污泥處理過(guò)程的物質(zhì)與能量流分析

摘要：介紹污泥處理單元與處理處置途徑，從物質(zhì)和能量流角度對不同工藝組合加以分析并結合中國目前情況加以討論。

關(guān)鍵詞：污泥；處理；能量流；物質(zhì)流；優(yōu)化

1背景

關(guān)于污泥處理處置不同對策的討論與爭議通常遠比對污水處理工藝的探討要激烈和復雜得多。除了商家利益和設計、決策者所處的部門(mén)局限等主觀(guān)因素外，污泥處理處置不僅涉及多個(gè)環(huán)節而且在短期和長(cháng)期規劃、最終去向等方面與很多邊界條件和政策導向相關(guān)。

通過(guò)對不同處理手段的組合、相應的物質(zhì)和能量流分析，并對投資和運行費用進(jìn)行比較，�？蓪�問(wèn)題和討論更客觀(guān)化。

本文根據一些實(shí)際工程經(jīng)驗的總結對不同工藝組合的物質(zhì)流和能量流加以分析并結合中國目前情況加以討論。

2 工藝組合

圖1簡(jiǎn)單綜合了歐洲較為常用的污泥 處理、處置或利用的途徑。所涉及的單元操作將在下節分別介紹。

3 單元操作及物質(zhì)與能量流特征

3.1 生物穩定化

通過(guò)穩定化處理，污泥被進(jìn)一步無(wú)機化、減量化，而且脫水性能得到改善。處理后的污泥，由于降低了產(chǎn)氣潛能從而可以更好地貯運。出于簡(jiǎn)化工藝，歐洲小型處理廠(chǎng)（500～20,000人口規模）有較多采用好氧工藝，而大一些的污水處理廠(chǎng)考慮能量回收和運行費用的優(yōu)化則采用厭氧工藝1。

采用焚燒處理手段時(shí)，消化作為一個(gè)中間單元操作來(lái)說(shuō)所要達到的目的就簡(jiǎn)化為減量、便于中間儲存和改善機械脫水性能，至于消化的其它功能，比如污泥中有機物含量是否對焚燒有利，以及建造消化系統的投資對污泥處理系統總的影響，則要與其它單元操作綜合起來(lái)統一考慮。

在厭氧消化污泥的過(guò)程中，一部分干物質(zhì)轉化成沼氣，可用于發(fā)電、制備熱水或低壓蒸氣、作為燃料供給發(fā)酵系統保溫或作為污泥干燥和污泥焚燒時(shí)的輔助燃料。

厭氧消化過(guò)程所需要的能量主要是污泥輸送和攪拌的電能，以及污泥升溫及消化池的保溫。目前中國對消化設施運行數據的總結和報道尚較少。圖2是根據德國工程數據歸納的結果2。計算中假設處理前干污泥中灼燒揮發(fā)份占65%，揮發(fā)份的熱值是22000KJ/kg，消化后灼燒揮發(fā)份減少50%。重力濃縮污泥的濃度、消化溫度均會(huì )對相關(guān)數據產(chǎn)生影響。

3.2 機械脫水與干燥

機械脫水的效率在沒(méi)有仔細考慮污泥處置和片面強調一次性投資的節省時(shí)常常被忽視，絕大多數情況下，機械脫水脫水率的增加對后續處理處置費用的減小至關(guān)重要。

污泥可被部分干燥或全部干燥。干物質(zhì)含量超過(guò)92%的污泥可視為無(wú)生物活性，并可長(cháng)期儲存。特別是對于規模較大的污水處理廠(chǎng)，干燥所需能量的來(lái)源常常是干燥應用的最大制約。德國上世紀90年代約有120多家污泥干燥廠(chǎng)，這些裝置大約可處理市政污水處理設施污泥產(chǎn)生量的10%，單體處理規模遠小于中國污水處理廠(chǎng)平均規模。由于嚴格的排放標準限制，實(shí)際常采用間接熱交換工藝。

圖3給出污泥干物質(zhì)中不同揮發(fā)性固體物含量與污泥干物質(zhì)含量及污泥低位熱值的相關(guān)關(guān)系。計算中假設灼燒揮發(fā)份的熱值為22,000KJ/Kg，圖中還標出了污泥干燥時(shí)不同初始干物質(zhì)含量及干燥后干物質(zhì)含量與干燥所需最小理論熱量。

污泥的機械脫水是進(jìn)一步處理的重要前提。如果將焚燒或其它熱處理作為最終處理手段，則要求機械脫水效率盡可能高，因為機械脫水每處理一噸含水污泥需要1—2kwh 的能量（電能），而干燥時(shí)不僅需要一部分電能，而且需要大量的熱能用于水的蒸發(fā)。圖4概括了污泥脫水、干燥的基本能量流2。

特別需要注意的是干燥過(guò)程中被蒸發(fā)出來(lái)的水分含有較高濃度的氨氮。通常的做法是將冷凝下來(lái)的水排到污水處理廠(chǎng)進(jìn)行處理，從而在不同程度上增加了進(jìn)水的氨氮負荷。

3.4 殺菌與固化

利用氧化鈣和添加其他材料或工業(yè)廢物，如水泥、粘土、石粉、飛灰和煙氣凈化的粉塵等對脫水污泥進(jìn)行殺菌和固化處理西方國家在上世紀六、七十年代作了較多的應用研究，包括處理后的填埋性能與工藝。雖然近20多年來(lái)這一處理手段在專(zhuān)家學(xué)者的視野中幾乎消失，但不能忘記的是即使在西歐的發(fā)達國家尚有較大比例的污泥以填埋作為最終處置手段，而填埋前通常經(jīng)過(guò)殺菌和固化處理。

除了衛生學(xué)上的意義外，氧化鈣與含水污泥混合，在與水分子反應的同時(shí)放熱并使一部分水分蒸發(fā)。加入氧化鈣后污泥含水率降低、硬度增加。少量的鋁鹽和（或）磷酸鹽的添加可以進(jìn)一步增加污泥的硬度。

該操作單元的另一個(gè)重要作用在于污泥的改性：無(wú)形狀的和塊狀的污泥在適宜的混合器中進(jìn)行固化處理后形成流動(dòng)性良好的顆粒，由于去除了生物活性從而易于堆積、儲存和運輸。

這一單元操作的關(guān)鍵在于混合。原始的處理裝置是在蝸桿輸送機中加入鈣粉，因為物料只經(jīng)過(guò)推送過(guò)程所以混合不均勻（耗鈣粉多、混合不均勻，效果差）同時(shí)難以實(shí)現污泥性狀的改善�，F代的混合設備采用混合器中特制的絞刀使污泥破碎并流態(tài)化，處理后的物料（污泥）變成流動(dòng)性良好的顆粒。這種形式的處理在德國得到普遍應用。

圖5是一個(gè)簡(jiǎn)化的污泥固化的框算。

該處理單元的作用主要為以下幾點(diǎn)：

(1)   單組分或與垃圾混合填埋的預處理；

(2)   酸性土壤的改良；

(3)   污泥熱干燥的替代方案；

(4)   污泥焚燒爐或工業(yè)窯爐焚燒的預處理（加入的氧化鈣起一定的脫硫劑作用）；

(5)   改善儲存和運輸。

3.5農業(yè)利用和土壤改良

污泥農業(yè)利用或用作土壤改良有幾種不同的形式，如在極小型污水處理廠(chǎng)經(jīng)生物穩定化處理后的濃縮污泥直接農用，經(jīng)機械或加熱脫水后的污泥農用、堆肥等。從物質(zhì)流角度看，污泥富含營(yíng)養鹽，回歸農田可以使農業(yè)、食品、廢物構成良性循環(huán)。遺憾的是，現代城市混合排污系統使得污泥成分復雜，因此農用在安全性方面有一定的局限，而用于綠化和土壤改良雖然更為適宜，但由于政策和組織管理方面的原因難以實(shí)施。

3.6污泥焚燒與煙氣凈化

焚燒分為污泥單組分焚燒和混合焚燒。前者最主要的工藝形式是靜態(tài)流化床�；旌戏贌�包括：

(1)   垃圾焚燒廠(chǎng)在垃圾中混入少量污泥；

(2)   電廠(chǎng)混入少量污泥；

(3)   工業(yè)窯爐（如水泥廠(chǎng)）等。

由于垃圾焚燒廠(chǎng)煙氣的排放要求與污泥焚燒一樣，所要考慮的因素更多是對策、工藝和費用的優(yōu)化，比如垃圾焚燒爐排爐在加入過(guò)量污泥后，過(guò)量的污泥會(huì )通過(guò)爐排泄漏，導致焚燒不完全，以及污泥會(huì )增加煙氣中的飛灰從而超過(guò)垃圾焚燒爐及鍋爐設計的允許值等。爭議最大的是電廠(chǎng)和工業(yè)窯爐的混合焚燒，因為電廠(chǎng)和工業(yè)窯爐排放標準較低，污泥中的污染物混入后被稀釋?zhuān)�而重金屬、二惡英的監測又很復雜并難以監控。這個(gè)議題較大，限于篇幅本文不再展開(kāi)。

所謂焚燒過(guò)程能夠自燃，并不是單純指焚燒過(guò)程不需輔助燃料，而同時(shí)包括：必須要達到對污染物，主要是有機污染物的充分消除。這里不僅指氣相（煙氣），而且指固相（飛灰及爐渣），同時(shí)達到系統殘余固體物的高度穩定化。在設計和實(shí)施污泥焚燒處理時(shí)需優(yōu)化空氣預熱系統、能量回收系統和輔助燃料系統。焚燒過(guò)程能否夠自燃除了與污泥本身（含水率，干物質(zhì)的熱值）有關(guān)外，還與設計的燃燒空氣過(guò)剩系數、空氣預熱溫度有關(guān)。

焚燒后污泥中的化學(xué)能轉換成煙氣中的熱能，其中一部分隨熱回收后的煙氣排放而損失掉。熱能回收后的主要利用途徑為

(1)   燃燒空氣的預熱；

(2)   污泥預干化（提高熱值）；

(3)   發(fā)電或輸出熱水、蒸汽。

前兩項完全是焚燒系統的“內耗”。由于煙氣組分比常規電廠(chǎng)要復雜，所以一般鍋爐蒸汽壓力不超過(guò)50bar，以發(fā)電為最大目的設計，蒸汽熱能變成電能的效率約為25%，遠低于電廠(chǎng)。

焚燒和煙氣凈化消耗的電能主要是燃燒風(fēng)機和煙氣引風(fēng)機。

4以焚燒為最終處理的工藝組合與比較

4.1工藝組合

表1列出幾個(gè)以焚燒為最終處理的工藝組合。以下為以實(shí)際工程為基礎的幾個(gè)方案比較，重點(diǎn)是物質(zhì)流與能量流的量化，由此可進(jìn)一步確認設施的復雜程度、大小與費用。

計算中采用統一的基數：

(1)   原始人均污泥產(chǎn)生量為每人每天80g；

(2)   污泥的干物質(zhì)中灼燒揮發(fā)物含量為65%；

(3)   灼燒揮發(fā)物中有50%可通過(guò)厭氧消化得到降解；

(4)   灼燒揮發(fā)物的低位熱值為22,000kJ/Kg。

表1： 幾個(gè)以焚燒為最終處理的工藝組合
 

組合代號	是否有厭氧消化工藝	機械脫水后TS含量%	半干化后TS含量%	燃燒空氣預熱℃	焚燒特征
Fl30Tr37Vw	有	30	34	500	自燃
Fl30Tr48	有	30	48	不需	自燃
Fl37Vw	有	37	無(wú)干化	500	自燃
F25Vw	有	25	無(wú)干化	500	需輔助原料
25Tr30Vw	無(wú)	25	30	500	自燃
25Tr40	無(wú)	25	40	不需	自燃
30Vw	無(wú)	30	無(wú)干化	500	自燃
20Vw	無(wú)	20	無(wú)干化	500	需輔助原料
Fl30Tr95	有	30	95	不需	自燃
25Tr95	無(wú)	25	95	不需	自燃

方案Fl30Tr37和Fl30Tr48污泥消化后機械脫水至固體物TS含量30%（如通過(guò)離心脫水機實(shí)現），如果通過(guò)半干化（或加CaO）將固體物含量進(jìn)一步增加，在固形物TS含量為37%時(shí)（半干化），通過(guò)將燃燒空氣預熱到500℃便可自燃。如果TS含量進(jìn)一步提高，達到48%時(shí)焚燒爐不需對燃燒空氣預熱便可自燃。

如果機械脫水僅將TS提升到25%（Fl25Vw），即使對燃燒空氣預熱，也仍需輔助燃料。

未經(jīng)消化的污泥脫水至TS30%（25Tr30Vw和30Vw），系統通過(guò)預熱燃燒空氣可自燃。

方案Fl30Tr95和25Tr95將污泥全干化至TS95%，所需熱源可來(lái)自煙氣的熱回收或污泥消化的沼氣。

4.2物質(zhì)流與設備規模

焚燒煙氣量和干燥蒸發(fā)的水量分別是焚燒設備和熱蒸發(fā)干燥設備規模的重要指標。圖6將這兩個(gè)指標列出2。由于污泥消化已將部分可燃物降解，所以煙氣量均低于未消化污泥。如果機械脫水率高（Fl37Vw，Fl25Vw,和30Vw），僅通過(guò)預熱燃燒空氣便可實(shí)現自燃，不需要中間的干化。
 

4.3熱能

圖7列出焚燒前系統所需的熱能以及從沼氣和煙氣中可回收的熱能2。從中可以看出消化過(guò)程回收的熱量在假定的消化條件下有一大部分又用于系統的保溫。除機械脫水率低的20Vw方案外，所有其它方案均可不同程度地回收熱能。計算中假定沼氣和煙氣的熱能回收率為75%，在全干化的兩個(gè)方案中（Fl30Tr95和25Tr95）取90%（相當于電廠(chǎng)熱回收率）。
 

4.4 電能

圖8為系統電耗2，在30-65KJ/人·天這樣一個(gè)范圍。圖7中過(guò)程剩余熱能在150-400KJ/人·天之間（20Vw除外）。取沼氣轉化電能30%，煙氣熱能轉化為電能的25%，則剩余熱能理論上所能轉化的電能便與系統耗電在一個(gè)數量級上了。實(shí)際的系統中考慮到穩定性通常要有一定的余量，一次性投資的局限等，所以污泥焚燒過(guò)程的能量回收未必完全抵消系統的能耗。
 

圖9給出以發(fā)電為最大目的發(fā)電量比較2。
 

在有消化的工藝組合中，發(fā)電量絕大部分來(lái)自沼氣發(fā)電。Fl25Vw,20Vw以及全干化方案的發(fā)電量較高是因為輸入了外界供給的能量。如果燃料計價(jià)低而發(fā)電量又有較好的補貼，則過(guò)程會(huì )有盈利，盡管同樣的燃料用在發(fā)電效率高的常規電廠(chǎng)從能源利用效率上看更有意義。

二個(gè)全干化+焚燒的方案（Fl30Tr95和25Tr95）如果利用電廠(chǎng)的剩余熱能進(jìn)行干燥，干化后的污泥替代常規燃料，從能量的角度看是有意義的。實(shí)際中，除了以上所提及的污染物排放問(wèn)題外，運輸以及干燥后冷凝水的去向等又成了新的問(wèn)題。

5 討論

本文所涉及到的定量描述以歐洲污泥的基礎數據和污泥處理工程實(shí)踐為依據，試圖指出污泥問(wèn)題的系統性以及不同操作單元之間的物質(zhì)與能量的相互關(guān)聯(lián)，而其中定量化的結論與假設的邊界條件有關(guān)。關(guān)于單元操作和工藝組合的描述與分析可以引出以下啟示：

(1)         污泥問(wèn)題涉及方方面面，如果將某一個(gè)或幾個(gè)單元操作的結論擴展到全系統，就勢必會(huì )容易以偏概全。 在規劃和設計中通過(guò)對過(guò)程的物質(zhì)和能量流進(jìn)行分析可以使決策更科學(xué)化。

(2)         無(wú)論從衛生要求還是減量化和能量回收的角度，污泥厭氧消化在污泥處理處置系統中應得到更多重視。污泥消化遇到的問(wèn)題常常是發(fā)酵時(shí)間長(cháng)（反應中細胞壁的障礙使得水解過(guò)程過(guò)長(cháng)），管理技術(shù)要求高等。近十多年歐洲污泥消化之前的預處理技術(shù)與工藝可以緩解這一問(wèn)題，應當注意引進(jìn)。

(3)         上面的分析顯示，半干化如果作為焚燒的預處理，是否需要以及干化的程度主要取決于焚燒的系統優(yōu)化。如果作為填埋的預處理或者作為污泥運往異地的污泥焚燒廠(chǎng)之前的預處理，在經(jīng)濟性和能耗方面存在很大的局限性。這時(shí)殺菌固化在絕大多數情況下會(huì )更經(jīng)濟、有效、合理。

(4)         現代污水處理廠(chǎng)污水處理及污泥脫水和穩定化的耗電約在250kJ/人.天2。如果不加輔助燃料的話(huà)，由上面的分析可看出，沼氣、焚燒的電能回收小于均小于這一數值。也就是說(shuō)，污水污泥處理是個(gè)凈耗能的過(guò)程。

(5)         焚燒在減量化方面有明顯優(yōu)勢，但應該對其在能量回收上所起的作用進(jìn)行客觀(guān)估價(jià)。減量伴隨著(zhù)污染物的富集，煙氣凈化的副產(chǎn)物屬于特殊固體廢棄物。

(6)         焚燒是否是中國目前要普及的對策，應在多方面加以考慮。國際上, 如前西德國，50萬(wàn)以上人口的城市均有至少一個(gè)污泥焚燒廠(chǎng)，但另一方面，西德超過(guò)50萬(wàn)人口的城市幾乎屈指可數，而垃圾焚燒廠(chǎng)約有60個(gè)。如果中國垃圾的對策仍以衛生填埋為主的話(huà)，追求污泥焚燒似乎就不對稱(chēng)。(7)         將經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單機械脫水后的污泥進(jìn)行填埋會(huì )給填埋場(chǎng)造成很大壓力，上面介紹的污泥殺菌與固化在中國幾乎沒(méi)有實(shí)施。在衛生填埋仍為垃圾處置的重要趨勢和有限的資金更多要投向完善管網(wǎng)和提高污水處理率的大環(huán)境下，殺菌固化和衛生填埋不失為一個(gè)務(wù)實(shí)的解決途徑。

過(guò)去的幾十年中污水處理技術(shù)不斷完善，但污泥問(wèn)題即使在發(fā)達國家也仍然是一個(gè)難以解決的問(wèn)題。從物質(zhì)和能量流角度對污泥處置的思考自然會(huì )涉及污水的來(lái)源與最終歸宿的問(wèn)題。污水處理主要解決的是好氧有機物的降解和營(yíng)養鹽的去除，前者是能量攜帶體，但通過(guò)消耗能量的生化好氧過(guò)程轉變成二氧化碳被排放。營(yíng)養鹽氮、磷的去除也需要消耗能量，剩余的一部分隨出水流走進(jìn)入水體，一部分留在污泥中。污水處理廠(chǎng)污泥由于成分復雜，資源回收很困難.現代的污水排放模式幾乎完全截斷了食品－廢物－農業(yè)的物質(zhì)循環(huán)。污水中大部分的有機物和絕大部分營(yíng)養鹽來(lái)自糞尿， 近年來(lái)國際國內開(kāi)展的污水源分離的探索就是想將人糞尿單獨分離出來(lái)回收能量和資源，同時(shí)改變目前污水處理高耗能和污泥處理處置困難的局面3。

主要參考文獻：

[1]  ATV. Klaeschlamm(M), Ernst & Sohn Verlag,  1996, Berlin

[2] Zhang J. Stoff-und Energieflussanalyse bei der Planung thermischer  Klaerschlammbehandlung [J]. Korrespondenz  Abwasser 1999, 46( 4): 743-756

[3] 張健，高世寶，章菁，等. 生態(tài)排水的理念與實(shí)踐[J]. 中國給水排水，2008，24（2）：10－14(來(lái)源：谷騰水網(wǎng))