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吉建斌的网易博客

吉建斌

 
 
 

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污泥低温碳化技术的应用  

2017-12-21 06:50:37|  分类: 废水污泥处理和资 |  标签: |举报 |字号 订阅

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于洪江正阳环境工程有限公司

 

摘要:污泥低温碳化技术是一种污泥最终处置技术。其基本原理是将脱水后的污泥加温、加压,使其中的细胞裂解,经二次脱水后,其中大部分的水分即可用机械方法脱出。再次脱水后的污泥极易干燥,简单的烘干或晾晒,即可将污泥中的含水率降至10%以下。该技术投资小、运行成本低,我国第一座处理能力为100吨/日的污泥低温碳化装置已经在山西省晋中市第二污水处理厂投入运行。

关键字:污泥处置,低温碳化,细胞裂解,污泥脱水,污泥干化,再生能源

 

2009年10月,我们曾经在水网组织的污泥大会上介绍了天津机电进出口有限公司自主开发研制的污泥低温碳化技术。经过两年多的时间,污泥低温碳化技术已经有了实质性的进展,中国第一座采用污泥低温碳化技术的污泥处置车间已经在山西省晋中市第二污水处理厂运行,脱水污泥的日处理量达到100吨/天。

2010年,天津机电进出口有限公司与山西国际能源集团合资成立了由山西国际能源控股的正阳环境工程有限公司,专业推广污泥低温碳化技术。其中山西国际能源集团投入的是现金,天津机电投入的是技术和专利。山西国际能源集团是山西省最大的发电企业集团,总资产超过300亿元人民币,控股发电企业发电机装机容量达442万千瓦,下属水务公司拥有9座污水处理厂。合资公司成立后,山西国际能源集团在其全资控股的晋中市第二污水处理厂建设了我国第一座采用污泥低温碳化技术的污泥处置厂,日处理量为100吨脱水污泥。

该项目名称为晋中市城区污泥处置试点工程。项目于2010年5月经山西省发改委批准,11月初步设计审查通过,12月开工建设,2011年6月安装结束,7月调试,8月开始运行投产,目前已运行半年多的时间,各项指标均已达到设计指标,正在准备竣工验收和环保验收。山西省将该项目确定为试点工程,旨在项目成功后向山西省和全国推广此项技术。

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污泥低温碳化的原理

污泥低温碳化的原理非常简单,由于市政污水处理厂多数采用活性污泥法处理污水,剩余污泥脱水后,内部含有大量的生物细胞,机械方法很难将其中与细胞有联系的水分脱出。污泥低温碳化就是采用低温(300以下),中压(10MPa以下),将污泥中的细胞裂解,裂解后的污泥再次脱水,水分很容易脱出,使污泥含水率降至50%以下。脱出水后的污泥样似砂状,很容易干燥,强制风干可使含水率进一步降低至30%以下,自然风干(3?5天)含水率可达10%以下。

污泥低温碳化的技术关键问题

污泥低温碳化原理很简单,做一个污泥低温碳化试验很容易,很多大学的实验室都可以完成。但由于污泥的粘稠度很高,流动性很差,要制作一套连续运行的系统,绝非易事。污泥低温碳化的许多专利和技术,大部分都是在解决污泥流动性的问题。晋中市第二污水处理厂的污泥低温碳化系统就是在解决了污泥流动性问题的基础上完成的。

污泥中有多种杂质,对设备的损害很大,一些坚硬的杂质(如石块、金属),会造成设备的快速磨损。污泥低温碳化工艺中使用了许多加压泵、阀门和换热器。在项目的实施过程中,通过制造厂家的通力协作,在一些关键设备中,设计了许多过滤设备和耐磨材质,使得设备的磨损问题得到了很好的解决,设备得以长期连续运行。

污泥低温碳化的运行成本

污泥低温碳化技术最大的优势在于运行成本低,如果是使用燃煤加热,运行成本大约为100元人民币/吨。运行成本低的主要原因是脱水的原理与干化和焚烧不一样。在污泥低温碳化中,污泥中的水分不是被蒸发的,而是用机械方法压出的。污泥低温碳化过程中,通过能量回收等技术,实际污泥的纯加温温升只有100左右,每公斤污泥的理论能耗只有100大卡。污泥低温碳化再脱水后的含水率为50%,为了和干化比较,可以假设剩余的水分通过干燥去除,则还需要140大卡。按照污泥最终的含水率0%计算,每公斤污泥低温碳化的理论能耗为240大卡。

传统的干化和焚烧工艺中,污泥中的水分是用能量蒸发除去的。水由液态转换为气态需要消耗大量能量。每公斤污泥的理论能耗为500大卡。粗略的计算可以认为,1kg的水和固体从0℃加热至100℃需要100大卡,而80%水由液态转化为气态则需要400大卡的热量。干化和焚烧的能量消耗理论上是污泥低温碳化的一倍以上。

污泥低温碳化的投资

污泥低温碳化的技术比较简单,工艺流程很短,主要设备是泵、阀和换热器,辅助设备有脱水机、烘干机、料仓等。除了一部分泵、阀在污泥低温碳化中有其特殊性,需要专门厂家制作以外,其他设备均为我国目前污水处理行业、化工行业的通用设备,成熟设备。因此,污泥低温碳化的投资很低,大约为焚烧的1/2,干化的1/3。

污泥低温碳化的占地

晋中市污泥碳化系统的车间占地为864m2,室外外围设备(料仓等)占地750m2。总体占地约等于原污泥脱水机房的面积。在原有污水处理厂内,再增加相当于污泥脱水机房占地的一片土地,就可以完成污泥处置。污泥低温碳化技术的成功,使得在污水处理厂内部完成污泥处置成为可能。

国内一些地区近来都在筹建污泥处置中心,将污泥集中起来处置,但随着国内民众环保意识的加强,政府的信息公开范围日益扩大,处置中心的选址日益困难。这就需要引入类似污泥低温碳化占地面积较小的技术,将污泥处置工作完成在污水处理厂内。

污泥碳化物能否作为低级燃料

污泥低温碳化过程没有水分蒸发,工艺本身也没有污泥内部能源的再利用过程,因此,污泥碳化物中保留了原始污泥中的绝大部分碳值。我国沿海城市,中心城市污泥碳化物的低位发热值均可达到2500大卡/kg以上,大部分内地城市也可达到2000大卡/kg以上。污泥碳化物作为能源使用,达到污泥资源化的目标是完全可能的。

但如果污泥碳化物要燃烧,就要对污泥成分进行详细的分析。污泥中的重金属(如砷、汞等)在燃烧中可能挥发,污染大气;污泥中可能含有的含氯物质,如塑料、氯离子等,在燃烧中可能产生过量的二英剧毒物质。在开始燃烧项目之前,要对污泥成分、掺烧量进行详细分析。不能仅仅依靠发热值决定污泥碳化物能否燃烧。

污泥低温碳化技术与其他污泥处置技术比较

污泥低温碳化工艺是2000年以后才真正产业化的工艺,目前晋中市的污泥低温碳化装置是世界上第二套规模超过100吨/d的低温碳化装置。与其他传统工艺比较,污泥低温碳化装置的稳定性,耐久性,可靠性等还有待时间的考验,工艺中使用的一些设备也有可能在长期的运行中得到优化。

污泥低温碳化技术最主要的优势是投资小、运行成本低。但比较卫生填埋、堆肥等污泥处置工艺,污泥低温碳化的投资和运行成本并无优势。只是由于污泥碳化物中有较高的燃值,有广阔的再利用前景,污泥碳化物的最终处置具有更广泛的市场。

卫生填埋不是目前很多城市污水厂实行的简单直接填埋。填埋前,需要向脱水污泥中投加生石灰等,通过生石灰的熟化发热过程,杀灭污泥中的细菌,一部分水分也得到蒸发。卫生填埋虽然是一种增量法处理方式,但水分蒸发后污泥的总体体积并没有增大,含固率通常可以达到含水率小于60%的国家标准,污泥也实现了稳定化和无害化。卫生填埋的缺点是需要使用填埋场土地资源,在一些城市土地日益紧张的地区,这种污泥处置方法的成本将会越来越高。

污泥堆肥技术是一种很好的污泥处置技术。该技术不但投资小,运行成本也不高。为了达到最好的发酵效果,堆肥过程中需要向污泥中添加各种有机元素,因此,堆肥技术也是增量法的一种。污泥堆肥除了实现了污泥的稳定化和无害化以外,还实现了污泥资源化。污泥堆肥技术的推广在我国,乃至全世界均受到市场的限制。由于污泥中大量不确定有害元素的存在(例如重金属),污泥肥料至今不能进入食物链,不能作为食用农作物的肥料,这就大大限制了堆肥产品的使用,从而也就限制了污泥堆肥技术的推广。

污泥干化虽然投资较大,运行费用较高,但污泥的减量化、稳定化和无害化十分彻底,污泥干化后的含水率可以达到很低,大大低于污泥低温碳化脱水后的产品。污泥干化后的产品还可以用于水泥填料、制砖、修路等。污泥焚烧有环境污染问题,而且投资较高,运行费亦较大。但如能很好地解决环境污染问题,污泥彻底焚烧后,减量化、稳定化和无害化指标均很高。而且,大部分污泥中原有的热值在焚烧中得到了利用,在一些国家(如日本),目前仍然为污泥处置的主流工艺。

人们常常把污泥高温碳化和污泥低温碳化混淆。其实,污泥高温碳化与污泥低温碳化的原理完全不同。污泥高温碳化起源于日本,目前已经引入国内。该技术的原理是首先将污泥干化至含水率约70%,然后再送入无氧的碳化炉中加热,加热过程中,污泥中的碳值分解,产生可燃的“合成气”。整个高温碳化的能源来自合成气和辅助燃料。污泥高温碳化后产品含水率极低,减量化、稳定化和无害化指标与干化相同。低温碳化是生产出高热值的碳化物,而高温碳化是将污泥中一部分热值直接利用,这一点正是该技术的优势所在。如果国内进一步开发,使成本和造价进一步降低,高温碳化应该是一种非常有前途的污泥处置工艺。

参考文献

1. 何品晶,顾维国。低温热化学转化污泥制油技术。环境科学,1996,16(5):82?86

2. 何品晶,顾维国,邵国立。污水污泥低温热解处理技术研究。中国环境科学,1996,16(4):254?257

3. Kevin Bolin. The SlurryCarbTM Process. Bioenergy Update. December 1999, Volume 1, No. 5

4. Moore, M. D.; Baroldi, L.; Bingman, D.; Kearney, R. Converting biosolids to a renewable fuel. BioCycle 2006 Vol.47 No.10 pp.32?35

5. 于洪江,杨金凯。污泥低温碳化技术的中试研究。中国建设信息水工业市场。2009年第3期

 

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