污泥處理有什么好方法？
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編者按
污泥無害化處理是我國乃至全世界迫切需要解決的關(guān)鍵科技問題。本文針對我國污泥處理目前存在的問題與不足，以利用煙氣余熱污泥低溫干化的發(fā)明技術(shù)為基點(diǎn)，將污泥無害化處理與節(jié)能減排兩項(xiàng)環(huán)境目標(biāo)結(jié)合在一起，提出了以廢治廢、廢棄物再利用的污泥無害化、減量化和資源化處理途徑。為促進(jìn)我國城市污泥處理事業(yè)健康發(fā)展，本版特刊發(fā)此文，以饗讀者。
污水處理廠污泥(簡稱城市污泥)是城市生活污水和工業(yè)廢水在進(jìn)行凈化處理過程中產(chǎn)生的沉淀物質(zhì)，是一類危害性極大的固體廢棄物。如果不加以徹底處理與控制，將會對環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染。如何安全、經(jīng)濟(jì)地處理處置城市污泥成為世界共同面臨的環(huán)境難題。
目前，我國大部分城市污泥出了污水處理廠后，便進(jìn)入無序的臨時堆存或簡單填埋狀態(tài)，不僅占用大量土地資源，而且嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，特別是污泥中的污水侵入地下水，造成局部地下水資源難以復(fù)原的永久性危害。國外面臨城市污泥處理難問題早于我國數(shù)十年，在長期實(shí)踐中建立了污泥處理處置的方法。然而，由于我國國情與國外發(fā)達(dá)國家不同，國外的污泥處理處置方法難以在我國實(shí)施。
面對以上現(xiàn)實(shí)，開辟一條符合我國國情的污泥無害化、減量化、資源化處理的新途徑勢在必行，刻不容緩。
我國城市污泥的基本特征
■閱讀提示
由于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展在地域上的不平衡，造成了各地城市污泥產(chǎn)生量的明顯差異。城市污泥主要化學(xué)組成的含量在不同年份的變化是不大的，說明了污泥主要化學(xué)成分基本保持穩(wěn)定。城市污泥因含有大量有機(jī)物質(zhì)而具有較高的熱值。
我國城市污泥具有以下基本特征:
污泥的地域分布特征。由于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展在地域上的不平衡，造成了各地城市污泥產(chǎn)生量的明顯差異。就當(dāng)前而言，城市污泥的產(chǎn)生量主要集中在東部地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，東部11個省(市)的污泥產(chǎn)生量占全國污泥總量的63.87％；中部8個省的污泥產(chǎn)生量占全國污泥總量的20.9％；西部12個省(市)的污泥產(chǎn)生量占全國污泥總量的15.23％。但是，隨著中部的崛起和西部大開發(fā)，以及國家環(huán)保“十一五”規(guī)劃的實(shí)施，中、西部一些省(市)的污泥產(chǎn)生量不斷增加，全國城市污泥平均增長率為16.82％，而中、西部的平均增長率分別高達(dá)23.29％和21.83％，因此，未來幾年中、西部同樣面臨污泥處理的巨大壓力。
污泥的成分特征。對典型城市污水處理廠污泥連續(xù)3年的監(jiān)測表明，城市污泥主要化學(xué)組成的含量在不同年份的變化是不大的，說明了污泥主要化學(xué)成分基本保持穩(wěn)定。其中，污泥的無機(jī)物含量占60％以上，污泥中有機(jī)物含量平均達(dá)到36％左右。城市污泥中含有大量重金屬，由于重金屬不能被微生物分解，并可在生物體內(nèi)富集，對生態(tài)環(huán)境的危害較大，因此重金屬是污泥中主要的有毒有害物質(zhì)。連續(xù)5年的監(jiān)測表明，污泥中重金屬含量隨時間變化的范圍很大，說明城市污泥中重金屬含量隨地區(qū)和時間的不同而變化，這主要與工業(yè)廢水的來源和比例不同有關(guān)。
污泥的熱值與含水率。城市污泥因含有大量有機(jī)物質(zhì)而具有較高的熱值。熱值是城市污泥最有價值也是惟一可被資源化利用的部分，它與有機(jī)物質(zhì)的含量成正相關(guān)關(guān)系。我國城市污泥有機(jī)質(zhì)的含量一般在30％~45％之間，污泥所含的熱值一般在1200~2500千卡/公斤。污泥熱值是否具有可利用價值決定于污泥的含水率，只有當(dāng)污泥含水率至少降至30％以下時，污泥的熱值才具有利用價值。污泥中的水以間隙水、毛細(xì)水、吸附水和結(jié)合水等不同的形態(tài)存在。污水處理廠通過濃縮過程可以去除大量間隙水，再經(jīng)過機(jī)械脫水可以去除間隙水和部分毛細(xì)水，一般能使污泥含水率降至80％左右。含水率80％左右的污泥呈糊狀，是需要徹底處理的對象，這時它只是有害的危險(xiǎn)固體廢棄物，不具有任何利用價值。
國外污泥處理方法不適合中國
■閱讀提示
在探索我國污泥處理處置技術(shù)的過程中，存在追隨國外現(xiàn)有污泥處理方法的趨向，具體表現(xiàn)為:改變污泥物性去適應(yīng)填埋；簡易的污泥焚燒；放寬污泥土地利用條件等。國外的污泥處理方法難以被我國借鑒。
國外污泥處理處置方法主要有衛(wèi)生填埋、焚燒和土地利用等。這些方法得以實(shí)施依賴于以下3個基本條件:要有足夠的污泥填埋空間；有承受昂貴設(shè)備投資和很高運(yùn)行費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)實(shí)力；對污泥中有害物質(zhì)如重金屬等有嚴(yán)格的限制條件。我國在經(jīng)濟(jì)上無法承受太高的污泥處理費(fèi)用，此外，城市污泥具有兩個明顯特點(diǎn):一是污泥數(shù)量和體積特別大，我國一個城市的污泥產(chǎn)生量往往超過歐洲一個國家的污泥總量，并且主要集中在城市周邊，根本沒有適合污泥填埋的空間；二是由于生活污水和工業(yè)廢水合并處理，使污泥的成分非常復(fù)雜，特別是重金屬和持久性有機(jī)污染物的含量較高，污泥土地利用存在很大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。很顯然，國外的污泥處理方法難以被我國借鑒。
我國城市污泥產(chǎn)生的環(huán)境問題已引起各級政府的高度重視，環(huán)境保護(hù)部以及沿海一些省(市)有關(guān)部門已發(fā)布了相關(guān)的技術(shù)指南，明確污泥是城市污水處理的一部分，必須得到全面、徹底處理。這意味著與污水處理一樣，城市污泥處理將成為一個巨大的產(chǎn)業(yè)，為此吸引了相關(guān)行業(yè)紛紛介入污泥處理領(lǐng)域，這為我國盡快擺脫污泥處理技術(shù)困境帶來了動力。但是，污泥處理并不像污水處理那樣可以直接引進(jìn)和消化吸收國外成熟的技術(shù)，而需要做大量的創(chuàng)新性工作和不斷探索。為在城市污泥處理領(lǐng)域有所作為，我國一些科研機(jī)構(gòu)、大專院校和公司企業(yè)投入了人力物力，開展了一系列相關(guān)研究與工程實(shí)踐。通過技術(shù)交流可以看出，在探索我國污泥處理處置技術(shù)的過程中，存在追隨國外現(xiàn)有污泥處理方法的趨向，具體表現(xiàn)為:
改變污泥物性去適應(yīng)填埋。國外的污泥衛(wèi)生填埋始于上世紀(jì)60年代，這是一種具有嚴(yán)格管理制度的環(huán)境工程方法。污泥衛(wèi)生填埋場通常選擇在地基滲透系數(shù)低且地下水位不高的區(qū)域，并鋪設(shè)防滲性能好的材料，以避免對地下水源及土壤的二次污染，同時設(shè)有甲烷氣體和滲濾液的收集及其凈化處理設(shè)施。由于污泥衛(wèi)生填埋需要占用大量土地和最終不能避免污染環(huán)境，因此從2000年后，國外采用衛(wèi)生填埋方法在污泥處置中所占的比例迅速降低。目前我國城市污泥仍以填埋的處置方式為主。由于從污水處理廠外運(yùn)的含水率為80％左右的污泥呈半流體狀，這給填埋(尤其是與生活垃圾一起填埋)帶來技術(shù)上的困難和安全上的隱患。為使污泥能夠盡量滿足填埋需要的物性要求，有的通過添加石灰或水泥等物質(zhì)，使污泥的含水率降低來改變半流體的性狀，去適應(yīng)填埋的要求。這種措施不僅不能使污泥減量，而且使有用的物質(zhì)成為廢棄物，結(jié)果占用更多的土地資源。
簡易的污泥焚燒。污泥焚燒是指在高于600℃的溫度下，使污泥中的有機(jī)組分全部碳化生成穩(wěn)定的無機(jī)物。自1962年德國率先建設(shè)并開始運(yùn)行第一座污泥焚燒廠以來，污泥焚燒處理技術(shù)在西歐和日本等國得到較快推廣，污泥通過焚燒，減容減量化程度很高。但是，污泥焚燒設(shè)備的一次性投資巨大，能耗和運(yùn)行費(fèi)均很高。另外，污泥焚燒可能產(chǎn)生廢氣、噪聲、熱和輻射等污染，特別是在經(jīng)過不充分燃燒的過程中會產(chǎn)生二惡英等有害氣體，在大氣污染控制方面還存在一定的技術(shù)難度。近年來，國內(nèi)有些地方采用直接向爐膛噴燒濕污泥的方法。實(shí)踐證明，這種方法不僅對鍋爐燃燒效率和設(shè)備有嚴(yán)重的負(fù)面影響，而且會給安全生產(chǎn)和大氣環(huán)境帶來隱患和不利影響。
放寬污泥土地利用條件。污泥的土地利用主要包括污泥農(nóng)用、森林、園藝和廢棄礦場等場地的改良。單純的城市生活污水處理后產(chǎn)生的污泥，含有豐富的有機(jī)物和一定量的N、P、K等營養(yǎng)元素，經(jīng)過高溫堆肥和生化處理，可以進(jìn)行土地利用。但生活污水和工業(yè)污水合并處理產(chǎn)生的污泥，堆肥的方法不能去除有毒有害物質(zhì)。歐美國家根據(jù)各自具體的情況，分別制定了污泥土地利用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的法規(guī)。然而，隨著人們對重金屬和持久性污染物對生態(tài)環(huán)境影響的認(rèn)識不斷加深，發(fā)達(dá)國家已開始禁止再向土地直接施用污泥。我國一些地區(qū)試圖采用土地利用的污泥處置方法，由于城市污水處理系統(tǒng)中工業(yè)廢水的比例變化很大，污泥中的重金屬和持久性有機(jī)污染物等含量非常不穩(wěn)定，即使用于園林綠化，也會給環(huán)境帶來潛在危害。隨著人們對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量要求的日益提高，污泥土地利用的可行性將越來越小。
毋庸置疑，國外的污泥處理方法不適用于中國，單純追隨國外現(xiàn)有的污泥處理方法無法從根本上解決我國城市污泥處理難的問題，我們必須開辟具有自主知識產(chǎn)權(quán)的污泥處理新技術(shù)？上驳氖，通過多年努力，已有成功的工程實(shí)踐表明，利用煙氣余熱處理污泥技術(shù)已經(jīng)步入了國際污泥處理領(lǐng)域的前列。
利用煙氣余熱的污泥低溫干化技術(shù)
■閱讀提示
如果利用煙氣余熱進(jìn)行污泥干化，可以徹底克服污泥干化的能耗瓶頸，使污泥處理的運(yùn)行成本大大降低。利用煙氣余熱干化污泥不僅因?yàn)槲崃慷鴾p輕了熱污染，而且因?yàn)槲搅藷焿m和部分二氧化硫而減輕了對大氣的污染負(fù)荷，能更好地達(dá)到節(jié)能減排的效果。
城市污泥因含有大量有機(jī)物質(zhì)而具有較高的熱值，這奠定了污泥具有資源化利用的潛在價值基礎(chǔ)，也就決定了城市污泥無害化與資源化處理的可能性。城市污泥貢獻(xiàn)熱值的基本條件是，污泥的含水率必須從污水處理廠出來時的80％左右降至30％以下，這就是說對污泥進(jìn)行深度脫水成為城市污泥能否被資源化利用的技術(shù)關(guān)鍵。
在現(xiàn)有的污泥深度脫水技術(shù)中，低溫干化是一種能夠使污泥全部毛細(xì)水和吸附水以及部分結(jié)合水蒸發(fā)的有效方法。所謂污泥低溫干化，就是通過低于污泥燃點(diǎn)的外來熱源將污泥中水分蒸發(fā)的過程。然而，污泥干化是能量凈消耗的過程，能耗費(fèi)用通常占污泥處理總費(fèi)用的80％以上，如果利用煙氣余熱進(jìn)行污泥干化，可以徹底克服污泥干化的能耗瓶頸，使污泥處理的運(yùn)行成本大大降低。
熱電廠或水泥廠排放的煙氣量很大，排放的煙氣溫度一般在120～200℃之間，其中蘊(yùn)藏的巨大潛能正是污泥低溫干化最理想的熱源。如何利用煙氣余熱來實(shí)現(xiàn)污泥的深度脫水？浙江大學(xué)發(fā)明的二段式污泥低溫干化工藝不僅能使污泥有效干化，而且能使污泥在干化過程中自然形成顆粒。這種工藝采用熱煙氣與污泥直接接觸的方法，借助特制的干化成粒裝置，通過二段式干化工藝，一方面使熱煙氣能夠盡可能與濕污泥以最大面積接觸；另一方面使?jié)裎勰嗯c煙氣余熱有足夠的時間進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到污泥低溫干化效率的最大化。來自熱電廠、水泥廠排放的煙氣，或者是垃圾焚燒發(fā)電排放的煙氣，分別引入兩個并聯(lián)的污泥干化成粒裝置，最終使污泥的含水率從80％左右降至30％以下，污泥的體積減少至原來的1/3以下，首先實(shí)現(xiàn)了減量化。由于污泥是在連續(xù)滾動中完成干化過程的，因此干化后的污泥自然形成粒徑為2mm~8mm的顆粒。它保存了95％以上原始熱值，真正成為一種可以再利用的初級有機(jī)固體產(chǎn)品，可以作為燃煤的輔助燃料和水泥的生產(chǎn)原料，也可以燒制輕質(zhì)節(jié)能磚和陶粒以及生產(chǎn)水泥壓制品等。
污泥中含有大量有機(jī)物質(zhì)，在干化過程中污泥的部分有機(jī)物會發(fā)生分解，并釋放出各種氣體。對污泥干化模擬試驗(yàn)和實(shí)際工程釋放氣體的測定結(jié)果表明，在低于200℃的溫度下，污泥釋放的氣體除最主要的水蒸氣外，還有少量的烴類物質(zhì)，它們通常在大氣中不穩(wěn)定，很容易被氧化或分解。由于利用煙氣余熱干化污泥需要的煙氣量在1.5×105立方米/小時以上，因此，從污泥中釋放的少量有害氣體被充分稀釋，加上污泥釋放氣體與煙氣之間的相互作用，最后經(jīng)過除塵除氣裝置的處理，污泥干化產(chǎn)生的尾氣完全可達(dá)標(biāo)排放。
在利用煙氣余熱的二段式污泥低溫干化過程中，熱煙氣與濕污泥直接接觸，既能使污泥干化的效率大大提高，又能使煙氣中的煙塵被濕污泥吸附，并被固定在污泥顆粒中。除此之外，污泥對煙氣中的二氧化硫具有吸附作用，分析結(jié)果證實(shí)，污泥對二氧化硫的吸附屬于化學(xué)吸附，當(dāng)干化后的污泥顆粒作為燃煤輔助燃料資源化利用時，被化學(xué)吸附的二氧化硫不會再釋放進(jìn)入煙氣。因此，利用煙氣余熱干化污泥不僅因?yàn)槲崃慷鴾p輕了熱污染，而且因?yàn)槲搅藷焿m和部分二氧化硫而減輕了對大氣的污染負(fù)荷，能更好地達(dá)到節(jié)能減排的效果。
污泥最終處理的技術(shù)路線
■閱讀提示
走我國城市污泥最終處理的技術(shù)路線，將使城市污泥處理進(jìn)入以廢治廢，廢棄物再利用的良性循環(huán)，是一條符合我國國情的污泥無害化、減量化和資源化處理的最佳途徑。
我國污泥(含水率80％)的產(chǎn)生量已達(dá)到3.0×10噸/年，污泥通過干化使含水率降至30％，如果按常壓下1公斤水蒸發(fā)需要吸收熱量2675.9千焦耳計(jì)算，每年需要消耗的熱量為5.73×10千焦耳。如果這個熱量來自熱電廠和水泥廠排放的煙氣余熱，不僅每年可以在污泥干化處理中節(jié)省相當(dāng)于1.95×10噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而且也因?yàn)閺U熱得到利用而直接減輕了對大氣環(huán)境的污染。
火力發(fā)電和水泥生產(chǎn)消耗的能源在我國化石能源中占最大的比例，全年能耗達(dá)到1.178×109噸標(biāo)準(zhǔn)煤，成為我國二氧化碳的主要排放源。目前，我國能源利用率水平還很低，在眾多能耗損失中排煙損失是最大的，一般達(dá)到5％~12％。利用煙氣余熱干化污泥，不僅能夠使污泥得到安全、經(jīng)濟(jì)處理，而且能夠使水泥生產(chǎn)和火力發(fā)電的能源利用率有所提高。按照美國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)排放量進(jìn)行計(jì)算，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒會產(chǎn)生1.69噸二氧化碳，利用煙氣余熱干化污泥每年可少排二氧化碳329.56萬噸。由于利用煙氣余熱在低溫下完成污泥干化過程，因此保存了污泥95％的原始熱值。以我國污泥的熱值一般在1500~2500千卡/公斤計(jì)，干化后污泥作為燃煤的輔助燃料，每年可以提供的熱量相當(dāng)于1.29×106~2.14×106噸標(biāo)準(zhǔn)煤。工程實(shí)踐表明，利用煙氣余熱干化污泥，干化后污泥進(jìn)行資源化綜合利用能夠產(chǎn)生非常顯著的環(huán)境、社會和經(jīng)濟(jì)效益。由此可見，利用煙氣余熱處理城市污泥可以成為一種實(shí)實(shí)在在的節(jié)能減排措施。綜上所述，有充分的理由確立我國城市污泥最終處理的技術(shù)路線(見上圖)。
根據(jù)我國資源狀況，煤炭在能源生產(chǎn)及消費(fèi)中的比例占70％以上，以煤炭為主體的能源結(jié)構(gòu)在今后較長時間內(nèi)仍將占主體地位。我國各地廣泛分布的熱電廠和水泥廠是燃煤的能耗大戶，在排放大量CO2的同時排放出包括熱污染在內(nèi)的多種大氣污染物。利用煙氣余熱的污泥低溫干化技術(shù)進(jìn)行污泥無害化處理，將使城市污泥處理進(jìn)入以廢治廢、廢棄物再利用的良性循環(huán)，是一條符合我國國情的污泥無害化、減量化和資源化處理的最佳途徑。
作者系浙江大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、浙江大學(xué)環(huán)境與生物地球化學(xué)研究所所長
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