（环境工程专业论文）马栏河污水处理厂污泥焚烧与低温热解的研究.pdf

马栏河污水处理厂污泥焚烧与低温裂解的研究 t h es m a yo f s l u d g ei n c i n e r a t i o na n dc a t a l y t i cl o w - t e m p e r a t u r eo f d a l i a nm 9 1 l 圳h t h e w a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n ta b s t r a c t c o n t r a s t i n gt h ed o m e s t i ca n dt h eo v e n ；e a sp r o c e s s e sa n da c t u a l i t i t i e so ft h es l u d g e t r e a t m e n ta n dc o m b i n i n gt h es i t u a t i o n so fo u rc o u n t r y , t h ea r t i c l ec o n s i d e r st h a ts l u d g e i n c i n e r a t i o n , c o m p o s ta n do i lf r o ms l u d g ea r et h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o n so fo u rc o u n 时s s l u d g el l 七a u n o u t s l u d g ei n c i n e r a t i o nc a nd i s p o s el a r g en u m b e r so fs l u d g e , d i s p o s et h e d e l e t e r i o u sc o m p o n e n t so ft h es l u d g ec o m p l e t e l y ，a v o i dp o l l u t i n gt h ee n v i r o n m e n ta n dc a n s i m u l t a n e o u s l yr e c l a i mp a r t so ft h eh e a te n e r g yw h i c hc 纽b eu s e dt oh e a t i n ga n dg e n e r a t i n g e l e c t i c i t y , w h i c hc a nr e a l i z et h ei n n o c u i t ya n dr o s o u i c co ft h es l u d g et r e a l 】n e n l a tt h e8 a l n e t i m e , t h ea r t i c l ei n t r o d u c e sb r i e f l ys o n l ev i r t u e sa n dd e f e c t so f c o m p o s ta n do i lf t o ms l u d g e t h ea r t i c l em a k e st h ed e s i g n sa n dt h ec a l c u l a t i o n st ot h es l u d g ei n c i n e r a t i o np r o c e s s c o m b i n i n gt h es l u d g eo ft h em ai a nh es e w e r a g ep l a n t t h eo r i g i n a ls l u d g e sw a t e r c o n t a i n i n g r a t eo ft h em al a nh es e w e r a g ep l a n ti s7 5 w h i c hc 锄b ed e c r e a s e dt o1 5 t h r o u g ht h ep r o c e s so ft h ed e s i c c a t i o na n dt h ed e h y d r a t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i s , i nt h e c o m p o n e n to ft h ed e h y d r a t e ds l u d g et h ev o l 崩l ec o m p o s i t i o n ss u c ha sc a r b o n , h y d r o g e n , o x y g e n , s u l f u r , n i t r o g e na n ds oo no c c u p y 5 7 8 2 o ft h e s l u d g ep r o p o r t i o n , t h e a s h c o m p o s i t i o n so c c u p y2 6 7 2 , t h ew a t e tc o m p o s i t i o n so c c u p y1 5 。4 6 a n dt h ec o m b u s t i o n h e a tv a l u eo fak i l o g r a ms l u d g ei s1 5 1 2 4 7 6 k j k g , w h i c hc a nb u r ni t s e l fi nt h ef l u i d i z e d i n c i n e r a t i o nw i t h o u ta n ys u b s t a n c e st h a th e l pt h e mb u n l t h et h e r m o g r a v i n gi sa ni m p o r t a n tm e a s u r et h r o u g hw h i c ht h ep y r o p e r t i e sa n dm e c h a n i s m o fs l u d g ep y r o l y s i sc a nb er e s e a r c h e d t h e r ea r et h r e ew e i g h t l e s s n e s sp h a s e si nt h ep r o c e s so f p y r o g e n a t i o n , w h i c ha r c1 5 0 3 6 0 c ，3 6 0 4 8 5 c ，6 6 0 7 3 5 ca n dt h e ya r ec o r r e s p o n d i n g t ot h r e er a d i a t i v ea p e x e s t h ef o r m e rt w oa r et h ep h a s e so fv o l a t i l es e p a r a t i n go i 斑a n dt h e t h i r do n ei st h ep h a s eo f f i x e dc a r b o nb u r n i n g a tl a s t , t h ea r t i c l eh a v ed o n et h ee x p e r i m e n t si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s i ti n c l u d e sd i f f e r e n t p y r o g e n a t i o ne n dt e m p e r a t u r e , d i f f e r e n tr e a c t i o nt i m ea n dd i f f e r e n td o s a g eo ft h ec a t a l y z e r n a 2 c 0 3 t h eh i g h e rp y r o g e n a t i o ne n dt e m p e r a t u r ei sp r o p i t i o u st oc r o a tt h eo n f o rr e a c t i o n t i m e , t h e r ei sab a l a n c e a b l et u r n i n gp o i n t b e f o r eo ra f t e rt h eb a l a n c e n b l em m m gp o i n t , t h er a t e o f t h e o i l w i l l n o t a c h i e v e t h e m a x i t n u n l o n l y c l o s e t h e t i m e o f b a l a n c e a b l e 恤n i n g p o i n t t h e p r o d u c er a t eo f t h eo i li sm a x i m a l t o1 0 0 9s l u d g e , t h eb e s td o s a g eo f t h ec a t a l y z e rn a 2 c 0 3i s 4 9 a tl a s t , t h ea r t i c l ea n a l y z e dt h ec o m p o n e n t so f t h eo i ls i m p l y k e yw o r d s ：s l u d g ei n e i n e r l f i o n ；r e g e n e r a t i o ni u o e n o u s t y ；t e c h n k sd e s i g ua n d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：趔& 日期： 州g 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：割堑 导师签名：上拿红 盟年月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 虽然我国水资源总量巨大，但由于人口众多，导致人均水资源占有量较低。近2 0 年来，伴随着我国经济突飞猛进的高速增长，水资源问题却日趋严重。尽管近几年我国 政府已加大了污永处理的投入和力度，在污水治理方面有了较大的发展，研究出了许多 污水处理的新工艺、新技术，提高了我国污水处理的总体水平，缓解了一些污染状况， 但是水环境污染造成的水危机仍然严重制约了我国国民经济的健康发展和人民生活水 平的提高。随着城市污水处理量的逐年增大，城市污水处理带来的副产物( 污泥) 的年 产量也急剧增加，所以污泥的处理处置是伴随着污水处理产生的不可避免的问题。 以科学的发展观看，污泥处理是过程，污泥处置才是目的。污泥处置最为经济有效 的方式就是生物资源循环利用，即污泥资源利用处置。我们在此提出的污泥堆肥和资源 利用方案将污泥的处理、处置、污泥肥料的出路连为一体，系统解决，真正实现了污泥 处理处置一体化与生物资源的循环利用，较好她实现了社会效益、经济效益与环境效益 的统一 1 1 污泥的特点及产生情况 城市污水污泥是污水处理过程中的伴生物。它具有含水率高、易腐烂、有恶臭、含 有重金属和大量寄生虫卵及病原微生物等特性。污泥一般是介于固体和液体之间的浓稠 物，其固含量在0 2 5 1 2 ( w ) 之间，可以用泵输送，但难以用沉降法进行固液分离。 随着废水处理技术的进一步推广和发展，以及废水排放标准的日趋严格，如今处理的污 泥量不断增加，种类和数量也更加复杂【2 】。目前世界范围内的污泥危害问题已日益严重， 据统计，美国目前所积累的干污泥总量已达1 0 0 0 万吨，而且近几年每年的增长率都在 5 1 傩；欧洲各国总量达6 6 0 万吨；日本总量也已达到2 4 0 万吨左右，年产干污泥量 近2 0 万吨，折合湿污泥量5 0 0 万吨年( 9 6 含水量) 翔。 我国的城市污水处理事业在近几十年来也有了较大的发展，污水处理厂由1 9 4 9 年的4 座发展到了1 9 9 9 年的3 0 7 座，城市污水的处理率达到7 8 ，干污泥产量达到1 5 万吨 日【3 】。截至2 0 0 5 年底，全国已建成污水处理厂6 6 1 座，干污泥产量达到3 5 万吨日 1 2 污泥的危害 污泥根据来源可以分成两类：一类是由生活污水或工矿废水中的泥沙、纤维、动植 物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、胶体有机质和吸附的金属元素、微生物、病菌、 寄生虫等物质组成的综合固体；另一类是废水生物处理过程中产生的活性污泥和消化污 泥。污泥中含有丰富的有机物和大量的病原菌、致病微生物，以及砷、铜、铬，汞等重 马栏河污水处理厂污泥焚烧与低温裂解的研究 金属和二恶英、放射性物质等难以降解的有毒物质。由于污泥的含水率高、体积大，所 以给堆放和运输带来了困难，如果对其处理不当或不规范，例如随意弃置，农地滥用等， 将对生态环境造成严重的潜在威胁。 污水处理过程中产生的污泥含有大量的有机质和丰富的氮、磷、钾等营养物质，如 果不经过处理而将其随意的排放到水中，污泥中的有机物质将大量消耗水中的氧气，造 成水体恶化，严重影响水生物的生存。污泥中的营养物质还会造成水体的富营养化，促 使藻类恶性繁殖，产生水体赤潮和绿潮现象，使城市水源水质恶化，影响生活和工业用 水，还将使渔业产量下降，造成巨大的经济损失。如果污泥被利用到农业中，污泥中的 铜、铝、镍、锌、铬、汞等重金属会污染土壤和农作物，致使农作物发生病灾，产量降 低。污泥中的有机物被微生物分解后放出的有毒气体、尘埃会加重大气污染。污泥中含 有大量的致病菌、寄生虫以及二恶英、多氯联苯、放射性元素等难以降解的有毒物质， 对人类的健康也会产生严重的危害。而且污泥常伴有恶臭，如果处理不当，会造成疾病 的传播，给环境造成严重的二次污染，对生态环境和人类健康存在长期潜在的威胁，因 此需要引起高度的重视。 1 3 污泥的来源和分类 图1 i 是典型的城市污水处理厂污水处理的系统流程图，从图中我们可以看到污泥 的产生过程。 废水 供气 清 液 回 流 外运 排放 图1 1 污水处理厂污水处理流程图 f i 9 1 1 w a s t e w f f e ) l - t r e a t m e n tp i d c e 鼹i 1 1 w 鹋位w a 懈佃蜘e m p l a n t 加药 大连理工大学硕士学位论文 污泥的分类主要有两个依据，一个依据是污泥含有的主要成分和性质，另一个依据 是污泥从污水中被分离的过程 按污泥含有的成分和性质不同，可将其分为有机污泥和无机污泥两大类。以有机物 为主要成分的污泥称为有机污泥。典型的有机污泥是剩余生物污泥，如活性污泥和生物 膜、厌氧消化处理后的消化污泥等，此外还有油泥及废水固相沉淀后形成的污泥。有机 污泥的主要特点是有机物含量高，颗粒细小，易腐化发臭，含水率高，往往呈絮状体状 态，相对密度较小，持水能力强，不易下沉，压密脱水比较困难。同时，有机污泥稳定 性差，容易腐败和产生恶臭。它往往含有较多的植物营养素、寄生虫卵、致病菌及重金 属离子、毒性有机物等，流动性较好，易于用管道输送【7 】。 无机污泥主要含有无机物，例如利用石灰中和废水得到的沉淀物等，主要成分是金 属化合物。这种污泥密度大，固相颗粒大，易于沉淀、压密和脱水，颗粒持水能力差， 含水率低，流动性差，不易用管道运输，污泥性质稳定不腐化，但是可能出现重金属离 子的再溶出现象 8 1 。 1 4 污泥处理以及处置的目的 污泥处理与处置的目的主要可以概括为以下四个方面【1 3 】： 减量化 由于污泥含水量很高，体积很大且里流动性，需要将水从污泥中分离并除去，减少 污泥最终处置前的体积，以降低污泥处理及最终处置的费用； ( d 稳定化 污泥中含有大量的有机物，极易腐败和产生恶臭，需要通过处理将易腐败的部分有 机物分解转化，使之不易腐败，大大降低恶臭并方便运输和最终处置，并且使最终处置 后不再产生污泥的进一步降解，从而避免产生二次污染： ( d 无害化 污泥中，尤其是初沉污泥中，含有大量的病菌、寄生虫卵以及病毒，可能造成疾病 的传播，需要经过处理从而杀灭病原菌、寄生虫卵及病毒，提高污泥的卫生指标，达到 污泥的无害化和卫生化； ( d 资源化 污泥热值通常在1 0 0 0 0 1 5 0 0 0k j k g ( 干污泥) 之间，其热值利用在一些国家已取 得较好豹效果，具有较好的发展前景。污泥中含有大量的促进植物和农作物生长的氮、 磷、钾等营养成分，是具有较高肥效的有机肥料。此外污泥还可以用于制取动物饲料、 马栏河污水处理厂污泥焚烧与低温裂解的研究 吸附剂、建筑材料等。所以在适当条件和规模下应考虑综合处置，对污泥中的能源及有 用物质加以回收利用，达到变害为利、综合利用、保护环境的目的。 为了达到以上的目的，通常根据具体的情况和条件来选择污泥的处理处置方法。 1 5 污泥的处理 污泥的处理主要包括浓缩、消化和脱水等。以上各阶段产生的清液或滤液中仍含有 大量的污染物质，因而应重新送回到污水处理系统中加以处理。对于污泥来源不同、含 量不同的处理条件，应根据具体污泥特性和处理要求确定处理工艺流程。 污水处理厂污泥处理的流程如图1 2 所示： 回匦垂圃 图1 2 污水处理厂污泥处理流程川 f i g1 2 t h es l u d g e t r e a l r n e n t p r o c e s s i n w a s t e w a t e r t r e a l m e n t p l a n t 污泥的浓缩 污泥浓缩是一种经济有效的减小污泥体积的方法。可使污泥的含水率从9 9 降至 9 6 ，且减容效果明显。污泥浓缩通常通过离心、重力沉降或者汽浮法加以实现。重力 浓缩是浓缩过程中较常用的一种方法，它是利用污泥自身的重力作用进行的，在这种作 用下，蕴藏在污泥中的空隙水被挤压出来，达到减小污泥的体积，增加污泥含固率的目 的。 污泥的稳定 污泥稳定处理的目的就是充分利用污泥中的微生物降解污泥中的有机物质，进一步 减少污泥含水量，杀灭污泥中的细菌、病原体等，消除污泥的臭味，使污泥中的各种成 分处于相对稳定的状态，这是污泥能否被资源化有效利甩的一个关键步骤。污泥的稳定 大连理工大学硕士学位论文 作用可以使污泥在储存过程中避免发生厌氧分解，并且一定程度地减小污泥的体积，改 善污泥的流体性质，提高厌氧消化、过滤和脱水处理的有效性，以及改善污泥的卫生性 能。污泥的稳定非常有利于污泥的后续堆肥、焚烧、运输、填埋以及土地利用等。 污泥稳定的方法通常分为生物稳定、化学稳定和热力稳定生物稳定的过程又可分 为污泥的厌氧消化和好氧消化两个过程。目前比较常用的是厌氧消化，在消化池中利用 微生物的作用，通过液化、酸性发酵和碱性发酵三个阶段后，污泥被分解并且转化成为 有机酸，这些有机酸被气化成6 5 的甲烷和3 5 的二氧化碳。这个步骤将分解4 0 的干态 有机物，在此期间将有7 0 的成分以氨氮的形式存在。化学稳定的实质是向污泥中添加 各种混凝剂，使污泥形成颗粒大、孔隙多和结构强的滤饼。热稳定过程可以破坏污泥的 胶体结构，降低污泥的圆体与水的亲和力，有利于固体的凝结n o 】。 ( 9 污泥的脱水 由于从污水处理厂捧出的污泥含水率高。体积庞大，且易腐败发臭，为了减小其体 积，降低运输成本和便于后续处理，必须对污泥进行充分的脱水和减量化处理，使污泥 可以被当作固体物质来处理。污泥脱水是污泥处理中最重要的减量化手段，可使其体积 减到原体积的1 1 0 1 5 。 污泥脱水包括自然干化和机械脱水等几类。污泥自然干化的处理成本、维修管理费 用低，但占地面积大，脱水效率低，适用于气候比较于燥、用地不紧张以及环境卫生条 件允许的地区1 1 4 】。而机械脱水应用更为广泛，目前大多采用机械脱水，它具有占地面积 小，处理泥量大，出泥含固率高，适应性强等特点。常用的脱水方法有：真空过滤法、 压滤法、离心法和压带法。这些方法都是通过过滤介质在滤科两侧的压力差使水分强制 通过滤料，而将固体颗粒截留在澹料上。表1 1 对这几种方法作了简单的比较； 表1 1 污泥脱水方法比较川 t a b l e1 ic o m p a r l s o no f s l u d g ed e w a t e r i n gm e t h o d 脱水方法脱水装置脱水后的含水率( )脱水后的状态 真空转鼓、真空 真空过滤法 6 0 8 0 泥饼状 转盘 压滤法板框式压滤机 4 5 8 0 泥饼状 压带法带式压滤机 7 8 8 6 泥饼状 离心法离心机 8 0 8 5 泥饼状 最近利用芦苇等沼生植物进行脱水引起了人们的广泛关注，该方法可将污泥固体含 量由排出时的1 0 9 6 左右增加到4 0 慨左右，还可富集过量的重金属。用芦苇进行污泥干 马栏河污水处理厂污泥焚烧与低温裂解的研究 燥不需电能也不需要化学物质，是一种可持续过程，其缺点是占地面积大，易引起地下 水污染l l ，j 。 1 6 污泥的处置 污泥的处理过程是每个污水处理厂在污泥处置之前必不可少的环节。污泥经过了一 定的减容和稳定化的处理，此时的特性已经较未经过预处理的污泥改善了许多。这些经 过处理的污泥其最终的处置途径多种多样，一般根据污泥的预处理方式和最终的目的来 决定。目前最常用的污泥处置方法有：土地填埋、授海、农用、热处理等。 ( d 土地填埋 土地填埋具有工艺简单、成本低、适用于多种类型的污泥，可单独填埋，亦可与生 活垃圾混合填埋等优点。这种方法虽然简单，但是一是要占用大量土地，浪费土地资源； 二是污泥中含有的营养物质使大量细菌繁殖，导致污泥霉变，污染环境及地下水源。而 且随着污泥产生量的与日俱增，适宜填埋的场地越来越少。据美国环保局估计，在今后 的2 0 年内，美国6 5 0 0 个填埋场将有5 0 0 0 个关闭，有的州已无场地可供填理。在欧洲， 2 0 0 0 年后污泥填埋在污泥处置中所占的比例开始迅速降低，到2 0 0 5 年已降低到1 0 左 右，所填埋的物质仅限于有机物含量小于5 的废弃物。在我国污泥填埋也面临场地不足 的压力，有的填埋场已被关闭，有的即将被填满。而且，填埋并没有最终消除污染。只 是起到了一个延缓的作用【l ”。 海洋倾倒 海洋倾倒是利用水体自净和水的稀释作用进行的一种污泥处置方法。这种方法简 便、易行，多被沿海国家所利用。但是，越来越多的证据表明，污泥的海洋倾倒会破坏 海洋脆弱的生态环境，美国纽约市每年约有1 2 0 万立方米的污泥投海，4 0 多年来，使 5 1 8 平方公里的海洋变成“死海”，造成了污泥的厌氧分解，污染了海区的环境卫生和 感官性状。海底的重金属浓度提高了1 0 0 2 0 0 倍。欧盟国家也规定在1 9 9 6 年以后禁止 向海洋倾倒污泥【1 6 j 。 ( p 污泥农用 污泥中含有大量植物生长所需要的有机物和矿物质，因此将处理后的城市污泥用于 农用，作为肥料和土壤添加剂是最佳的处理方式之一。这些有机物质可以直接通过生物 循环被植物所吸收，代替肥力强劲的合成肥料。以城市污泥为例，含氮2 6 ，含磷 1 4 ，含钾0 2 o 4 ，污泥中氮和磷的含量都比农家肥高。另外污泥中还含有硼、 锰、锌等微量元素，能够改良土壤结构，增加土壤肥力，促进作物的生长。实验表明， 大连理工大学硕士学位论文 把消化污泥作为肥料后，土壤的非毛细管孔隙率、离子交换能力、有机质、总含氮量以 及土壤的结构都有了明显的改善 4 1 国内外研究己普遍认为，污泥可作为土壤改良荆和 中等肥料利用于农业。 ( d 污泥热化学处理 污泥的热化学处理方法( 污泥受热发生化学反应使之稳定、减容的方法) 具有无害化 处理较为彻底，处理迅速，占地相对较少，处置后的污泥稳定并可利用其所含有的有机 物实旌能源回收等优点，在污泥处置中的地位已逐渐增强，被认为是很有前途的污泥处 置方法n 7 1 。污泥可采用多种热化学处理方式以达到减容化、稳定化、无害化和资源化， 主要方式包括污泥的焚烧和热解。 污泥焚烧是指不低于6 0 0 的温度下，使污泥中的有机组分与氧气发生反应从而生 成稳定的无机物。该方法最大的优点是可以迅速和较大程度地使污泥减容，并且能够满 足越来越严格的环境要求和充分地处理不适宜于资源化利用的部分污泥。通过焚烧可利 用污泥中丰富的生物能发电并使污泥达到最大程度的减容。焚烧可使污泥中的吸附水和 内部水全部除去，焚烧过程中污泥中所含的病菌、病原体均被杀灭，有毒有害的有机残 余物被氧化分解，焚烧的产物( 焚烧灰) 可用做生产水泥的原料，还可直接作为建筑材 料或是作为建筑材料的一部分。但是，由于焚烧耗资大、设备复杂、对操作人员的素质 和技术水平要求高，并且焚烧会产生一定的烟灰，特别是当污泥中的重金属随烟尘扩散 于大气中时，会产生较为严重的大气污染，因此这方面开展的工作很少。目前只有浙江 大学、中国科学院、清华大学和华中科技大学对污泥的焚烧原理进行了一定的研究。在 实际工程当面，尤其是运营多年、处理效果良好的工程实侧，在国内鲜有报道，只有深 圳特区污水处理厂的污泥被用于焚烧 1 s l g l 。 污泥热解技术是指在常压无氧或低于理论氧气量的条件下加热干燥污泥至一定温 度( 高温：5 0 0 1 0 0 0 1 2 ；低温： 2 9 6 时就可完全自热，不需外加热量。 超临界水氧化技术虽然具有诸多优点，但是它的反应条件要求苛刻( 高温、高压) ， 投资大，且其反应机理、反应动力学等还有待于深入研究网。 图1 4 超临界水氧化工艺流程 d 污泥酸化 剩余污泥有机物含量高，将其进行水解酸化后返回到废水处理系统一同代谢而达到 减少或基本无污泥排放的目的，是一种正在探索的污泥处理方法，其工艺流程见图1 5 。 其优点在于污泥水解酸化后不必单独处理，直接与废水一起代谢，投资省、能耗低，而 且运行管理方便 6 0 1 。 图1 5 剩余污泥处理流程 大连理工大学硕士学位论文 f 超声促进污泥消化 德国科学家对超声促进污泥消化进行了研究。生污泥经3 1 z 的超声处理后送入 一系列1 5 0 升油加热和搅拌装置的消化池，污泥在各池的停留时间分别为8 、1 2 、1 6 和 2 2 天；同时设置了一个对照消化池，未经超声处理的生污泥投入其中，污泥停留时间为 2 2 天 6 5 1 。 实验持续了四个多月，结果表明，在停留时间为2 2 、1 6 和1 2 天的消化池中经过 超声处理的污泥的挥发性有机物的降解率明显的高于对照消化池中污泥的挥发性有机 物降解率；甚至在停留时间为8 天的消化池中经过超声处理的污泥的挥发性有机物降解 率亦在4 4 以上，而停留时问为2 2 天的对照消化池中污泥的挥发性有机物降解率仅为 4 5 8 。研究亦表明，经过超声处理后，即使停留时间缩短，污泥消化所产生的沼气量 亦有所增加，而消化后污泥的稳定性亦得到增强。 g 臭氧消除剩余污泥 ， 日本中部的s h i m a 污泥处理厂用活性污泥工艺处理不含工业组分的市政污水，处 理量为4 5 0 m 3 d ；该厂已成功运转9 个月而不产生剩余污泥。 这一结果是通过用臭氧氧化部分回流活性污泥，从而改善污泥的可生物降解性能， 促进其在曝气池中的生物降解而得到的。 污泥的消除量与臭氧的投配率及被处理的污泥量成比例。该厂臭氧投配率为 0 0 3 4 k 9 0 ，k g s s ，处理的污泥体积相当于传统工艺产生的剩余污泥的4 倍，最终出流中 b o o 和氮的浓度较低，但是s s 指标稍差t 6 6 j 。 h 涡流熔炉处理污泥 日本e b a r a 公司开发了一种涡流熔炉系统处理市政污泥，可以对污泥所含热值最 大程度的利用。污泥的无机组分在1 3 0 0 1 4 0 0 c 高温下熔化，由于重金属组分极少， 因此熔渣适于回用f 6 7 j 。 1 7 污泥低温热解的发展现状 污泥低温热解炼油技术是正在发展中的污泥处理的新技术。关于污泥低温热解炼油 技术的最早报道可追溯到1 9 3 9 年的法国专利，在该专利中，s h i b a t a 首次阐明了污泥热 化学转变处理的工艺。到2 0 世纪7 0 年代末，德国科学家b a y e r 和k u t u b u d d i n 等对该 工艺进行了比较深入的研究，现已证明该工艺过程与自然界中将固体有机物转变为液态 碳氢化合物的过程是相似的闭。污泥在低温下转化为水、不凝性气体、油和炭，其组成 马栏河污水处理厂污泥焚烧与低温裂解的研究 主要由污泥的性质决定，但也与热解温度有关f 玎。由于现今进行的污泥热解实验多限于 实验室规模，因此提出了不同的作用机理。较普遍的看法认为：污泥热解可分为热分馏 和催化转变两个过程，其中，催化转变的作用比热解作用更大p 川。eb a y e r 及其合作者 己经明确证实污水污泥中的硅酸铝和重金属( 尤其是c u 具有催化作用，在催化转变反应 中起关键性作用【3 9 l 。污泥热解时，在3 0 0 2 2 以下发生的热化学转化反应，主要是污泥中 含有的脂肪族化合物的转化。此类化合物沸点较低，其转化形式主要为蒸汽。3 0 0 1 2 以 上蛋白质转化与3 9 0 以上开始的糖类化合物转化，主要转化反应是肽键的断裂，基因 转移变性及支链断裂等。含碳物质在2 0 0 4 5 0 发生转化，至4 5 0 2 2 基本完毕，污泥热 解在5 0 0 2 2 以下即可完成 4 0 1 。 ， 城市污水污泥中含有的油类主要有动植物油脂和石油类的油。动植物油脂是指各种 脂肪和油类，是甘油与脂肪酸形成的化合物。脂肪酸甘油在常温时是液态的称为油脂， 固态的称为脂肪。生活污水污泥中的脂肪和油脂来源于动植物油脂，动植物油脂属于最 稳定的有机化合物，不易被细菌分解。然而，它可以被无机酸分解，生成甘油和脂肪酸。 当它们遇到碱性物质( 例如氢氧化钠、甘油) 时便会析出，形成脂肪酸钠。石油类油， 汽油、煤油、柴油、润滑油、重油、油渣都是石油和煤焦油炼制而成的，都是碳氢化合 物，这些油类以多种形式进入污水管网，有一部分会附着在沉淀下来的固体污泥中，但 大部分仍漂浮在水面上j 。 污泥低温热解的产油量随污泥不同而发生变化，生活污泥产油率为1 5 3 6 ( 热值为 3 5 3 9 m j k g ) ，产炭率为2 0 6 0 9 6 ( 热值为l o 1 5 m j k g ) ，一般产油量为2 0 0 3 0 0 m l 油吨干物质。8 0 年代，有的科学家对城市污水处理厂的一级处理污泥和二级处理污泥 进行了实验。实验表明，一级处理污泥直接萃取得到的油的质量产率为0 1 8 1 ，经过热 解反应后萃取，油的质量产率为3 1 4 。s u z u k i 等人实验表明，消化污泥的热解产油率 低于2 5 ，而剩余活性污泥的热解产油率可达4 1 4 5 ，对热解前后的两种萃取油进行 g c m s 分析，发现它们的主要组成和相对浓度也不同。1 9 8 6 年，在澳大利亚的泊斯( p e r t h ) 和悉尼( s y d n e y ) 已经建起了二座实验工厂，这些中试和生产性的实验为大规模污泥炼油 技术提供了大量的数据和经验。2 0 世纪9 0 年代末，第一座商业规模的污泥炼油处理厂 在澳大利亚泊斯的s u b i a c o 废水处理厂正式建造，每天处理规模可达2 5 t 千污泥【4 i 圳。 热解制油作为正在发展中的新的热能利用技术，是在3 0 0 5 0 0 2 2 、常压( 或高压) 和 缺氧条件下，借助污泥中所含的硅酸铝和重金属( 尤其是铜) 的催化作用将污泥中的脂类 和蛋白质转变成碳氢化合物，最终产物为油、碳、非冷凝气体和反应水。英、美、日等 国家主要研究的是热化学液化法，即在3 0 0 2 2 、i o m p a 左右的条件下对脱水污泥进行热 大连理工大学硕士学位论文 化学液化，使污泥反应成油状物。德国和加拿大以热分解油化法为主，即把干燥的污泥 在无氧条件下加热到3 0 0 5 0 0 ，使之干馏气化，再将气体冷却转换成油状物。 热解( p y r o l y s i s ) 法主要是利用原料中有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧的条件下 对之进行加热蒸馏，使有机物产生裂解，经冷凝后形成各种气体、液体和固体，从中提 取燃料油、油脂和燃料气的过程。热解反应可以用通式表示如下： 原料与气体+ 有机液体+ 固体 由于污泥的热分解是在无氧环境下，并在相对较低的温度下( 9 5 或h 7 1 5 的污泥，c 7 前的系数采用括号内的数值；对于c 7 1 0 9 6 的污泥，才减去最后一项灰分修 正值。 我们通过煤炭科学研究院北京化学研究所推荐的统一半经验公式( 3 - 5 ) 并根据污 泥元素分析得出的污泥中各元素的含量计算出，污泥的热值为1 5 1 2 4 7 6 k j 堙。 3 6 污泥的热失重分析 热重法是一种测量物质质量与温度关系的技术。污泥的热失重分析是研究污泥在加 热过程中质量变化的一种手段，通过热失重分析可以得到污泥的热失重峰温和活泼热解 温度的范围，对热失重数据进行数学处理还可以得到污泥热解动力学参数，为热解工艺 的设计提供依据。在热失重的测试过程中得到失重t g a 曲线、失重速率i y r g 曲线和d s c 曲线。失重速率即为测量时每分钟试样的失重百分比；d s c 曲线表示的是在测量过程中， 试样失重1m g 差热放大器补偿电压的变化量。热失重大小和热失重峰温度受污泥种类 的影响，加热速率对热失重也有影响，随着加热速率的增大，热失重增大。失重速率曲 线受加热速率、记录速率等的影响较大，有时曲线不规则或有一定偏差1 1 7 r 7 。】。 污泥灰分、挥发分的成分都比较复杂，不同的污泥，其本身的性质会对热解过程产 生不同的影响。在研究污泥的热解反应机理时，采用了与研究煤的热解机理相类似的方 法，即对热失重过程做出分析，在空气气氛下对干燥基污泥( 污泥已经预先在电热风干 箱中烘干了2 4 小时，风干温度为2 5 ) 进行d t g - d s c 联合分析。 3 6 1 实验设备及实验条件 实验采用的仪器是s t a 4 0 9 热重分析仪( 德国n e t s c h 公司制造) 。实验中通入流动的 空气气流以保持动态气氛，流量为l o o m l m i n ，升温速率为2 0 c m i n 程序终止温度为 8 5 0 。 3 ，6 2 热失重结果及其分析 污泥的热失重t g a 曲线见图3 2 所示。 马栏河污水处理厂污泥焚烧与低温裂辫的研究 枣 簟 囊 图3 2 污泥热失重曲线 f i g3 2t h ec t v eo f s l u d g e 出e r m a lw e i g 醐e 鲫l e 辎 污泥的w g 髑c 曲线见图3 3 所示。其中d t g 曲线由n 表示，d s c 曲线由u 表示。 。一。 口，、 一。 图3 3 污泥的叩g - d s c 曲线 f i g3 31 m ec i l r v es l u d g cd t g - d s c 鼍 盖 量 从污泥的t g a 曲线并结合t d g 、d s c 曲线，可以看出污泥热解过程中存在3 个失重 率较大的区域，且每个失重率较大的区域都对应着一个放热峰，剩余的试样重量大约只 有原始重量的5 0 左右。由于采用的样品是干燥基污泥试样，所以图中的d r r g 曲线上已 经看不出明显的水分析出峰。 分析如下：大约从1 5 0 到3 6 0 ，是污泥的第一个质量损失阶段，质量损失大概 为试样总重量的1 5 左右；大约从3 6 0 到4 8 5 ，是污泥的第二个失重阶段，质量损失 大概也是试样总重量的1 5 ；第三个失重阶段是在6 6 0 到7 3 5 之间，此阶段的失重较 少，大概只有4 左右。 一。h可寻、3咀 大连理工大学硕士学位论文 前两个失重阶段出现在低温区，说明这两个阶段是挥发分的析出区，挥发分析出区 集中在较低温度区的主要原因是因为污泥中有机物含量较高，各成份的化学键比较弱， 强弱差别也不大，因此温度达到一定水平，就开始大量析出。存在两个显著的挥发分析 出区，表明挥发分中存在两类化学键能相接近的成分。第三个失重区出现在温度较高的 阶段，而且失重率小，说明第三个阶段是固定碳的燃烧阶段。因为固定碳的燃烧温度较 高，而且含量较少，所以对应的失重率小，而且失重温度范围较高。 失重速率较大的三个区域分别对应着三个放热峰，由d s c 曲线可以看出前两个放热 峰比第三个峰高很多，根据它们所处的温度范围也能说明应该是挥发分释放的燃烧放 热。第三个放热峰产生在7 0 0 左右的位置，根据其温度判断应该是固定碳燃烧时的放 熟。由于污泥中固定碳含量较少，所以其放热峰很小，污泥的热值主要由挥发分的燃烧 产生。因此，污泥的燃烧过程以挥发分的燃烧为主，在污泥的燃烧放热过程中挥发分所 起的作用远大于固定碳所起的作用，而且在低温区间就出现放热峰。 此外，由于污泥挥发分含量较高、析出较快，所以在实验中污泥燃烧反应速率主要 是由析出的挥发分与氧气的混合情况决定，即污泥颗粒的燃烧反应主要受扩散过程的控 制。当温度达到一定水平以后，大量的挥发分析出并在颗粒周围形成一个气膜层，燃烧 主要在气膜层的外表面与氧气混合扩散处进行。该层的燃烧消耗了氧气，只有当挥发分 燃尽到一定程度，使气膜破裂后，固定碳才能跟氧气接触，并在温度升到足够高时开始 燃烧。因此，在d t g 曲线的高温区才出现较明显的固定碳燃尽区 7 9 、8 3 。 3 6 3 污泥热失重反应机理 由以上的分析可以得出污泥的反应机理为：在热失重的测量过程中，污泥表面的氧 气被吸附之后，温度不断上升，在开始燃烧时，氧浓度是过量的，此时的总反应速率应 该取决于挥发分的析出速率和析出的挥发分和氧燃烧的反应速率，但在燃烧初期挥发分 的含量较高，从污泥颗粒的表面及外层部分析出不会受到大的阻碍，所以总反应速率是 服从化学反应速率控制的。其后，燃烧继续进行，不断放热，温度上升，使反应速率加 快，然而另一方面，反应也不断向污泥颗粒内部推进，氧气向内部扩散与产物气体向外 扩散又相互阻碍，而这时温度已经比较高，挥发分和碳的燃烧都足够快，回此，总反应 速率完全受扩散因素的控制。由分析可以看出，扩散因素控制的反应活化能高于表面反 应的活化能，是符合污泥自身特性的，因为虽然污泥质地疏松，挥发分高易于析出，然 而由于污泥的含碳量低，使得残碳燃烧不易于进行【辨l 。 马栏河污水处理厂污泥焚烧与低温裂解的研究 4 污泥焚烧工艺研究 4 1 引言 污泥焚烧可分为直接焚烧处理和混合燃烧处理两种： ( 1 ) 直接焚烧处理 污泥焚烧按直接处理流程工艺可分为污泥直接焚烧和干化焚烧。直接焚烧是将机械 脱水后的污泥直接给入焚烧炉内焚烧，由于机械脱水污泥含水率- - 般；e e 7 5 - 8 5 之间， 污泥的热值很低，含水率为8 0 时，热值仅为1 1 7 0 1 c j k g 左右，直接入炉焚烧需要消耗 大量的辅助燃料，运行成本高。干化焚烧是将机械脱水后的污泥先进行加热干燥，降低 其水分，提高入炉污泥的热值，使焚烧炉在运行过程中不需要辅助燃料。污泥千化焚烧 是一种节能型处理工艺，也是应用较多的一种工艺 7 2 1 。 污泥干化焚烧处理流程如图4 1 所示。流程主要包括污泥预处理、污泥焚烧、后处 理。 凳蠢一嚣 烟气处理撵敢 灰渣外谗处置 污泥预处理。污泥在进入焚化炉前加以必要的预处理，能使焚烧更有效地进行。将 污泥脱水可降低含水率，使污泥能够达到自燃；将污泥粉碎可使投入炉内污泥均匀，保 障燃烧充分；污泥预热，可进步降低污泥含水率，进而降低污泥焚烧时所耗能源。此 工序应根据焚烧炉型、设置或免除例。 污泥焚烧是整个工艺的核心。污泥焚烧主要是在污泥焚烧炉中进行的。后处理包括 处理焚烧中产生的烟气和固体灰渣。烟气处理需设计专门的烟气处理系统。污泥焚烧会 产生大量带飞灰的烟气，这些烟气中含有多种有毒物质，容易形成二次污染。据现有资 料看，绝大多数国外污泥焚烧的烟气处理系统，已从过去的静电除尘器与于式洗涤相 结合的处理法，转变成为高性能静电除尘器与湿式洗涤设备和脱硝设备相组合的处理 方法。少数新厂为去除二恶英、呋喃等有毒物质，还采用了袋滤式除尘设备与其它设备 相组合的方式。如美国1 9 9 1 年建成的一套污泥焚烧设备就采用了干式洗涤器、消石灰喷 大连理工大学硕士学位论文 雾、袋滤式除尘器，可有效地去除二恶英。日本川崎重工采用了湿式洗涤器、袋滤过滤 器、脱硝反应塔。目前，国际上除了采用袋滤式除尘器外，还广泛通过改善焚烧炉的燃 烧状态以解决这一问题。即保持高温、保持燃烧时间，使污泥得以完全燃烧。污泥焚烧 的废气处理工序还有待进一步完善，还有很大的潜力可挖。污泥焚烧后的固体灰渣可以 采用安全的土地填埋方法予以处置【7 4 】。 、 污泥焚烧的影响因素有含水率，温度，时间，氧气量，挥发物成分等。 污泥含水率的多少是污泥焚烧处理中的一个关键因素。它直接影响污泥焚烧设 备和处理费用( 当污泥挥发物含量高，含水率低时，通常能维持自燃) 。因此降低污泥 含水率对于降低污泥焚烧设备及处理费用是至关重要的。一般如将污泥含水率降至与挥 发物含量之比小于3 5 时，可形成自燃，节约燃料。 温度、时间、氧气量、挥发物含量也是焚烧能否取得成功的基本条件。温度超 过8 0 0 。c 时，有机物才能燃烧。但此时污泥燃烧会产生大量恶臭性刺激气体。为消除此 种气体，一般将温度升至1 0 0 0 9 c 或加设二次燃烧设备。焚烧时间越长，焚烧越彻底， 但会增加能耗。因此一般污泥焚烧时间为