城市污水厂污泥热干燥处理技术及其应用分析

1、第21卷第1期重庆环境科学1999年2月固体废弃物处置城市污水厂污泥热干燥处理技术及其应用分析胡龙3何品晶邵立明(同济大学环境工程学院,上海200092)摘要,并就该技关键词污泥热干燥含水率焚烧1污泥处理中的问题中,致使污泥的消纳问题日益突出,急待解决。污水厂污泥因其体积庞大(含水率太高所致)、性质复杂而难以处理。一般,传统的污泥处理与处置技术系统为:术。2污泥的热干燥处理污水厂污泥是一种由有机物和无机物组成的含水率很高的混合物,性质相当复杂,国内外关于污泥热干燥的基础研究及机理论述方面的成果不多2。80年3代,Müller,Satoetal以及Smollen等人对污泥的干燥特性进行

2、了研究,发现其与晶体物质的干燥特性有很大的差异。他们认为,水分在污泥中有4种存在形式:自由水分、间隙水分、表面水分以及结合水分,分别反映了水分与污泥固体颗粒结合的情况。如图1所示。由于污泥中水分分布状况与晶体物质的差异性,化工操作中已经成熟的数学模型和设备直接用于污泥处理不一定有效,需对污泥的热干燥特性加以深入的研究,以建立相应的数学模型,开发适用的干燥设备。在这几种技术系统中,农用或因浓缩污泥含水率太高(一般为92%96%),造成运输困难、运输量大,或因脱水泥饼分散困难需借助机械设备支持田间操作,使该技术在实际应用中存在较多的困难;填埋则因脱水泥饼含水率较高(一般为70%85%),土力学性质

3、1差,需混入大量泥土(0.4W W),从而导致土地的容积利用系数明显降低;脱水泥饼直接焚烧,也因其含固率低不能维持过程的自持进行,需加入辅助燃料,使处理成本明显增加,难以承受。综合分析上述污泥处理与处置技术系统在实际应用中所遇到的困难,不难看出污泥的含水率是关键的影响因素。因此,降低污泥含水率是解决目前在污泥处理所遇到问题的关键。国内外应用实践表明,经传统的浓缩和脱水工艺处理之后,污泥的含水率不可能达到60%以下1,经济的机械脱水泥饼含水率为75%左右。要达到对污泥的深度脱水,比较经济的方法是引入化工操作中常用的热干燥技图1污泥热干燥曲线(1)自由水分。蒸发速率恒定时去除的水分。(2)间隙水分

4、。蒸发速率第一次下降时期所去除的水分。通常指存在于泥饼颗粒间的毛细管中的水分。(3)表面水分。蒸发速率第二次下降时期所去除的水分。收稿日期:1998-04-29作者简介:胡龙,男,25岁,1996年7月毕业于同济大学,硕士研究生。本文作者还有顾国维。通常指吸附或黏附于固体表面的水分。(4)结合水分。在该干燥过程中不能被去除的水分。这部分水一般以化学力与固体颗粒相结合。52重庆环境科学21卷在对污泥的热干燥特性的实验研究中,发现随着含水率的降低,污泥的性状朝着有利于处理方向转化。表1列出了污泥含水率与污泥流动特性、发热量及植物养分含量之间的关系。可见污泥经热干燥处理后,处理特性得到改善,利用价值

5、提高,为其后续处理创造了良好的条件。表1污泥含水率与污泥性状变化的关系(1)含水率(%)热值(MJ kg)植物养分(%)流动特性9590751.781.25506.0651012.94.4污泥热干燥处理技术的应用分析热干燥处理技术由其它工业领域引入污泥处理中的时间不长,发展还不够成熟,但近年来的研究和实际应用均显示了该技术在污泥中良好的应用前景。4.1污泥热干燥处理技术的综合利用5城市污水厂污泥虽然是一种污染物质,但也含有。表2列。表中数其所含的植物养分(P5%),且具有标煤约50%的热,可以达到资源化的。基于此,可以构成如下的以机械脱水+热干燥为主线的污泥处理与综合利用技术系统(见图2)。表

6、2上海市污水厂混合污泥干基组成(1)0.250.5黏性流体浆状(1)植物养分以N+PK34污泥热干燥处理技术因操作灵活,可根据污泥的最终处置要求来调节干污泥的含固率等优点,愈来愈受到人们的重视。目前,相当多的国家已在污泥处理中采用热干燥技术。按照热介质是否与污泥相接触,现行的污泥热干燥技术可以分为两类:直接热干燥技术和间接热干燥技术。直接热干燥技术又称对流热干燥技术。在操作过程中,热介质(热空气,燃气或蒸汽等)与污泥直接接触,热介质低速流过污泥层,在此过程中吸收污泥中的水分,处理后的干污泥需与热介质进行分离。排出的废气一部分通过热量回收系统回到原系统中再用,剩余的部分经无害化后排放。此技术热传

7、输效率及蒸发速率较高,可使污泥的含固率从25%提高至85%95%。但由于与污泥直接接触,热介质将受到污染,排出的废水和水蒸气须经过无害化处理后才能排放;同时,热介质与干污泥需加以分离,给操作和管理带来一定的麻烦。旋转式热干燥器以及闪蒸热干燥器都是典型的直接热干燥装置。在间接热干燥技术中,热介质并不直接与污泥相触,而是通过热交换器将热传递给湿污泥,使污泥中的水分得以蒸发,因而热介质不仅仅限于气体,也可用热油等液体,同时热介质也不会受到污泥的污染,省却了后续的热介质与干污泥分离的过程。过程中蒸发的水分到冷凝器中加以冷凝。热介质的一部分回到原系统中再用,以节约能源。由于间接传热,该技术的热传输效率及

8、蒸发速率均不如直接热干燥技术,这种技术的操作设备有薄膜热干燥器,圆盘式热干燥器等。项目典型值有机质C6533.5H5.9化学组成(%)O21.3S0.9P1.1N3.4K0.5热值(MJ kg)14.6图2以机械脱水+热干燥为主线的污泥处理与综合利用技术系统采用上述处理与综合利用系统,污泥经脱水和热干燥之后,含水率大大降低,体积明显减小,可以减少污泥处理中因含水率过高而带来的困难。污泥的最终消纳途径也因此而多样化,可根据污泥产地的实际情况来作出合适的选择。同时也满足减量化、稳定化、无害化和资源化的要求。4.2热干燥技术在污泥焚烧中的应用近年来,焚烧处理技术因其减量化显著、无害化彻底以及燃烧热可

9、回收利用等优越性,在污泥处理中的地位不断提高。欧共体的调查结果表明焚烧处理技术的应用比例在近10年内增长了38%6(同期污泥产量增长16%),日本约75%7的污泥采用焚烧进行处1期胡龙等:城市污水厂污泥热干燥处理技术及其应用分析53理,可见焚烧可望成为今后污泥处理与处置的主流技术。传统的脱水泥饼直接焚烧处理,因泥饼发热值太4低,需加入辅助燃料(0.7W W)以维持过程的自持进行,导致处理成本明显增加。与之相比,如采用预干燥焚烧处理技术,在能量消耗及处理成本方面均有明显的优越性。表3污泥干燥过程的能量产耗分析(以1kg脱水泥饼为计算基准)项目数值含水率(%)干燥前干燥后7510降。5结论5.1根

10、据污泥处理的现状,降低污泥含水率是解决目前污泥处理所面临困难的关键;5.2采用热干燥技术进一步降低脱水泥饼的含水率,可改善其处理特性,有利于污泥的后续处理;5.,使,可以达到污泥减量化、稳定;5.+焚烧工艺处理污泥,过程热量自持有余,成本适中,符合能源经济性的要求,可望成为今后污泥处理与处置的主流技术。过程耗能过程产能剩余能量能量产耗比(MJ)2.32(MJ)(MJ)表3。(根8,确定计算参数为:燃气)加热效率85%,锅炉热效率70%,过程热损失5%。在二者的处理成本方面,国外有关资料对此进行了比较。K.Okazawa和M.Hiraoka9指出,预干燥焚烧和直接焚烧的处理成本分别为250、30

11、0美元 t干污泥。虽然由于国情不同直接引用这些数据并不能说明问题,但从费用结构分析,预干燥焚烧增加了一套干燥设备,约占总投资的15%,但却因此省去了直接焚烧所耗的约占总投资35%的辅助燃料费用,故处理成本至少降低20%左右。从以上的能量产耗情况及处理成本的比较分析看,采用预干燥焚烧处理技术,过程热量自持有余,且处理成本较脱水泥饼直接焚烧有明显的下降。同时,如有其他热源可以利用,污泥焚烧炉的建造属可省之列,相应的尾气处理设备也可省却。干燥污泥可用作肥料、劣质燃料,如成份合适,甚至可用于制建材,国外已有这样的报道7,如此,污泥的处理成本还可大幅下6参考文献1邵立明,何品晶.城市污水厂污泥热干燥处理

12、与利用的可行性分析.见:赵宪忠,枫林学苑.上海科教文献出版社,2682T.Kasakura,M.Hasatani,R&DNeeds2.DryingDryingofSludges1392Technology,1996,14(6):13903P.Lowe,DevelopmentsintheThermalDryingofSewageSludge,J.310Inst.Waste&Environ.Mangt,1995,9(6):3064J2P.Chabrier.aFlexibleDryingProcessesforSewageSludgeTreat2ment.5T.S.C.Grossan

13、dR.R.Cohen.SludgeDisposalfromanlsland.Tech.1992,25(12):3347Community,Wat.Sci6Hall.J.E.SewageSludgeProduction,TreatmentandDisposalinthe343EuropeanUnion.J.CIWEM.1995,19(8):3357Y.Imoto,T.Kasakura.theStateofSludgeDryinginJapan.DryingTechnology,1993,11(7):15028何品晶,邵立明,李国建.污水厂污泥低温热解的可行性研究.9OkazawaandM.Hen

14、mi,K.Sota.EnergySavinginSewageSludgeIncinerationwithIndirectheatDrying.Proceedingsof1986National194WasteProcessingConference,Denver,ASME,1986,177TechnologyandApplicationAnalysisofThermalDryingTreatmentforMunicipalSewageSludgeHuLong,HePingjin,ShaoLiming(TongjiUniversity,Shanghai200092)AbstractThispaperanalyzedthecharacteristicsofsewagesludgeforth