污泥处理有什么好方法?

作者:翁焕新    文章来源:中国环境报    点击数:2886    更新时间:2011/2/9

  污泥无害化处理是我国乃至全世界迫切需要解决的关键科技问题。本文针对我国污泥处理目前存在的问题与不足,以利用烟气余热污泥低温干化的发明技术为基点,将污泥无害化处理与节能减排两项环境目标结合在一起,提出了以废治废、废弃物再利用的污泥无害化、减量化和资源化处理途径。为促进我国城市污泥处理事业健康发展,本版特刊发此文,以飨读者。


  污水处理厂污泥(简称城市污泥)是城市生活污水和工业废水在进行净化处理过程中产生的沉淀物质,是一类危害性极大的固体废弃物。如果不加以彻底处理与控制,将会对环境造成严重的二次污染。如何安全、经济地处理处置城市污泥成为世界共同面临的环境难题。


  目前,我国大部分城市污泥出了污水处理厂后,便进入无序的临时堆存或简单填埋状态,不仅占用大量土地资源,而且严重破坏生态环境,特别是污泥中的污水侵入地下水,造成局部地下水资源难以复原的永久性危害。国外面临城市污泥处理难问题早于我国数十年,在长期实践中建立了污泥处理处置的方法。然而,由于我国国情与国外发达国家不同,国外的污泥处理处置方法难以在我国实施。


  面对以上现实,开辟一条符合我国国情的污泥无害化、减量化、资源化处理的新途径势在必行,刻不容缓。

 

  我国城市污泥的基本特征


  ■阅读提示


  由于我国经济发展在地域上的不平衡,造成了各地城市污泥产生量的明显差异。城市污泥主要化学组成的含量在不同年份的变化是不大的,说明了污泥主要化学成分基本保持稳定。城市污泥因含有大量有机物质而具有较高的热值。

  

  我国城市污泥具有以下基本特征:


  污泥的地域分布特征。由于我国经济发展在地域上的不平衡,造成了各地城市污泥产生量的明显差异。就当前而言,城市污泥的产生量主要集中在东部地区。据统计,东部11个省(市)的污泥产生量占全国污泥总量的63.87%;中部8个省的污泥产生量占全国污泥总量的20.9%;西部12个省(市)的污泥产生量占全国污泥总量的15.23%。但是,随着中部的崛起和西部大开发,以及国家环保“十一五”规划的实施,中、西部一些省(市)的污泥产生量不断增加,全国城市污泥平均增长率为16.82%,而中、西部的平均增长率分别高达23.29%和21.83%,因此,未来几年中、西部同样面临污泥处理的巨大压力。


  污泥的成分特征。对典型城市污水处理厂污泥连续3年的监测表明,城市污泥主要化学组成的含量在不同年份的变化是不大的,说明了污泥主要化学成分基本保持稳定。其中,污泥的无机物含量占60%以上,污泥中有机物含量平均达到36%左右。城市污泥中含有大量重金属,由于重金属不能被微生物分解,并可在生物体内富集,对生态环境的危害较大,因此重金属是污泥中主要的有毒有害物质。连续5年的监测表明,污泥中重金属含量随时间变化的范围很大,说明城市污泥中重金属含量随地区和时间的不同而变化,这主要与工业废水的来源和比例不同有关。


  污泥的热值与含水率。城市污泥因含有大量有机物质而具有较高的热值。热值是城市污泥最有价值也是惟一可被资源化利用的部分,它与有机物质的含量成正相关关系。我国城市污泥有机质的含量一般在30%~45%之间,污泥所含的热值一般在1200~2500千卡/公斤。污泥热值是否具有可利用价值决定于污泥的含水率,只有当污泥含水率至少降至30%以下时,污泥的热值才具有利用价值。污泥中的水以间隙水、毛细水、吸附水和结合水等不同的形态存在。污水处理厂通过浓缩过程可以去除大量间隙水,再经过机械脱水可以去除间隙水和部分毛细水,一般能使污泥含水率降至80%左右。含水率80%左右的污泥呈糊状,是需要彻底处理的对象,这时它只是有害的危险固体废弃物,不具有任何利用价值。

 

  国外污泥处理方法不适合中国


  ■阅读提示


  在探索我国污泥处理处置技术的过程中,存在追随国外现有污泥处理方法的趋向,具体表现为:改变污泥物性去适应填埋;简易的污泥焚烧;放宽污泥土地利用条件等。国外的污泥处理方法难以被我国借鉴。


  国外污泥处理处置方法主要有卫生填埋、焚烧和土地利用等。这些方法得以实施依赖于以下3个基本条件:要有足够的污泥填埋空间;有承受昂贵设备投资和很高运行费用的经济实力;对污泥中有害物质如重金属等有严格的限制条件。我国在经济上无法承受太高的污泥处理费用,此外,城市污泥具有两个明显特点:一是污泥数量和体积特别大,我国一个城市的污泥产生量往往超过欧洲一个国家的污泥总量,并且主要集中在城市周边,根本没有适合污泥填埋的空间;二是由于生活污水和工业废水合并处理,使污泥的成分非常复杂,特别是重金属和持久性有机污染物的含量较高,污泥土地利用存在很大的环境风险。很显然,国外的污泥处理方法难以被我国借鉴。


  我国城市污泥产生的环境问题已引起各级政府的高度重视,环境保护部以及沿海一些省(市)有关部门已发布了相关的技术指南,明确污泥是城市污水处理的一部分,必须得到全面、彻底处理。这意味着与污水处理一样,城市污泥处理将成为一个巨大的产业,为此吸引了相关行业纷纷介入污泥处理领域,这为我国尽快摆脱污泥处理技术困境带来了动力。但是,污泥处理并不像污水处理那样可以直接引进和消化吸收国外成熟的技术,而需要做大量的创新性工作和不断探索。为在城市污泥处理领域有所作为,我国一些科研机构、大专院校和公司企业投入了人力物力,开展了一系列相关研究与工程实践。通过技术交流可以看出,在探索我国污泥处理处置技术的过程中,存在追随国外现有污泥处理方法的趋向,具体表现为:


  改变污泥物性去适应填埋。国外的污泥卫生填埋始于上世纪60年代,这是一种具有严格管理制度的环境工程方法。污泥卫生填埋场通常选择在地基渗透系数低且地下水位不高的区域,并铺设防渗性能好的材料,以避免对地下水源及土壤的二次污染,同时设有甲烷气体和渗滤液的收集及其净化处理设施。由于污泥卫生填埋需要占用大量土地和最终不能避免污染环境,因此从2000年后,国外采用卫生填埋方法在污泥处置中所占的比例迅速降低。目前我国城市污泥仍以填埋的处置方式为主。由于从污水处理厂外运的含水率为80%左右的污泥呈半流体状,这给填埋(尤其是与生活垃圾一起填埋)带来技术上的困难和安全上的隐患。为使污泥能够尽量满足填埋需要的物性要求,有的通过添加石灰或水泥等物质,使污泥的含水率降低来改变半流体的性状,去适应填埋的要求。这种措施不仅不能使污泥减量,而且使有用的物质成为废弃物,结果占用更多的土地资源。


  简易的污泥焚烧。污泥焚烧是指在高于600℃的温度下,使污泥中的有机组分全部碳化生成稳定的无机物。自1962年德国率先建设并开始运行第一座污泥焚烧厂以来,污泥焚烧处理技术在西欧和日本等国得到较快推广,污泥通过焚烧,减容减量化程度很高。但是,污泥焚烧设备的一次性投资巨大,能耗和运行费均很高。另外,污泥焚烧可能产生废气、噪声、热和辐射等污染,特别是在经过不充分燃烧的过程中会产生二恶英等有害气体,在大气污染控制方面还存在一定的技术难度。近年来,国内有些地方采用直接向炉膛喷烧湿污泥的方法。实践证明,这种方法不仅对锅炉燃烧效率和设备有严重的负面影响,而且会给安全生产和大气环境带来隐患和不利影响。


  放宽污泥土地利用条件。污泥的土地利用主要包括污泥农用、森林、园艺和废弃矿场等场地的改良。单纯的城市生活污水处理后产生的污泥,含有丰富的有机物和一定量的N、P、K等营养元素,经过高温堆肥和生化处理,可以进行土地利用。但生活污水和工业污水合并处理产生的污泥,堆肥的方法不能去除有毒有害物质。欧美国家根据各自具体的情况,分别制定了污泥土地利用的技术标准和相关的法规。然而,随着人们对重金属和持久性污染物对生态环境影响的认识不断加深,发达国家已开始禁止再向土地直接施用污泥。我国一些地区试图采用土地利用的污泥处置方法,由于城市污水处理系统中工业废水的比例变化很大,污泥中的重金属和持久性有机污染物等含量非常不稳定,即使用于园林绿化,也会给环境带来潜在危害。随着人们对生态环境质量要求的日益提高,污泥土地利用的可行性将越来越小。


  毋庸置疑,国外的污泥处理方法不适用于中国,单纯追随国外现有的污泥处理方法无法从根本上解决我国城市污泥处理难的问题,我们必须开辟具有自主知识产权的污泥处理新技术。可喜的是,通过多年努力,已有成功的工程实践表明,利用烟气余热处理污泥技术已经步入了国际污泥处理领域的前列。

 

  利用烟气余热的污泥低温干化技术


  ■阅读提示


  如果利用烟气余热进行污泥干化,可以彻底克服污泥干化的能耗瓶颈,使污泥处理的运行成本大大降低。利用烟气余热干化污泥不仅因为吸取热量而减轻了热污染,而且因为吸附了烟尘和部分二氧化硫而减轻了对大气的污染负荷,能更好地达到节能减排的效果。

  
  城市污泥因含有大量有机物质而具有较高的热值,这奠定了污泥具有资源化利用的潜在价值基础,也就决定了城市污泥无害化与资源化处理的可能性。城市污泥贡献热值的基本条件是,污泥的含水率必须从污水处理厂出来时的80%左右降至30%以下,这就是说对污泥进行深度脱水成为城市污泥能否被资源化利用的技术关键。


  在现有的污泥深度脱水技术中,低温干化是一种能够使污泥全部毛细水和吸附水以及部分结合水蒸发的有效方法。所谓污泥低温干化,就是通过低于污泥燃点的外来热源将污泥中水分蒸发的过程。然而,污泥干化是能量净消耗的过程,能耗费用通常占污泥处理总费用的80%以上,如果利用烟气余热进行污泥干化,可以彻底克服污泥干化的能耗瓶颈,使污泥处理的运行成本大大降低。


  热电厂或水泥厂排放的烟气量很大,排放的烟气温度一般在120~200℃之间,其中蕴藏的巨大潜能正是污泥低温干化最理想的热源。如何利用烟气余热来实现污泥的深度脱水?浙江大学发明的二段式污泥低温干化工艺不仅能使污泥有效干化,而且能使污泥在干化过程中自然形成颗粒。这种工艺采用热烟气与污泥直接接触的方法,借助特制的干化成粒装置,通过二段式干化工艺,一方面使热烟气能够尽可能与湿污泥以最大面积接触;另一方面使湿污泥与烟气余热有足够的时间进行热交换,从而达到污泥低温干化效率的最大化。来自热电厂、水泥厂排放的烟气,或者是垃圾焚烧发电排放的烟气,分别引入两个并联的污泥干化成粒装置,最终使污泥的含水率从80%左右降至30%以下,污泥的体积减少至原来的1/3以下,首先实现了减量化。由于污泥是在连续滚动中完成干化过程的,因此干化后的污泥自然形成粒径为2mm~8mm的颗粒。它保存了95%以上原始热值,真正成为一种可以再利用的初级有机固体产品,可以作为燃煤的辅助燃料和水泥的生产原料,也可以烧制轻质节能砖和陶粒以及生产水泥压制品等。


  污泥中含有大量有机物质,在干化过程中污泥的部分有机物会发生分解,并释放出各种气体。对污泥干化模拟试验和实际工程释放气体的测定结果表明,在低于200℃的温度下,污泥释放的气体除最主要的水蒸气外,还有少量的烃类物质,它们通常在大气中不稳定,很容易被氧化或分解。由于利用烟气余热干化污泥需要的烟气量在1.5×105立方米/小时以上,因此,从污泥中释放的少量有害气体被充分稀释,加上污泥释放气体与烟气之间的相互作用,最后经过除尘除气装置的处理,污泥干化产生的尾气完全可达标排放。


  在利用烟气余热的二段式污泥低温干化过程中,热烟气与湿污泥直接接触,既能使污泥干化的效率大大提高,又能使烟气中的烟尘被湿污泥吸附,并被固定在污泥颗粒中。除此之外,污泥对烟气中的二氧化硫具有吸附作用,分析结果证实,污泥对二氧化硫的吸附属于化学吸附,当干化后的污泥颗粒作为燃煤辅助燃料资源化利用时,被化学吸附的二氧化硫不会再释放进入烟气。因此,利用烟气余热干化污泥不仅因为吸取热量而减轻了热污染,而且因为吸附了烟尘和部分二氧化硫而减轻了对大气的污染负荷,能更好地达到节能减排的效果。

 

  污泥最终处理的技术路线


  ■阅读提示


  走我国城市污泥最终处理的技术路线,将使城市污泥处理进入以废治废,废弃物再利用的良性循环,是一条符合我国国情的污泥无害化、减量化和资源化处理的最佳途径。

    我国污泥(含水率80%)的产生量已达到3.0×10吨/年,污泥通过干化使含水率降至30%,如果按常压下1公斤水蒸发需要吸收热量2675.9千焦耳计算,每年需要消耗的热量为5.73×10千焦耳。如果这个热量来自热电厂和水泥厂排放的烟气余热,不仅每年可以在污泥干化处理中节省相当于1.95×10吨标准煤,而且也因为废热得到利用而直接减轻了对大气环境的污染。


  火力发电和水泥生产消耗的能源在我国化石能源中占最大的比例,全年能耗达到1.178×109吨标准煤,成为我国二氧化碳的主要排放源。目前,我国能源利用率水平还很低,在众多能耗损失中排烟损失是最大的,一般达到5%~12%。利用烟气余热干化污泥,不仅能够使污泥得到安全、经济处理,而且能够使水泥生产和火力发电的能源利用率有所提高。按照美国能源部能源信息管理署(EIA)公布的全球能源消耗量和二氧化碳(CO2)排放量进行计算,每吨标准煤燃烧会产生1.69吨二氧化碳,利用烟气余热干化污泥每年可少排二氧化碳329.56万吨。由于利用烟气余热在低温下完成污泥干化过程,因此保存了污泥95%的原始热值。以我国污泥的热值一般在1500~2500千卡/公斤计,干化后污泥作为燃煤的辅助燃料,每年可以提供的热量相当于1.29×106~2.14×106吨标准煤。工程实践表明,利用烟气余热干化污泥,干化后污泥进行资源化综合利用能够产生非常显著的环境、社会和经济效益。由此可见,利用烟气余热处理城市污泥可以成为一种实实在在的节能减排措施。综上所述,有充分的理由确立我国城市污泥最终处理的技术路线(见上图)。


  根据我国资源状况,煤炭在能源生产及消费中的比例占70%以上,以煤炭为主体的能源结构在今后较长时间内仍将占主体地位。我国各地广泛分布的热电厂和水泥厂是燃煤的能耗大户,在排放大量CO2的同时排放出包括热污染在内的多种大气污染物。利用烟气余热的污泥低温干化技术进行污泥无害化处理,将使城市污泥处理进入以废治废、废弃物再利用的良性循环,是一条符合我国国情的污泥无害化、减量化和资源化处理的最佳途径。


  作者系浙江大学教授、博士生导师、浙江大学环境与生物地球化学研究所所长

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