市政污泥的干化处理和回收利用
Drying of Sewage Sludge and Utilization of Dried Sludge
在污泥处置费用不断上升的背景情况下，采用太阳能污泥干化和带式污泥干化变得十分安全，为污泥后处置提供了可靠技术途径。除了降低体积和重量之外，全干化后的污泥还能够稳定库存和运输。对于污泥干化工艺来说，要求对全年的能耗和物流进行合理管理 ，废气处理必须达到令人满意的处理程度。根据各国不同的污泥处置政策，产生的干泥可作为燃料或作为肥料回收利用。
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.
关键词:
市政污泥, 带式干化，太阳能干化, 能源管理, 废气处理, 干化污泥作为替代燃料或肥料
Keywords:
Sewage Sludge, belt and solar drying, energy management, exhaust air treatment, dried sludge as (substitute) fuel or fertilizer
1 污泥干化是污泥热处置和作为农肥的前提条件
1.1 降低重量体积，提高污泥库存稳定性
污泥干化处理的最大优点是可以大幅度降低污泥体积和重量。太阳能干化后的污泥密度一般是在 800 - 900 kg/m³ 范围内, 污泥体积可从原来 1 m³ 降低至0.18 – 0.27 m³。 在进行带式污泥干化时，因为在污泥干化之前必须进行面条化处理, 全干化之后的污泥密度一般是在400 - 600 kg/m³ 范围内。污泥体积可从原来 1 m³ 降低至 0.37 – 0.55 m³。举例来说，如果将进料污泥 25% DS全干化至 90% DS时，重量可以降低77.8%。
图 1 显示了消化污泥在20°C 时从实验室内确定的干化等温曲线, 此时蓝色曲线表示在不同水活性情况下– 即可供微生物利用的水量 –污泥固含量变化情况。红色曲线表示微生物生长速率。可以清楚看出, 当污泥固含量超过 87% DS时，微生物活性几乎下降至零，因此全干污泥可以长期库存，不会产生异味
1.2干泥作为燃料
如果需要将市政污泥作为燃料进行能源回收利用时，则采用免费热能或工业废热进行污泥干化处理则是能源回收的前提条件。采用以下公式，可以通过污泥有机物含量大致估计干化后污泥的热值:
(1)
当消化污泥的有机物含量 OTR = 50% 和干化后污泥固含量为90% DS时，污泥热值大约是 Hu = 10,100 kJ/kg 或 2.81 kWh/kg。在以下表 1内，举例列出了各种不同类型的消化污泥和好氧稳定化污泥性能参数，并和褐煤进行比较。根据污泥热值，还计算了干化污泥的热能商业价值。
表 1 不同市政污泥和褐煤的燃料性能/数值
|
燃料 |
消化污泥 全干处理 |
消化污泥 半干处理 |
稳定污泥 全干处理 |
稳定污泥 半干处理 |
褐煤球 |
原褐煤 |
|
污泥固含量 |
90% |
70% |
90% |
70% |
86% |
45% |
|
污泥有机物含量 |
50% |
50% |
70% |
70% |
- |
- |
|
热值Hu kJ/kg |
10,100 |
7,300 |
14,250 |
10,500 |
20,090 |
9,650 |
|
单位灰分含量kg/kg |
0.45 |
0.35 |
0.27 |
0.21 |
0.06 |
0.03 |
|
炉灰软化温度°C 大致估计数值 |
950-1,150 |
950-1,150 |
950-1,150 |
950-1,150 |
1,100-1,200 |
1,100-1,200 |
|
污染系数 E tCO2/kWh |
0 |
0 |
0 |
0 |
0.406 |
0.406 |
|
在 3 € / MWh时的理论热能价值€/t |
8.43 |
6.09 |
11.88 |
8.76 |
16.74 |
8.04 |
表 1一方面显示, 干化后的市政污泥含有较高的炉灰含量, 与褐煤相比较灰烬处置费高和焚烧效率低。此外与燃料例如褐煤，石煤和木料相比较，灰烬软化温度较低。因此在焚烧有些市政污泥时会产生以下问题: 许多国家规定，最后一段焚烧空气温度必须在850°C 时至少维持2秒[2], 此时飞灰就很容易粘在烟气热交换器表面。较低的灰烬熔化温度会容易产生炉渣, 从而在市政污泥气化装置的运转过程中产生负面影响。在褐煤燃烧时，当灰烬内SiO2 上升时灰烬熔化温度会逐步下降[3]。在德国 Emscherfluß-污水处理厂内，流化床污泥气化装置采用氧气和水蒸汽作为气化介质，主要处理市政污泥。运转数据显示: 灰烬中SiO2-含量大约 40.3%, 灰烬软化温度1,038°C, 灰烬熔化温度 1,104°C [4].
另一方面，采用市政污泥作为燃料焚烧时具有CO2-零排放扩散的优点。但只有今后CO2-排放指标能够在全球范围销售运转时，才能在商业基础上显示这一优点。原则上说，在采用单焚烧炉和污泥气化装置时，应该优先考虑采用好氧稳定化市政污泥。
必须注意, 不同焚烧系统对于污泥固含量要求是不同的。对于炉架焚烧炉来说，半干污泥的固含量至少在 65 - 70% DS 以上, 而对于流化床焚烧炉来说，污泥固含量在45 - 50%DS 范围就可以满足要求。此时，可通过接触性污泥干化装置直接将污泥干化至规定的污泥固含量，或者将脱水污泥和全干化污泥进行混合处理后输入焚烧装置。
图 2 显示了流化床单污泥焚烧装置和带式污泥干化装置协同运转的情况[5]。
1.3干泥作为肥料
目前在德国瑞士基本上市政污泥以热处置为主情况下，在法国和美国仍然还存在很大市场，允许干化后市政污泥作为肥料被回收利用。但此时必须注意, 污泥农用时必须通过肥料中间商的销售途径进入市场。举例来说，污泥的理论肥料价值可通过其中的矿化物质组成来计算(价格基础 2007)[6]。不管如何，计算所获得的理论商业价值要比前面的污泥燃料高出好几倍。以下表 2 可以清楚地显示这一点。
表 2举例说明市政污泥的理论肥料价值
|
矿物质含量 |
g/kg |
理论肥料价值 €/kg |
理论肥料价值 € / 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 |
|
总数值 |
48.9 44.0 € / t，90% DS |
但在很多国家或地区，有时要求污泥颗粒直径是在3.25 mm +/- 0.25 mm 范围内[7]，而对于带式污泥干化装置和太阳能污泥干化装置往往很难直接满足要求，经常要求额外配置干泥造粒装置。
2 何时采用带式干化, 何时采用太阳能干化?
2.1 带式污泥干化
在满足以下前提条件情况下，可以采用中温带式污泥干化装置:
Ø 拥有足够废热能源，例如70 - 145°C 范围内的热水
Ø 占地较小
Ø 处理量 > 2000 - 3000 t 脱水污泥 / a
Ø 要求恒定出泥固含量 > 90%DS
Ø 装置连续运转
Ø 对来自冷凝装置的废热进行深度回收利用，例如用于污泥消化塔的加热
Ø 干泥作为肥料时要求卫生化处理，根据美国规范EPA 503 要求达到等级A[8]
图 3 显示了整套双带污泥干化装置，配置了污泥面条机和冷凝装置以及废气处理装置(含2级化学洗涤和生物除臭装置)[9]。
2.2太阳能污泥干化
如果满足以下条件，则可以采用太阳能污泥干化技术(采用或不采用外来废热):
Ø 没有废热或只有限量低温废热时, 可在暖房内采用加热地板或热空气产生器
Ø 要求很低的电耗
Ø 出料污泥的平均固含量在70 - 80%DS
Ø 当地政府在财务税收政策上支持这一„绿色技术“
在图 4 显示了整套太阳能污泥干化系统，其中含有翻滚机, 暖房, 环风和废气鼓风机 [10]。通过铲车或运输螺杆可输入进料污泥。干泥出料可在污泥进料端(在图内前端)的相反一侧，或者在污泥进料端的同一侧。通过加热地板，可输入热水温度最高至50°C 或者通过空气加热器输入热水温度最高至90°C。
3 废气处理问题
用户接收市政污泥干化装置的前提条件是废气处理装置能够正常运转，满足国家规定的处理要求和排放指标。
在采用中温带式干化装置时，不管何种情况都必须配置安装废气处理装置, 一般是由酸洗塔, 有时还配置碱洗塔和生物除臭装置。
在采用太阳能污泥干化装置时，正常情况下在处理完全消化后的市政污泥时不需要配置除臭装置 。但在污泥干化处理时，要求对污泥进行高效翻滚通风处理，使得污泥床始终处于好氧状态。但在以下特殊情况下，有时仍然要求进行除臭处理:
Ø 废热处理比例很高
Ø 污泥没有完全消化处理和稳定化处理
Ø 进水内很有很高比例的工业污水，其中含有高浓度蛋白质或油脂含量。
在这种情况下，最好事先在一台试验装置内现场条件对污泥干化后的废弃进行分析研究, 这样可以确定, 采用何种类型的废气处理装置。照片 5 显示一台试验性污泥干化装置，可以模拟带式污泥干化装置的运转情况，并配置各种废气成份分析的测试设备。
4 能源和物质管理
4.1 市政污水处理厂内的能源利用情况
尽管有些污水处理厂通过污泥消化可以抽提一部分生物能源，但不管是从电耗1还是从热耗情况来看，还无法达到能源自给状态。尤其是在冬季，为了平衡污泥消化塔和污泥运输管道的热能损失以及机房加热，必须输入很多热能来加热污泥。带式污泥干化装置所需要的热能和电能有时需要通过额外采用天燃气运转的热电联产装置进行供电供热。根据市政污水处理厂的不同规模，在没有污泥干化装置情况下，通过沼气发电达到电耗自给的程度说明如下[11]:
- 人口当量在 10,000 – 30,000 范围内的小型市政污水处理厂内，电耗自给程度是50 %
- 人口当量大于 100,000的大型市政污水处理厂内，电耗自给程度是68 %
4.2提高能源利用效率的各种可能性
为了提高沼气能源利用效率和降低用于污泥干化的能耗，可以采取以下技术措施:
Ø 通过定向引入其他工艺技术和优化或选择合适的絮凝剂来提高污泥机械脱水时的固含量。
Ø 通过优化混合技术，有时通过污泥水解技术来提高产沼能力
Ø 多次反复利用热能，例如带式污泥干化装置利用废热之后再用于消化塔加热或用于太阳能干化装置的加热
Ø 利用外来协同发酵基质(例如，餐厨垃圾, 油脂分离器内涵物质, 宰鸡场垃圾) ，可将污泥消化塔的产沼能力提高2 至 3倍
原则上说，污水处理厂的„能源自给“ 只能通过引入外部的协同发酵基质来实现。例如，德国汉堡污水处理厂或德国Straubing 污水处理厂就是按此模式运转。所获得的产沼能力大约为 1.1 m³ 沼气 / m³ 消化塔/每天，全部用于沼气发电。所获得的电能和发电废热可以满足整个污水处理厂的热能需要(包括污泥干化处理)，甚至还有多余电能进行并网销售[12]。
4.3能源和物质管理
考虑到能源供给能力的波动性，要求市政污泥干化装置拥有一定的灵活调节能力。举例来说，污泥消化时的沼气产量或热能产量是和季节时间有关或者太阳辐射强度在一年不同季节时间内数值相差很大:
Ø 带式干化装置: 通过污泥处理量的调节来自动补偿能源供给的波动状态
Ø 太阳能干化装置: 在暖房内或在外部储泥仓内中间储存污泥或者采用废热进行污泥干化处理
5 干化污泥的后制备应用
在后续回收利用干化污泥时，必须根据不同的应用场来满足以下提出的要求:
Ø 污泥固含量
Ø 卫生化要求
Ø 污泥颗粒直径 / 密度
Ø 粉尘含量
Ø 污泥的肥料价值或热值
通过筛滤, 颗粒化或造粒处理以及添加剂混合处理等可以满足以上各种要求, 但这些技术处理措施需要额外的投资费用和电耗费用。
来自太阳能干化装置的干化污泥可在一根加热运输螺杆内进行筛滤和热水解处理来满足肥料应用要求。对于带式污泥干化装置来说，则可以通过投加来自酸洗塔的硫酸氨溶液和通过造粒处理来提高污泥肥料的价值(图 5) [13]。
在一般情况下，干化污泥还是被看作是垃圾物质而不是资源物质。但人们可在欧美国家看到以下缓慢的发展趋势
Ø 全干污泥至少在瑞士被免费接受，进行能源回收利用
Ø 在美国，由带式干化装置产生的市政污泥达到等级A质量要求，以作为肥料用于公园绿草房顶或高尔夫球场。
Ø 在美国有些地方，等级A 干化污泥可作为肥料销售给私人。
Ø 市政污泥灰烬有时作为长效肥料，有时作为肥料添加剂用于肥料工业。
不管回收利用途径如何，一般都是通过常规已建立的销售途径才能成功地出售干化污泥。
6 总结
污泥干化是后续将污泥作为肥料或燃料(污泥焚烧或污泥气化)时的基本前提条件。
进行有效的能源管理来解决污泥干化的能耗问题是整个污泥处理处置的关键。
至今为止，在含有污泥干化装置的污水厂内进行能源 „自给“只能通过引入餐厨垃圾进行协同发酵来提高消化装置的沼气产量和能源利用效率。
在德国，目前必须严格按照只有通过肥料法律和市政污泥规范才能将干化污泥作为农肥使用。尽管如此，肥料市场将污泥作为农肥的接受程度在不断下降。
干化后的污泥是否最后能否作为燃料，一方面是和污泥热值有关，同时也会受到污泥接受单位对污泥的具体要求或自己产能时的框架条件等因素影响。
文献
[1] 高颖: 中温带式干化装置的发展历史.. 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] 高颖: 德国目前市政污泥热法处置现状和技术. 亚洲环保（月刊）2011年12月号: 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] 高颖: HUBER带式污泥干化系统技术介绍.. 2008年7月/8月: 32 – 38. ISSN: 0219-5674
[10] 高颖: 利用太阳能进行市政污泥干化处理和生物能源回收. 亚洲环保（月刊）2010年1月号: 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
