城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置新技術(shù)介紹

■文 / 李建軍 馬嘉樂(lè) 董芳

隨著污泥問(wèn)題的凸顯和國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)日漸重視，中國(guó)污水處理力度逐漸加大，隨之產(chǎn)生污泥處理和處置的新技術(shù)，如熱水解技術(shù)、碳化技術(shù)、超聲破解技術(shù)、氣化技術(shù)、超臨界水氧化技術(shù)、水熱干化技術(shù)等，為城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理提供了新的思路和方法。

一、污泥熱水解技術(shù)

污泥熱水解技術(shù)最初用于改善污泥的脫水性能從而實(shí)現(xiàn)污泥的末端減量，隨后末端減量化與資源化并重，獲取反硝化碳源的處理方式也是在資源化利用水解液的同時(shí)實(shí)現(xiàn)末端污泥的減量化?；谖⑸镫[性生長(zhǎng)的污泥減量技術(shù)是污泥的首端控制減量技術(shù)，符合時(shí)代發(fā)展的要求。傳統(tǒng)的污水處理廠將污泥作為二次污染物單獨(dú)處理，在一定程度上造成重視污水處理而忽視污泥處理的局面，而基于微生物隱性生長(zhǎng)的污泥減量技術(shù)則將污水和污泥作為一個(gè)整體對(duì)象來(lái)看待，對(duì)污染物進(jìn)行統(tǒng)一處理，因此能實(shí)現(xiàn)徹底的污染控制，污泥熱水解技術(shù)有進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、應(yīng)用的潛力。

熱水解處理技術(shù)是污泥經(jīng)高壓蒸汽預(yù)處理，溶解污泥中的膠體物質(zhì)，破碎細(xì)胞物質(zhì)，水解大分子物質(zhì)，使污泥性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的變化。熱水解處理技術(shù)的工藝流程主要包括混勻預(yù)熱、水解反應(yīng)和泄壓閃蒸三個(gè)步驟。污泥首先經(jīng)過(guò)離心脫水機(jī)或壓濾機(jī)進(jìn)行脫水使含固率達(dá)到14%-18%，用泵輸送到攪拌罐中進(jìn)行混勻預(yù)熱，預(yù)熱后的污泥約為100℃。然后將污泥輸送到主反應(yīng)罐中，用熱蒸汽對(duì)反應(yīng)罐中的污泥進(jìn)行加熱加壓，達(dá)到溫度為180℃左右，壓力約為10bar時(shí)反應(yīng)約30min，經(jīng)熱水解反應(yīng)能夠溶解污泥中的膠體物質(zhì)降低黏度，并且將復(fù)雜的有機(jī)物水解為易于生物降解的簡(jiǎn)單有機(jī)化合物。最后一步為泄壓閃蒸，利用反應(yīng)罐中的壓力和閃蒸罐中的壓力差，將污泥輸送到閃蒸罐中閃蒸，將閃蒸罐中產(chǎn)生的蒸汽回送到攪拌罐中與新污泥混勻加熱，實(shí)現(xiàn)熱回收降低能耗。

傳統(tǒng)熱處理一般在200-250℃，能耗較大，同時(shí)臭氣、高濃度的水解液處理困難，腐蝕性及運(yùn)行中易堵塞等問(wèn)題導(dǎo)致熱處理逐漸被淘汰，熱水解處理技術(shù)克服了傳統(tǒng)熱處理的缺點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

熱水解污泥處理技術(shù)特點(diǎn)簡(jiǎn)單歸納為以下幾點(diǎn)：

1.熱水解處理技術(shù)破碎污泥中的細(xì)胞物質(zhì)，釋放細(xì)胞內(nèi)的非自由水而改善了污泥的脫水性能。

2.熱水解處理技術(shù)能夠溶解污泥中一部分固體有機(jī)物，能夠一定程度上減少干污泥量。

3.熱水解處理技術(shù)能夠?qū)⒋蠓肿游镔|(zhì)水解為易生物降解的小分子物質(zhì)，處理后的水解液中含有豐富的C1-C5揮發(fā)性脂肪酸，提高污泥的厭氧消化性能，縮短厭氧消化的停留時(shí)間，增加生物天然氣產(chǎn)量。

4.熱水解處理技術(shù)殺滅污泥中的病菌等有害微生物，初步實(shí)現(xiàn)污泥的無(wú)害化。

二、污泥碳化技術(shù)

污泥碳化是通過(guò)一定的手段，使污泥中的水分釋放出來(lái)，同時(shí)又最大限度地保留污泥中的碳值，使最終產(chǎn)物中的碳含量大幅提高的過(guò)程。污泥碳化技術(shù)破壞污泥細(xì)胞、釋放細(xì)胞內(nèi)水分是基于污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)和水分布的原理。熱作用下有機(jī)物水解，破壞膠體結(jié)構(gòu)是基于污泥膠體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)降黏度的原理。

物料在整個(gè)工藝流程中由特種泵進(jìn)行輸送，省去了大量固態(tài)污泥傳輸、返混設(shè)備和惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)，降低了投資成本、操作難度和爆炸危險(xiǎn)性，產(chǎn)生的廢氣較少，減少了對(duì)環(huán)境的二次污染。碳化后污泥的高位發(fā)熱值達(dá)到3243大卡/公斤，比碳化前污泥的熱值減少了6.8%，污泥熱值以最大限度保留，為后續(xù)資源化處置創(chuàng)造了有利的基礎(chǔ)。

污泥碳化分為高溫碳化、中溫碳化和低溫碳化三類(lèi)。

1.高溫碳化

碳化時(shí)不加壓，溫度為649 982℃，先將污泥脫水至含水率約30%，然后進(jìn)入碳-化爐高溫碳化造粒。碳化顆?？梢宰鳛榈图?jí)燃料使用，其熱值為2000-3000大卡/公斤（在日本或美國(guó)）。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于技術(shù)復(fù)雜，運(yùn)行成本高，產(chǎn)品熱值低，目前尚未有大規(guī)模的應(yīng)用。

2.中溫碳化

碳化時(shí)不加壓，溫度為426 537℃，先將污泥脫水至含水率約90%，然后進(jìn)入碳-化爐分解。工藝中產(chǎn)生油、反應(yīng)水（蒸汽冷凝水）、氣體（未冷凝的空氣）和固體碳化物。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于產(chǎn)物過(guò)于多樣化，利用十分困難。另外，該技術(shù)是對(duì)脫水后的污泥實(shí)行碳化，經(jīng)濟(jì)效益不明顯。

3.低溫碳化

碳化前無(wú)須脫水，碳化時(shí)加壓至10MPa左右，碳化溫度為315℃，碳化后的污泥成液態(tài)，脫水后的含水率達(dá)50%以下，經(jīng)干化造粒后可以作為低級(jí)燃料使用，熱值為3600-4900大卡/公斤（在美國(guó)）。該技術(shù)的特點(diǎn)是，通過(guò)加溫加壓使得污泥中的生物質(zhì)全部裂解，僅通過(guò)機(jī)械方法即可將污泥中75%的水分脫除，極大地節(jié)省了運(yùn)行中的能源消耗。污泥全部裂解保證了污泥的徹底穩(wěn)定。污泥碳化過(guò)程中保留了污泥熱值，為裂解后的能源再利用創(chuàng)造了條件。

三、污泥超聲破解技術(shù)

利用超聲波殺菌和處理污泥中的有機(jī)污染物，尤其是難降解的有機(jī)污染物，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興環(huán)境治理技術(shù)。該技術(shù)操作條件適中，降解速度快，適用范圍廣，可以單獨(dú)使用，也可以與其他污泥氧化技術(shù)聯(lián)用，是一種很有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的技術(shù)。

超聲波泛指頻率在20000Hz以上的聲波，是物質(zhì)介質(zhì)中的一種彈性機(jī)械波，能在水中產(chǎn)生一系列接近于極端的條件，如急劇放電，產(chǎn)生瞬間的局部高溫高壓和超高速射流等。質(zhì)點(diǎn)加速度、沖擊波、射流、高溫、高壓可破壞物質(zhì)結(jié)構(gòu)，改變物理化學(xué)性質(zhì)，這是超聲波的一次效應(yīng)；而由此衍生的二次波，如輻射壓、聲捕捉、自由基和氧化劑等也可能較大程度地改變物質(zhì)性質(zhì)，引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，這是超聲波的二次效應(yīng)。影響超聲波效應(yīng)的因素主要有聲波頻率、強(qiáng)度、作用時(shí)間、作用方式等。

不同頻段的超聲波對(duì)介質(zhì)的作用差異很大，適合處理污泥的是低頻超聲波，頻率在20-100千赫之間。由于聲學(xué)特點(diǎn)，該頻段的超聲波可以在介質(zhì)里產(chǎn)生強(qiáng)烈的成穴作用，大量直徑100-150微米的微氣泡不斷形成并消失，壽命一般在400-500微秒。微氣泡消失的瞬間會(huì)產(chǎn)生“熱點(diǎn)”，是一個(gè)能量密度極大而范圍很小的空間，其中的溫度和壓力可分別達(dá)到5000℃和500bar，并且伴隨著極強(qiáng)的水力剪切力。在這個(gè)環(huán)境里，水分子也被電離成H+和OH-，而后者是強(qiáng)氧化劑。這些因素的綜合作用，使難降解物質(zhì)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被摧毀，轉(zhuǎn)化成易降解物質(zhì)，剩余污泥中的微生物細(xì)胞被擊破，釋放出碳源和催化物質(zhì)，后兩種物質(zhì)可以投加到污水及污泥處理工藝中，強(qiáng)化生物過(guò)程。遇到生物池出現(xiàn)膨脹污泥的情況，利用超聲波可以將絲狀菌擊碎，從而消除并預(yù)防再次出現(xiàn)膨脹污泥。

四、污泥氣化技術(shù)

氣化技術(shù)是在極高溫度（大約400°C）和缺氧條件下對(duì)污泥進(jìn)行加熱，將污泥分解為富能合成氣體，主要包括H2、CO和CH4。氣體在鍋爐或熔爐中燃燒，熱能被作為工藝熱使用或用于發(fā)電。

污泥氣化工藝是污泥原料在氣化裝置中置于缺氧狀態(tài)下氧化燃燒和還原，使能量轉(zhuǎn)換成可燃?xì)怏w的過(guò)程。氣化涉及一系列復(fù)雜的燃燒、還原、裂解乃至聚合反應(yīng)。

污泥氣化步驟可以概括為3個(gè)過(guò)程：干化，使殘留水分蒸發(fā)；熱裂解反應(yīng)，細(xì)胞或高分子在裂解后得到充分揮發(fā)；氣化反應(yīng)過(guò)程，即碳物質(zhì)的不充分氧化反應(yīng)過(guò)程。

固態(tài)燃料轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，反應(yīng)過(guò)程同時(shí)產(chǎn)生大量氣體和水蒸氣。污泥的脫氣過(guò)程也稱(chēng)為焦化過(guò)程，過(guò)程中高分子結(jié)構(gòu)被分解。這一工藝過(guò)程需要的溫度是1000℃左右，產(chǎn)生的殘?jiān)急壤艿?，產(chǎn)生的氣體凈化后具有較高熱值，可用于發(fā)電。

污泥氣化反應(yīng)過(guò)程在流化床氣化爐中完成，氣化爐溫度最低要維持在900℃以上，經(jīng)初步干化脫水的污泥停留30分鐘左右。污泥在高溫高壓環(huán)境內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間停留，可以使污泥內(nèi)的有機(jī)物分解并氣化，同時(shí)發(fā)生不充分的氧化反應(yīng)。產(chǎn)生氣體的主要可燃成分是H2和CO，含量分別為15%和27%。

五、超臨界水氧化技術(shù)

水的臨界點(diǎn)在相圖上是氣體—液體共存曲線(xiàn)的終點(diǎn)，它由一個(gè)具有固定不變的溫度、壓力和密度的點(diǎn)來(lái)表示，在該點(diǎn)氣相和液相之間的差別剛好消失。當(dāng)體系的溫度和壓力超過(guò)臨界點(diǎn)值時(shí)，體系中的水就被稱(chēng)作“超臨界”的水。

超臨界水的許多物理和傳輸性質(zhì)介于液體和氣體之間，具有許多獨(dú)特的性質(zhì)。例如，與普通水相比，超臨界水具有較小的極性、易改變的密度、較低的黏度、較低的介電常數(shù)、較低的表面張力和較高的擴(kuò)散性。超臨界水也具有獨(dú)特的溶解性質(zhì)，在室溫中難溶于水的化合物在超臨界環(huán)境下會(huì)變得易溶，而一些在室溫下易溶于水的化合物在超臨界環(huán)境下變得難溶。

超臨界水氧化技術(shù)是以水為介質(zhì)，利用在超臨界條件（溫度＞374℃，壓強(qiáng)＞22.1MPa）下不存在氣液界面?zhèn)髻|(zhì)阻力來(lái)提高反應(yīng)速率并實(shí)現(xiàn)完全氧化。處于超臨界狀態(tài)下的水兼具液態(tài)和氣態(tài)水的性質(zhì)，可連續(xù)變化的密度、低靜電介質(zhì)常數(shù)、低黏滯度等特性使超臨界水成為一種具有高擴(kuò)散能力、高溶解性的理想反應(yīng)介質(zhì)，可以利用溫度與壓力的變化來(lái)協(xié)調(diào)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡、調(diào)節(jié)催化劑的選擇活性等，也可以通過(guò)不同物質(zhì)溶解度對(duì)超臨界流體的依賴(lài)性，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)與分離在同一反應(yīng)器內(nèi)完成。

超臨界水氧化技術(shù)具有如下的特點(diǎn)：

1.水中幾乎所有的有機(jī)物在幾秒鐘至幾分鐘內(nèi)，與氧氣或空氣中的氧氣進(jìn)行氧化、分解，分解率為99.99%以上，有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化成無(wú)害的二氧化碳、水和氮?dú)獾取?/p>

表1 超臨界水氧化與其他傳統(tǒng)方法對(duì)比

2.鹽類(lèi)和金屬以固體形式被分離出來(lái)或回收利用，例如造紙黑液經(jīng)處理后可回收堿，處理后的水也成為潔凈的水。

3.當(dāng)被處理的廢水或廢液中的有機(jī)物濃度在3%（30000毫克/升）以上時(shí)，就可以依靠反應(yīng)過(guò)程中釋放的反應(yīng)熱來(lái)維持反應(yīng)所需的熱量平衡，不需外界加熱。

4.污水在密閉環(huán)境中，反應(yīng)徹底，不排放污染物，有利于有毒有害物的處理。

5.處理裝置可設(shè)計(jì)成小型化、可移動(dòng)的設(shè)備，便于現(xiàn)場(chǎng)處理和操作。

超臨界水氧化技術(shù)開(kāi)發(fā)以來(lái)，最大的技術(shù)瓶頸就是腐蝕和結(jié)垢堵塞問(wèn)題。

六、水熱干化技術(shù)

污泥水熱干化技術(shù)通過(guò)將污泥加熱，在一定溫度和壓力下使污泥中的黏性有機(jī)物水解，破壞污泥的膠體結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)改善脫水性能和厭氧消化性能。隨水熱反應(yīng)溫度和壓力的增加，顆粒碰撞增大，顆粒間的碰撞導(dǎo)致了膠體結(jié)構(gòu)的破壞，使束縛水和固體顆粒分離。經(jīng)過(guò)水熱處理的污泥在不添加絮凝劑的情況下，機(jī)械脫水后的含水率大幅度降低。

水熱干化技術(shù)通過(guò)低溫?zé)峤獯蚱莆勰喙滔喑炙Y(jié)構(gòu)，大幅度改善污泥脫水干燥性能，與傳統(tǒng)熱力干化方法相比，具有如下優(yōu)勢(shì)：

1.安全，不會(huì)產(chǎn)生粉塵，無(wú)爆炸危險(xiǎn)性

與熱力干化相比較，本工藝是通過(guò)低溫?zé)峤膺^(guò)程，改善污泥的脫水性能，整個(gè)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生粉塵，不會(huì)引起爆炸，增強(qiáng)了工藝的安全性能。

2.節(jié)能，運(yùn)行成本低，經(jīng)濟(jì)性好

通過(guò)低溫?zé)峤膺^(guò)程，破壞污泥有機(jī)物高分子結(jié)構(gòu)、膠體絮體等固相物質(zhì)持水結(jié)構(gòu)，大幅度改善污泥脫水干燥性能，脫水后24小時(shí)內(nèi)自然風(fēng)干即可降低含水率20%以下，總能耗降低30%-50%。

3.環(huán)保與資源化利用程度高

在密閉反應(yīng)器中通過(guò)低溫?zé)峤膺^(guò)程，迅速完成殺菌除臭過(guò)程，后續(xù)污泥處理不會(huì)產(chǎn)生異味及其他環(huán)保問(wèn)題。同時(shí)低溫?zé)峤鉀](méi)有燃燒過(guò)程，避免了二惡英的產(chǎn)生。污泥干化后具有一定的熱值，根據(jù)污泥中有機(jī)組分分量的不同，干化到一定程度后，可作為煤的替代燃料與輔助燃料。干化后的污泥已經(jīng)完成除臭和殺菌過(guò)程，可以作為園林綠化用土、土地改良土。

4.水熱干化處理污泥的反應(yīng)特征

密閉反應(yīng)釜，通過(guò)低溫?zé)峤膺^(guò)程破壞污泥有機(jī)物高分子結(jié)構(gòu)、膠體絮體等固相物質(zhì)持水結(jié)構(gòu)，大幅度改善污泥脫水干燥性能。同時(shí)完成污泥的殺菌消毒和除臭過(guò)程，經(jīng)水熱反應(yīng)的污泥進(jìn)入機(jī)械脫水設(shè)備脫水。