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在2007水業高級技術論壇上，清華大學環境系教授王偉與參會代表分享了了我國污泥處理處置現狀、污泥處理標準、技術現狀和瓶頸等問題，并重點介紹了污泥的水熱干化處理技術。本文根據錄音整理成文，未經本人核實。 各位領導、各位專家、各位來賓大家下午好！今天我要介紹的題目是：水熱干化污泥處理技術。先講一些污泥處理中存在的問題，這些都是個人的觀點，希望能跟各位討論。 我國污泥的產生及處理處置現狀 2004年我們國家污泥的產生量（按1.5t-DS/萬t-污水計）是1220萬噸，2010年是2740萬噸。一方面是污泥量不斷增加，另一方面我們國家的污泥處理和污水處理存在脫節的情況。一是處理率低，工藝不完善；二是技術單一，裝備水平落后。三是污泥的處置的保障率比較低，二次污染的風險比較大。現在我們國家污水處理廠的出路就是填埋和農用。但是現在污水處理廠80%的污泥比較正規的垃圾填埋廠是拒絕進的。因為它對垃圾的操作影響很大，這就造成了病源微生物的損害，造成了環境的危險；三是污泥生產的成本高，國外大型的污水處理廠采用消化、機械脫水情況下，污水處理與污泥處理的投資比例為1：1.7。而我們國家在“十一五”期間有1：0.4。當然我們更寄希望于我們國家有更先進和更高的處理技術。 從現狀來看，我們國家大部分的污水處理廠的污泥，并沒有得到真正、有效地處置，造成了很多污染的轉移。我這里面摘出來的是三峽庫區很多的污水處理廠，由于沒有到污泥后續出路的問題，所以帶來了污染的狀況。從另外一個角度來講，我們國家現狀的“重水輕泥”的結果造成了污水處理的效果“事倍功半”。 我這里面有國家環保總局的統計，就是污泥是污水處理的產物，在污水得到凈化的同時，約一半的污染物轉移到污泥中。不解決好污泥處理處置的問題，污水處理的效果只是事倍功半。 從污泥處理的角度來講，污泥處理大家很清楚它是非常高投入和高能耗的過程。一方面污泥里面因為含有大量微生物的菌體和有機膠體物質，使機械脫水很困難。我們普通國內采用的機械脫水的方法，可以使污泥達到80%左右的含水率。第二個是污泥里面的有機物主要以固體形式存在，生物降解困難。 實際上，大家都很關注污泥處理，那么污泥處理的難點在哪里？它比垃圾處理要難，垃圾一年有1.5億萬噸，而污泥只有幾萬噸，其實只有垃圾的1/10左右，但是大家感覺到了很多的問題。含水率高是很大的問題。污泥的含水率變化非常劇烈，就是含水率高上去了，污泥的體積會迅速增加，如果從95%降到80%體積會迅速減少，從80%降到75%體積又會減少很多。同時，污泥含水率越高，熱值就越低。我們現在的含水率大概是80%，就是熱值是100多大卡左右。這樣低的熱值的污泥直接焚燒，顯然是無法完成焚燒過程的。也需要去干化，或者是需要添加輔助燃料，才能夠完成焚燒的過程。如果把污泥里面的水分降低到50%，那么熱值是1200大卡左右。 這個就是我們國家的污泥處理的現狀，基本上是直接填埋、堆肥或者是干化焚燒。但是直接填埋，除了剛才幾位專家介紹的情況以外，還有一個情況就是歐盟新出的填埋法則已經限制了填埋處置，但是將會對世界各國產生重要的影響。那么二次處理里面產生的污泥有機物是70%到80%。這樣將來會受到越來越多的限制，那么堆肥由于含水率高，所以會產生惡臭等等的狀況。 污泥處理的標準 這里面介紹到的是我們國家的農用標準污泥堆肥，污泥作為農用的標準是不是太嚴格了？這是我個人的觀點，我認為標準不是太嚴格了，而是不健全。因為我們國家只限制了污泥重金屬的濃度值。 這是美國的農用標準，剛才張總（編者注：上海市政院張辰總工）也介紹了。它有一個最高值，允許進入農田的值很多都比我們高，但是它有一個月評的濃度。從這里面我們和他的最高濃度比，我們比它嚴格，但是和它的月平均還有一個累計適應量等等的指標來比的話，它有一些年施用量和施用率，不會對累計造成影響。 那么日本的情況也是這樣的，它有一個標準，另外還有一個年施用量的限制，使得能夠滿足和保證土壤的自然凈化的能力，來順應肥料的狀況。在歐盟也是這樣的情況。 污泥處理目的、技術現狀和技術瓶頸 污泥處理的目的和我們所有的有機物都有關系。一是減少水分，為后續處理、利用和運輸創造條件，減少最終處置的溶劑。再一個是無害化，殺滅或去除污泥中的病原菌、有機物及其他有毒有害物質。第三個就是資源化，改善污泥的成分和性質，以利于回收能量和資源。 污泥處理的技術現狀：一是污泥處理以濃縮、消化、脫水為主，處置率低。流行工藝一個是干燥焚燒，就是現在很多的企業在推動這個東西，通過干燥的方法把水分降下來或者是提上去。但是對于我們各地的排水集團來講，最大的問題就是成本的問題，我需要高的投資，這是一個很大的矛盾。再一個就是脫水以后再半干化，然后做堆肥。如果半干化做堆肥，可能它的運行成本要比焚燒還要貴，因為它后面是沒有能量的節約利用，而焚燒再利用的可能性很高。大家仔細算一下，半干化堆肥的成本更高。 那么污泥處理的技術瓶頸在什么地方呢？就是說污泥最大的、最主要的特征就是它含有大量的細胞質和膠體物質，這造成了脫水困難。我們的現狀是脫水到80%左右。由于含水率高，使得污泥的減量化效果差，處理能耗高。如果能夠使污泥絕對干燥，就不是問題了，也就100多萬噸，早就填埋了，主要還是效率的問題。 那么消化工藝現在我們國家采用的是CSTR混合式的傳統的發酵，一般就是最傳統的發酵。所以它的效率并不是特別高，另外污泥本身的性質就是難降解的，這使得污泥里面大量的物質沒有得到高效地回收。這樣的問題帶來了我們污泥處理的能耗高、運行成本高和效益差的問題，這是我們面臨的現狀，也是各個排水集團或者是水廠一個很頭疼的問題。
那么形成這種問題的原因就是由于污泥處理長期缺位造成的。現在隨著污泥處理的增加和污泥量的增加，越來越認識到了處理的重要性，能夠用更高效和更科學的技術解決我們國家的污泥處理的問題。 污泥處理的關鍵 污泥處理的關鍵是三個方面，第一個就是降低含水率是實現系統節能降耗的基礎，因為含水率高使得它的堆肥有困難。那么污泥怎么才能降低它的含水率，這主要就是細胞破碎技術，是從細胞上來解決，用超聲等等的技術來解決這個問題。 第二個是提高消化效率是實現系統能源回收的核心。但是污泥處理現在厭氧消化技術有很大的發展，像USB和ASB有很多的方法，但是這個對于含有大量懸浮物體的污泥并不適用。所以我們還是用CSTR的技術。如果我們把它的脫水性能轉變了，我們可以把30天的停留時間變成3天的停留時間，我的效率可以提高10倍。 那么第三個就是有一個過程的優化集成。我想污泥處理不是靠一個工藝或者是靠一個技術，或者是簡單地加料。實際上污泥處理是一個系統，需要系統的優化組合，才能提高整個系統的效率。 污泥處理的水熱干化組合技術 技術的目標是減量化、無害化和資源化。 水熱干化組合技術就是把污泥在一個濃縮的狀態，在一個液態的情況下，通過加熱的方式，使得里面的細胞質或者是膠體物質得到破壞，他的脫水性能得到大量改善。那么我們普通的污泥直接用脫水機可以脫到80%，那么水熱干化之后可以提高50%。 第二個它的水熱處理是在170、180度的條件下進行的，這樣的情況下，幾乎所有的細菌都會被殺滅。污泥經過水熱干化以后，100多度的條件下進行分解，它的有機物的生物降解性提高了，那么我們可以用USB的方法替代傳統的CSTR，我的效率可以從40%提高到80%，這樣實現了資源回收的效益。 從水熱干化效果圖可以看出，黑色的曲線是成長緩慢的曲線，在180度的時候效果反而更差。在120度甚至到150、170度的時候，這個界面會在很短的時間成長。這是黏度的改善圖，在170度的情況下，不同的處理時間，我們可以看到大概在10到15分鐘的時間，污泥的黏度從6000降低到1000以下的水平。經過170度的處理之后，污泥就變成了連續的流態的狀態，這就是它的形狀改變的效果。 脫水就是將沒有經過處理的污泥，通過機械的方法把其中自由水去掉。而污泥里面有很多的毛細水、間隙水、吸附水、內部水靠機械的方法是很難去除的。那么我們通過水熱的處理方法，把這樣的一個膠體的結構，我們把它打碎了。這個是它的基原理。我們在北小河做的試驗，污泥處理之后的，脫水率大概是50%到55%左右。 我們的厭氧技術在這幾年有了非常大的技術進步，為我們高效處理污泥提供了非常好的基礎。但是這個高效的厭氧技術不能直接應用到這個污泥的領域，一方面是厭氧技術快速地進步，另外一方面我們污泥的厭氧的消化一直沿用傳統的消化技術。這樣兩者不能適應，我們可以通過水熱干化技術，使得SRT和HRT分離，有利提高ASBR。 這個是我們一個博士生做的ASBR的水熱處理的情況，可以提高固體有機物的轉化效率。我把固體大量地存留在反應器里面，讓它有更長的時間反應，可以有更高的效率。我們做到在20天，污泥的量達到70%左右，比我們國家的污泥直接的消化平均提高1倍的效率。 我們通過研究提出了濃縮、水熱干化、脫水、消化等的主題思路。有兩套思路，一個是水熱干化、脫水，然后脫水泥餅，然后焚燒之后處置。還有一種是我們用ASBR消化，然后再處置。 廈門是我們在北小河做試驗的時候采用的工藝流程圖。濃縮物一進來之后，和反應器降熱，然后進入二次濃縮池，可以濃縮到10%左右，后續的水力負荷大大降低。上清液做一個USB，它的泥餅有8000千焦的熱能。最后焚燒，產生的熱量提供污泥直接處理所需要的熱源。我們通過發熱降低主要系統的能耗，然后通過二次濃縮池，主要是為了降低水力負荷。那么富余的能量還可以外供。 如果實現了消化，不包括焚燒，大概系統污泥的減量化可以達到95%以上。我們實驗最后得到的樣品的分析，含水率是43%，在這種情況下它的能量是8021大卡。 所謂的水熱干化技術，是通過機械濃縮，提高系統整體的處理效率，減小水熱處理反應器的容積，經過濃縮后污泥含固率達5%以上。通過水熱反應，在一定的溫度和壓力下，污泥中約30%的懸浮固體發生溶解轉移至液相，上清液COD濃度增加。通過二次濃縮，依靠污泥良好的沉降性能，在較短的時間內可以將污泥濃縮至含固率10%左右，從而大大減輕后續脫水處理的水力負荷。最后是脫水，使水熱污泥的脫水性能得到改善，直接脫水可得到含固率大于50%的泥餅。與直接脫水工藝相比，可以實現污泥減量80%以上； 最后是一個冷-熱泥換熱的情況，我們可以讓熱泥和冷泥通過熱交換變成60度左右。下面是我們每天處理200噸污泥的物料平衡。謝謝大家！ 提問：王教授您好！因為您要把含水90%多的污泥升到70%多的污泥，這個能耗是怎么樣的？ 王偉：實際上我剛才介紹到了這個問題，我們在這個系統里面引入了換熱的裝置，就是把冷泥在進入反應器之前和熱泥進行交換，熱泥是120度，冷泥是20度，但是換熱的溫度是40度，所以污泥只需要升溫40度。而且在沒有壓力的狀態下，我們一噸污泥需要升高40度是40大卡。如果采用干化的方法，這個水在這樣的能量投入，我下面用機械投入法，很低的能量就可以把這個水拿走了。如果我們用干化的方法來處理，我如果把這個從80%降低到50%，一噸污泥蒸發掉600公斤的水，才能達到50%的含水率。那么就是36大卡，差不多是我們這樣的能耗和傳統的蒸發干燥的工藝，同樣地從80%降到50%的情況下，它的能耗降低的1/10。這就是這個技術能夠實現節能的關鍵，一個是蒸發潛熱，一個是沒有蒸發潛熱。
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