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 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
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。
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
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。
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
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。
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)。
2.1.1 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。
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
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。