污泥焚燒前處理技術(shù)的能耗研究

盧 寧，魏婧娟

（1.寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司；2.銀川市節(jié)水設(shè)施推廣中心，銀川 750001）

由于土地資源緊張和環(huán)境污染，大城市的污泥填埋比例逐漸下降，而焚燒比例逐漸上升，其成為發(fā)達(dá)國家主要的污泥處置手段之一，但污泥含水率高導(dǎo)致焚燒效率低、對(duì)焚燒爐腐蝕大和熱值利用率低等。高干脫水后的污泥可為后續(xù)處置帶來諸多方便，并有著廣泛的應(yīng)用。例如，流化床污泥焚燒廠可以使用脫水污泥，燃煤發(fā)電廠和垃圾焚燒廠可以使用脫水或干化污泥。

我國垃圾焚燒技術(shù)、裝備的研究與開發(fā)尚處于初級(jí)階段，國產(chǎn)化水平不高，而進(jìn)口裝備價(jià)格高昂，匹配性差。焚燒所需的投資和運(yùn)行成本高昂，加上高風(fēng)險(xiǎn)和高操控要求等，限制了其在污泥處置中的應(yīng)用。

1 國外電滲透脫水機(jī)能耗比較

1.1 電能效率計(jì)算

1 t含水率為85%的污泥，其中含有850 kg的水和150 kg的干泥。850 kg水由20℃加熱到70℃需要178500 kJ熱量，150 kg干泥由20℃加熱到70℃需要7875 kJ熱量，5 kg水在70℃條件下蒸發(fā)需要11656 kJ熱量，合計(jì)為198031 kJ，在熱效率為100%的條件下，其相當(dāng)于55 kW·h的電量。大約有37%的電能被用來加熱污泥和蒸發(fā)水分，再考慮水的電解等其他方式的電耗，因此僅有不到63%的電能被真正用于電滲透脫水。

表1 電能效率的計(jì)算

1.2 污泥計(jì)算示例

以日產(chǎn)500 t含水率為85%的污泥的污水處理廠為例，采用電滲透脫水技術(shù)，使含水率降低到60%，然后采用衛(wèi)生填埋進(jìn)行最終處置，計(jì)算污泥處理費(fèi)。相關(guān)參數(shù)如表2所示。計(jì)算結(jié)果如下。

表2 污泥處理相關(guān)參數(shù)

1.2.1 電脫水處理前

泥餅運(yùn)輸費(fèi)：500×15=7500元/d，泥餅處置費(fèi)：500×60=30000元/d。以上兩項(xiàng)合計(jì)為37500元/d，折算到每噸污泥為75元/t，折算到每噸污水為0.05元/m3。

1.2.2 電脫水處理后

脫水后泥餅質(zhì)量：500×（1-85%）÷（1-60%）=187.5 t。電滲透脫水機(jī)電耗：150×500×0.65=48750元/d，泥餅運(yùn)輸費(fèi)：187.5×15=2812.5元/d，泥餅填埋處置費(fèi)：187.5×60=11250元/d。以上三項(xiàng)合計(jì)為62812.5元/d，折算到每噸污泥為125.6元/t，折算到每噸污水為0.084 元/m3。

1.3 加拿大CINETIK電滲透污泥脫水技術(shù)

圖1 加拿大CINETIK污泥脫水機(jī)示意圖

如圖1所示，加拿大CINETIK污泥脫水機(jī)的脫水方式為間歇式，污泥從左邊的進(jìn)料斗進(jìn)入，待到達(dá)出泥口停止。隨即進(jìn)行電滲透脫水，待脫水一段時(shí)間后，脫水后的泥餅隨履帶排出，電滲透脫水過程結(jié)束。加拿大CINETIK污泥脫水機(jī)的能耗匯總?cè)绫?所示。

表3 加拿大CINETIK污泥脫水機(jī)的能耗匯總

1.4 韓國污泥電滲透脫水技術(shù)

韓國污泥電滲透脫水的能耗匯總?cè)绫?所示。

表4 韓國污泥電滲透脫水的能耗匯總

滲透在實(shí)際應(yīng)用中還存在能耗較高的問題。能耗高制約電滲透脫水技術(shù)的發(fā)展，因此很多專家試圖通過改變操作條件或添加電解質(zhì)來降低能耗。

1998年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)及工業(yè)研究組織（CSIRO）的科學(xué)家S Miller、A Murphy、C Veal and M Young做了關(guān)于電滲透脫水提高污泥脫水效率的報(bào)告，其中，對(duì)于四個(gè)污水廠的不同污泥，嘗試采用增加壓力、調(diào)整處理時(shí)間、增加纖維材料或電解質(zhì)等方法降低電耗。

1.5 不同國家電滲透能耗比較

從表5可以看出，2號(hào)樣機(jī)的脫水能耗與加拿大ETIK污泥脫水機(jī)的能耗相當(dāng)，但是與韓國技術(shù)相比還有一定的差距。原因可能是韓國脫水機(jī)的運(yùn)行電壓在70 V。

表5 不同國家電滲透污泥脫水機(jī)的能耗比較

1.6 結(jié)果匯總分析

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樣機(jī)電耗隨脫水泥餅固體含量的增加而增加，并呈較好的線性關(guān)系。當(dāng)污泥含固率降為40%時(shí)，電能總消耗在1564～2000 kW·h/tDS；污泥含固率降為35%時(shí)，電能消耗在1122～1450 kW·h/tDS。最有效的能量利用率往往是在較低的泥餅含固率下達(dá)到的，例如，在最終固體濃度為25wt%時(shí)，能量消耗僅為237～446 kW·h/tDS。通過對(duì)加拿大、韓國電滲透脫水機(jī)比較，筆者發(fā)現(xiàn)，樣機(jī)的脫水能耗與加拿大ETIK污泥脫水機(jī)的能耗相當(dāng)，但是與韓國技術(shù)相比還有一定的差距。

2 電滲透高干脫水機(jī)與熱干化能耗費(fèi)用比較

污泥焚燒是最徹底的一種污泥處理工藝，它成為發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用的污泥處置技術(shù)。污泥的焚燒需要經(jīng)過污泥干化和污泥焚燒兩個(gè)階段。現(xiàn)階段，污泥焚燒前主要采用污泥加熱干化處理技術(shù)。作為污泥焚燒工藝的前處理設(shè)備，電滲透高干脫水機(jī)有顯著的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 高干脫水機(jī)（電滲透污泥脫水機(jī)）優(yōu)點(diǎn)

2.1.1 低含水率，低成本

將80%～85%的原壓濾污泥脫水后，其可以達(dá)到60%的含水率，并實(shí)現(xiàn)以下預(yù)期目標(biāo)。一是運(yùn)行成本低。由于實(shí)現(xiàn)了水分的電滲透脫水，脫水的電流效率大大提高，為低成本運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，由于與毛細(xì)吸附的耦合作用，脫水效率得到大幅度提高，為降低運(yùn)行成本創(chuàng)造了條件。二是設(shè)備成本低。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料的開發(fā)優(yōu)選，結(jié)構(gòu)顯著簡化，實(shí)現(xiàn)了高性能和低成本的統(tǒng)一。

2.1.2 操作穩(wěn)定，節(jié)省能源

電滲透污泥脫水機(jī)裝置壽命長，維修簡單。減量化要求污泥處理過程中減少資源消耗，而能源資源的短缺與價(jià)格不斷上漲對(duì)污泥的處理處置形成剛性約束。電滲透污泥脫水以電能作為能源，可有效節(jié)省不可再生資源。

2.2 能耗比較

筆者對(duì)兩種污泥焚燒前處理技術(shù)做了以下比較，有關(guān)熱力學(xué)參數(shù)如表6所示。假設(shè)電加熱的能量效率為100%，則1 kW·h電相當(dāng)于3600 kJ。

表6 有關(guān)熱力學(xué)參數(shù)

以污泥含水率由85%降低到60%為例，分別計(jì)算電滲透脫水技術(shù)和熱干化技術(shù)能量消耗費(fèi)用，如表7所示。

從表7比較可知，相同條件下，熱干化和電脫水的能源費(fèi)用相當(dāng)，在某些情況下，高干脫水能耗低于熱干化能耗。

表7 電滲透脫水技術(shù)和熱干化技術(shù)能量消耗費(fèi)用比較

3 結(jié)論

本文對(duì)電滲透高干脫水與熱干化兩種污泥焚燒前處理技術(shù)的能耗、費(fèi)用進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)相同條件下熱干化和電脫水的能源費(fèi)用相當(dāng)。高干脫水具有眾多優(yōu)點(diǎn)，可作為污泥焚燒的前處理方法之一。