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清華教授王偉:污泥的水熱干化處理技術(shù)

2020.05.12
 在2007水業(yè)高級技術(shù)論壇上,清華大學(xué)環(huán)境系教授王偉與參會(huì)代表分享了了我國污泥處理處置現(xiàn)狀、污泥處理標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)現(xiàn)狀和瓶頸等問題,并重點(diǎn)介紹了污泥的水熱干化處理技術(shù)。本文根據(jù)錄音整理成文,未經(jīng)本人核實(shí)。

各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家、各位來賓大家下午好!今天我要介紹的題目是:水熱干化污泥處理技術(shù)。先講一些污泥處理中存在的問題,這些都是個(gè)人的觀點(diǎn),希望能跟各位討論。

我國污泥的產(chǎn)生及處理處置現(xiàn)狀

2004年我們國家污泥的產(chǎn)生量(按1.5t-DS/萬t-污水計(jì))是1220萬噸,2010年是2740萬噸。一方面是污泥量不斷增加,另一方面我們國家的污泥處理和污水處理存在脫節(jié)的情況。一是處理率低,工藝不完善;二是技術(shù)單一,裝備水平落后。三是污泥的處置的保障率比較低,二次污染的風(fēng)險(xiǎn)比較大?,F(xiàn)在我們國家污水處理廠的出路就是填埋和農(nóng)用。但是現(xiàn)在污水處理廠80%的污泥比較正規(guī)的垃圾填埋廠是拒絕進(jìn)的。因?yàn)樗鼘牟僮饔绊懞艽?,這就造成了病源微生物的損害,造成了環(huán)境的危險(xiǎn);三是污泥生產(chǎn)的成本高,國外大型的污水處理廠采用消化、機(jī)械脫水情況下,污水處理與污泥處理的投資比例為1:1.7。而我們國家在“十一五”期間有1:0.4。當(dāng)然我們更寄希望于我們國家有更先進(jìn)和更高的處理技術(shù)。

從現(xiàn)狀來看,我們國家大部分的污水處理廠的污泥,并沒有得到真正、有效地處置,造成了很多污染的轉(zhuǎn)移。我這里面摘出來的是三峽庫區(qū)很多的污水處理廠,由于沒有到污泥后續(xù)出路的問題,所以帶來了污染的狀況。從另外一個(gè)角度來講,我們國家現(xiàn)狀的“重水輕泥”的結(jié)果造成了污水處理的效果“事倍功半”。

我這里面有國家環(huán)??偩值慕y(tǒng)計(jì),就是污泥是污水處理的產(chǎn)物,在污水得到凈化的同時(shí),約一半的污染物轉(zhuǎn)移到污泥中。不解決好污泥處理處置的問題,污水處理的效果只是事倍功半。

從污泥處理的角度來講,污泥處理大家很清楚它是非常高投入和高能耗的過程。一方面污泥里面因?yàn)楹写罅课⑸锏木w和有機(jī)膠體物質(zhì),使機(jī)械脫水很困難。我們普通國內(nèi)采用的機(jī)械脫水的方法,可以使污泥達(dá)到80%左右的含水率。第二個(gè)是污泥里面的有機(jī)物主要以固體形式存在,生物降解困難。

實(shí)際上,大家都很關(guān)注污泥處理,那么污泥處理的難點(diǎn)在哪里?它比垃圾處理要難,垃圾一年有1.5億萬噸,而污泥只有幾萬噸,其實(shí)只有垃圾的1/10左右,但是大家感覺到了很多的問題。含水率高是很大的問題。污泥的含水率變化非常劇烈,就是含水率高上去了,污泥的體積會(huì)迅速增加,如果從95%降到80%體積會(huì)迅速減少,從80%降到75%體積又會(huì)減少很多。同時(shí),污泥含水率越高,熱值就越低。我們現(xiàn)在的含水率大概是80%,就是熱值是100多大卡左右。這樣低的熱值的污泥直接焚燒,顯然是無法完成焚燒過程的。也需要去干化,或者是需要添加輔助燃料,才能夠完成焚燒的過程。如果把污泥里面的水分降低到50%,那么熱值是1200大卡左右。

這個(gè)就是我們國家的污泥處理的現(xiàn)狀,基本上是直接填埋、堆肥或者是干化焚燒。但是直接填埋,除了剛才幾位專家介紹的情況以外,還有一個(gè)情況就是歐盟新出的填埋法則已經(jīng)限制了填埋處置,但是將會(huì)對世界各國產(chǎn)生重要的影響。那么二次處理里面產(chǎn)生的污泥有機(jī)物是70%到80%。這樣將來會(huì)受到越來越多的限制,那么堆肥由于含水率高,所以會(huì)產(chǎn)生惡臭等等的狀況。

污泥處理的標(biāo)準(zhǔn)

這里面介紹到的是我們國家的農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)污泥堆肥,污泥作為農(nóng)用的標(biāo)準(zhǔn)是不是太嚴(yán)格了?這是我個(gè)人的觀點(diǎn),我認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)不是太嚴(yán)格了,而是不健全。因?yàn)槲覀儑抑幌拗屏宋勰嘀亟饘俚臐舛戎怠?/p>

這是美國的農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn),剛才張總(編者注:上海市政院張辰總工)也介紹了。它有一個(gè)最高值,允許進(jìn)入農(nóng)田的值很多都比我們高,但是它有一個(gè)月評的濃度。從這里面我們和他的最高濃度比,我們比它嚴(yán)格,但是和它的月平均還有一個(gè)累計(jì)適應(yīng)量等等的指標(biāo)來比的話,它有一些年施用量和施用率,不會(huì)對累計(jì)造成影響。

那么日本的情況也是這樣的,它有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),另外還有一個(gè)年施用量的限制,使得能夠滿足和保證土壤的自然凈化的能力,來順應(yīng)肥料的狀況。在歐盟也是這樣的情況。

污泥處理目的、技術(shù)現(xiàn)狀和技術(shù)瓶頸

污泥處理的目的和我們所有的有機(jī)物都有關(guān)系。一是減少水分,為后續(xù)處理、利用和運(yùn)輸創(chuàng)造條件,減少最終處置的溶劑。再一個(gè)是無害化,殺滅或去除污泥中的病原菌、有機(jī)物及其他有毒有害物質(zhì)。第三個(gè)就是資源化,改善污泥的成分和性質(zhì),以利于回收能量和資源。

污泥處理的技術(shù)現(xiàn)狀:一是污泥處理以濃縮、消化、脫水為主,處置率低。流行工藝一個(gè)是干燥焚燒,就是現(xiàn)在很多的企業(yè)在推動(dòng)這個(gè)東西,通過干燥的方法把水分降下來或者是提上去。但是對于我們各地的排水集團(tuán)來講,最大的問題就是成本的問題,我需要高的投資,這是一個(gè)很大的矛盾。再一個(gè)就是脫水以后再半干化,然后做堆肥。如果半干化做堆肥,可能它的運(yùn)行成本要比焚燒還要貴,因?yàn)樗竺媸菦]有能量的節(jié)約利用,而焚燒再利用的可能性很高。大家仔細(xì)算一下,半干化堆肥的成本更高。

那么污泥處理的技術(shù)瓶頸在什么地方呢?就是說污泥最大的、最主要的特征就是它含有大量的細(xì)胞質(zhì)和膠體物質(zhì),這造成了脫水困難。我們的現(xiàn)狀是脫水到80%左右。由于含水率高,使得污泥的減量化效果差,處理能耗高。如果能夠使污泥絕對干燥,就不是問題了,也就100多萬噸,早就填埋了,主要還是效率的問題。

那么消化工藝現(xiàn)在我們國家采用的是CSTR混合式的傳統(tǒng)的發(fā)酵,一般就是最傳統(tǒng)的發(fā)酵。所以它的效率并不是特別高,另外污泥本身的性質(zhì)就是難降解的,這使得污泥里面大量的物質(zhì)沒有得到高效地回收。這樣的問題帶來了我們污泥處理的能耗高、運(yùn)行成本高和效益差的問題,這是我們面臨的現(xiàn)狀,也是各個(gè)排水集團(tuán)或者是水廠一個(gè)很頭疼的問題。

那么形成這種問題的原因就是由于污泥處理長期缺位造成的?,F(xiàn)在隨著污泥處理的增加和污泥量的增加,越來越認(rèn)識(shí)到了處理的重要性,能夠用更高效和更科學(xué)的技術(shù)解決我們國家的污泥處理的問題。

污泥處理的關(guān)鍵

污泥處理的關(guān)鍵是三個(gè)方面,第一個(gè)就是降低含水率是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能降耗的基礎(chǔ),因?yàn)楹矢呤沟盟亩逊视欣щy。那么污泥怎么才能降低它的含水率,這主要就是細(xì)胞破碎技術(shù),是從細(xì)胞上來解決,用超聲等等的技術(shù)來解決這個(gè)問題。

第二個(gè)是提高消化效率是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能源回收的核心。但是污泥處理現(xiàn)在厭氧消化技術(shù)有很大的發(fā)展,像USB和ASB有很多的方法,但是這個(gè)對于含有大量懸浮物體的污泥并不適用。所以我們還是用CSTR的技術(shù)。如果我們把它的脫水性能轉(zhuǎn)變了,我們可以把30天的停留時(shí)間變成3天的停留時(shí)間,我的效率可以提高10倍。

那么第三個(gè)就是有一個(gè)過程的優(yōu)化集成。我想污泥處理不是靠一個(gè)工藝或者是靠一個(gè)技術(shù),或者是簡單地加料。實(shí)際上污泥處理是一個(gè)系統(tǒng),需要系統(tǒng)的優(yōu)化組合,才能提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

污泥處理的水熱干化組合技術(shù)

技術(shù)的目標(biāo)是減量化、無害化和資源化。

水熱干化組合技術(shù)就是把污泥在一個(gè)濃縮的狀態(tài),在一個(gè)液態(tài)的情況下,通過加熱的方式,使得里面的細(xì)胞質(zhì)或者是膠體物質(zhì)得到破壞,他的脫水性能得到大量改善。那么我們普通的污泥直接用脫水機(jī)可以脫到80%,那么水熱干化之后可以提高50%。

第二個(gè)它的水熱處理是在170、180度的條件下進(jìn)行的,這樣的情況下,幾乎所有的細(xì)菌都會(huì)被殺滅。污泥經(jīng)過水熱干化以后,100多度的條件下進(jìn)行分解,它的有機(jī)物的生物降解性提高了,那么我們可以用USB的方法替代傳統(tǒng)的CSTR,我的效率可以從40%提高到80%,這樣實(shí)現(xiàn)了資源回收的效益。

從水熱干化效果圖可以看出,黑色的曲線是成長緩慢的曲線,在180度的時(shí)候效果反而更差。在120度甚至到150、170度的時(shí)候,這個(gè)界面會(huì)在很短的時(shí)間成長。這是黏度的改善圖,在170度的情況下,不同的處理時(shí)間,我們可以看到大概在10到15分鐘的時(shí)間,污泥的黏度從6000降低到1000以下的水平。經(jīng)過170度的處理之后,污泥就變成了連續(xù)的流態(tài)的狀態(tài),這就是它的形狀改變的效果。

脫水就是將沒有經(jīng)過處理的污泥,通過機(jī)械的方法把其中自由水去掉。而污泥里面有很多的毛細(xì)水、間隙水、吸附水、內(nèi)部水靠機(jī)械的方法是很難去除的。那么我們通過水熱的處理方法,把這樣的一個(gè)膠體的結(jié)構(gòu),我們把它打碎了。這個(gè)是它的基原理。我們在北小河做的試驗(yàn),污泥處理之后的,脫水率大概是50%到55%左右。

我們的厭氧技術(shù)在這幾年有了非常大的技術(shù)進(jìn)步,為我們高效處理污泥提供了非常好的基礎(chǔ)。但是這個(gè)高效的厭氧技術(shù)不能直接應(yīng)用到這個(gè)污泥的領(lǐng)域,一方面是厭氧技術(shù)快速地進(jìn)步,另外一方面我們污泥的厭氧的消化一直沿用傳統(tǒng)的消化技術(shù)。這樣兩者不能適應(yīng),我們可以通過水熱干化技術(shù),使得SRT和HRT分離,有利提高ASBR。

這個(gè)是我們一個(gè)博士生做的ASBR的水熱處理的情況,可以提高固體有機(jī)物的轉(zhuǎn)化效率。我把固體大量地存留在反應(yīng)器里面,讓它有更長的時(shí)間反應(yīng),可以有更高的效率。我們做到在20天,污泥的量達(dá)到70%左右,比我們國家的污泥直接的消化平均提高1倍的效率。

我們通過研究提出了濃縮、水熱干化、脫水、消化等的主題思路。有兩套思路,一個(gè)是水熱干化、脫水,然后脫水泥餅,然后焚燒之后處置。還有一種是我們用ASBR消化,然后再處置。

廈門是我們在北小河做試驗(yàn)的時(shí)候采用的工藝流程圖。濃縮物一進(jìn)來之后,和反應(yīng)器降熱,然后進(jìn)入二次濃縮池,可以濃縮到10%左右,后續(xù)的水力負(fù)荷大大降低。上清液做一個(gè)USB,它的泥餅有8000千焦的熱能。最后焚燒,產(chǎn)生的熱量提供污泥直接處理所需要的熱源。我們通過發(fā)熱降低主要系統(tǒng)的能耗,然后通過二次濃縮池,主要是為了降低水力負(fù)荷。那么富余的能量還可以外供。

如果實(shí)現(xiàn)了消化,不包括焚燒,大概系統(tǒng)污泥的減量化可以達(dá)到95%以上。 我們實(shí)驗(yàn)最后得到的樣品的分析,含水率是43%,在這種情況下它的能量是8021大卡。

所謂的水熱干化技術(shù),是通過機(jī)械濃縮,提高系統(tǒng)整體的處理效率,減小水熱處理反應(yīng)器的容積,經(jīng)過濃縮后污泥含固率達(dá)5%以上。通過水熱反應(yīng),在一定的溫度和壓力下,污泥中約30%的懸浮固體發(fā)生溶解轉(zhuǎn)移至液相,上清液COD濃度增加。通過二次濃縮,依靠污泥良好的沉降性能,在較短的時(shí)間內(nèi)可以將污泥濃縮至含固率10%左右,從而大大減輕后續(xù)脫水處理的水力負(fù)荷。最后是脫水,使水熱污泥的脫水性能得到改善,直接脫水可得到含固率大于50%的泥餅。與直接脫水工藝相比,可以實(shí)現(xiàn)污泥減量80%以上;

最后是一個(gè)冷-熱泥換熱的情況,我們可以讓熱泥和冷泥通過熱交換變成60度左右。下面是我們每天處理200噸污泥的物料平衡。謝謝大家!

提問:王教授您好!因?yàn)槟押?0%多的污泥升到70%多的污泥,這個(gè)能耗是怎么樣的?

王偉:實(shí)際上我剛才介紹到了這個(gè)問題,我們在這個(gè)系統(tǒng)里面引入了換熱的裝置,就是把冷泥在進(jìn)入反應(yīng)器之前和熱泥進(jìn)行交換,熱泥是120度,冷泥是20度,但是換熱的溫度是40度,所以污泥只需要升溫40度。而且在沒有壓力的狀態(tài)下,我們一噸污泥需要升高40度是40大卡。如果采用干化的方法,這個(gè)水在這樣的能量投入,我下面用機(jī)械投入法,很低的能量就可以把這個(gè)水拿走了。如果我們用干化的方法來處理,我如果把這個(gè)從80%降低到50%,一噸污泥蒸發(fā)掉600公斤的水,才能達(dá)到50%的含水率。那么就是36大卡,差不多是我們這樣的能耗和傳統(tǒng)的蒸發(fā)干燥的工藝,同樣地從80%降到50%的情況下,它的能耗降低的1/10。這就是這個(gè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵,一個(gè)是蒸發(fā)潛熱,一個(gè)是沒有蒸發(fā)潛熱。(中國水網(wǎng))

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