濕式空氣氧化法處理城市污水廠污泥的可行性分析

胡林龍

摘要：隨著我國(guó)城市污水處理廠的污泥產(chǎn)生量劇增，污泥處理處置成為環(huán)境保護(hù)的熱點(diǎn)。就濕式空氣氧化法處理城市污水廠污泥進(jìn)行可行性分析，闡述了該方法的原理和工藝流程，分析了處理城市污水處理廠污泥的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。濕式空氣氧化法在處理城市污水廠污泥上，能實(shí)現(xiàn)污泥的“穩(wěn)定化、減量化、無(wú)害化、資源化”，處理速度快;經(jīng)濟(jì)上比焚燒、干化等其他污泥處理方法投資運(yùn)行費(fèi)用低。

關(guān)鍵詞：污泥;濕式空氣氧化法;可行性

中圖分類號(hào)：X7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9941（2018）8-0049-03

1 引言

隨著我國(guó)污水處理設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，污泥產(chǎn)生量日益增加。截至2014年底，我國(guó)城市污水處理能力達(dá)到13807萬(wàn)t/日，污泥的年產(chǎn)生量已經(jīng)超過(guò)3000萬(wàn)t[1]。市政污泥作為污水處理的產(chǎn)物，一般來(lái)源于初沉池和二沉池，不僅含水率高，且含有大量的病原微生物及銅、鋅、鉻等重金屬。假如污泥得不到合適的處理處置，將帶來(lái)土壤及地下水污染、疾病傳染等環(huán)境衛(wèi)生問(wèn)題，具有巨大的潛在危害性。同時(shí)，污泥中又含有大量的N、P及有機(jī)物等營(yíng)養(yǎng)元素，經(jīng)過(guò)合適的技術(shù)處理電可以作為一種可用資源。

西方發(fā)達(dá)國(guó)家由于工業(yè)化進(jìn)程早，對(duì)污泥的處理處置技術(shù)先進(jìn)，處理程度較高，其污泥的最終處置方法為土地利用、填埋、污泥農(nóng)用、焚燒及綜合利用等。我國(guó)污泥處理起步較晚，處理設(shè)施少，絕大多數(shù)污水廠污泥處理部分只是簡(jiǎn)單地進(jìn)行濃縮脫水后外運(yùn)，污泥處理設(shè)施和污水廠同時(shí)建造的案例很少。但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的發(fā)展，市政基礎(chǔ)設(shè)施的投資增加，加之污泥污染問(wèn)題嚴(yán)峻，污泥的處理處置引起社會(huì)各方的關(guān)注，國(guó)家出臺(tái)多項(xiàng)污泥處理處置的法律法規(guī)和政策，日前我國(guó)的污泥處理處置技術(shù)也層出不窮，本文就濕式空氣氧化法（Wet air oxidation，簡(jiǎn)稱WAO）處理城市污水處理廠污泥這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行可行性分析。

2 濕式空氣氧化法技術(shù)簡(jiǎn)介

將待處理的污泥、廢水、有機(jī)固廢等置于密閉的容器中，在高溫（125℃～320℃）和高壓（0.5～10 MPa）條件下用空氣或純度較高的氧作為氧化劑，采用化學(xué)方法將其中有機(jī)物降解的處理方法，叫做濕式氧化法（Wet oxidation，簡(jiǎn)稱WO），其中以空氣作為氧化劑又叫做濕式空氣氧化法（Wet air oxidation，簡(jiǎn)稱WA0）。較高的溫度促使反應(yīng)速度劇增，使有機(jī)物可以在數(shù)秒內(nèi)被氧化分解，而較高的壓力則保證反應(yīng)在液相中進(jìn)行。

從1958年F.J.Zimmermann[2]首次采用濕式氧化法處理造紙黑液，到目前世界上采用這種工藝建成的W0工廠已有200多家，廣泛的應(yīng)用于石化廢堿液、農(nóng)藥生產(chǎn)廢水、丙烯晴生產(chǎn)廢水、焦化廢水以及城市污泥的處理。

第一座以空氣為氧化劑的污泥熱處理裝置于1967年在賓州的萊維城建成的[3]。在濕式空氣氧化法處理活性污泥過(guò)程，通過(guò)研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)了一些規(guī)律：淀粉較容易地被分解，而木質(zhì)素卻在相同條件下不易降解，反而能夠在200℃以上與淀粉一樣較易地降解。在200℃以下，蛋白質(zhì)和比較粗的纖維素同樣不易被氧化分解，卻在溫度升高至200℃以上時(shí)，二者同樣也同淀粉一樣較易被氧化了。經(jīng)過(guò)研究表明，在低壓的條件下的WAO中，有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽類和氨鹽類，并且這些鹽類大部分都溶解存在于液相之中。在經(jīng)過(guò)低溫低壓的WAO系統(tǒng)的處理之后，含高濃度多氯化合物等有毒物質(zhì)的城市污泥成功地去除了99%左右的有毒有害物質(zhì)。

濕式空氣氧化法由于處理的有機(jī)物范圍廣、效果好，反應(yīng)時(shí)間短，反應(yīng)器容積小，幾乎沒(méi)有二次污染，可以回收有用的物質(zhì)和能量等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的應(yīng)用和重視。但是，由于反應(yīng)所需的溫度和壓強(qiáng)較高，一次性投資比較大，對(duì)設(shè)備和技術(shù)的要求也很高，限制了它的進(jìn)一步推廣。

3 濕式空氣氧化技術(shù)處理城市污泥工藝流程

濕式空氣氧化技術(shù)處理城市污泥的工藝流程如圖1所示。

3.1 污泥進(jìn)料存儲(chǔ)單元

經(jīng)城市污水處理廠脫水后的污泥（80%含水率）轉(zhuǎn)運(yùn)至處理廠門衛(wèi)室稱重計(jì)量后，進(jìn)入污泥儲(chǔ)庫(kù)。其作用是對(duì)污泥的計(jì)量和儲(chǔ)存。

3.2 預(yù)處理單元

污泥儲(chǔ)庫(kù)的市政污泥進(jìn)入預(yù)處理單元，首先與回流液一并進(jìn)入均質(zhì)罐內(nèi)充分混合均質(zhì)，均質(zhì)后污泥進(jìn)入濕式氧化反應(yīng)器進(jìn)行氧化反應(yīng)?；亓饕壕邆湟欢囟?，因此預(yù)處理單元一方面使污泥混合均勻，另一方面吸收回流液的熱量及提高污泥的含水率，保證污泥在后續(xù)管道中的流動(dòng)性。

3.3 氧化反應(yīng)單元

污泥在一定溫度和壓力條件下，與進(jìn)入氧化反應(yīng)器的氧化劑發(fā)生系列化學(xué)反應(yīng)，易降解的有機(jī)質(zhì)被氧化分解。反應(yīng)后的物料依靠自身的壓力通過(guò)出料口排至強(qiáng)制過(guò)濾機(jī)將其水分脫出。

溫度、壓力條件使存活于原污泥中的病毒、病菌、寄牛蟲(chóng)等有害生物被有效滅活。

3.4 活化、閃蒸單元

來(lái)自氧化反應(yīng)過(guò)程的被軟化的纖維素、木質(zhì)素在特定條件下打破，使其內(nèi)部的纖維素、半纖維素充分暴露還原，原存于物料中的有機(jī)成分如腐殖酸、N、P、K被吸附至纖維素微孔中。

在閃蒸器中，物料中的纖維素，經(jīng)膨化后，能夠最大程度的裸露出來(lái)，增加纖維素的比表面積，使最終產(chǎn)品的吸水性、持水性得到明顯的改觀，提高固體產(chǎn)物的品質(zhì)。同時(shí)，閃蒸能夠使得污泥中的微生物細(xì)胞破裂，增加污泥的脫水性能。

3.5 脫水單元

經(jīng)過(guò)氧化和閃蒸處理的市政污泥，其中的微生物細(xì)胞開(kāi)始破碎，膠體物質(zhì)開(kāi)始解體，粘度降低，胞內(nèi)水、毛細(xì)吸附水和表面吸附水大量析出，大量的有機(jī)物從非溶解的固態(tài)轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)而轉(zhuǎn)移到液相中，因此市政污泥經(jīng)水熱處理后的殘余固體的脫水性能得到顯著改善（通過(guò)機(jī)械脫水就可以將含水率降低到45%左右）。

3.6 污泥分離液處理單元

因?yàn)槲勰嗌锨逡撼仕嵝?，有機(jī)物溶解，易氧化有機(jī)物被氧化穩(wěn)定，胞外聚合物分解，重金屬大量進(jìn)入液相，通過(guò)納濾等方式將金屬離子與有機(jī)物分離，富集有機(jī)物，富集后的有機(jī)物可資源化利用，含有重金屬離子的液體則通過(guò)離了交換或化學(xué)沉淀的方法去除后循環(huán)利用或排放。此方法工藝流程簡(jiǎn)單，操作方便。

通過(guò)上述工藝流程中各單元的介紹，WAO法處理城巾_污水處理廠污泥，氧化反應(yīng)單元氧化污泥中的有機(jī)質(zhì)和滅菌，解決污泥的不穩(wěn)定性和傳染性;活化、閃蒸單元增加污泥的脫水性;上清液處理回用單元能夠去除污泥重金屬及提到污泥氮磷回收。

4 技術(shù)可行性論證

我國(guó)的政策文件《城市污水處理廠污泥處理處置最佳可行性技術(shù)導(dǎo)則》中，提出污泥應(yīng)以“穩(wěn)定化、減量化、無(wú)害化”為目的，但應(yīng)盡可能利用污泥中的物質(zhì)和能量，以減少投入和節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)其“資源化”?，F(xiàn)就濕式空氣氧化法處理城市污泥這一技術(shù)可行性分析。

4.1 穩(wěn)定化分析

穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在污泥的物理穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定、生物穩(wěn)定性等3個(gè)方面。經(jīng)過(guò)高溫氧化，容易氧化的有機(jī)物和有機(jī)氣體等均反應(yīng)完，剩余的有機(jī)物主要是水源性腐殖質(zhì)、纖維類和熱穩(wěn)定性高的有機(jī)物，處理后的產(chǎn)物可以長(zhǎng)期堆放而不會(huì)發(fā)臭。

4.2 污泥減量化分析

由于高溫氧化及閃蒸膨化的處理，污泥最難脫除的細(xì)胞胞內(nèi)水得到釋放。污泥經(jīng)離心脫水后，污泥的含水率為40%，在含水率80%的基礎(chǔ)上體積和質(zhì)量減量60%以上，即如果80%含水率的原泥處理量為100 t，則處理后固體產(chǎn)品的產(chǎn)量不到30 t。

4.3無(wú)害化分析

無(wú)害化的評(píng)價(jià)可以從酸堿腐蝕性、生物穩(wěn)定性、有害物溶出性等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。反應(yīng)前污泥的pH值為7.5，反應(yīng)后pH值為6.7，在6～9范圍內(nèi)。同時(shí)，溫度、壓力條件使存活于原污泥中的病毒、病菌、寄牛蟲(chóng)等有害生物被有效滅活，反應(yīng)后泥中細(xì)菌病菌等殺滅率為100%，不含微生物體和病原菌。

4.4 資源化分析

資源化根據(jù)綠化園林用泥的標(biāo)準(zhǔn)，主要考查兩個(gè)方面，一是污泥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（N、P）和有機(jī)物含量;二是重金屬含量。

通過(guò)控制反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間，總COD去除率有20%，實(shí)現(xiàn)了易反應(yīng)有機(jī)物的濕式氧化;易降解有機(jī)物被氧化分解，有機(jī)物降解率為21.7%;由于只氧化了有機(jī)物中不穩(wěn)定的部分，產(chǎn)物的有機(jī)物含量仍然較高，達(dá)33.7%。產(chǎn)物具有較高的利用價(jià)值。同時(shí)，經(jīng)過(guò)高溫水熱處理后的磷元素，大多以磷酸鹽的形式吸附和殘留在固體表面，含氮的化合物則主要進(jìn)入分離液。分離液在經(jīng)過(guò)重金屬脫除后，可以回流到污水處理廠作為碳源的補(bǔ)充。從而實(shí)現(xiàn)了污泥的固體和液體的資源化。

5 經(jīng)濟(jì)可行性分析

目前，我國(guó)濕式氧化法處理污泥工業(yè)化項(xiàng)目有北京南口污水處理中心污泥資源化項(xiàng)日和浙江海寧城市污水處理廠污泥處理工程。其中，北京南口污水處理中心污泥資源化項(xiàng)目主要指標(biāo)是處理量：50 t/d，含水率80%;日產(chǎn)資源化產(chǎn)品：15 t/d;設(shè)備占地面積：600 m2;處理周期：約1h，可以做到日產(chǎn)日清;污泥處理電耗：80～90 kwh/t。

海寧城市污水處理廠污泥處理項(xiàng)目[4]處理量100t/d，總投資2800萬(wàn)元，污泥處理費(fèi)用170元/t。另外李維成[5]對(duì)濕式氧化進(jìn)行初步經(jīng)濟(jì)分析，包含系統(tǒng)折舊的污泥（含水率80%）綜合處理成本約為130元/t。通過(guò)對(duì)污泥焚燒和污泥濕式空氣氧化（ WAO）進(jìn)行深度對(duì)比，如表1所示。

通過(guò)表1的經(jīng)濟(jì)分析，WAO處理城市污水廠污泥具備投資低運(yùn)行費(fèi)用低，占地少。但是由于WAO處理工藝對(duì)管道和壓力容器的使用多，在運(yùn)行和操作上要求更高。綜合來(lái)講，WAO法與傳統(tǒng)的焚燒、干化等污泥處理工藝比較，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）濕式空氣氧化法作為污泥處理的一種新方法，在我國(guó)的實(shí)際工程較少。該方法以空氣作為氧化劑，在高溫高壓反應(yīng)器中對(duì)污泥的有機(jī)物進(jìn)行氧化，通過(guò)閃蒸、脫水等后續(xù)環(huán)節(jié)，達(dá)到污泥的穩(wěn)定化、減量化、無(wú)害化及資源化，技術(shù)成熟可行。

（2）濕式空氣氧化法的主要設(shè)備有污泥存儲(chǔ)容器、氧化反應(yīng)器、閃蒸罐、脫水設(shè)備、換熱設(shè)備及空氣壓縮設(shè)備，固定投資約40萬(wàn)元/t;運(yùn)行費(fèi)用主要在加熱的電耗，換熱設(shè)備能耗及分離液重金屬去除藥劑費(fèi)等，處理成本約170元/t。與其他污泥處理方法比較，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，該處理方法占地面積小，污染物排放低，隨著我國(guó)污泥處理的需求增加，會(huì)有更多的實(shí)際工程出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[5]李維成，污泥濕式氧化試驗(yàn)研究及經(jīng)濟(jì)性分析[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2018，18（38）.