從污泥成分構(gòu)成角度研究焚燒處理可行性

李倩

摘要：傳統(tǒng)的污泥處理方法有農(nóng)用堆肥、土地填埋、填海和焚燒等。與以上幾種污泥處理方法相比，采用焚燒法處理污泥具有減容化。經(jīng)試驗(yàn)表明，大連市某污水處理廠污泥中水分及氮、硫等元素占污泥比重及污泥燃燒值都符合焚燒處理要求。

關(guān)鍵詞：污泥焚燒；資源化；污泥成分

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）26-0072-03

污泥來源通常分為三種，即來自江河湖泊自然污泥、化工廠等產(chǎn)生工業(yè)污泥以及城市生活污泥，例如城市污水處理廠產(chǎn)生污泥。

傳統(tǒng)的污泥處理方法有農(nóng)用堆肥、土地填埋、填海和焚燒等。與以上幾種污泥處理方法相比，采用焚燒法處理污泥具有減容化、無害化、快速化、便利化、能源化、多用性等特點(diǎn)。

以污泥處理效率高、污泥減量化效果明顯而著稱的污泥焚燒技術(shù)已被世界各國認(rèn)定為污泥處理最佳途徑之一，其能源再利用的特性以及我國在污泥處理過程中提出的“資源化、減量化、無害化”三化原則也使其成為污泥處理的主流技術(shù)而被廣泛應(yīng)用。

1 污泥焚燒處理工藝流程

工藝流程如圖1所示。從圖1中可見，污泥焚燒工藝所需的主要設(shè)備有流化床焚燒爐、干燥機(jī)、余熱鍋爐、靜電除塵器、準(zhǔn)煙氣洗滌裝置、煙囪等幾部分。

經(jīng)測定大連市某污水處理廠污泥的初始含水量為75%，干燥處理后，其含水量可縮減為15%。

試驗(yàn)過程中觀察到，初始含水量為75%的污水處理廠污泥，不需借助外加助燃劑即可在流化床焚燒鍋爐中自行燃燒，而經(jīng)干燥脫水后含水量減為15%的污泥更可進(jìn)行自行燃燒，如此，在處理過程中可以使能源的浪費(fèi)減到

最低。

圖1 污泥焚燒工藝流程

2 污泥成分分析試驗(yàn)結(jié)果

以下試驗(yàn)均以大連市某污水處理廠產(chǎn)生污泥為試驗(yàn)

樣品。

2.1 污泥水分含量的測量

污泥中所含的水分包括外在水分、內(nèi)在水分和結(jié)晶水三部分。

本次試驗(yàn)水分的測定采用干燥前后重量比對(duì)的方法。

試驗(yàn)原理為：將已稱重好的污水處理廠泥樣放置于干燥機(jī)內(nèi)連續(xù)干燥2～3個(gè)小時(shí)，取出泥樣，進(jìn)行再次稱重，則水分的含量便由泥樣在干燥前后的重量差值得出。

試驗(yàn)操作步驟是：稱取10g左右的泥樣放置于110℃左右溫度的干燥機(jī)內(nèi)，經(jīng)2～3小時(shí)后取出泥樣，及時(shí)蓋好瓶蓋，置于空氣中冷卻片刻，再次放置于干燥機(jī)內(nèi)冷卻，30分鐘后，降至室溫，再次對(duì)泥樣進(jìn)行稱重。這種試驗(yàn)方法測定的泥樣水分含量為除去結(jié)晶水、但包含外在水分和內(nèi)在水分的污泥水分含量。

2.2 污泥灰分含量的測量

灰分是污泥在完全燃燒后殘留的物質(zhì)。

本次試驗(yàn)灰分含量的測量也是用重量比對(duì)的方法。

試驗(yàn)原理為：將污水處理廠泥樣放置于溫度調(diào)節(jié)在815℃左右的電爐中，將其灼燒1小時(shí)左右，然后測量泥樣灼燒前后的重量，差值即為污泥灰分含量。

試驗(yàn)操作步驟為：稱取1±0.1g的泥樣放入恒重器皿中，將其放入電爐中，先調(diào)節(jié)其溫度不超過100℃，然后將電爐爐門開啟約15mm的小縫隙，此時(shí)，將電爐的溫度在約30分鐘之內(nèi)調(diào)節(jié)到500℃，在此溫度下，繼續(xù)加熱30分鐘后使電爐的溫度逐步升至815℃±10℃，關(guān)閉電爐爐門繼續(xù)灼燒1小時(shí)，然后將盛放泥樣的器皿取出并冷卻5分鐘，然后再次放入干燥機(jī)內(nèi)使其冷卻至室溫，最后對(duì)泥樣再次稱重，重量減少值即為污泥中灰分含量。

2.3 污泥中的揮發(fā)物含量測量

污泥在被加熱過程中產(chǎn)生的所有氣態(tài)物質(zhì)被統(tǒng)稱為污泥中揮發(fā)物質(zhì)。

污泥中揮發(fā)污水含量的測定亦采用重量比較的方法。

試驗(yàn)原理是：將泥樣放置在高溫900℃下，加熱10分鐘左右，然后稱重，與試驗(yàn)前泥樣重量比較而求得污泥中揮發(fā)物的含量。

具體試驗(yàn)步驟為：將1±0.1g的泥樣樣品放入帶有嚴(yán)密蓋子的干鍋之中，再將其放置于預(yù)先加熱至高溫900℃的電爐中，在電爐中加熱7分鐘左右將其取出，冷卻約5分鐘，再次放入干燥機(jī)中，經(jīng)20～30分鐘后冷卻至室溫，最后對(duì)泥樣再次稱重，重量減少值即為污泥中揮發(fā)物質(zhì)含量。

2.4 污泥的元素分析

2.4.1 碳、氫含量的測定。碳、氫含量的測定多采用“燃燒法”，即把污泥樣品置于燃燒管中濕氣完全燃燒，然后從燃燒生成物二氧化碳與水蒸汽的含量中計(jì)算出碳和氫的含量。具體操作為先將盛污泥樣品（0.2g）的瓷盤放入燃燒管中，通入氧氣，使樣品在800℃溫度下充分燃燒（為保證某些熱解產(chǎn)物充分燃燒，還需在燃燒管中填充氧化劑如加熱的氧化銅等）；燃燒生成物二氧化碳和水蒸汽分別用吸水劑（氯化鈣等）和二氧化碳吸附劑（鈉石灰等）予以吸收；然后根據(jù)吸收劑的增重計(jì)算出碳、氫的百分?jǐn)?shù)含量。

2.4.2 氮含量的測定。測定氮的方法很多，但都不能獲得很準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。目前應(yīng)用較多的是常量測定方法（亦稱開氏法）：在濃硫酸中并在催化劑（硫酸銅等）的作用下，污泥中的有機(jī)質(zhì)被氧化而生成二氧化碳和水等物質(zhì)，氮?jiǎng)t被轉(zhuǎn)化成氨，隨即與硫酸作用而生成硫酸氫銨（消化反應(yīng)）；如加入過量的氫氧化鈉中和硫酸，氨則可以從氫氧化鈉中蒸餾出來（蒸餾反應(yīng)）；然后利用吸收劑（硼酸等）將氨吸收（吸收反應(yīng)）；再用酸堿滴定法求出污泥中的含氮量（滴定反應(yīng)）。

2.4.3 硫含量的測定。全硫分測定通常用“艾氏法”，即用艾氏混合劑（碳酸鈉和氧化鎂的混合物）與污泥試樣混勻并緩慢燃燒促使其中的硫轉(zhuǎn)化成硫酸鈉和硫酸鎂。做法是把1g的污泥試樣與2g艾氏混合劑在坩堝中混勻，放入加熱爐中加熱至800℃～850℃；保溫灼燒1.5～2小時(shí)，然后取出冷卻；燃燒后應(yīng)檢查是否有黑色顆粒，如有則再繼續(xù)灼燒。燃燒后的產(chǎn)物經(jīng)過濾、清洗，并制成微酸性濾液（加甲基橙指示劑、鹽酸溶液）；加入10mL，10%的氯化鋇熱溶液（沉淀作用），使產(chǎn)生的硫酸鋇沉淀溶液加熱至微沸狀態(tài)，并保溫2小時(shí)，即可在進(jìn)行過濾、清洗。然后將沉淀物與濾紙放入爐中，使濾紙灰化，并升溫使沉淀物灼燒（20分鐘），稱重。

2.4.4 氧含量的測定。氧的含量一般不直接測定，而是采用差減法予以確定，即：

式中：

Wf——試樣中水分的百分?jǐn)?shù)含量

Af——試樣中灰分的百分?jǐn)?shù)含量

2.5 污泥的發(fā)熱量的測定

發(fā)熱量測定的原理較簡明，即把試樣在一個(gè)充氧的容器（通稱氧彈）中燃燒，氧彈浸沒于水中，則可由水溫的升高值計(jì)算出污泥散發(fā)的熱量值。

在高壓、高溫的試驗(yàn)條件下，氧彈中燃燒的泥樣，硫元素被氧化生成硫酸、氮元素被氧化生成硝酸都會(huì)釋放出大量的熱量，氣態(tài)水在高壓下變?yōu)橐簯B(tài)水，也會(huì)釋放出熱量。而假設(shè)泥樣在空氣中燃燒，硫元素則生成二氧化硫氣體，氮元素會(huì)變?yōu)橛坞x氮而蒸發(fā)，水蒸氣也不會(huì)變?yōu)橐簯B(tài)水而釋放熱量。由此可見，污泥釋放的熱量分為下面三種情況：含括以上三方面釋放熱量的，被稱為氧彈發(fā)熱量（Qyd）；不包含硫酸和硝酸生成過程釋放熱量的，被稱為高位發(fā)熱量（Qgw）；以上幾種釋放熱量的情況都不包括的，被稱為低位發(fā)熱量（Qdw）。

一般情況下，在進(jìn)行鍋爐熱力計(jì)算時(shí)，我們多采用低位發(fā)熱量。

目前，在國際上計(jì)算低位發(fā)熱量的公式很多，但基本都存在些許誤差，通過多方面比較，我們選擇煤炭科學(xué)研究院北京化學(xué)研究所推薦的公式，誤差一般不超過600kJ/kg。該統(tǒng)一半經(jīng)驗(yàn)公式可寫為：

Qrgw=335（327）Cr+1298（1256）Hr+63Sr-105Or-21（Ag-10）kJ/kg

公式中，對(duì)于Cr>95%或Hr≤1.5%的污泥，Cr前采用括號(hào)內(nèi)的系數(shù)；對(duì)于Cr<77%的污泥，Hr前采用括號(hào)內(nèi)的系數(shù)；對(duì)于Ar>10%的污泥，才減去最后一項(xiàng)灰分修正值。

經(jīng)以上試驗(yàn)，得出大連市某污水處理廠污泥的成分及元素含量如表1所示：

由以上數(shù)值可以通過煤炭科學(xué)研究院北京化學(xué)研究所推薦的統(tǒng)一半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出，污泥的熱值為

15124.76kJ/kg。

3 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)大連市某污水處理廠污泥焚燒工藝分析計(jì)算，初步得到如下技術(shù)指標(biāo)：

（1）污泥中的碳、氫、氧、氮、硫元素等揮發(fā)分占污泥比重的57.82%。

（2）污泥燃燒熱值可達(dá)15124.76kJ/kg，在通風(fēng)良好的條件下不需助燃劑即可燃燒。

（3）用焚燒法能夠大量處理該廠污泥，每天可處理大約120噸生污泥。

（4）處理5000kg污泥，焚燒后的剩余爐渣不足300kg，占地面積小，基本上達(dá)到了污泥的減容化處理。剩余灰渣可用于低凹地區(qū)的土地填埋，還可以用于制作建材如制磚等。

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