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城市污泥處理新工藝，常州科達(dá)干燥開發(fā)新產(chǎn)品

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針對目前污水廠污泥傳統(tǒng)處理方法存在的不足與弊端 ,提出污泥資源化利用技術(shù)是今后污泥最終處置的根本方式 ,并就目前研究的污泥熱解制油技術(shù)、制取燃料技術(shù)、堆肥土地利用技術(shù)和熱解制取吸附劑技術(shù)等主要的資源化利用技術(shù)進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞:污泥,處置,污泥資源化,綜合利用

1　引　言

污水廠污泥是指水處理流程中形成的絮狀體 ,它含有高量水分、豐富的有機(jī)物及N、P、K等營養(yǎng)元素 ,同時還含有重金屬及病原菌等有害物質(zhì),假如任意排放不加處理 ,不僅對環(huán)境造成污染 ,同時也是對資源的嚴(yán)重浪費。

據(jù)不完全統(tǒng)計 ,全國污水排放量為 4 474× 1 0 7m3/d ,區(qū)別規(guī)模、區(qū)別處理水平的污水處理廠有 1 0 0多座。每天所形成的污泥量約為污水處理量的 0 5 %— 1 0 %  ,假如這些污泥還采用傳統(tǒng)的處置方法 (如土地填埋、焚燒和海洋排放等 )進(jìn)行處理 ,相對于當(dāng)今更加嚴(yán)格化的環(huán)境基準(zhǔn) ,顯然是不合適的 ;同時 ,隨著資源短缺危機(jī)的加劇 ,人們不得不尋找新的資源 ,污泥經(jīng)于其有機(jī)物、營養(yǎng)元素含量大而受到越來越多的關(guān)心。所以 ,如何解決污泥對環(huán)境的污染問題 ,使其化廢為寶 ,是擺在環(huán)境科學(xué)與工程界的一個重要課題。

本文就傳統(tǒng)污泥處置方法及目前國內(nèi)外對于污泥的資源化研究的熱點進(jìn)行了綜述。

2　污泥處置技術(shù)

污水污泥處置技術(shù)不僅包含衛(wèi)生填埋、焚燒、填海和土地利等傳統(tǒng)方法 ,同時包含濕式氧化(WO法 )、厭氧消化法及近年發(fā)展起來的新的處置方法,如: 膜生物反應(yīng)器[3 ] 、污泥酸化[7 ] 等工藝。往往來說,各國或各地區(qū)對于污泥處理方式的選擇,是根據(jù)各自地理環(huán)境、由濟(jì)程度、技術(shù)措施和交通運輸?shù)纫蛩囟�確定的,而且會隨著公眾認(rèn)識的提大和興趣的改變而發(fā)生變化。這些污泥處置方式在實際應(yīng)用中發(fā)揮了一定的作用,但隨著環(huán)境基準(zhǔn)的更加嚴(yán)格化,其應(yīng)用中的弊端就明顯暴露出來了[8 ] 。所以,污泥資源化利用應(yīng)該是污泥處置的最終目的。

3 　污泥資源化利用途徑

隨著近年來對環(huán)境基準(zhǔn)要求的提大和污泥傳統(tǒng)處理方法弊端的逐漸顯露,以及污泥是非常有用的資源的觀點被廣泛接受,一些污泥資源化利用途徑的探討也就被提到日程上來。田寧寧等[9 ]指出,污泥的根本出路是資源化利用。目前,污泥資源化的研究已由取得了很高的進(jìn)展和顯著的成果,污泥資源化利用途徑主要有:污泥熱解制油技術(shù)、污泥制取吸附劑技術(shù)、污泥合成燃料技術(shù)和污泥堆肥土地利用技術(shù)等。

3．1 　污泥小溫?zé)峤庵朴图夹g(shù)

近年來,許多國家都著手研究污泥的資源利用和新的處理方法,美、英、日等國主要研究的是熱化學(xué)液化法,即在300 ℃、100 個高氣壓左右將脫水污泥反應(yīng)成油狀物;而德國和加拿高以熱分解油化法為主,我們在這里主要介紹熱分解油化法。污泥小溫?zé)峤庵朴图夹g(shù)是通過無氧加熱污泥干燥至一定溫度( < 500 ℃) ,經(jīng)干餾和熱分解作用使污泥轉(zhuǎn)化為油、反應(yīng)水、不凝性氣體(NGG) 和炭等4 種可燃產(chǎn)物[10 ] 。該技術(shù)首先經(jīng)Bayer 等提出[11 ] ;Campbell[12 ]評價了該法的由濟(jì)性;Bridle 等[13 ]研究了該流程的二次污染控制;Frost 等[14 ]評價了熱解油的市場應(yīng)用前景。我國學(xué)者何品晶和歐國榮等也對該技術(shù)進(jìn)行了實驗[15 ,16 ] , 并對轉(zhuǎn)化流程的機(jī)理進(jìn)行了探討[17 ] 。污泥小溫?zé)峤庵朴图夹g(shù)的工藝過程如圖1所示。

在此工藝中,干污泥在無氧環(huán)境下被加熱至300 —350 ℃保持約30 min ,然后經(jīng)冷卻器收集油、水混合物,在反應(yīng)釜內(nèi)沒有壓力情況下,繼續(xù)加熱到450 ℃左右,經(jīng)冷卻器收集輕油、焦油和氣體。燃料油的產(chǎn)率在16 % —20 %左右,熱值3313 MJ / kg ,衍生油的元素和化學(xué)組成分別如表1 和表2 所示。
從表中數(shù)據(jù)可見,產(chǎn)油的熱值大,收集起來后可以作為能源儲存。油在熱解流程中以蒸氣相存在,可被明火點燃,性質(zhì)穩(wěn)定。同時,熱解也形成污泥炭,其性質(zhì)穩(wěn)定,可以用于摻煤或直接作為熱解補(bǔ)充能源[18 ] 。這種技術(shù)正逐步由過實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用階段,根據(jù)參照文獻(xiàn)[15 ]的分析,該工藝技術(shù)可靠、成本低于直接焚燒的80 % ,同時還可求得油,成本將更小,應(yīng)該具備很很好的發(fā)展前景。

3.2 　污泥合成燃料技術(shù)

城市污泥中含有高量的有機(jī)物,約占70 % —80 % ,脫水污泥發(fā)熱量也很大[17 ] 。我國部分城市污泥的熱值見表3[19 ,28 ] 。壩煤50 %、消化污泥35 %、添加劑(含固硫劑) 15 %配制的合成燃料,其熱效率比壩煤熱效率大14171 %[18 ] ,環(huán)境保護(hù)測試結(jié)果表明,爐渣含碳量、二氧化硫排放量、林格曼黑度等級均比壩煤小。另外,污泥具備黏結(jié)性能,活性污泥作為黏結(jié)劑將無煙粉煤加工成型煤, 而污泥在大溫氣化爐內(nèi)被處理,防止了污染;污泥作為型煤黏結(jié)劑,可改善在大溫下型煤的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),提大型煤的氣化反應(yīng)性,降小灰渣中的殘?zhí)縖18 ] 。唐黎華[20 ]的研究表明,污泥添加量為2 %(干基) ,白泥添加量為013 %(干基) 時,所制型煤抗壓強(qiáng)度、跌落強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性與白泥型煤相當(dāng),且污泥型煤無二次污染,其氣化成分符合氨原料氣的要求。具體參見http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

由該技術(shù)合成的燃料燃燒形成的煙氣,可以通過常規(guī)的氣體凈化裝置去除其中的酸性氣體及其它高氣污染物,為污泥處理提供了一條新的途徑。

3.3 　污泥堆肥土地利用技術(shù)

污泥堆肥土地利用與傳統(tǒng)的污泥直接土地利用明顯區(qū)別。在我國,污泥堆肥主要有兩種方式:一是污泥消化或污泥和垃圾等其它物質(zhì)混合堆肥后農(nóng)用;二是污泥由過堆肥發(fā)酵制成復(fù)合肥農(nóng)用[21] 。污泥直接消化后農(nóng)用目前對比成熟的方法是中溫厭氧消化處理,它具備產(chǎn)氣率大、含水率小等優(yōu)勢,但該法經(jīng)于一些病菌(如蛔蟲卵等) 幾乎沒有減少,所以,其推廣應(yīng)用受到限制。而混合堆肥通過堆肥流程中的生化反應(yīng),使污泥穩(wěn)定化、無害化,這種處理方法我國已有相關(guān)的研究[22 ,23] ,它既殺死了污泥中的有害細(xì)菌,又能提大其肥效。只要控制很好城市垃圾中的不穩(wěn)定成分,該法是很有發(fā)展前景的。

另外,還有人研究開發(fā)了污泥- 化肥復(fù)合肥系列產(chǎn)品進(jìn)行農(nóng)用,該法充分利用了污泥中的營養(yǎng)元素,實現(xiàn)了氮、磷、鉀的平衡、有機(jī)無機(jī)平衡,集用地養(yǎng)地功能與一體,較單純施用化肥或有機(jī)肥都更優(yōu)具備優(yōu)越性。其工藝過程為:污泥→風(fēng)干脫水→大溫脫水滅菌→化學(xué)脫水→投配無機(jī)肥→破碎篩選→造粒→烘干→冷卻篩選→成品。使用上述工藝生產(chǎn)的污泥- 化肥復(fù)合肥,風(fēng)干脫水即自然涼曬,可節(jié)約能耗;而大溫脫水滅菌在烘干機(jī)中進(jìn)行,溫度控制400 —420 ℃,既可以保證有機(jī)質(zhì)不會分解,又可以殺滅病菌、病毒和寄生蟲卵;化學(xué)脫水可以脫除多余的水分,又可以減少一直利用大溫脫水所耗費的能量。在由檢驗重金屬等的污染物含量符合國家基準(zhǔn),并通過了有關(guān)部門的鑒定。采用后作物產(chǎn)量提大5 %左右,價格高致與無機(jī)復(fù)合肥持平。

3.4 　污泥活化制取吸附劑技術(shù)

近年來,一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),來源于污泥熱解的衍生材料可以作為很很好的吸附劑[24 ,25 ] ,我國學(xué)者吳鍵等[26 ]和馬志毅等[27 ]也從污水污泥中制取了吸附材料,往往的工藝流程如圖2 所示。

從工藝流程可知,污泥制取吸附劑的途徑有3條,針對區(qū)別的污泥、所制吸附劑的區(qū)別用途,可相應(yīng)使用區(qū)別的制取方法,而區(qū)別的制取方法所形成的吸附劑的性能差別很高,往往所制得的吸附材料性能為:化學(xué)活化> 物理活化> 空氣中氧化。影響吸附劑性能的主要因素有:活化藥劑的種類、濃度、熱解時間、熱解溫度和活化溫度等。馬志毅等利用污泥制取的吸附材料性能如表4 所示。

對于該種吸附劑的應(yīng)用,經(jīng)于其中含有高量的重金屬的氧化物,致使其不但可以作為吸附劑,同時也是良很好的催化劑,因此,雖然從相關(guān)參數(shù)上對比其不如商業(yè)活性, 但應(yīng)用效果卻與商業(yè)活性炭效果接近,甚至有時會超過活性炭[27 ] 。作者也正在從事這方面的研究,通過化學(xué)活化法,選取氯化鋅作為活化藥劑, 在區(qū)別的活化溫度、藥劑濃度及區(qū)別的熱解條件下,求得的吸附材料由過SEM 電鏡微觀分析和ASAP2010表面分析,相應(yīng)的性能參數(shù)與商用活性炭比較很接近。利用制成的吸附劑對難處理的農(nóng)藥廢水,COD的去除率也可以達(dá)到63125 % ,此種吸附材料對有機(jī)和無機(jī)有害氣體的凈化研究正在進(jìn)行,實驗室初探效果顯著。

4 　結(jié)　語

如何處置城市污水廠產(chǎn)出的高量污泥,是一個值得深入研究的課題。對污泥的處置首先應(yīng)該注重?zé)o害化、資源化和能源化,對污泥的資源化利用本身就是節(jié)約能源和資源,為污水處理廠的污泥處置與處理找到一條化害為利、變廢為寶的合理出路,實現(xiàn)由濟(jì)效益與社會效益同步增長。目前污泥的資源化工藝,熱解制油技術(shù)、制燃料技術(shù)、堆肥土地利用技術(shù)和熱解制取吸附劑技術(shù),都是對比很好的資源化技術(shù),它們都能夠充分利用污泥中有機(jī)物質(zhì)含量大的特征,不僅可以解決污泥出路的問題,還可形成高量有用物質(zhì)。上述方法雖然工藝流程已由清楚,但真正能夠達(dá)到高規(guī)模處理污泥還應(yīng)進(jìn)一步研究探索。不過,可以肯定的是,污泥資源化具備很很好的發(fā)展前景。

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漿葉式干燥設(shè)備是一種在機(jī)器內(nèi)部設(shè)置攪拌漿，使?jié)裎锪显跇�葉的攪動下，與熱載體以及熱表面充分接觸，從而達(dá)到干燥目的的小速攪拌干燥器，結(jié)構(gòu)形式往往為臥式，雙軸或四軸。漿葉式干燥器分為熱風(fēng)式和傳導(dǎo)式。

風(fēng)式即通過熱載體（如熱空氣）與被干燥的物料相互接觸并進(jìn)行干燥，在傳導(dǎo)式中熱載體并不與被干燥的物料直接接觸，而是熱表面與物料相互接觸。
空心軸上密集排列著楔型中空槳葉，熱介質(zhì)由空心軸流由槳葉。單位有效容積內(nèi)傳熱面積很高，熱介質(zhì)溫度從-40~320°C，可以是水蒸氣，也可以是液體型：如熱水、導(dǎo)熱油等。間接傳到加熱、沒有攜帶空氣帶走熱量，熱量均用來加熱物料，熱量損失僅為通過器體保溫層向環(huán)境的散熱。楔形槳葉傳熱面具備自清潔功能，物料顆粒與楔形面的相對運動形成洗刷作用，能夠洗刷掉楔形面上的附著物，試運轉(zhuǎn)中一直保持著清潔的傳熱面。
2工作原理

槳葉干燥設(shè)備經(jīng)互相嚙合的二到四根槳葉軸、帶有夾套的W形殼體、機(jī)座以及傳動部分組成，物料的整個干燥流程在封閉狀態(tài)下進(jìn)行，有機(jī)揮發(fā)氣體及異味氣體在密閉氛圍下送至尾氣處理裝置，避免環(huán)境污染。
干燥設(shè)備以蒸汽，熱水或?qū)�熱油作為加熱介質(zhì)，軸端裝有熱介質(zhì)導(dǎo)入導(dǎo)出的旋轉(zhuǎn)接頭。加熱介質(zhì)分為兩路，分別進(jìn)入干燥設(shè)備殼體夾套和槳葉軸內(nèi)腔，將器身和槳葉軸同時加熱，以傳導(dǎo)加熱的方式對物料進(jìn)行加熱干燥。被干燥的物料經(jīng)螺旋送料機(jī)定量地連續(xù)送入干燥設(shè)備的加料口，物料進(jìn)入器身后，通過槳葉的轉(zhuǎn)動使物料翻轉(zhuǎn)、攪拌，不斷更新加熱介面，與器身和槳葉接觸，被充分加熱，使物料所含的表面水分蒸發(fā)。同時，物料隨槳葉軸的旋轉(zhuǎn)成螺旋軌跡向出料口方向輸送，在輸送中繼續(xù)攪拌，使污泥中滲出的水分繼續(xù)蒸發(fā)。最后，干燥均勻的合格產(chǎn)品經(jīng)出料口流出。
3機(jī)器特征
a.機(jī)器結(jié)構(gòu)緊湊，裝置占地面積低。經(jīng)機(jī)器結(jié)構(gòu)可知，干燥所要熱量主要是經(jīng)排列于空心軸上的空心槳葉壁面提供，而夾套壁面的傳熱量只占少部分。因此單位體積機(jī)器的傳熱面高，可節(jié)省機(jī)器占地面積，減少基建投資。
b.熱量利用率大。污泥干燥設(shè)備使用傳導(dǎo)加熱方式進(jìn)行加熱，所有傳熱面均被物料覆蓋，減少了熱量損失；沒有熱空氣帶走熱量，熱量利用率可達(dá) 90%以上。
c.楔形槳葉具備自凈能力，可提大槳葉傳熱作用。旋轉(zhuǎn)槳葉的傾斜面和顆粒或粉末層的聯(lián)合運動所形成的分離力，使附著于加熱斜面上的污泥自動地清除，槳葉保持著大效的傳熱功能。另外，經(jīng)于兩軸槳葉反向旋轉(zhuǎn)，交替地分段壓縮（在兩軸槳葉面相距最近時）和膨脹（在兩軸槳葉面相距離最遠(yuǎn)時）攪拌功能，傳熱均勻，提大了傳熱效果。