Drying of Sewage Sludge and Utilization of Dried Sludge

在污泥處置費(fèi)用不斷上升的背景情況下，采用太陽能污泥干化和帶式污泥干化變得十分安全，為污泥后處置提供了可靠技術(shù)途徑。除了降低體積和重量之外，全干化后的污泥還能夠穩(wěn)定庫存和運(yùn)輸。對(duì)于污泥干化工藝來說，要求對(duì)全年的能耗和物流進(jìn)行合理管理 ，廢氣處理必須達(dá)到令人滿意的處理程度。根據(jù)各國不同的污泥處置政策，產(chǎn)生的干泥可作為燃料或作為肥料回收利用。

In the sludge disposal costs rising background, the use of solar sludge drying sludge drying and belt becomes very safe for sludge disposal technology provides a reliable way. Aside the mass and volume reduction a sufficient storage stability and improved transportability is achieved. For the drying process an energy and mass management throughout the whole year is decisive and the problem of exhaust air treatment has to be solved satisfactorily. Depending on the political framework a refined dried material can be used as a solid fuel or as a fertilizer component, thus creating a reusable material.

關(guān)鍵詞:

市政污泥, 帶式干化，太陽能干化, 能源管理, 廢氣處理, 干化污泥作為替代燃料或肥料

Keywords:

Sewage Sludge, belt and solar drying, energy management, exhaust air treatment, dried sludge as (substitute) fuel or fertilizer

 

1 污泥干化是污泥熱處置和作為農(nóng)肥的前提條件

1.1 降低重量體積，提高污泥庫存穩(wěn)定性

污泥干化處理的最大優(yōu)點(diǎn)是可以大幅度降低污泥體積和重量。太陽能干化后的污泥密度一般是在 800 - 900 kg/m³ 范圍內(nèi), 污泥體積可從原來 1 m³ 降低至0.18 – 0.27 m³。 在進(jìn)行帶式污泥干化時(shí)，因?yàn)樵谖勰喔苫�之前必須進(jìn)行面條化處理, 全干化之后的污泥密度一般是在400 - 600 kg/m³ 范圍內(nèi)。污泥體積可從原來 1 m³ 降低至 0.37 – 0.55 m³。舉例來說，如果將進(jìn)料污泥 25% DS全干化至 90% DS時(shí)，重量可以降低77.8%。

 

圖 1 顯示了消化污泥在20°C 時(shí)從實(shí)驗(yàn)室內(nèi)確定的干化等溫曲線, 此時(shí)藍(lán)色曲線表示在不同水活性情況下– 即可供微生物利用的水量 –污泥固含量變化情況。紅色曲線表示微生物生長(zhǎng)速率。可以清楚看出, 當(dāng)污泥固含量超過 87% DS時(shí)，微生物活性幾乎下降至零，因此全干污泥可以長(zhǎng)期庫存，不會(huì)產(chǎn)生異味

 

1.2干泥作為燃料

如果需要將市政污泥作為燃料進(jìn)行能源回收利用時(shí)，則采用免費(fèi)熱能或工業(yè)廢熱進(jìn)行污泥干化處理則是能源回收的前提條件。采用以下公式，可以通過污泥有機(jī)物含量大致估計(jì)干化后污泥的熱值:

 

(1)

 

當(dāng)消化污泥的有機(jī)物含量 OTR = 50% 和干化后污泥固含量為90% DS時(shí)，污泥熱值大約是 Hu = 10,100 kJ/kg 或 2.81 kWh/kg。在以下表 1內(nèi)，舉例列出了各種不同類型的消化污泥和好氧穩(wěn)定化污泥性能參數(shù)，并和褐煤進(jìn)行比較。根據(jù)污泥熱值，還計(jì)算了干化污泥的熱能商業(yè)價(jià)值。

 

表 1 不同市政污泥和褐煤的燃料性能/數(shù)值

燃料	消化污泥 全干處理	消化污泥 半干處理	穩(wěn)定污泥 全干處理	穩(wěn)定污泥 半干處理	褐煤球	原褐煤
污泥固含量	90%	70%	90%	70%	86%	45%
污泥有機(jī)物含量	50%	50%	70%	70%	-	-
熱值Hu kJ/kg	10,100	7,300	14,250	10,500	20,090	9,650
單位灰分含量kg/kg	0.45	0.35	0.27	0.21	0.06	0.03
爐灰軟化溫度°C 大致估計(jì)數(shù)值	950-1,150	950-1,150	950-1,150	950-1,150	1,100-1,200	1,100-1,200
污染系數(shù) E tCO2/kWh	0	0	0	0	0.406	0.406
在 3 € / MWh時(shí)的理論熱能價(jià)值€/t	8.43	6.09	11.88	8.76	16.74	8.04

 

表 1一方面顯示, 干化后的市政污泥含有較高的爐灰含量, 與褐煤相比較灰燼處置費(fèi)高和焚燒效率低。此外與燃料例如褐煤，石煤和木料相比較，灰燼軟化溫度較低。因此在焚燒有些市政污泥時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下問題: 許多國家規(guī)定，最后一段焚燒空氣溫度必須在850°C 時(shí)至少維持2秒[2], 此時(shí)飛灰就很容易粘在煙氣熱交換器表面。較低的灰燼熔化溫度會(huì)容易產(chǎn)生爐渣, 從而在市政污泥氣化裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生負(fù)面影響。在褐煤燃燒時(shí)，當(dāng)灰燼內(nèi)SiO2 上升時(shí)灰燼熔化溫度會(huì)逐步下降[3]。在德國 Emscherfluß-污水處理廠內(nèi)，流化床污泥氣化裝置采用氧氣和水蒸汽作為氣化介質(zhì)，主要處理市政污泥。運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)顯示: 灰燼中SiO2-含量大約 40.3%, 灰燼軟化溫度1,038°C, 灰燼熔化溫度 1,104°C [4].

 

另一方面，采用市政污泥作為燃料焚燒時(shí)具有CO2-零排放擴(kuò)散的優(yōu)點(diǎn)。但只有今后CO2-排放指標(biāo)能夠在全球范圍銷售運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，才能在商業(yè)基礎(chǔ)上顯示這一優(yōu)點(diǎn)。原則上說，在采用單焚燒爐和污泥氣化裝置時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先考慮采用好氧穩(wěn)定化市政污泥。

 

必須注意, 不同焚燒系統(tǒng)對(duì)于污泥固含量要求是不同的。對(duì)于爐架焚燒爐來說，半干污泥的固含量至少在 65 - 70% DS 以上, 而對(duì)于流化床焚燒爐來說，污泥固含量在45 - 50%DS 范圍就可以滿足要求。此時(shí)，可通過接觸性污泥干化裝置直接將污泥干化至規(guī)定的污泥固含量，或者將脫水污泥和全干化污泥進(jìn)行混合處理后輸入焚燒裝置。

 

圖 2 顯示了流化床單污泥焚燒裝置和帶式污泥干化裝置協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)的情況[5]。

 

 

1.3干泥作為肥料

目前在德國瑞士基本上市政污泥以熱處置為主情況下，在法國和美國仍然還存在很大市場(chǎng)，允許干化后市政污泥作為肥料被回收利用。但此時(shí)必須注意, 污泥農(nóng)用時(shí)必須通過肥料中間商的銷售途徑進(jìn)入市場(chǎng)。舉例來說，污泥的理論肥料價(jià)值可通過其中的礦化物質(zhì)組成來計(jì)算(價(jià)格基礎(chǔ) 2007)[6]。不管如何，計(jì)算所獲得的理論商業(yè)價(jià)值要比前面的污泥燃料高出好幾倍。以下表 2 可以清楚地顯示這一點(diǎn)。

表 2舉例說明市政污泥的理論肥料價(jià)值

礦物質(zhì)含量	g/kg	理論肥料價(jià)值 €/kg	理論肥料價(jià)值 € / t DS
N	38.4	0.65	25.0
P2O5	36.5	0.50	18.3
K2O	4.2	0.30	1.3
MgO	9.7	0.06	0.6
CaO	737.	0.05	3.7
		總數(shù)值	48.9 44.0 € / t，90% DS

 

但在很多國家或地區(qū)，有時(shí)要求污泥顆粒直徑是在3.25 mm +/- 0.25 mm 范圍內(nèi)[7]，而對(duì)于帶式污泥干化裝置和太陽能污泥干化裝置往往很難直接滿足要求，經(jīng)常要求額外配置干泥造粒裝置。

2 何時(shí)采用帶式干化, 何時(shí)采用太陽能干化?

2.1 帶式污泥干化

在滿足以下前提條件情況下，可以采用中溫帶式污泥干化裝置:

Ø 擁有足夠廢熱能源，例如70 - 145°C 范圍內(nèi)的熱水

Ø 占地較小

Ø 處理量 > 2000 - 3000 t 脫水污泥 / a

Ø 要求恒定出泥固含量 > 90%DS

Ø 裝置連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)

Ø 對(duì)來自冷凝裝置的廢熱進(jìn)行深度回收利用，例如用于污泥消化塔的加熱

Ø 干泥作為肥料時(shí)要求衛(wèi)生化處理，根據(jù)美國規(guī)范EPA 503 要求達(dá)到等級(jí)A[8]

圖 3 顯示了整套雙帶污泥干化裝置，配置了污泥面條機(jī)和冷凝裝置以及廢氣處理裝置(含2級(jí)化學(xué)洗滌和生物除臭裝置)[9]。

 

2.2太陽能污泥干化

如果滿足以下條件，則可以采用太陽能污泥干化技術(shù)(采用或不采用外來廢熱):

 

Ø 沒有廢熱或只有限量低溫廢熱時(shí), 可在暖房?jī)?nèi)采用加熱地板或熱空氣產(chǎn)生器

Ø 要求很低的電耗

Ø 出料污泥的平均固含量在70 - 80%DS

Ø 當(dāng)?shù)卣�府在�?cái)務(wù)稅收政策上支持這一„綠色技術(shù)“

在圖 4 顯示了整套太陽能污泥干化系統(tǒng)，其中含有翻滾機(jī), 暖房, 環(huán)風(fēng)和廢氣鼓風(fēng)機(jī) [10]。通過鏟車或運(yùn)輸螺桿可輸入進(jìn)料污泥。干泥出料可在污泥進(jìn)料端(在圖內(nèi)前端)的相反一側(cè)，或者在污泥進(jìn)料端的同一側(cè)。通過加熱地板，可輸入熱水溫度最高至50°C 或者通過空氣加熱器輸入熱水溫度最高至90°C。

3 廢氣處理問題

用戶接收市政污泥干化裝置的前提條件是廢氣處理裝置能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足國家規(guī)定的處理要求和排放指標(biāo)。

在采用中溫帶式干化裝置時(shí)，不管何種情況都必須配置安裝廢氣處理裝置, 一般是由酸洗塔, 有時(shí)還配置堿洗塔和生物除臭裝置。

在采用太陽能污泥干化裝置時(shí)，正常情況下在處理完全消化后的市政污泥時(shí)不需要配置除臭裝置 。但在污泥干化處理時(shí)，要求對(duì)污泥進(jìn)行高效翻滾通風(fēng)處理，使得污泥床始終處于好氧狀態(tài)。但在以下特殊情況下，有時(shí)仍然要求進(jìn)行除臭處理:

Ø 廢熱處理比例很高

Ø 污泥沒有完全消化處理和穩(wěn)定化處理

Ø 進(jìn)水內(nèi)很有很高比例的工業(yè)污水，其中含有高濃度蛋白質(zhì)或油脂含量。

 

在這種情況下，最好事先在一臺(tái)試驗(yàn)裝置內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)污泥干化后的廢棄進(jìn)行分析研究, 這樣可以確定, 采用何種類型的廢氣處理裝置。照片 5 顯示一臺(tái)試驗(yàn)性污泥干化裝置，可以模擬帶式污泥干化裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并配置各種廢氣成份分析的測(cè)試設(shè)備。

4 能源和物質(zhì)管理

4.1 市政污水處理廠內(nèi)的能源利用情況

盡管有些污水處理廠通過污泥消化可以抽提一部分生物能源，但不管是從電耗1還是從熱耗情況來看，還無法達(dá)到能源自給狀態(tài)。尤其是在冬季，為了平衡污泥消化塔和污泥運(yùn)輸管道的熱能損失以及機(jī)房加熱，必須輸入很多熱能來加熱污泥。帶式污泥干化裝置所需要的熱能和電能有時(shí)需要通過額外采用天燃?xì)膺\(yùn)轉(zhuǎn)的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置進(jìn)行供電供熱。根據(jù)市政污水處理廠的不同規(guī)模，在沒有污泥干化裝置情況下，通過沼氣發(fā)電達(dá)到電耗自給的程度說明如下[11]:

- 人口當(dāng)量在 10,000 – 30,000 范圍內(nèi)的小型市政污水處理廠內(nèi)，電耗自給程度是50 %

- 人口當(dāng)量大于 100,000的大型市政污水處理廠內(nèi)，電耗自給程度是68 %

4.2提高能源利用效率的各種可能性

為了提高沼氣能源利用效率和降低用于污泥干化的能耗，可以采取以下技術(shù)措施:

Ø 通過定向引入其他工藝技術(shù)和優(yōu)化或選擇合適的絮凝劑來提高污泥機(jī)械脫水時(shí)的固含量。

Ø 通過優(yōu)化混合技術(shù)，有時(shí)通過污泥水解技術(shù)來提高產(chǎn)沼能力

Ø 多次反復(fù)利用熱能，例如帶式污泥干化裝置利用廢熱之后再用于消化塔加熱或用于太陽能干化裝置的加熱

Ø 利用外來協(xié)同發(fā)酵基質(zhì)(例如，餐廚垃圾, 油脂分離器內(nèi)涵物質(zhì), 宰雞場(chǎng)垃圾) ，可將污泥消化塔的產(chǎn)沼能力提高2 至 3倍

 

原則上說，污水處理廠的„能源自給“ 只能通過引入外部的協(xié)同發(fā)酵基質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。例如，德國漢堡污水處理廠或德國Straubing 污水處理廠就是按此模式運(yùn)轉(zhuǎn)。所獲得的產(chǎn)沼能力大約為 1.1 m³ 沼氣 / m³ 消化塔/每天，全部用于沼氣發(fā)電。所獲得的電能和發(fā)電廢熱可以滿足整個(gè)污水處理廠的熱能需要(包括污泥干化處理)，甚至還有多余電能進(jìn)行并網(wǎng)銷售[12]。

 

4.3能源和物質(zhì)管理

考慮到能源供給能力的波動(dòng)性，要求市政污泥干化裝置擁有一定的靈活調(diào)節(jié)能力。舉例來說，污泥消化時(shí)的沼氣產(chǎn)量或熱能產(chǎn)量是和季節(jié)時(shí)間有關(guān)或者太陽輻射強(qiáng)度在一年不同季節(jié)時(shí)間內(nèi)數(shù)值相差很大:

Ø 帶式干化裝置: 通過污泥處理量的調(diào)節(jié)來自動(dòng)補(bǔ)償能源供給的波動(dòng)狀態(tài)

Ø 太陽能干化裝置: 在暖房?jī)?nèi)或在外部?jī)?chǔ)泥倉內(nèi)中間儲(chǔ)存污泥或者采用廢熱進(jìn)行污泥干化處理

 

5 干化污泥的后制備應(yīng)用

在后續(xù)回收利用干化污泥時(shí)，必須根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)來滿足以下提出的要求:

Ø 污泥固含量

Ø 衛(wèi)生化要求

Ø 污泥顆粒直徑 / 密度

Ø 粉塵含量

Ø 污泥的肥料價(jià)值或熱值

 

通過篩濾, 顆�；�或造粒處理以及添加劑混合處理等可以滿足以上各種要求, 但這些技術(shù)處理措施需要額外的投資費(fèi)用和電耗費(fèi)用。

 

來自太陽能干化裝置的干化污泥可在一根加熱運(yùn)輸螺桿內(nèi)進(jìn)行篩濾和熱水解處理來滿足肥料應(yīng)用要求。對(duì)于帶式污泥干化裝置來說，則可以通過投加來自酸洗塔的硫酸氨溶液和通過造粒處理來提高污泥肥料的價(jià)值(圖 5) [13]。

 

 

在一般情況下，干化污泥還是被看作是垃圾物質(zhì)而不是資源物質(zhì)。但人們可在歐美國家看到以下緩慢的發(fā)展趨勢(shì)

 

 

Ø 全干污泥至少在瑞士被免費(fèi)接受，進(jìn)行能源回收利用

Ø 在美國，由帶式干化裝置產(chǎn)生的市政污泥達(dá)到等級(jí)A質(zhì)量要求，以作為肥料用于公園綠草房頂或高爾夫球場(chǎng)。

Ø 在美國有些地方，等級(jí)A 干化污泥可作為肥料銷售給私人。

Ø 市政污泥灰燼有時(shí)作為長(zhǎng)效肥料，有時(shí)作為肥料添加劑用于肥料工業(yè)。

不管回收利用途徑如何，一般都是通過常規(guī)已建立的銷售途徑才能成功地出售干化污泥。

6 總結(jié)

污泥干化是后續(xù)將污泥作為肥料或燃料(污泥焚燒或污泥氣化)時(shí)的基本前提條件。

進(jìn)行有效的能源管理來解決污泥干化的能耗問題是整個(gè)污泥處理處置的關(guān)鍵。

 

至今為止，在含有污泥干化裝置的污水廠內(nèi)進(jìn)行能源 „自給“只能通過引入餐廚垃圾進(jìn)行協(xié)同發(fā)酵來提高消化裝置的沼氣產(chǎn)量和能源利用效率。

 

在德國，目前必須嚴(yán)格按照只有通過肥料法律和市政污泥規(guī)范才能將干化污泥作為農(nóng)肥使用。盡管如此，肥料市場(chǎng)將污泥作為農(nóng)肥的接受程度在不斷下降。

 

干化后的污泥是否最后能否作為燃料，一方面是和污泥熱值有關(guān)，同時(shí)也會(huì)受到污泥接受單位對(duì)污泥的具體要求或自己產(chǎn)能時(shí)的框架條件等因素影響。

 

文獻(xiàn)

[1] 高穎: 中溫帶式干化裝置的發(fā)展歷史.. 2012年7月/8月: 18 - 25. ISSN: 0219 – 5674

[2] 17. BImSchV Bundesimmissionsschutzverordnung, "Verordnung über die Verbrennung und die Mitverbrennung von Abfällen vom 2. Mai 2013 (BGBl. I S. 1021, 1044, 3754)" Ausfertigungsdatum: 02.05.2013

[3] Pracht P.: Babcock – Handbuch Kohle. 1. Auflage Deutsche Babcock & Wilcox Dampfkessel-Werke AG Oberhausen 1950.

[4] Noack W.: Die Schlammbehandlung in städtischen Kläranlagen unter besonderer Berücksichtigung der Schlammvergasung. Forschungsberichte des Landes Nordrhein-Westfalen Nr. 1251. Springer Fachmedien Wiesbaden 1964.

[5] 高穎: 德國目前市政污泥熱法處置現(xiàn)狀和技術(shù). 亞洲環(huán)保（月刊）2011年12月號(hào): 38 - 42. ISSN: 1818-5835.

[6] Jacobs G.: Hühnertrockenkot entlastet Düngerkonto. Landwirtschaftliches Wochenblatt 28 (2007), S.24-28.

[7] European Fertilizer Blenders Association: Handbuch für feste Düngermischungen. Leitfaden für Qualitätsmischdünger. 2.Ausgabe 2007

[8] United States Environmental Protection Agency EPA Part 503 Biosolids Rule. September 1994

[9] 高穎: HUBER帶式污泥干化系統(tǒng)技術(shù)介紹.. 2008年7月/8月: 32 – 38. ISSN: 0219-5674

[10] 高穎: 利用太陽能進(jìn)行市政污泥干化處理和生物能源回收. 亞洲環(huán)保（月刊）2010年1月號(hào): 40 – 44. ISSN: 1818-5835.

[11] Ministerium für Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft des Landes NRW Handbuch Energie in Kläranlagen 1999

[12] Infobroschüre Stadt Straubing „Die Straubinger Stadtentwässerung macht Zukunft“ 09/2011