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概 述

  水是人类生存的基本条件,是影响和制约社会发展的最关键因素。一方面,世界上的大部分地区水资源都严重短缺;另一方面,人口的急剧增长、工业的不断发展,人类又在不断制造大量的污染物,污染着本已稀缺的水资源。水资源短缺与水 污染是当前社会和人类共同面临的两大难题。
  上个世纪以来,随着人与自然关系的不断激化,人们逐渐认识到只有污水处理和污水回用才是解决水资源短缺与 水污染的最有效方法。
  众所周知,目前的污水处理厂是先对污水进行各种物理、化学或生物的方法把污染物从水中分离出来,分离水变成“清洁水”排入水体;再集中处理浓缩了污染“精华”的分离“固体”――-污泥。显然,不彻底解决污泥的处理问题,污泥中的污染物就会再通过各种途径回到大自然,则再好的水处理效果对环保而言都只是掩耳盗铃。
  将污染物从污泥中彻底去除是解决水污染问题的关键步骤。

1 污泥处理的任务与方法

1.1污泥在实际中的表现
  
干净的水经使用后因其中含有有机物、重金属、病毒、细菌等对人类和自然界会造成危害而称为污水。污水的净化处理一定意义上讲是部分地把这些污染物分离转移至污泥中。
  相对于污水,污泥的污染成分近似而浓度则要高得多,在实际中表现为:
  (1)臭味大:众多易腐化的有机物在污泥的处理、运输、储存中发出各种恶臭 的气味影响环境;
  (2)危险性高:污泥中含有大量的病毒、细菌、原生动物及高浓度的锌、铜、铬、铅、镉等重金属、有毒的有机合成物等,对水资源和人体健康都是 一种潜在的危险;
1.2 污泥处理的几大任务
  
污泥处理就是要对污泥进行深度无害化处理,彻底解决污泥对环境的污染及对人类的危害,通常有以下几大任务:
  (1)减少污泥体积:① 在水处理工艺中采用生物或化学的方法直接减少污泥的产生,避免和减少污泥的产生;② 在污泥处理系统中提高污泥的含固率;
  (2)污泥性质稳定:去除污泥中易腐化变质的有机物;
  (3)污泥无害化:去除污泥中对人体或自然界有危害的病毒、细菌、原生 动物 和重金属等;
  (4)污泥的资源化利用:① 利用污泥中富含的N、P、K等回收有机肥料,改善土壤条件,促进作物的生长;② 利用污泥中大量有机物储藏的热量进行焚烧,回收热能。
  目前,为达到污泥的最终无害化处理,完整的工艺如下图所示:

  由上图可知:污泥处理包括污泥浓缩、机械脱水、干化或焚烧及最终废弃物处置四个主要阶段,其中前三个阶段为污泥处理阶段主要特性如下:

处理方式

作用

处理后污泥的含固率

处理后污泥的主要成分

浓缩

减小污泥体积

3~8%

与原污泥同

机械脱水

减小污泥体积

15%~35%

与原污泥同

干燥

减小污泥体积、稳定污泥性质、无害化

40~93%

少量有机物和无机灰

焚烧

减小污泥体积、稳定污泥性质 、无害化及热能回用

>99%

无机灰

1.3 污泥处理最终废弃物的处置及要求
  
(1)农业利用:① 去除病原体,重金属等避免长期使用对人体及土地的副作用;② 具有施用期短,储存期长的特点,应使肥料易于运输、储存、操作,提高卫生条件;③ 制定全面的施用标准,减少对环境的不良影响,消除用户的不信任;
  (2)填埋:① 尽可能小的体积;② 防止二次污染;
  (3)建筑材料:材料性质稳定,无毒害;
  (4)投海:已禁止使用。
1.4 污泥深度处理的必要性
  
污泥处理工艺的选择与污泥性质、最终污泥处置方式、地方行政法规的限制、经济性、处理规模、处理技术、现场条件等息息相关。
  从以上所述可知,目前只做的浓缩、机械脱水并不能减少污染,也不能满足卫生需要,因此不能满足污泥处置的要求,进行污泥干燥或焚烧的深度处理是污泥处理发展的必然选择。
  (1)污染去除的要求:浓缩、脱水不能去除污染物,干燥或焚烧是彻底去除污染负荷的有效途径;
  (2)地方法规的要求:欧洲有些国家禁止没有深度处理的污泥进行处置;
  (3)最终污泥处置的要求:污泥农业回用、污泥填埋、建筑材料的使用都要求污泥无毒、满足卫生要求;
  (4)经济性的要求:深度处理后的污泥,其体积仅为脱水污泥的一半至五分之一,减少运输、储存费用,同时减少填埋的费用(欧洲国家填埋的费用以体积计,且价格非常贵200~300欧元/立方米)。
  (5)工艺发展的保证:污泥干燥和焚烧技术的发展成熟减少了投资和运行费用,提高了处理效率。

2 污泥的干燥处理工艺

  干燥是利用热源加热脱水后的污泥,进一步去除污泥中的毛细水,使污泥固体含量达到70%~90%的过程,目前,昂帝欧得利满公司已开发使用了多种干燥工艺,如利用太阳能加热的HELIANTS®工艺,利用高温氧化有机物的MINERALIS®工艺及各种形式的加热干燥工艺。
2.1 HELIANTS®太阳能干燥工艺
  
将脱水后的污泥放置于温室中,利用太阳能蒸发污泥中的水份即可获得百分之60~80的干化污泥,运行中可利用搅拌轮将污泥翻转平铺在地板上或增加强制通风以提高蒸发效率。这种工艺设计简单,投资运行费用低,但需要很大的占地面积,适合于产泥量较低,污泥用作农业应用,并需长期储存的场合。
2.2 MINERALIS®高温湿氧化工艺
  
将污泥和纯氧同时导入温度为2900C压力为80~100巴的反应容器中,纯氧在高温、高压情况下不需使用催化剂即可将绝大部分有机物氧化成CO2和水,剩余污泥通过机械脱水干度即可达50~60%以上。湿氧化的工艺适用于污泥非农业利用的场合,脱水泥饼可以填埋或作为建筑原材料。
2.3 NARATHERM®桨式加热干燥工艺
  
干燥工艺中应用更广泛的还是加热干燥系,所有的加热干燥均需要热源。结构上,除了干燥器以外,还应包括污泥进料器,辅助热源、送气系统,热量回收装置,灰尘 控制、灰烬排出、控制系统等。
  目前的热干燥系中已使用的有转鼓式、圆盘式、螺旋桨式、薄膜式、管式等多种干化系统。干化系统的选择与最终产品的要求、处置方式、污泥类型等密切相关如下图所示。

2.3.1 工艺流程
  
NARATHERM®工艺是由得利满公司和GOUDA公司共同开发的桨式加热干燥工艺,是欧洲目前使用最广泛的加热工艺,其流程简述如下:

2.3.2 NARATHERM®工艺主要包括以下几个步骤
  
(1)进料
  用螺旋输送器将15~35%的脱水污泥送至干燥器的进口,有时会根据污泥的性质,选择是否将筛分后的细小干化污泥与待干化的污泥进行预混合。
  (2)热源产生
  NARATHERM®可使用热蒸汽或油经锅炉加热作为热交换的热源。一般热流体的温度为180~200℃。热流体被分别引入中空的干燥器壳体和转动的轴、桨叶等所有与污泥接触进行热交换的加热金属表面。
  (3)污泥干燥
  加热的金属表面与污泥均匀接触,加热污泥,蒸发污泥中的水份。沿干燥器的轴向长度,水蒸汽蒸发会经历恒定蒸发效率和低蒸发率两个阶段;污泥干化经历塑化、破塑、块化、颗粒化四个步骤;污泥的温度呈快速上升、稳定、快速上升的趋势,最后出口污泥温度为100~110℃左右(见下图)。干燥时间3至7小时,出口污泥含固率达到90%以上。

  (4)冷却筛分
  冷却有直接冷却和间接冷却两种方式。两种方式单独使用或组合使用,使干污泥温度从110℃减至40℃左右,冷却后进入细格栅进行筛分,或经过造形机造型后达到所要求的干污泥形状。
  (5)冷凝回收
  干燥器内的热蒸汽送至冷凝器冷凝处理。冷凝溶剂回收;不可凝气体送至锅炉再加热成热源;冷凝水回污水处理厂。
2.3.3 工艺的优势
  
NARATHERM®工艺采用巧妙设计的桨式干燥器,可对污泥进行彻底搅拌并使污泥一直处于干净接触面进行热交换,解决了一般间接传热工艺传热效率低的问题,同时用汽量比直接加热又大为减少。整个工艺系统的组合使其具有明显的优势:
  (1)适应性强:适用于各种类型和性质的脱水污泥;
  (2)消耗低:① 用汽量小,部分热能回收,减少热耗;② 消除粉末,臭味产生减少,末端处理变得容易;
  (3)高品质干化污泥:① 有机含量极低,污泥性质稳定;② 足够长的加热时间,消除病毒、细菌等,满足卫生标准;③ 具有农业利用价值;④ 含固率高(>90%),可成粒便于储存、运输及灵活处置;
  (4)安全操作:用汽量小,温度较低,且无直接接触,安全性能较高。
  (5)易操作:系统全自动控制,对系统的O2、CO、惰性气体等能实时检测,并有自动安全保护。
  NARATHERM工艺的优越性能主要得益于其独特的桨式干燥器(如下图所示):

   

  干燥器包括一个可加热的中空槽、两根或四根成对安装中空的传动轴、装于轴上许多楔形搅拌桨、桨顶端的刮板等。工作中,污泥从干燥器的一端进入,通过重力缓慢流至另一端。传热流体从同一侧进入中空槽、轴和桨的内部对所有可能与污泥接触的金属进行加热。同时,成对的两根轴转向相反,桨叶齿形配合,可调转速的轴带动搅拌桨将污泥缓慢均匀的翻转搅拌。
  此设计体现了如下优点:
  (1)接触面积大:较大的面积/容积比加大了接触面积;
  (2)传热效率高:① 物料的流化状态确保与加热表面100%的进行接触热交换;② 自清洁的桨形使加热接触面始终保持清洁,提高传导效率;
  (3)高干化污泥品质:① 形状平滑的桨叶和不产生轴向推力的搅拌形式避免易碎污泥的破坏;② 推流式的通过形式、桨叶两面的均匀连续加热可使所有干化污泥性质类似。
  NARATHERM®加热干燥工艺所具有投资运行费用相对较低、适应性强、污泥干度高,性能稳定、安全卫生等优点为其在欧洲北美占领了很大市场份额,积累了丰富的运行 管理经验。如在Saint Brieuc、Lavelanet、Barrow、Metz等众多水厂均有成功运行的记录。
2.4 IC850®污泥焚烧工艺
  
污泥焚烧是最彻底的污泥处理工艺,它可将15%~35%的脱水污泥投入焚烧炉中,直接把有机物燃烧成CO2、NO和无机物等。焚烧最终废弃物为含固率99%以上的无机灰烬。
  与污泥干燥一样,污泥的焚烧也要经过污泥干化和污泥焚烧两个阶段,所不同的是,污泥的焚烧利用污泥自身的热值即可维持污泥焚烧,可节省大量的燃料。
  污泥焚烧有污泥单独焚烧和与城市垃圾混合焚烧两种。实际上,单独燃烧因费用较高而很少使用。
  昂帝欧得利满公司开发的IC850®是目前使用最广泛的一种混合燃烧工艺。它将干度为15%至35%的脱水污泥以1:10至1:5的混合比例与城市垃圾投入最低温度为850℃的焚烧炉中迅速将有机物燃烧成无机灰烬。
  IC850®具有适应范围广、运行费用低、污泥喷嘴无堵塞、系统灵活可调节、操作简单、系统自动化运行等优点,适合于污泥非农业使用、污泥和垃圾混合集中处理的场合。目前,该工艺已在包括AMSTERDAM、CENON、DINAN、SARCELLES等地在内,年处理量超过20000吨干污泥的处理厂成功运转。

3 结束语

  最近半个世纪,随着人口和工业的持续快速增长,污泥的产生量也大量增加。据统计,欧洲每年每个人会产生15~25 kg的干污泥,欧盟国家1992年全年干污泥产量为600万吨,到2002年就增长至1200万吨,直至2007年,每年污泥量仍将以5%以上的速度增长。
  污泥产量的增加、污染成份的复杂化、各国对污泥的最终处置都提出了越来越严格的规定,一般的污泥处理已经不能满足要求。而一些以NARATHERM®、IC850®等为代表干燥和焚烧工艺又在不断的发展成熟、逐渐表现出很强的技术和经济优势,在未来很短的一段时间里,它们将是污泥处理的必然选择。