污泥深度脫水處理與處置工藝的COD及碳減排分析*

劉 鵬，朱乃若，熊 唯，劉 歡，李亞林，時(shí)亞飛，李 野，何 姝，楊家寬

（1.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.宇星科技發(fā)展（深圳）有限公司，廣東 深圳 518057）

污泥深度脫水處理與處置工藝的COD及碳減排分析*

劉 鵬1，朱乃若1，熊 唯1，劉 歡1，李亞林1，時(shí)亞飛1，李 野2，何 姝2，楊家寬1

（1.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.宇星科技發(fā)展（深圳）有限公司，廣東 深圳 518057）

采用污泥深度脫水技術(shù)，可使泥餅含水率降到40%～55%，有利于污泥后續(xù)處置的同時(shí)實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的COD減排及碳減排。經(jīng)核算，10萬(wàn)m3/d污水處理廠產(chǎn)生的污泥經(jīng)深度脫水-焚燒、深度脫水-填埋工藝進(jìn)行合理有效的處理處置，COD日排放均可減少5.52 t，CO2日排放可分別減少26.06 t和5.61 t。

污泥深度脫水；節(jié)能；COD減排；碳減排

據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2010年，城市污泥年產(chǎn)生量已達(dá)到3 000萬(wàn)t（以含水率80%計(jì)）［1］。目前我國(guó)城市污泥的處理處置工序主要分3步：①污泥在廠區(qū)完成初步穩(wěn)定脫水處理；②污泥轉(zhuǎn)運(yùn)至污泥消納中心進(jìn)行中轉(zhuǎn)；③污泥經(jīng)堆肥、填埋、焚燒完成最終處置。

現(xiàn)行污泥脫水技術(shù)普遍存在脫水泥餅含水率過(guò)高的問(wèn)題，導(dǎo)致后續(xù)處置過(guò)程耗能高，難以滿足后續(xù)處理的要求，造成嚴(yán)重的二次污染。2009年哥本哈根會(huì)議后，我國(guó)提出“到2020年單位GDP碳排放強(qiáng)度比2005年下降40%～45%”的減排目標(biāo)［1］。隨著污水處理產(chǎn)業(yè)的不斷擴(kuò)大，污泥等固體廢物的處理處置環(huán)節(jié)中所存在的能耗高、排污嚴(yán)重等問(wèn)題將愈發(fā)突出。采用污泥深度脫水處理工藝，不僅可以降低泥餅的含水率從而利于后續(xù)處置，也可以在一定程度上減少COD排放和碳排放，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

1 污泥深度脫水工藝

污泥深度脫水處理工藝指對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，破除細(xì)胞壁，釋放結(jié)合水、吸附水和內(nèi)部水，改善污泥的脫水性能，使得脫水后污泥的含水率低于 60%的工藝［2］。

1.1 深度脫水工藝的關(guān)鍵步驟

1.1.1 污泥調(diào)理

污泥調(diào)理是在污泥脫水前通過(guò)對(duì)污泥進(jìn)行物化處理來(lái)改變污泥特性，從而減小污泥比阻，提高脫水率。

目前國(guó)內(nèi)的污水處理廠普遍采用聚丙烯酰胺（PAM）高分子絮凝劑對(duì)污泥進(jìn)行前期調(diào)理。PAM在污泥中起到吸附架橋作用，可使分散的污泥小顆粒絮凝聚集形成大顆粒，提高污泥的沉降性能［3］，但并不能改變污泥固相顆粒的形態(tài)特征，破除胞外聚合物（EPS），因此難以達(dá)到脫除結(jié)合水的要求。采用該方法調(diào)理經(jīng)離心或帶式壓濾機(jī)脫水后泥餅含水率約80%，難以滿足后續(xù)處置的要求。

深度脫水工藝采用界（表）面改性技術(shù)、高級(jí)氧化技術(shù)和骨架構(gòu)建體技術(shù)等對(duì)污泥進(jìn)行前期調(diào)理。界（表）面活性劑可減少固液相間的界面張力，其兩親結(jié)構(gòu)的增溶作用和分散作用可使聚合物轉(zhuǎn)移至水中，使污泥絮體中的EPS分布發(fā)生變化，促進(jìn)污泥絮體結(jié)構(gòu)的解體，從而使絮體網(wǎng)格中所含的水分得以釋放［4-5］；高級(jí)氧化技術(shù)可有效破除污泥中的EPS，釋放內(nèi)部水［6-8］；骨架構(gòu)建體技術(shù)可在污泥中形成多孔網(wǎng)狀骨架，改善污泥顆粒結(jié)構(gòu)，破壞膠體的穩(wěn)定性，提高混凝劑的混凝效果，增強(qiáng)絮體強(qiáng)度，在污泥中形成脫水通道，提高脫水效率［9-10］。

1.1.2 污泥脫水

傳統(tǒng)的污泥機(jī)械脫水主要采用離心脫水和帶式壓濾機(jī)脫水2種方式。離心脫水利用固液比重差異，即污泥絮體與水所受離心力的不同，使污泥絮體被更快更多地轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)筒壁上，形成環(huán)狀沉淀層，液體則從溢流口排出，達(dá)到泥水分離的目的［11］；帶式壓濾機(jī)首先在污泥濃縮階段依靠重力過(guò)濾，然后利用濾帶本身的壓力或張力使污泥脫水，從而獲得固含量較高的泥餅［12］。由于離心脫水所提供的離心力和帶式壓濾脫水的壓力太小，這2種方式不能滿足污泥進(jìn)一步脫水的要求。

深度脫水的機(jī)械脫水工藝采用隔膜板框壓濾技術(shù)。板框脫水工藝根據(jù)污泥特性設(shè)計(jì)分散布漿系統(tǒng)，在網(wǎng)面上形成均勻的濕板元，并多層濕合，形成濕板。在壓濾過(guò)程中，污泥的過(guò)濾靠濾布和濾餅層來(lái)完成［13］。隔膜板框壓濾能提供較大的壓力，可進(jìn)一步脫除污泥中的水分，提高脫水污泥含固率。污泥經(jīng)界（表） 面改性-骨架構(gòu)建體技術(shù)、高級(jí)氧化-骨架構(gòu)建體技術(shù)調(diào)理后，通過(guò)隔膜板框壓濾，脫水泥餅含水率為40%～55%，可直接滿足污泥后續(xù)處置要求。

1.2 污泥焚燒

污泥焚燒是最快捷、高效的污泥減量化處置方式。焚燒時(shí)，一定量的過(guò)?？諝馀c被處理的有機(jī)廢物在焚燒爐內(nèi)進(jìn)行氧化分解反應(yīng)，廢物中的有毒有害物質(zhì)在高溫中氧化分解而被破壞［14］。根據(jù)CJ/T 290—2008城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)，擬采取焚燒處置的污泥含水率需降低到50%以下。干泥具有較高的能量利用價(jià)值。而含水率為80%的脫水污泥難以直接燃燒，需要干化或加入煤或柴油等輔助燃料［15］。采用污泥深度脫水-焚燒工藝，調(diào)理階段選用褐煤等可提供熱值的成分作為骨架構(gòu)建體［16］，在得到含水率較低的泥餅同時(shí)可提高泥餅本身的熱值，免除了污泥干化階段［1，17］的化石能源消耗，有效減少處置過(guò)程的碳排放。

1.3 污泥填埋

污泥填埋分為單獨(dú)填埋和混合填埋2種方式。污泥填埋前必須經(jīng)過(guò)脫水。傳統(tǒng)脫水工藝僅能得到含水率為80%左右的泥餅，無(wú)法滿足CJ/T 249—2007城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋泥質(zhì)的要求（混合填埋含水率≤60%，垃圾填埋場(chǎng)覆蓋土含水率≤45%），因此必須加入填充劑才能達(dá)到污泥填埋所需要的力學(xué)指標(biāo)。但添加劑的加入縮短了填埋場(chǎng)的壽命。如果采用高干度脫水填埋工藝，脫水后污泥含水率為45%～60%，一般可以直接填埋［18］。選用粉煤灰、石灰等作為骨架構(gòu)建體，污泥經(jīng)深度脫水后，含水率在60%以下，可直接填埋。泥餅中的粉煤灰與石灰可發(fā)生類似火山灰的水化膠凝反應(yīng)，能進(jìn)一步提高固化體的后期強(qiáng)度，達(dá)到填埋場(chǎng)覆蓋材料的強(qiáng)度指標(biāo)要求。同時(shí)，骨架構(gòu)建體的加入可固化污泥中重金屬等有害物質(zhì)［19］，降低填埋的工序與成本，一定程度上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

2 污泥深度脫水處理處置的COD減排量計(jì)算

以日處理量為10萬(wàn)m3的污水處理廠為例（以下計(jì)算均以此規(guī)模進(jìn)行）。對(duì)于普通的二級(jí)污水處理廠，污泥產(chǎn)生量（含水率97%） 通常為污水量的0.3%～0.5%（體積比）。按照0.4%計(jì)算，10萬(wàn)m3污水產(chǎn)生約400 m3濕污泥。經(jīng)測(cè)定，原始濕污泥的COD濃度通常為13 000～19 000 mg/L。按16 000 mg/L計(jì)，則此規(guī)模污水處理廠日產(chǎn)生污泥的 COD 量為：400×103×16 000/106=6 400（kg）。

目前，污水處理廠大多采用PAM調(diào)理污泥，經(jīng)離心或帶式壓濾機(jī)脫水，獲得含水率80%左右的泥餅。脫水泥餅含水率以80%計(jì)，脫出水重新返回污水處理系統(tǒng)。脫出水中的COD濃度按800 mg/L計(jì)，則該方式處理的COD量為：（400×97%－400×3%/20%×80%）×103×800/106=272.0 （kg）。

假設(shè)含水率為80%的污泥在自然條件下降解的COD量為總量的10%，則自然降解COD量為：（6 400－272.0）×10%=612.8 （kg）。

若該規(guī)模污水處理廠產(chǎn)生的污泥不經(jīng)過(guò)任何處理處置，則每日直接排放COD量為：6 400－272.0－612.8=5 515.2（kg）=5.52（t）。

若采用深度脫水-焚燒工藝或深度脫水-填埋工藝對(duì)污泥進(jìn)行合理有效的處理處置，則處理量為10萬(wàn)m3/d的污水處理廠COD日減排量為5.52 t。

3 污泥深度脫水處理處置的碳減排量計(jì)算

污泥焚燒過(guò)程中83%的碳以氣體形式釋放［20］，其最終氣體產(chǎn)物為CO2。污泥處理處置的碳排放主要來(lái)自：①污泥處理處置過(guò)程直接排放的CO2；②處理處置設(shè)施運(yùn)行能耗間接造成的碳足跡。從全球范圍來(lái)看，前者主要來(lái)自大氣中已存在的CO2，只是通過(guò)碳吸收-存貯-釋放的循環(huán)過(guò)程又回到大氣環(huán)境中，屬于中性碳，對(duì)于碳減排的影響有限。而后者從碳源上講來(lái)自化石能源，屬于典型的碳減排領(lǐng)域［21］。對(duì)深度脫水-焚燒、深度脫水-填埋2條工藝路線的碳減排量計(jì)算如下。

對(duì)于普通的二級(jí)污水處理廠，一般處理量為10萬(wàn)m3/d污水廠干污泥日產(chǎn)生量為10～20 t，按照15 t計(jì)算。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果，污水處理廠產(chǎn)生的市政污泥中的碳含量約為26%［22］。處理15 t干污泥的CO2減排量為：15×26%/12×44=14.30（t）。

3.1 深度脫水-焚燒工藝

深度脫水電耗：?jiǎn)翁赘咝撍到y(tǒng)的功率按100 kW計(jì)，按2套脫水系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行計(jì)算，則運(yùn)行期間日耗電量為：100×2×24=4 800（kW·h）。

深度脫水水耗：?jiǎn)翁赘咝撍到y(tǒng)每小時(shí)水耗按10 t計(jì)，則運(yùn)行期間日耗水量為：10×2×24=480（t）。

據(jù)“杭州網(wǎng)”（http：//www.hangzhou.com.cn）2009-11-24“低碳生活指導(dǎo)手冊(cè)”，每消耗1 kW·h電、1 t水分別折合碳排放0.785 kg和0.194 kg。依照“碳足跡”計(jì)算，深度脫水過(guò)程CO2日排放量為：0.785×4 800+0.194×480=3 861.12 （kg） =3.86（t）。

經(jīng)深度脫水后泥餅含水率為45%～60%，按50%計(jì)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行測(cè)算，目前發(fā)電廠用電率為8%，其中鍋爐設(shè)備廠用電率為3.5%，按發(fā)電原煤耗500 g/（kW·h） 計(jì)算，污泥焚燒耗電為35 kW·h/t。則焚燒15 t干泥的CO2排放量為：15/50%×35×0.785=824.25（kg）=0.82（t）。

污泥深度脫水后所含熱量為8 792 kJ，按污泥含水率50%計(jì)算，濕污泥產(chǎn)熱值為：8 792×（1-50%）=4 396（kJ/t）。

由于污泥發(fā)熱量低，為低品質(zhì)輕質(zhì)燃料，部分熱能被飛灰和殘?jiān)鼛ё撸捎孟禂?shù)為正常煤的90%左右，因此每15 t污泥可產(chǎn)生有用熱量為：15× （4 396×90%） =59 346 （kJ）。

每噸污泥處理后焚燒產(chǎn)生的有用熱量，相當(dāng)于20 934 kJ的原煤0.189 t?！鞍俣取本W(wǎng)數(shù)據(jù)顯示：燃燒1 t煤的碳排放為2.6～3.1 t。按照2.9 t計(jì)算，則此過(guò)程中碳排放減少量為：15/50%×2.9×0.189=16.44（t）。

綜上，深度脫水-焚燒工藝碳減排總量為：14.30-3.86-0.82+16.44=26.06（t）。

3.2 深度脫水-填埋工藝

假設(shè)填埋氣體產(chǎn)生過(guò)程中無(wú)能量損失且有機(jī)物全部分解生成CH4和CO2。根據(jù)能量守恒定理，有機(jī)物所含能量均轉(zhuǎn)化為CH4所含能量。而物質(zhì)所含能量與該物質(zhì)完全燃燒所需氧氣量（即COD）成特定比例。

據(jù)CH4燃燒化學(xué)計(jì)量式：CH4+2O2=CO2+2H2O，可導(dǎo)出：VCH4=VCO2。

為便于實(shí)際測(cè)量和應(yīng)用，將CH4的衡量單位轉(zhuǎn)化為體積（L），得到：每降解1 g COD可產(chǎn)生在0℃、0.1 MPa條件下0.35 L CH4。據(jù)此，可以計(jì)算出填埋場(chǎng)的理論CH4產(chǎn)生量，即最大CH4產(chǎn)生量。

由于填埋場(chǎng)氣體中CH4的濃度約為50%，可近似地認(rèn)為總氣體產(chǎn)生量為CH4產(chǎn)生量的2倍。即在0℃、0.1 MPa條件下，1 kg COD產(chǎn)生0.7 m3填埋氣體。

由于填埋氣體中還有少量二氧化硫、氨氣、氮?dú)獾葰怏w，對(duì)總氣體添加CO2修正因子，取0.8?；旌蠚怏w的相對(duì)密度為1.02～1.06，取1.04。

按10萬(wàn)m3污水干污泥產(chǎn)生量為15 t計(jì)算，其中COD含量為6 400 kg，則將產(chǎn)生的CO2排放量為：6 400×1 000×0.7×0.8/22.4×29×1.04/1 000=4 825.6（kg）=4.83（t）。

綜上，深度脫水-填埋工藝碳減排總量為：14.30-3.86-4.83=5.61（t）。

4 結(jié)束語(yǔ)

污泥深度脫水有利于污泥后續(xù)處置，減少后續(xù)處置的耗能，有效降低污泥處理處置過(guò)程中的COD排放和碳排放。處理量為10萬(wàn)m3/d污水處理廠產(chǎn)生的污泥經(jīng)深度脫水-焚燒、深度脫水-填埋工藝進(jìn)行合理有效的處理處置，每日COD排放量將減少5.52 t；經(jīng)深度脫水-焚燒工藝處理處置，每日CO2排放量將減少26.06 t；經(jīng)深度脫水-填埋工藝處理處置，每日CO2排放量將減少5.61 t。污泥經(jīng)深度脫水后，減小了處理規(guī)模和占地面積，降低了污泥轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中泥餅處置成本和能耗，隨著污泥量的不斷增加，處理處置要求的不斷提高，節(jié)能減排的重要性愈加突出，污泥深度脫水工藝將具有更廣泛的應(yīng)用前景。

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COD and Carbon Emission Reduction in Sludge Deep Dewatering Treatment and Disposal

Liu Peng1,Zhu Nairuo1,Xiong Wei1,Liu Huan1,Li Yalin1,Shi Yafei1,Li Ye2,He Shu2,Yang Jiakuan1
（1.School of Environmental Science&Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan Hubei 430074;2.Universtar Science&Technology(Shenzhen)Co.,Ltd.,Shenzhen Guangdong 518057）

Sludge deep dewatering process can lower the water content of sludge cakes to 40%～55%,which is conductive to subsequent sludge disposal while reducing COD and carbon emissions.For the sewage sludge from a wastewater treatment plant with the capacity of 100 000 m3/d,COD emission can be reduced by 5.52 t/d and CO2emission can be reduced by 26.06 t/d and 5.61 t/d,respectively,after effective treatment and disposal by deep dewatering-incineration process and deep dewatering-landfill process.

sludge deep dewatering；energy saving；COD emission reduction；carbon emission reduction

X703

A

1005－8206（2012） 01－0009－04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51078162）；大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)基金（01-09-261921）

2011-09-22

劉鵬（1988—），華中科技大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)08級(jí)本科生。從事基于骨架構(gòu)建體的污泥脫水同步固化性能研究，主要負(fù)責(zé)污泥脫水調(diào)理劑的研究、配比優(yōu)化及探索脫水過(guò)程中有機(jī)物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

E-mail：niupeng.11@foxmail.com。

（責(zé)任編輯：劉冬梅）