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    太陽能光熱資源化利用污泥處理技術(shù)

    2015-04-27 08:54:48譚忠冠
    資源節(jié)約與環(huán)保 2015年12期
    關(guān)鍵詞:碳化處理廠資源化

    譚忠冠

    (廣東金泥華牛科技有限公司廣東陽江529500)

    太陽能光熱資源化利用污泥處理技術(shù)

    譚忠冠

    (廣東金泥華牛科技有限公司廣東陽江529500)

    我國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥主要特點(diǎn)是高含水率(一般脫水污泥含水率約為80%左右),此外,污泥中豐富的有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)也日益受到重視當(dāng)今世界上,越來越多的人對(duì)“地球上的一切資源都是有限的”這一客觀存在的事實(shí)有了越來越深刻的認(rèn)識(shí)。因此,如何充分利用污泥中的有機(jī)質(zhì),使污泥的處置過程同時(shí)變成資源化的過程,從而提高污泥的綜合利用價(jià)值,是當(dāng)前污泥處置的前沿研究課題。本文對(duì)太陽能光熱資源化利用污泥處理技術(shù)的原因、特點(diǎn)進(jìn)行了綜述,并比較了國內(nèi)外相似技術(shù),并展望了其應(yīng)用前景。

    太陽能;光熱資源化;污泥處理

    1 前言

    在許多人的意識(shí)中,全球氣候變化,可能仍不過像是一個(gè)形象或寓言表達(dá)而已;聽多了,說久了就變得麻痹了,厭煩了。人們對(duì)環(huán)境氣候觀察,大多數(shù)是通過對(duì)于氣候變化直觀的感覺,或是來自宣傳或科學(xué)家推測和預(yù)言,仿佛它并非是一個(gè)直接影響人們生活的問題,離我們還很遠(yuǎn)。然而,一次哥本哈根世界氣候大會(huì),中美兩國相繼宣布減排行動(dòng)目標(biāo),讓“哥本哈根”旋風(fēng)一夜間刮便全球,讓人們對(duì)全球氣候問題又特別關(guān)注了起來,讓大家知道全球變暖形勢(shì)并不令人樂觀。為此,我國將在今年首次推出碳排放標(biāo)準(zhǔn),前不久正式發(fā)布的《碳排放權(quán)交易管理暫行辦法》,作為第一個(gè)國家排放交易體系的官方文件的正式發(fā)布,表明了中國繼續(xù)推進(jìn)碳減排的決心,也必將締造我國全新的一種節(jié)能減排經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式及無窮的商機(jī),APEC會(huì)議的北京藍(lán)將不再只是一個(gè)夢(mèng)那么遙遠(yuǎn)。

    長期以來,受認(rèn)識(shí)、資金、技術(shù)和政策等因素的影響,我國的污泥處理處置情況并不理想,很多地方單純追求較高的污水處理率,污泥處理處置單元較為簡化甚至沒有考慮。由于“重水輕泥”的思想,致使城鎮(zhèn)污水處理廠污泥的處理處置成為極其薄弱的環(huán)節(jié)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),有超過一半以上的污泥未經(jīng)過任何穩(wěn)定化處理即運(yùn)出污水處理廠,45%的污泥未經(jīng)任何控制措施直接農(nóng)用,35%的污泥直接填埋或者混合填埋,14%的污泥中含有大量的重金屬物質(zhì)、病原菌等有毒有害物質(zhì),而這些污泥最后又會(huì)回到環(huán)境中,不解決好污泥處理處置的問題,污水處理的效果只會(huì)“事倍功半”。

    絕大多數(shù)污水處理廠對(duì)大量的污泥如何安全處理、處置束手無策,由于污水處理后產(chǎn)生大量的污泥無處堆放,很多污水處理廠已經(jīng)面臨“泥”滿為患的窘境。由污水處理廠產(chǎn)生的污泥問題也日益突出,已經(jīng)引起了社會(huì)各界的高度關(guān)注。廣東省已經(jīng)立法將生活污水廠剩余污泥列為嚴(yán)控廢物進(jìn)行管理,因此,污泥的規(guī)范化處置已經(jīng)成為當(dāng)前各級(jí)政府和多數(shù)污水處理廠亟待解決的難題之一。

    實(shí)際上,污泥也是一種可以利用的資源,它可以產(chǎn)生沼氣、變成有機(jī)肥等等。國際上對(duì)污泥的處理原則都是“十二字”:減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化,而且是以“資源化”為導(dǎo)向。但由于我國的污泥監(jiān)管體系不健全,各級(jí)政府部門缺少信息溝通與數(shù)據(jù)共享,對(duì)污泥資源化利用重視還很不夠。而且由于污泥簡單填埋的費(fèi)用過低,污泥的資源化利用至今缺乏足夠的市場驅(qū)動(dòng)力,2015年我國年產(chǎn)生含水率80%左右的污泥將為3359×104t左右,國內(nèi)的絕大污水處理廠也缺少污泥處置設(shè)施和手段,大量的濕污泥隨意外運(yùn)、簡單填埋或堆放,致使許多城市“污泥圍城”。

    我國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥主要特點(diǎn)是高含水率(一般脫水污泥含水率約為80%左右),此外,污泥中豐富的有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)也日益受到重視,污泥中所含的有機(jī)物是有效的生物能源,污泥中的有機(jī)物分解產(chǎn)生的腐殖質(zhì)可以改良土壤,避免板結(jié),而污泥中豐富的氮、磷、鉀等則是植物和農(nóng)作物生長不可缺少的營養(yǎng)物。干燥的污泥可產(chǎn)生16.65~20.93MJ/t的熱能,是一種低熱值的燃料。干污泥中有機(jī)物質(zhì)含量一般可達(dá)60%~80%,未消化的生污泥的有機(jī)物質(zhì)中一般含20%~30%的蛋白質(zhì)、6%~35%的脂肪和8%~15%的碳?xì)浠衔铩.?dāng)今世界上,越來越多的人對(duì)“地球上的一切資源都是有限的”這一客觀存在的事實(shí)有了越來越深刻的認(rèn)識(shí)。因此,如何充分利用污泥中的有機(jī)質(zhì),使污泥的處置過程同時(shí)變成資源化的過程,從而提高污泥的綜合利用價(jià)值,是當(dāng)前污泥處置的前沿研究課題,污水污泥的處理處置與污泥資源化利用的相結(jié)合,將為全球碳減排作出重要貢獻(xiàn),必將成為城市污水污泥唯一的最終出路。

    2 國內(nèi)外污泥處理處置技術(shù)

    目前國內(nèi)外廣泛采用的污泥處置技術(shù)可以歸納為五大類:(1)污泥土地利用,包括污泥農(nóng)用和應(yīng)用于森林或園藝;(2)污泥填埋;(3)污泥建筑材料利用;(4)污泥焚燒;(5)熱解碳化利用。由于可使用土地面積、處理成本、越來越嚴(yán)格的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)以及資源回收政策的普及等因素,越來越多的國家普遍認(rèn)識(shí)到污泥的填埋處置不是一種可持續(xù)的發(fā)展方法,在不久的將來,對(duì)于土地匱乏的一些國家,可能僅有污泥焚燒灰是適宜于填埋的污泥形式。污泥中含有豐富的氮、磷等營養(yǎng)元素可作為農(nóng)作物或植物的肥料,但由于污泥中含有一定量的重金屬,將污泥直接施加進(jìn)入土壤可能會(huì)導(dǎo)致重金屬在土壤中的累積,并且會(huì)通過植物提取作用進(jìn)入食物鏈對(duì)人類健康造成威脅,因此污泥直接施加到農(nóng)田土壤則存在重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

    污泥最終處置的方法主要有土地利用、填埋、建材利用以及焚燒、熱解碳化等,其應(yīng)用范圍和條件見表1。

    表1 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置分類

    3 太陽能光熱資源化利用污泥處理技術(shù)

    近年來,中國城市污水處理事業(yè)獲得了長足的進(jìn)步,并且目前還處在加速發(fā)展過程中。但與此同時(shí),人們始料未及的一個(gè)問題逐漸顯示出來:污水處理后產(chǎn)生了大量的活性污泥。據(jù)估算,目前中國每天產(chǎn)生的含水率80%的污泥,重量上幾乎占到城市產(chǎn)生垃圾總量的20%,而且年增長率大于10%。根據(jù)權(quán)威報(bào)告《2014-2018年中國環(huán)保工業(yè)深度分析及發(fā)展規(guī)劃征詢主張陳述》,到2015年,全國年將產(chǎn)生含水率80%的污泥達(dá)到3359× 104t。污泥中富含營養(yǎng)元素,此外還含有大量的有機(jī)質(zhì)、重金屬、病原菌、寄生蟲(卵)等一系列的污染物質(zhì),很容易對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染。

    污水處理廠所產(chǎn)生的剩余污泥處理處置是當(dāng)今世界環(huán)保課題的一大難題,有效減低污泥含水率是課題中的一個(gè)技術(shù)瓶頸。目前,我國的污水處理廠普遍采用的機(jī)械脫水方式可將污泥含水率將至75%~80%之間,而環(huán)保部辦公廳2010年發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥污染防治工作的通知》(環(huán)辦【2010】157號(hào))中規(guī)定:污水處理廠以貯存(即不處理處置)為目的將污泥運(yùn)出廠界的,必須將污泥脫水至50%以下。含水率剩余污泥也是污水處理過程中的二次污染物。一方面,污泥中含有大量的病原菌、寄生蟲、致病微生物,以及砷、銅、鉻、汞等重金屬和二惡英、放射性核素等難以降解的有毒有害物質(zhì),由于污泥含水率高、體積大,給堆放和運(yùn)輸帶來困難,城市污泥如果處理不當(dāng)或不規(guī)范處理,如隨意棄置農(nóng)地濫用等,將對(duì)生態(tài)環(huán)境會(huì)造成嚴(yán)重的潛在威脅。另一方面,剩余污泥含有很高的有機(jī)營養(yǎng)質(zhì)和燃燒值,污泥的土地利用與能量循環(huán)利用是一種具有廣闊前景的污泥處置方法,污泥作為再生資源的有效利用是世界各國共同重視的問題,代表了人類環(huán)境生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益均衡發(fā)展的方向。

    熱干化及其它熱解技術(shù)由于污泥含水率較高,污泥熱值不能維持自身污泥干化運(yùn)行需要增加外源能源,能耗很大,運(yùn)行成本很高。電滲透干法存在設(shè)備投資、運(yùn)行成本費(fèi)用較高,設(shè)備的維護(hù)要求很高等不足之處。這些方法不是存在含水率不能達(dá)到要求就是存在運(yùn)行成本過高或增加污泥容量等缺點(diǎn)而不能滿足現(xiàn)實(shí)所需。

    因此,目前污泥深度脫水面臨的難題在于,現(xiàn)有的污泥處理技術(shù)存在工藝復(fù)雜,能耗、設(shè)備投資、運(yùn)行成本過高,并未實(shí)現(xiàn)污泥減量化,容易影響污泥的再生或后續(xù)利用,環(huán)境效益差等缺點(diǎn)。

    太陽能光熱資源化利用污泥處理技術(shù)采用將污泥的干燥與熱解分別在兩個(gè)獨(dú)立的空間進(jìn)行。通過加熱的方式使污泥在干燥室進(jìn)行階段性升溫(升至120℃左右),將污泥中的大部分水分蒸發(fā),有機(jī)物逐漸固化和碳化。然后將半干的污泥投入到熱解室中。污泥熱解是在密封、無氧、非燃燒、高溫、高壓狀態(tài)下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)過程,包括汽化、熱解、脫氫、熱縮化、炭化等反應(yīng),將污泥中剩余的水分蒸發(fā),有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w和生物炭。

    通過熱解處理,將污泥中的主要成分在熱解處理過程中轉(zhuǎn)化為可利用的冷凝水、可燃?xì)怏w和生物有機(jī)炭,使污泥成分價(jià)值最大化,使污泥處理過程中能夠產(chǎn)生剩余價(jià)值,變得有利可圖。將熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w進(jìn)行回收利用,不僅避免空氣的污染,而且還節(jié)約能源。

    該工藝流程所需熱源來自如下幾個(gè)方面:第一,利用特殊的太陽能裝置將光能直接變?yōu)闊崮埽ǘ莻鹘y(tǒng)的太陽能先轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?,再將熱能轉(zhuǎn)化為電能,最后再將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?,太陽能利用率?0%),大大提高太陽能的利用率(太陽能利用率高達(dá)60% -80%);第二,將熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w回收,直接燃燒產(chǎn)生的熱量用于干燥階段;第三,將熱解產(chǎn)生的尾氣余溫通過熱交換器用于干燥階段。整個(gè)過程的能量來源于太陽光,故大大降低污泥炭化的成本,真正解決污泥炭化成本過高的難題(污泥炭化生產(chǎn)成本往往高于活性炭市場價(jià)格,致使以往的污泥炭化只是一個(gè)噱頭,一個(gè)口號(hào),甚至是為了騙取政策扶持、科研經(jīng)費(fèi)的一種手段),本技術(shù)的應(yīng)用,使污泥炭化真正能做到市場化,也必將改寫污泥處理的歷史,成為一個(gè)里程碑式的污泥處理處置技術(shù)。

    4 太陽能光熱資源化利用污泥處理技術(shù)的特點(diǎn)

    與傳統(tǒng)的污泥處理技術(shù)、碳化技術(shù)相比,污泥太陽能熱解碳化技術(shù)具有無以倫比的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),能夠保證污泥處理徹底無害化,同時(shí)將污泥中的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化成生物炭,從而達(dá)到可持續(xù)發(fā)展和資源的循環(huán)回用的目的。其特點(diǎn)在于:

    4.1 真正實(shí)現(xiàn)徹底的無害化

    由于熱解的溫度維持在400℃左右,污泥中的病原微生物和寄生蟲卵基本被殺死,所得產(chǎn)品—生物炭化學(xué)性能穩(wěn)定,不會(huì)帶來二次污染。

    4.2 真正實(shí)現(xiàn)資源的利用化

    本技術(shù)采用永恒的清潔能源—太陽能作為能耗供給,大大降低運(yùn)行成本,且碳化的最終產(chǎn)品都是能利用的能源物質(zhì),大大提高其產(chǎn)品的價(jià)格優(yōu)勢(shì),為其市場化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

    4.3 對(duì)處理污泥的全過程具有可控性

    污泥可以在污水處理廠車間內(nèi)進(jìn)行處理,使污泥處理完全獨(dú)立進(jìn)行,不受任何外部環(huán)境影響,并且能使作為污泥處理責(zé)任主體的污水處理廠對(duì)污泥處理全過程具備可控能力,避免由于外部處理污泥單位發(fā)生的環(huán)境污染問題時(shí),負(fù)上連帶責(zé)任。另外,處理污泥設(shè)施占地面積小,適合污泥分散處理,避免運(yùn)輸過程中的環(huán)境污染問題,節(jié)約運(yùn)輸費(fèi)用。能替代不可再生能源,滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。本技術(shù)能處理各種各樣的污水污泥,不受污泥內(nèi)含物的影響,這也是其它技術(shù)所不能比擬的。

    4.4 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)有明顯優(yōu)勢(shì)

    本技術(shù)與常見的污泥處理處置技術(shù),如填埋、焚燒等在經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)方面的對(duì)比如下??偟膩碚f,本技術(shù)能處理各種各樣的污水污泥,不受污泥內(nèi)含物的影響,這也是其它技術(shù)所不能比擬的。在建設(shè)投資方面,其略高于堆肥和填埋,但是相當(dāng)于焚燒的一半左右;占地面積最小,僅為填埋的1/10,堆肥的1/6;在經(jīng)營成本方面,由于本技術(shù)具有盈利的能力,這更不是其它技術(shù)所能比擬的。

    而污泥熱解碳化技術(shù)的最終產(chǎn)品為10%左右的生物炭(市場價(jià)600元/噸)。1噸干泥通過碳化技術(shù)得出的產(chǎn)品效益為:產(chǎn)100kg生物炭,價(jià)值60元;節(jié)約污泥外運(yùn)填埋成本275元;合計(jì)創(chuàng)收價(jià)值為335元。

    5 國內(nèi)外同類技術(shù)比較

    5.1 熱解技術(shù)能源路線選擇

    熱解碳化的主要成本在于能耗,降低成本的關(guān)鍵在于是否能夠選擇和利用恰當(dāng)?shù)臒嵩矗瑫r(shí)盡量提高系統(tǒng)內(nèi)的能量熱效率,減少熱損失。一般來說,間接加熱可以使用所有的能源,其差別僅在溫度、壓力和效率。按照能源的成本,從低到高,分列如下:

    5.1.1 煙氣:來自大型工業(yè)、環(huán)?;A(chǔ)設(shè)施(垃圾焚燒爐、電站、窯爐、化工設(shè)施)的廢熱煙氣的利用是零成本能源,但受條件限制,并不是每個(gè)用戶都能擁有在這些設(shè)施附近的特殊條件,不具有廣泛應(yīng)用性;

    5.1.2 燃煤:較廉價(jià)的能源,以煙氣加熱導(dǎo)熱油或蒸汽,但相對(duì)于生產(chǎn)污泥熱解得出的產(chǎn)品廉價(jià)性而言,不具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì),且受二次污染、炭排放限制等問題的困擾;

    5.1.3 熱干氣:來自化工企業(yè)的廢能,受條件限制,并不是每個(gè)用戶都能擁有在這些設(shè)施附近的特殊條件,不具有廣泛應(yīng)用性;

    5.1.4 沼氣:可以直接燃燒供熱,價(jià)格低廉,也較清潔,但供應(yīng)不穩(wěn)定,不具有廣泛應(yīng)用性;

    5.1.5 蒸氣:清潔,較經(jīng)濟(jì),可以直接全部利用,但是將降低系統(tǒng)效率,提高折舊比例,不具有廣泛應(yīng)用性;

    5.1.6 廢油脂:能夠達(dá)到“以廢治廢”的目的,但受到法制法規(guī)不完善的限制,且管理困難,相對(duì)于生產(chǎn)污泥熱解得出的產(chǎn)品廉價(jià)性而言,不具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì),且受二次污染、炭排放限制等問題的困擾;

    5.1.7 燃油:以煙氣加熱導(dǎo)熱油或蒸汽,或直接加熱利用,相對(duì)于生產(chǎn)污泥熱解得出的產(chǎn)品廉價(jià)性而言,得不償失,不具有市場化的前景,且受二次污染、炭排放限制等問題的困擾;

    5.1.8 天然氣:清潔能源,但是價(jià)格最高,以煙氣加熱導(dǎo)熱油或蒸汽,或直接加熱利用。相對(duì)于生產(chǎn)污泥熱解得出的產(chǎn)品廉價(jià)性而言,得不償失,不具有市場化的前景。

    針對(duì)上述能源利用分析的結(jié)果,污泥資源化利用的產(chǎn)品的價(jià)值并沒有達(dá)到以上這些能源的利用價(jià)值,這也是污泥炭化處理處置得不到市場認(rèn)可的重要原因之一,也是污泥資源化利用一直是一個(gè)口號(hào)、一個(gè)目標(biāo),而并沒有得到真正重視與實(shí)施的重要原因。在此背景下,本研究結(jié)果利用永恒的清潔能源——太陽能,作為熱能,通過特有的太陽能集熱裝置、特殊的高壓高溫污泥熱解碳化爐,將污泥真正變廢為寶,生產(chǎn)出生物炭、甲烷、氫氣、輕質(zhì)建材材料等有用物質(zhì)。本污泥太陽能熱解碳化處理技術(shù)已申請(qǐng)國家發(fā)明專利,本技術(shù)的問世,必將改寫污泥處理處置的歷史,將成為污泥處理里程碑式的技術(shù)。

    5.2 幾種熱解碳化技術(shù)運(yùn)行成本對(duì)比分析

    表2 含水率80%剩余污泥幾種碳化技術(shù)運(yùn)行成本對(duì)照表單位:元/噸污泥

    5.3 太陽能光熱碳化污泥處理技術(shù)與其它技術(shù)經(jīng)濟(jì)比對(duì)分析則各種碳化技術(shù)經(jīng)濟(jì)盈利情況如表3:

    表3 幾種碳化技術(shù)經(jīng)濟(jì)盈利表(1t含水率80%的污泥盈利情況)

    表4 太陽能熱解技術(shù)與其它污泥處理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

    6 結(jié)語

    太陽能熱解碳化技術(shù)作為一種全新的處理技術(shù),其產(chǎn)物包括氣、液、渣三部分,都具有綜合利用的可能。其中可燃?xì)饪梢曰厥?,冷凝水可以作為工業(yè)用水回用,殘?jiān)锾恳簿哂袕V泛的用途,起到真正的以廢治廢的資源化利用的目的。

    隨著政策面“重水輕泥”的長期偏向性問題的逐漸改善,政策傾斜下污水處理費(fèi)用的逐漸提高,污泥產(chǎn)量的不斷攀升以及技術(shù)的趨于成熟,未來幾年污泥行業(yè)的發(fā)展速度將逐漸增快。

    預(yù)計(jì)到2015年,我國污泥產(chǎn)量將達(dá)到14.28×104t/d(含水80%),干泥產(chǎn)量1300×104t/a。“十三五”期間,行業(yè)總投資規(guī)模將超過600億元。如果利用本技術(shù),將至少產(chǎn)生100×104tce/a(按500元/噸計(jì)算,可創(chuàng)利5億元/年),50×104t天然氣/年(按2000元/噸計(jì)算,可創(chuàng)利10億元/年),850×104t建材原料(陶粒等)/年(按200元/噸計(jì)算,可創(chuàng)利17億元/年。還意味著至少每年減少78×104t的碳排放。

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