安郝晓地,陈 奇,李 季,江 翰,梁 远
(北京建筑大学 城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室 中—荷污水处理技术研发中心,北京 100044)
摘 要:剩余污泥处理/处置目前在我国已成为比污水处理本身更为棘手的问题。丢弃(填埋,土地利用等)固然省事、省力、省钱,但限于填埋空间有限和土地利用受阻,再加上环境二次污染问题,这一低端途径已经或即将走进“死穴”,这也是发达国家面临的现实情况。高端污泥处理/处置以焚烧为代表,但多数国人认为投资太高而烧不起。针对这一问题,该研究以污泥脱水/干化后直接焚烧作为建议处理/处置方案,对这一建议工艺进行能量衡算以及投资与运行成本匡算,并与传统处理/处置工艺、介入热水解预处理工艺横向对比。计算结果显示,建议工艺与其它两种工艺对比,无论在能量赤字还是投资与运行成本上均为最低,分别为109 kW·h /t DS、374 万元/t DS和2 663元/t DS,较其它两种工艺能量赤字分别减少66.4%和65.2%,投资成本分别降低36.4%和39.2%,运行成本分别减少1.5%和12.1%。如果污水余温可就近用于污泥干化,建议工艺的可持续性将大为增加,不仅可实现污水处理厂自身碳中和运行,亦可能向外输电。以此同时,建议工艺额外好处是让灰分磷回收变得更加有效。
关键词:污泥焚烧;机械脱水;热媒干化;厌氧消化;能量衡算;成本分析
生物处理不仅是过去、现在盛行的污水处理方法,也将代表着未来。故而,污水处理副产物——剩余污泥是始终绕不开的问题。污泥处置方式,从开始的填埋、农用、绿化,一直到现在的堆肥、消化、乃至焚烧,这其中,污泥“丢弃”(如填埋、农用)显然是最为简单和经济的方式;在相对“地大物博”的中国、美国和英国丢弃所占比例较高, 分别达76%、59%和63% [1-4]。但是,在人均国土面积较小的一些欧洲国家和日本,丢弃应用比例持续下降,从法国46%,到德国27%,直至日本16%、荷兰11%(0%农用)[1-4],继而增加了厌氧消化、甚至焚烧的路径。
纵观欧洲等发达国家剩余污泥处理、处置历史,丢弃越来越受到空间和农业的限制,以至于很快变成一条“死胡同”。从省事、省力、省钱角度,中国固然想继续走丢弃的路子。然而,现实情况表明,我们没有足够可持续接纳污泥的填埋场地,农民亦不稀罕污泥中的肥效,园林绿化恐也难以长期接纳污泥。
这就形成了目前中国剩余污泥“成灾”的严重局面。因此,我们不得不“另辟蹊径”,以至于堆肥、消化、焚烧也相继提到议事日程并开始工程应用。在大多数国人眼中,焚烧投资与运行费用太高而望而生畏,一般首先考虑堆肥和消化。污泥堆肥出路有限,厌氧消化后仍有50%~70%的污泥有机物残留而“无地自容”,不得不再加焚烧环节最终处置。
鉴于此,我们认为,既然“低端”丢弃方式变得日益艰难,不如直接走向“高端”,即焚烧。当然,污泥焚烧需要将含水率降至一定范围(40%~70%[5~6])。所以,污泥脱水后仍需要进一步干化至目标含水率,而传统的厌氧消化则完全可以省略。污泥干化后焚烧不仅可以最大程度将污泥有机能量予以回收(发电、供热),而且焚烧后灰分是回收污水中磷(P)的最有效方式,甚至还可以回收重金属[5~10]。
基于这一思路,需要对污泥干化、焚烧建议工艺进行能量平衡、投资成本、运行费用匡算,并与传统厌氧消化为主的焚烧工艺进行技术经济比较,以揭示建议工艺在能量、投资以及运行方面的优势所在。
1干化+焚烧建议工艺
污泥直接干化、焚烧建议工艺包括机械脱水、热媒干化与单独焚烧三个单元,如图1所示。含水率³99%的原污泥采用机械脱水方式可容易将含水率降至80%(外运填埋标准);常用机械脱水方式有压滤(带式、板框)、真空吸滤和离心等等,但较常用的是压滤[11]。近年来,国内外也研发出一些新的脱水设备,如,电渗析脱水工艺[11]。总之,将原污泥脱水至80%选择方案较多。
详见:中国给水排水2019年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会(第十届) 论文集