污泥熱化學處理的試驗研究
摘要：本文介紹了污水廠污泥低溫熱解試驗的初步 研究 成果，它能有效去除污泥中的污染物質，同時污泥熱解的產物還可作為能源加以回收。
關鍵詞：低溫熱解 污泥處置 能量回收
隨著城市污水處理率的上升，城市污水廠污泥將大量增加。污泥處理 方法 種類繁多，但大都存在一些弊端。土地填埋處理由于可供填埋場地越來越少，今后將受到嚴格控制;焚燒法處理由于設備及運行費用昂貴、投資大，也不普遍適用[1]。至于 目前 國內廣泛使用的污泥濃縮、壓濾脫水后即行排放的處理方法，則有處理不徹底，易引起二次污染等缺點[2]。而污泥熱化學處理法具有滅菌效果好、處理迅速、占地相對較少、處置后污泥性質穩(wěn)定并能進行能源回收等優(yōu)點，因此能達到使污泥處置減量化、無害化、資源化的目的。
1. 污泥熱分解機理
目前進行的污泥熱解試驗尚不能完全有效地闡明其作用機理。國內外學者較普遍的看法為：污泥被加熱至200℃~300℃，其中的脂肪族化合物發(fā)生轉化;加熱至300℃~390℃時，蛋白質類化合物轉化;390℃以上，糖類化合物轉化，肽鏈斷裂，基因變性轉移;與此同時，碳化合物發(fā)生轉化至450℃時轉化完成。所以污泥熱解在500℃以下即可完成。本人的大量實驗測試結果亦證實如此，但在無氧或缺氧條件下熱解狀況會略有不同[3,4]。
2. 試驗
2.1試驗原理
缺氧條件下，加熱脫水污泥至一定溫度(<320℃)，通過熱解和干餾作用，使污泥性質發(fā)生變化，分解產出碳、油和不凝氣體。大部分產物可進行能源回收。
2.2試驗原料
所取污泥為武漢水質凈化廠脫水污泥，經取樣和化驗，其平均數據如下：
表1 污泥肥份及大腸桿菌數值
|
項目 |
有機質 （%） |
全N （%） |
全P （%） |
全K （%） |
大腸桿菌 （個/100g） |
S (%) |
|
混合 |
62.1 |
1.520 |
0.735 |
1.04 |
＜2400 |
0.835 |
|
初沉 |
64.8 |
1.457 |
1.416 |
1.01 |
＜2400 |
0.650 |
表2 污泥重金屬含量表(mg﹒kg-1)
|
項目 |
Cu |
Zn |
Cr |
Cd |
Hg |
Pb |
As |
|
混合 |
148.4 |
543.9 |
72.8 |
0.70 |
0.42 |
55.1 |
18.8 |
|
初沉 |
132.7 |
568.2 |
78.6 |
0.75 |
0.94 |
57.5 |
21.4 |
從以上兩表可看出，污泥中有機質含量較高，具有一定熱值，而N、P、K等植物營養(yǎng)素含量不高，部分污泥重金屬含量超標(GB4284-84)。這種污泥農用不會有好的效果。
2.3試驗設備及方法
2.3.1 主要設備： 電熱干燥箱，馬弗爐，熱解器，氧彈測熱儀，冷凝瓶，分液漏斗，日產TAS-100熱 分析 儀
2.3.2 測試項目：反應溫度、時間、含水率、VS含量、TG圖和放熱值
2.3.3 試驗結果及討論
表3 污泥含水率及VS含量
|
污泥樣 |
W1(g) |
W2(g) |
W3(g) |
P(%) |
VSS(%) |
|
1 |
24.972 |
38.128 |
30.698 |
34.222 |
56.476 |
|
2 |
23.876 |
37.191 |
29.569 |
33.425 |
57.243 |
|
3 |
24.573 |
37.771 |
30.270 |
34.012 |
56.827 |
注：測試所用方法參見 文獻 5。
污泥熱解在溫度大于200℃時開始有明顯表象生成,至300℃停留1小時后，反應基本停止(圖1)。污泥熱解產物為炭、油、水和不凝氣體，主要是炭和油，故對這兩類物質進行分析。
從圖1可知，污泥熱解時產炭率隨溫度升高而下降，產油率隨溫度升高而上升。得到的炭占污泥干重的50~70%，體積約為原污泥的1/3~1/2。一般含有機物較多的炭為無光澤的黑色塊粒。污泥炭性質穩(wěn)定，無異味，殺菌率為100%，可長期貯存。所得油有濃重的氣味，呈棕色，易被明火點燃，所得率在20~35%左右(重量比)。所得氣體帶惡臭味，主要含有H2S、甲硫醇和氨等物質，這些氣體可通過燃燒脫臭。由于在實驗過程中，避開了生成二噁英等持久性污染物的最佳溫度區(qū)域，故不必擔心生成這類物質[6,7]。
采用日產TAS-100熱分析儀進行TG和DTA測試。污泥熱解自200℃開始，放出煙氣。大約至300℃時，煙氣放出速率最高，維持一段時間后濃煙消失，至350℃時反應基本停止。
圖3 污泥DTA曲線
從TG和DTA曲線判斷污泥熱解在缺氧條件下進行的是放熱反應。其中200~350℃對于城市污水廠污泥而言是較好的熱解溫度范圍。當溫度升至500℃左右，其轉化率為最高，但熱解溫度高，需增加大量加熱設備、消耗大量熱能，不 經濟 。同時在該溫度下，會產生難以處理的二噁英類物質[8]。這種污泥經200~350℃低溫熱解后，各類污染物質均被去除。部分重金屬離子留在灰分中，不會造成二次污染；曳煮w積減為原有體積的30%以下，便于運輸填埋。
。
3.炭化污泥合成燃料
上述熱解后的污泥稱之為炭化污泥。其性質穩(wěn)定，且有一定量的有機質(表4)，仍具有一定熱值。這種污泥可與其他固體燃料混合供 工業(yè) 鍋爐使用。既減少了污泥處置成本，又可作為一種能源回收，獲得一定 經濟 效益。
表4 炭化污泥 分析
|
炭化污泥樣 |
W1(g) |
W2(g) |
W3(g) |
P(%) |
VSS(%) |
|
1 |
24.563 |
44.279 |
39.981 |
1.42 |
21.8 |
|
2 |
24.394 |
44.120 |
39.701 |
1.37 |
22.4 |
|
3 |
25.622 |
45.304 |
41.328 |
1.59 |
20.2 |
此外，為了充分說明炭化污泥可利用的價值，本人還進行了污泥型煤燃燒可行性分析，即將所配制型煤經氧彈放熱測試，其發(fā)熱值可達到20000KJ·kg-1，符合一般燃料用煤放熱值條件[9]。這種型煤具有點火快、燃燒充分等優(yōu)點。表5列出了炭化污泥型煤與普通民用蜂窩煤比較。
表5 型煤成分分析
|
項目 |
水份（%） |
揮發(fā)份（%） |
灰份（%） |
熱值KJkg-1 |
|
炭化污泥型煤 |
7.56 |
10.4 |
34.5 |
18442 |
|
普通蜂窩煤 |
5.10 |
8.5 |
38.1 |
19080 |
4.污泥熱解的能量分析
由于條件所限，本文未對污泥熱解進行能量平衡分析。根據國內外資料，可以得出污泥熱解過程為能量凈輸出過程。其中污泥含水率及有機質含量是污泥熱解能量回收效果的關鍵。因此，對于有機質含量較高的污泥采用污泥熱解法處置是適當的，此外，提高污泥脫水能力也是決定污泥熱解成敗的重要因素[8,10]。
結 論：
采用污泥低溫熱解能有效去除污泥中的污染物質，灰份可填埋，不形成二次污染。污泥熱解產物中的污泥炭和油類均可作為燃料回收使用。其中污泥炭又可與其它固體燃料按一定比例混合后，形成合成燃料。
污泥熱解是放熱分解反應，對于城市污水廠污泥，其經濟、有效熱解溫度區(qū)域在200℃~350℃。
對于生活污水污泥，熱解處理產油率在20~35%之間，產炭率在50%~70%左右。
參考 文獻
1.高庭耀. 水處理手冊. 北京. 高教出版社, 1983
2.鄧曉林. 上海城市污水處理廠的污泥處置途徑探討. 中國 給水排水, 2000,Vol.16(5)
3.邵立明. 污水廠污泥低溫熱解過程能量平衡分析. 上海環(huán)境 科學 ,1996,Vol 15(6)
4.Bayer B. Kutubuddin M. Proc.of the International Recycling Congress. Berlin: EF Verlag, 1987, 314-318
5.5.金儒霖 污泥處理 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1982
6.汪恂. 二噁英的危害與防治. 武漢 科技 大學學報, 2001, Vol 24(4)
7.Campell H.W. and Bridle T.R. Conversion of sludge to oil: a novel approach to sludge management. Wat. Sci. Tech, 1989, Vol. 21. 1467~1475
8.J. Werther, T. Ogada. Sewage sludge combustion. Progress in Energy and Combustion Science, 1999, Vol.25:55~116
9.大內公耳. 煤炭的利用技術. 西安交大出版社
10何品晶, 顧國維. 低溫熱化學轉化污泥制油技術. 環(huán)境科學, 1996, Vol.16(5):82~86
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