧分为污泥单组分焚烧和混合焚烧。前者最主要的工艺形式是静态流化床。混合焚烧包括：（1）垃圾焚烧厂在垃圾中混入少量污泥；（2）电厂混入少量污泥；（3）工业窑炉（如水泥厂）等。由于垃圾焚烧厂烟气的排放要求与污泥焚烧一样，更多是费用的优化和工艺上的考虑，比如垃圾焚烧 炉排炉在加入过量污泥后，过量的污泥会通过炉排泄漏，导致焚烧不完全，以及污泥会增加烟气中的飞灰 从而超过垃圾焚烧炉及锅炉设计的允许值等。争议最大的是电厂和工业窑炉的混合焚烧，因为电厂和工业窑炉排放标准较低，污泥中的污染物混入 后被稀释，而重金属、二恶英的监测又很复杂

11、并难以监控。这个议题较大，限于篇幅本文不再展开。所谓焚烧过程能够自燃，并不是单纯指焚烧过程不需辅助燃料，而同时包括：必须要达到对污染物， 主要是有机污染物的充分消除。这里不仅指气相（烟气），而且指固相（飞灰及炉渣），同时达到系统残 余固体物的高度稳定化。除了考虑以上方面的环保要求外，在设计和实施污泥焚烧处理时需优化空气预热 系统、能量回收系统和辅助燃料系统。焚烧过程能够自燃除了与污泥本身（含水率，干物质的热值）有关 外，还与设计的燃烧空气过剩系数、空气预热温度有关。焚烧后污泥中的化学能转换成烟气中的热能，其中一部分随热回收后的烟气排放而损失掉。热能回收 后的主要利用途径为(1) 燃烧空气的预热

12、；(2) 污泥预干化(提高热值)；(3) 发电或输出热水、蒸汽。前两项完全是焚烧系统的“内耗”。由于烟气组分比常规电厂要复杂，所以一般锅炉蒸汽压力不超过 50bar，以发电为最大目的设计，蒸汽热能变成电能的效率约为25%，远低于电厂。焚烧和烟气净化消耗的电能主要是燃烧风机和烟气引风机。4以焚烧为最终处理的工艺组合与比较4.1工艺组合表1列出几个以焚烧为最终处理的工艺组合。以下为以实际工程为基础的几个方案比较，重点是物质 流与能量流的量化，由此可进一步确认设施的复杂程度、大小与费用。计算中采用统一的基数：(1) 原始人均污泥产生量为每人每天80g；(2) 污泥的干物质中灼烧挥发物含量为65%；(

13、3) 灼烧挥发物中有50%可通过厌氧消化得到降解；(4) 灼烧挥发物的低位热值为22,000kJ/Kg。表1：几个以焚烧为最终处理的工艺组合组合代号是否有厌氧消化工艺机械脱水后TS含量半干化后TS含量燃烧空气预热C焚烧特征Fl30Tr37Vw有3034500自燃Fl30Tr48有3048不需自燃Fl37Vw有37无干化500自燃F25Vw有25无干化500需辅助原料25Tr30Vw无2530500自燃25Tr40无2540不需自燃30Vw无30无干化500自燃20Vw无20无干化500需辅助原料Fl30Tr95有3095不需自燃25Tr95无2595不需自燃方案Fl30Tr37和Fl30Tr4

14、8污泥消化后机械脱水至固体物TS含量30%(如通过离心脱水机实现)，如 果通过半干化(或加CaO)将固体物含量进一步增加，在固形物TS含量为37%时(半干化)，通过将燃 烧空气预热到500C便可自燃。如果TS含量进一步提高，达到48%时焚烧炉不需对燃烧空气预热便可自燃。如果机械脱水仅将TS提升到25% (Fl25Vw)，即使对燃烧空气预热，也仍需辅助燃料。未经消化的污泥脱水至TS30% (25Tr30Vw和30Vw)，系统通过预热燃烧空气可自燃。方案Fl30Tr95和25Tr95将污泥全干化至TS95%，所需热源可来自烟气的热回收或污泥消化的沼气。4.2物质流与设备规模焚烧烟气量和干燥蒸发的水

15、量分别是焚烧设备和热蒸发干燥设备规模的重要指标。图6将这两个指标 列出。由于污泥消化已将部分可燃物降解，所以烟气量均低于未消化污泥。如果机械脱水率高（Fl37Vw， Fl25Vw，和30Vw），仅通过预热燃烧空气便可实现自燃，不需要中间的干化。图6焚烧烟气童和干燥蒸发水重的比较4.3热能图7列出焚烧前系统所需的热能以及从沼气和烟气中可回收的热能。从中可以看出消化过程回收的热 量在假定的消化条件下有一大部分又用于系统的保温。除机械脱水率低的20Vw方案外，所有其它方案均 可不同程度地回收热能。计算中假定沼气和烟气的热能回收率为75%.在全干化的两个方案中（Fl30Tr95 和25Tr95）取90% （相当于电厂热回收率）。E=1 i tt=诵助燃料净耕索图7：焚烧前系统所需的热能以及M沼气和烟气中可回收的热能4.4电能图8为系统电耗，在30-65KJ/人天这样一个范围。图7中过程剩余热能在150-400KJ/人天之间（20Vw除 外）。取沼气转化电能30%，烟气热能转化为电能的25%，则剩余热能理论上所能转化的电能