（环境科学专业论文）污泥燃烧与污染排放特性研究.pdf

污泥燃烧与污染排放特性研究 s t u d yo nc o m b u s t i o na n dp o l l u t i o n e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs e w a g es l u d g e a b s t r a c t t h eq u a n t i t yo fs e w a g es l u d g ei sb e i n gg e n e r a t e di na l le v e fi n c r e a s i n ga m o u n td u et o d e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，r a p i du r b a n i z a t i o na n dh i g e rr a t eo fs e w a g et r e a t m e n t a st h e o u t p u to fs l u d g ei sq u i t eh u g ea n dt h ec o m p o n e n t si ni ta r ee x t r e m e l yc o m p l i t e d h o wt o t r e a tt h i si s s u eh a sb e c o m eo n eo ft h em o s tu r g e n ts t u d i e sf o re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h e s o u r c e , h a r m , m a i nh a n d l i n gm e t h o d sa n dc u r r e n tt r e a t m e n ts i t u a t i o no fs e w a g es l u d g ea 聆 f i r s t l yi n t r o d u c e d , a n dt h er e s e a r c ha d v a n c eo fs l u d g ei n c i n e r a t i o nt e c h n o l o g yb o t hh o m ea n d a b r o a di ss u m m a r i z e di nt h i sp a p e r t h em a i nt a s k so f t h i sd i s s e r t a t i o na r e 勰f o l l o w s b ym e a n so ft h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s as e r i e so fs l u d g ec o m b u s t i o ne x p e r i m e n t s 姗 p e r f o r m e do nt h eb i gq u a n t i t ym a t e r i a lt h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i se x p e r i m e n t a ld e v i c e t h e e f f e c t so fw a t e rc o n t e n ea n ds a m p l ep a r t i c l ed i a m e t e ro nt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r e a n a l y z e dt h r o u g he x p e r i m e n t b a s e do nt h et h e r m o g r a v i m e t r i cc u r v e so fs l u d g ec o m b u s t i o n d e r i v e df l o r at h ed e v i c e ，t h es l u d g ec o m b u s t i o nk i n e t i cm o d e li sp r o p o s e d a c c o r d i n gt o k i n e t i cp r i n c i p l e , t h em o s to p t i m u mm e c h a n i a mf u a i o nw h i c hi su s e dt od e s c r i b es l u d g e c o m b u s t i o np l o c 锶si so b t a i n e d a n db yu s i n gt h eo b t a i n e do p t i m u mm e c h a n i s mf u n c t i o nt h e k i n e t i cp a r a m e t e r sa r es o l v e d a tt h es a m et i m e ，t h ec o m p a r i s o ne x p e r i m e n t sa r ed o n eo nt h e d i f f e r e n t i a lt h e r m a lb a l a n c e t h et h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i sc u r v e so fs m a l la m o u n ts l u d g e c o m b u s t i o na r eo b t a i n e d c o m p a r i s o na n da n a l y s i so nw e g h f l o s sa v e so b t a i n e df r o mb o t h t y p e so f e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t t h em a i np o l l u t a n t se m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f s u l f u rd i o x i d ea n dn i t r o g e no x i d e sd u r i n g c o m b u s t i o no fs l u d g ew i t hd i f f e r e n tw a t e rc o n t e n ta r es t u d i e d t h er e s u l t ss u g g e s tt h a tt h e s l u d g e 丽mh i g h e rw a t e rc o n t e n ts h o w e sl o w e re m i s s i o no f s u l f u rd i o x i d ea n dn i t r o g e no x i d e s ， e s p e c i a l l yf o rs u l f u rd i o x i d e t h ee m i s s i o no fs u l f u rd i o x i d ed u r i n gw e ts l u d g ec o m b u s t i o ni s o n l y1 6 1 5 o f w h i c hd i s c h a r g e sd u r i n gs l u d g ew i t h5 0 0 , 6w a t e rc o n t e n tc o m b u s t i o n o nt h e b a s i so fa n a l y s i so nh e a v ym e t a lc o n t e n ti ni n c i n e r a t i o nr e s i d u e ，t h es o u t e 七, m i g r a t i o nm e c h a n i s m , d i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n ti n c i n e r a t i o np r o d u c t sa n dv a r i o u sf o r m sa sw e l l a st h ec o m p r e h e n s i v et o x i t yo fh e a v ym e t a l si ni n c i n e r a t i o nr e s i d u ea r ed i s c u s s e di nt h i s d i s s e r t a t i o n ac o l u m no fe x p e r i m e n t sa c o n d u c t e di na 缸e db e di n c i n e r a t o ra t t e m p e r a t u r e so f5 0 0 7 0 0 9 0 0 a n dr e t a i n e dt i m eo f2 0m i n u t e si no r d e rt oi n v e s t i g a t e t h et e m p e r a t u r eo nt h eb e h a “o u ro f h e a v ym e t a l sf r a c t i o n s ( i n c l u d i n gh e a v ym e t a l sf r a c t i o n s 大连理工大学硕士学位论文 d i s t r i b u t i o na n dr e t a i n e dc h a r a c t e r i s t i ci n s l u d g er e s i d u e ) d u r i n g d e w a t e r e d s l u d g e i n c i n e r a t i o n i na d d i t i o nt h eh e a v ym e t a lc o m p r e h e n s i v et o x i c i t yi n d e xu s e df o rq u a n t i t a t i v e a n a l y s i si sp r o p o s e da n da p p l i e dt o a s s e s st h et o x i c i t yo fh e a v ym e t a l si n s l u d g ea n di t s r e s i d u ea f t e ri n c i n e r a t i o n , w h i c hp r o v i d e st h es c i e n t i f i cb a s i sf o re n v i r o n m e n t a ls a f e t y e v a l u a t i o no f s l u d g ed i s p o s a la n dr e s i d u er e s o u r c eu t d i z a t i o n k e yw o r d s ：s e w a g es l u d g e ：c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ：p o l l u t i o ne m i s s i o mh e a v ym e t a l t o x i c i t y ：t h e r m a l a n a l y s i sk i n e t i c s - i i i - 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：童：! ! 鱼i 翌日期：立1 2 ：盟 大连理工大学硕士研究生学位论文 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： 导师签名： 篓 大连理工大学硕士学位论文 引言 城市污水污泥( 以下简称污泥) 是污水处理的终端产物，是一种由有机残片、细菌菌 体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。污泥量通常占污水量的o 3 n o 5 ( 体积，以含水率9 7 计) 或者约为污水处理量的l 2 ( 质量) ；如果属于深度处理， 污泥量会增加0 5 l 倍 i , 2 1 。对城市污水处理率达到l o o 的城市，城市污水厂污泥的产 生量( 含水率9 8 ) 即大大高于城市居民产生的生活垃圾量，即使全部经脱水处理成含水 率为8 0 的泥饼，其量仍可能为生活垃圾量的4 0 6 0 。因此，城市污泥是现代城市 产生的主要废弃物之一 目前，世界范围内的污泥污染问题已日益严重。据美国环保署估算，1 9 9 8 年全美干 污泥产量为6 9 x1 0 6 t ，到2 0 l o 年将达到8 2 xi 0 6 t 。欧洲干污泥产量也很高，1 9 9 0 年为 1 1 0 7 x1 0 6 t ，到1 9 9 9 年增至1 7 4 6 1 0 6 t ，增长5 7 7 ；到2 0 0 5 年，欧洲一些国家的污 泥产量几乎增加3 0 0 。目前，我国已建成并运转的污水处理厂4 2 7 余座，年处理能力 11 3 6 x1 0 8 m 3 。根据有关预测，我国城市污水量在未来2 0 年还会有较大增长，2 0 1 0 年 污水排放量将达到4 4 0 x1 0 8 m 3 d ；2 0 2 0 年污水排放量将达到5 3 6 xl o g m 3 d 。就目前我国 污水处理厂的处理能力来看，我国污水处理量约为3 1 1 2 x1 0 4 m 3 d ，按污泥产量占处理 水量的o 3 o 5 计算，我国城市污泥的产量约为9 3 4 1 5 5 6 1 0 4 m 3 d 。当然目前条 件下，许多污水处理厂运行情况并不十分理想，其实际污水处理量小于设计处理量，产 生的污泥量也小于上述理论值；但总体趋势是，污水处理厂和污水处理率将会大幅增多 与提高，污泥产生量的增长速率也会大大超过发达国家。在产量急剧增加的同时，城市 污泥中也含有种类广泛的污染物，就其环境危害的深度和广度而言，污泥的处理、利用 ( 消纳) 应是城市环境管理的重要对象。 城市污泥因其液一固相混合物的浆态特征而成为一类与液态和固态废弃物均有区 别的废弃物。因此，其管理与处理技术体系均有不同于其他废弃物的特，征【3 1 。我国城市 废弃物环境管理的总体水平仍处于不断发展中，污泥处理与利用技术和管理的发展均相 对滞后。以城市污泥中环境影响最大的污水厂污泥而言，至今也没有一系列全面的技术 标准( 如填埋、焚烧、农田利用等) 问世，此领域相关的管理与技术发展不仅远落后于城 市污水处理，即使与城市生活垃圾管理相比也有很大的差距。随着城镇化的日益加快和 污染控制标准的日趋严格，与污泥产生有关的市政基础建设规模正在不断发展，产生量 的剧增使得污泥管理将面临严峻的挑战，在这样的背景下，应避免城市污泥管理成为城 市环境管理中的新盲点，同时加强污泥处理处置的基础性研究，推动适合我国国情的污 泥处理处置技术与工艺的研发也将会具有更大的经济、环境内涵。 污泥燃烧与污染捧放特性研究 1绪论 1 1课题选题背景和研究意义 随着城市化进程的加快和污水处理率的提高，污泥的产量与日俱增。由于污泥具有 产生量大、不稳定、易腐败、有恶臭、含寄生虫卵、病原微生物及重金属等有毒有害物 质的特点，如不进行妥善、科学地处理处置，将对环境造成严重的二次污染。而我国现 有污水处理设施中有污泥稳定处理设施的还不到1 4 ，现有污泥消化池能够正常运行的为 数也不多，有些根本就没有运行。有些地方的污泥没有得到合理的处理和处置便直接排 放，造成了严重的污染。因此，如何合理处置污水污泥，解决城市污泥的出路己成为非 常紧迫的任务【4 】。污泥的处置途径很多，因国家情况的不同存在很大差异。目前最常用 的污泥处置方法有：海洋倾倒、卫生填埋、堆肥处理、农用绿化及焚烧等热处理方法。 海洋倾倒因其污染海洋，且对海洋生态系统和人类食物链造成威胁已为国际公约所禁止 ( 1 9 9 8 年底实施) ；填埋也存在一些问题，如填埋场选址困难、场地容量有限、有害成分 的渗漏可能会污染地下水、填埋气会污染大气等，欧盟于1 9 9 9 年公布了固体废弃物土地 填埋法令( 于2 0 0 6 年起实施) ，要求所有欧洲国家用于土地填埋的固体废弃物中有机物含 量必须逐年递减，其中污水厂污泥也是该法令规定的固体废弃物种类之- - 1 列。堆肥法处 理污泥需要很大的场地，土壤要被隔开，以防止被有害的污染物污染。而且污泥本身含 有大量的能量，在这种处理方法中会被浪费掉。污泥土地利用在过多地使用后，将导致 土壤中重金属的含量升高以及其他有害污染物质在土壤中的累积。而焚烧可使污泥中的 可燃成分在高温下充分燃烧，最终成为稳定的灰渣。且焚烧后污泥中所含有的重金属在 高温下被氧化成稳定的氧化物，是制造陶粒、瓷砖等产品的优良原材料，若能综合利用 最终可达到污泥的稳定化、无害化和资源化。近年来，焚烧法得到了较大的发展。与其 他方法相比，焚烧法有以下几个突出的优点：( 1 ) 能使有机物全部碳化，杀死一切病原体， 最大限度的减少污泥体积和重量，最终需处理的物质很少，有时焚烧灰可制成有用的产 品；( 2 ) 处理速度快，不需长期储存；( 3 ) 可就地焚烧，不需长距离运输；( 4 ) 可以回收能 量用于发电和供热；( 5 ) 占地面积小，自动化水平高，受外界条件影响小。因此，是一 种非常有前途的处理方法。 到目前为止，国外对污泥焚烧处理的研究较多并已投入工业应用；然而国内在这方 面的研究还比较欠缺，不仅缺乏污泥基本特性方面的完整数据资料，而且缺少对污泥焚 烧处置的实践探索。在燃烧特性和动力学研究方面，还有很多工作需进一步探讨。在工 大连理工大学硕士学位论文 艺和设备的改进方面有待新的突破。 热重分析是用于研究固体化学反应特性的重要方法，广泛应用于固体反应特性的研 究。因此借助热重分析手段了解大物料量污泥燃烧及动力学特性有助于进一步认识污泥 的燃烧过程，为污泥焚烧设备的设计、运行以及工况的组织提供科学的指导和必要的理 论基础。 1 2 污泥的来源及对环境的污染 1 2 1 污泥的来源 污泥是污水处理厂在污水净化过程中产生的一种含水率很高的絮状泥粒，是一种介 于液体和固体之间、呈现浆态特征的浓稠物，可以用泵输送，但它很难通过沉降进行固 液分离。它实际是由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物和无机物组成的集合体 【嗣。除含有病原菌、寄生虫( 卵) 、重金属、难降解有机物等有毒有害物之外，还含有丰 富的n 、p 、k 、c a 、有机质以及植物所必需的微量元素。 本文研究的城市污水处理厂产生的污泥属于有机污泥，其特点是有机物含量高 ( 6 0 8 0 ) ，稳定性差、容易腐败和产生恶臭；颗粒细小( o 0 2 o 2 m m ) ，往往呈絮凝 体状态；密度小( 1 0 0 2 1 0 0 6 9 c m 3 ) ，持水能力强，含水率高，不易下沉，压密脱水困 难；成胶体结构，是一种亲水性的污泥，容易管道运输，流动性好但脱水性差。 1 2 2 污泥对环境的污染 污泥含有大量病原菌、寄生虫( 卵) ，铜、锌、铬、汞等重金属，盐类以及多氯联苯、 二嚼英、放射性核素等难降解的有毒有害物。这些物质对环境和人类以及动物健康有可 能造成较大的危害【l 】。 ( 1 ) 污泥盐分污染。污泥含盐量较高，会明显提高土壤电导率、破坏植物养分平衡、 抑制植物对养分的吸收，甚至对植物根系造成直接的伤害，而且离子间的拮抗作用会加 速有效养分的淋失。 ( 2 ) 病原微生物。污水中的病原体( 病原微生物和寄生虫) 经过处理还会进入污泥。 新鲜污泥中检测得到的病原体多达千种，其中危害较大的是寄生虫。 ( 3 ) 氮磷等养分的污染。在降雨量较大地区的土质疏松土地上大量施用富含n 、p 等的污泥之后，当有机物分解速度大于植物对n 、p 的吸收速度时，n 、p 等养分就有 可能随水流失而进入地表水体造成水体的富营养化；进入地下引起地下水的污染。 “) 有机物高聚物污染。城市污泥中主要的有苯、氯酚，除此之外还有多氯联苯( e c b s ) 和多氯二苯并呋喃( p c d f s ) 和多氯二苯并二嗯英( p c d d s ) 等持久性有机污染物。污水处理 厂污泥中这些有机有害物质主要来源于化学工业，特别是与碳和氯有关的化学工业。虽 一3 一 污泥燃烧与污染捧放特性研究 然目前它们对植物的危害及植物的吸收情况尚不十分清楚，但这些有机有害物质进入动 物和人体后，由于其会在皮下脂肪中积累和持久性，除了对某些器官或者对免疫系统等 造成损害并有可能致癌和致畸外这些有机有害物质对环境也具有高危害性，国外及世 界卫生组织在1 9 8 4 年已将它们列入污水处理厂污泥需监测的物质。 ( 5 ) 重金属污染。在污水处理过程中，7 0 9 0 的重金属元素通过吸附或沉淀而 转移到污泥中。据统计，我国城市污泥重金属污染主要以z i l 和c u 为主，其他重金属含 量较低。重金属污染物质所具有的生物累积和不可降解特性决定了其将长期存在并对环 境构成极大的潜在威胁，并以各种各样的方式危害人体和其他生物体 1 3 污水污泥的处理与处置 当今国内外污泥处理处置所依循的原则均是“减量化、稳定化、无害化和资源化”，处 理要求是最终处置时对环境无害。 1 3 1 污水污泥处理处置方法 目前，污泥处理处置的方法主要有，卫生填埋、农用、焚烧、干化和热处理、污泥 堆肥、海洋倾倒等。 ( 1 ) 卫生填埋 卫生填埋操作相对简单，投资费用较小，处理费用较低，适应性强，但是其侵占土 地严重，如果防渗技术不够将导致潜在的土壤污染和地下水污染。污泥卫生填埋始于2 0 世纪6 0 年代，到目前为止已经发展成为一项比较成熟的污泥处置技术。污泥填埋是污 泥特别是希腊、德国、法国在前几年应用最广的处置工艺。由于渗滤液对地下水的潜在 污染和城市用地的减少等，对处理技术要求越来越高( 例如德国从2 0 0 0 年起，要求填埋 污泥的有机物小于5 ) ，许多国家和地区甚至坚决反对新建填埋场。1 9 9 2 年欧盟大约 4 0 的污泥采用填埋处置，近年来污泥填埋处置所占比例越来越小。 ( 2 ) 污泥农用 污泥农用投资少、能耗低、运行费用低，其中有机部分可转化成土壤改良剂成分， 因此污泥土地利用被认为是最有发展潜力的一种处置方式。这种处置方式是把污泥应用 于农田、菜地、果园、林地、草地、市政绿化、育苗基质及严重扰动的土地修复与重建 等。科学合理地土地利用，可减少污泥带来的负面效应。林地和市政绿化的利用是一条 很有发展前途的利用方式，因为它不易造成食物链的污染。污泥还可以用于严重扰动的 土地，如矿场土地、建筑排废深坑、森林采伐场、垃圾填埋场、地表严重破坏区等需要 复垦的土地。这些污泥利用方式减少了污泥对人类生活的潜在威胁，既处置了污泥又恢 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 复了生态环境。 影响污泥农用的主要因素是重金属污染、病原体、难降解有机物及n 、p 的流失对 地表水和地下水的污染。目前对重金属污染研究较多，主要集中在污泥农用后土壤耕作 层重金属的变红、作物各部位富积量、存在形态及其影响等。大量的研究表明：近十几 年来，城市污泥中重金属含量呈下降趋势，只要严格控制污泥堆肥质量，合理施用，一 般不会造成重金属污染。 ( 3 ) 污泥焚烧 焚烧是利用污泥中有机成分较高、具有一定热值等特点来处置污泥。以焚烧为核心 的处理方法是最彻底的污泥处理方法，它能使有机物全部碳化，杀死病原体，可最大限 度的减少污泥体积，且其处理速度快，无需长期贮存，无恶臭问题：但是其缺点在于处 理设施投资大，处理费用高，焚烧烟气需处理。 为防治污泥焚烧产生的二嗯英等有害气体，要求焚烧温度高于8 5 0 。焚烧后产生 的焚烧灰可以改良土壤、筑路、制砖瓦、陶瓷、混凝土填料等。在国内由于其一次性投 资和处理成本大、焚烧烟气需进一步处理等问题而一直未得到应用。 ( 4 ) 污泥干化和热处理 污泥干化能使污泥显著减容，体积可以减少为原来的1 ，6 1 1 5 ，产品稳定，无恶臭 且无病原生物；干化处理后的污泥产品用途多，可以用作肥料、土壤改良剂、替代能源 等。早在2 0 世纪4 0 年代，日本和欧美就已经用直接加热鼓式干燥器来干燥污泥，经过 几十年的发展，污泥干化技术的优点正逐步显现出来。 污泥低温热处理技术无害化和减量化彻底，其低位已经逐渐增强。研究表明：低温 热解是能量净输出过程，成本低于直接焚烧 ( 5 ) 污泥堆肥 堆肥是利用污泥中的好氧微生物作用进行发酵，将污泥转化为类腐植质的过程。堆 肥化技术是国际上从2 0 世纪6 0 年代迅速发展起来的一项新兴生物处理技术。2 0 世纪 8 0 年代后，日本、韩国以及欧美一些国家相继开发出封闭式发酵系统，以机械方式进料、 通风和排料，虽然设备投资较高，但是由于自动化程度高、周期短、日处理量大、污泥 处理后质量稳定、容易有效利用，而且可以有效控制臭气和其他污染环境的因素，所以 综合效应好。 污泥堆肥的各种工艺各有其优缺点，都在不断地完善和发展。美国2 0 世纪8 0 年代 初开发了比较完善的b e l t s v i l l e 好氧堆肥法。污泥连续发酵工艺是目前国际上较为先进 也是较为普遍使用的处理方法，已在美国、日本、欧洲广泛采用。虽然国外将污泥堆肥 处理后制成复合肥已经相当普遍，但是国内污泥堆肥的商品化生产正在发展中。我国的 污泥燃烧与污染排放特性研究 深圳、太原、石家庄、西安等地已经出现了污泥堆肥产品。 污泥循环利用主要当作肥料用于农业或林业，但是，对食品的清洁生产和人类无污 染食品消费的关注可能会增加对污泥处理问题的争论：一方面，公众将鼓励循环利用计 划；而另一方面，对洁净、健康食品的需求将会增加对污泥利用的限制。 f 6 1 海洋倾倒 海洋倾倒是利用海洋巨大的稀释和容纳能力来处理污泥，但是，随着生态环境意识 的加强，人们越来越多地关注污泥海洋倾倒对海洋生态环境可能存在的影响。美国于 1 9 8 8 年已禁止污泥海洋倾倒，并于1 9 9 1 年全面加以禁止：日本对污泥的海洋投弃做了 严格的规定；我国政府于1 9 9 4 年初接受3 项国际协议，承诺于1 9 9 4 年2 月2 0 日起不 在海上处置工业废物和污水污泥。海洋倾倒在英国尤其流行，因为与其他方法相比，其 费用相当低，但是从1 9 9 8 年低，欧共体城市废水处理法令已经禁止其成员国向海洋倾 倒污泥。 我国污泥处理处置方法以农用、简易填埋为主各种处置方法所占比例【7 】如图1 1 所示。 图1 1 几种污泥处理处置方法在我国所占的比例 f i g 1 1 t h ep r o p o r t i o no f v a r i o u ss l u d g ed i s p o s a lm e t h o d si no u rc o u n w y 1 3 2 我国污水污泥处理处置现状 ( 1 ) 我国污水污泥处理处置存在的问题 污水污泥处理处置是污水处理事业的重要组成部分。其处理处置程度的好坏是评价 污水处理状况的重要标准。在我国，污水污泥处理费用约占污水处理厂总运行费用的2 0 5 0 ，投资占污水处理厂总投资的3 0 4 0 。我国污水污泥的处理处置技术还刚 刚起步，长期以来，我国存在着重废水处理，轻污泥处理的倾向。在我国己建成的污水 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 处理厂中，9 0 以上没有污泥处理的配套设施。在全国现有污水处理工程中有污泥稳定 处理设施的还不到i 4 。在我国目前仅有的十几座消化池中，能够正常运行的为数不多， 有些池子根本就没有运行。某些地方的污水虽然得到了有效治理，污水处理的伴生产物 污泥却没有得到处理和处置。大量未经稳定处理的污泥没有正常出路。 我国城市污水污泥处理处置中存在的问题【l 】包括： 污泥处理率低、工艺不完善。我国存在着重废水处理、轻污泥处理的倾向，很 多城市未把污泥的处理作为污水厂的必要组成部分，往往是污水处理厂建成后，相当长 的时间后才建污泥处理系统，也有许多污水处理厂根本没有建污泥处理系统，造成我国 城市污水污泥处理率很低。我国城市污水厂的污泥处理工艺是很不完善的。污泥经过浓 缩、消化稳定和干化脱水处理的污水厂仅占2 5 6 8 ；我国7 0 以上的污水厂不具有完 整的污泥处理工艺。不具有污泥干化脱水处理的污水厂约占4 8 6 5 。污泥经浓缩、消 化后，尚有9 5 9 7 含水率，体积仍然很大。这样庞大体积的污泥如果不经过干化脱 水处理，将为运输及后续处置带来许多不便。 污泥处理技术设备落后。当前我国有些污水处理厂所采用的污泥处理技术已经 是发达国家所摒弃的技术，其水平还停留在发达国家2 0 世纪7 0 8 0 年代的水平，有的 甚至是国外6 0 年代的水平。而且有些污泥处理技术根本不合乎我国的污水污泥特性， 对所采用的技术缺乏必要的调查研究。污泥处理设备比较落后。国产的设备性能差、效 率低、能耗高。专用设备少，未能形成标准化和系列化，所以目前我国多采用从发达同 家直接进口设备的方式，这相应地提高了污泥处理的费用，也限制了我国污泥处理技术 的提高和发展。 污泥处理管理水平低。很多已建成的污泥处理设施不能正常运行，除技术水平 外，管理水平低也是重要因素。大部分污水厂的管理人员和操作人员的素质较低，缺乏 管理经验，不能有效地组织生产，加上技术人员少，各个专业不配套，所以一旦生产上 出现问题，不知如何处理，有的污水处理厂的污泥处理系统只好长期停止运行。提高污 水厂的管理水平，早日实现科学管理是保证污水厂污泥系统长期运转的关键所在。 污泥处理设计水平低。近年来，我国排水事业有很大发展，积累了较为丰富的 污水处理设计经验，培养了大批设计人才。但在污水污泥处理方面，我国还缺乏实践经 验和设计经验，尤其是污泥处理系统的整体水平还比较低。从已建成的污水处理厂的污 泥处理装置看，运行工况不佳，不能保证长期运行的较多，很多厂的装置建成后，又进 行较大的技术改造，造成人力、物力和财力的极大浪费。很多设计人员不重视污泥的调 查分析研究，设计的污泥处理设施不符合实际，使不少已建成的设备闲置不用，造成浪 费。 污泥燃烧与污染捧放特性研究 污泥处理投资低。国内污泥处理投资只占污水处理厂总投资的2 0 5 0 ，而 发达国家污泥处理投资要占总投资的5 0 7 0 。 污水污泥处置水平落后。我国传统的污水污泥处置方式是将污泥用于农业。但 近年来由于郊县农民更加习惯于施用化学肥料以及受现行施肥方法的限制，导致污水污 泥作为农肥的出路非常不畅。另外，我国农用污泥中有很大一部分是未经任何处理与稳 定而直接运至市郊或邻近省份农村做农肥。我国的污水处理厂中污泥未经任何处理直接 农用的约占6 0 以上，即使在设有消化池的污水处理厂，消化后的污泥也只是稍加脱水 后就直接农用，并未作任何无害化处理，仍不符合污泥农用卫生标准，与国外先进国家 相比尚有较大差距。国外在8 0 年代初，处置前稳定污泥量为9 6 ，比利时、瑞士等也 在8 0 以上；处置前消毒污泥量占2 0 4 0 ，挪威为4 3 ，瑞典为3 8 嘲 ( 2 ) 我国污水污泥处理处置展望及对策 从污泥处理处置趋势分析，今后污泥利用方向将会是土地利用和热能利用。污泥农 用将会向更安全地利用方向发展，因此，需要提供污泥的来源、污染方面的信息；同时 在引进先进污水处理技术、制定更严格的污泥利用标准的前提下改进或创新污泥处理工 艺。由于堆肥工业受到堆肥处理量、处理周期、成本的限制，所以目前欧洲只有l 的 污泥用于堆肥，美国只有4 5 。但是，随着科学技术的进步，堆肥化工艺设计正朝 着工业化、系统化方向发展。随着人们资源循环利用和环保意识的提高，堆肥化和其他 有竞争方法的经济差额逐步减少，今后将会有越来越多的资金注入堆肥化工厂的规划、 设计、建造以及相关机械设备的研制之中，一批按照工程学、生物学原理设计且符合液 体和气体排放管理相关规定的大规模现代化堆肥厂将会大量出现【l 】。 污泥焚烧和能源利用将是污泥处置的发展方向之一。目前，日本焚烧处理已占污泥 处理总量的6 0 以上，欧盟也在1 0 以上。今后污泥焚烧的比例将进一步增加。据预 测，未来1 0 年欧洲采用热处理的污泥量将翻一番。污泥干化设备正向大型化方向发展， 其处理性能将不断完善，处理能耗将进一步降低。污泥低温热解能回收能量，经济性优 于焚烧处理，是大有前途的处理方法，但是需要在热解机理和动力学研究方面做深入研 究，在工艺和设备方面有所突破。 近年来，发达国家已就促进厌氧消化进程技术和污泥减量化技术展开研究，通过各 种预处理( 如热解法、水解酸化法、碱处理等) 来提高污泥的厌氧消化性能；通过臭氧氧 化、超声波技术、解耦联代谢等措施进行污泥减量化处理。从世界范围看，污泥土地填 埋将会受到越来越多、越来越严格的限制，所以污泥填埋的比例将会逐渐减少。根据我 国是一个以农业为主的发展中大国以及目前污泥处理处置工艺中存在的特点，污泥处理 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 应当以堆肥、土地利用和资源化为主，在经济较发达地区可根据实际情况探索其他处理 处置方法( 如焚烧法、热处理法等) 。但是应当注意，在进行污泥土地利用时需要严格管 理，只有符合农用标准的污泥才能用于农作物。在采用堆肥时，需要考虑污泥处理量、 场所和使用场地等，当污泥不能农用时，可以考虑污泥干化和焚烧处理。 总之，污泥处理处置方案的选择应根据“环境卫生安全、资源回收、资源投入产出 比和收益影响比”三个方面进行，同时兼顾环境生态、社会效益和经济效益三者之间的 平衡。不管采用哪一种污泥处理处置方案都需要考虑投资和运行成本和经济承受能力， 要在设备投资、运行费用、地价和人力价格等基础上对处理方法加以综合评估。各地区 在处置污泥时要根据当地地理环境、经济水平、技术措施、交通运输、能源、污泥利用 市场和容量等因素，随着公众认识的提高和兴趣的改变而发生变化。 面对我国污泥产生和处理处置状况，今后需要采取的策略是：首先，污水处理厂应 当重视污泥处理和处置，加强污泥管理力度；其次，国家和行政管理部门应当加速建立 和完善污泥处理处置的相关法规。由于我国存在大量中、小型污水处理厂、污泥产量小、 处理技术低，所以建议由政府部门带头，广开融资渠道，组建一批按市场经济规律运转 和管理的大型城市污泥处理处置中心。 1 4 污泥焚烧技术及国内外研究进展 1 4 1 污泥焚烧技术介绍 污泥焚烧是一种常见的污泥处置方法，它可破坏全部有机质，杀死一切病原体， 并最大限度地减少污泥体积。对于人口稠密的沿海或是大城市，污泥中有毒有害物质含 量较高，土地填埋和农田利用都受到限制，或是因远离处理场运输费用较高，使用焚烧 法进行处理是值得推广的处理方法。且随着经济的发展，我国污泥的组成、产量和热值 等方面变的越来越适于焚烧处理。 污泥焚烧的原理：在一定温度下，气相充分有氧的条件下，使污泥中的有机质发 生燃烧反应，反应结果使有机物转化为c 0 2 、h 2 0 、n 2 等相应的气相物质，反应过程释 放的热量则维持反应的温度条件，使处理过程能持续的进行。焚烧处理的产物是灰渣和 烟气。 污泥焚烧处理的工艺目标由三个方面组成：热量自持；可燃物的充分分解；衍生产 物( 炉渣、飞灰、尾气) 对环境无害。热量自持，即焚烧过程无需辅助燃料的加入；可燃 物充分分解的目标与污泥焚烧衍生物的环境安全性有较大的关系，可燃物分解达到一定 的水平，可使大部分耐热降解的有机物基本分解，同时控制了二嗯英类物质再合成的物 质条件( 气相未分解有机物) ，是主动改进污泥烟气排放条件的主要方向；同时可燃物充 一9 一 污泥燃烧与污染排放特性研究 分分解意味着污泥的热值得到充分利用，对污泥自持燃烧目标的达成亦有帮助。 1 4 2 国内外研究进展 污泥焚烧始于1 9 3 4 年美国密歇根州安装的第一台多膛炉，而至2 0 世纪8 0 年代逐 渐由流化床焚烧炉代替。1 9 6 2 年德国率先建议并开始运行了欧洲第一座污泥焚烧厂。 1 9 8 4 年，新加坡南洋技术研究院的j a m i s 和v i c k r d g e 发现，取自新加坡各个污水厂的 污泥，在5 5 0 燃烧时是自燃的。而安大略湖现场污泥焚烧炉的成功生产，则进一步证 明经合适预处理的污泥，在焚烧过程中完全达到了热量自持。近年来，焚烧的污泥量大 幅度增加。在国外，特别是西欧和日本己得到广泛的应用，在日本，污泥焚烧处理已经 占污泥处理总量的6 0 以上，欧盟也在l o 以上。 国内外的学者在该领域也开展了许多的研究工作： y a n gy a o b i n 等人【8 】研究了给料量变化对污水污泥在大尺寸沸腾流化床焚烧的动态 行为的影响，发现1 个直径9 0 m m 的污泥团，在沸腾流化床中水分蒸发完全需要3 3 m i n ， 挥发分析出需要4 3 m i n ，而固定碳燃烧完全则要1 h 以上。 v 髓i l i n d 和a a m s e y 【卅测定了相同大小的污水污泥颗粒加热过程中的高位热值变化， 发现在加热到1 5 0 以前的污泥剩余物的热值几乎不变，当温度超过1 5 0 后剩余物的 热值下降得很快，到4 0 0 后剩余物己经没有任何热值了。 b o r o d u l y a 1 0 】等人将粒径范围在5 2 0 m m 的湿污泥投入到炉温为8 0 0 的流化床中， 发现火焰短而明亮且不连续。当污泥直径小于1 0 m m 时，没有观察到火焰。与之形成对 照的是，当投入的是预先十燥的污泥时，火焰长而且带黑烟。 日本的k a s a k u r a 等人【1 1 l 进行了循环流化床焚烧污水污泥的研究，主要研究了经干 燥脱水预处理的污泥在循环流化床中的燃烧特性和流化特性。结论是：污水污泥在一个 高8 m 、内径8 0 m m 的实验室流化床内可以完全燃烧；从炉内温度分布得出粉末状污泥 在整个上升管中均有燃烧，炉内动力分布较好。 蒋旭光等【1 2 】对高水分污泥流化床焚烧的试验、理论及应用进行了研究。分析了湿污 泥在焚烧中水分蒸发、挥发分析出、焚烧的过程和内在规律，并编制了不同水分对各种 污泥可用能和辅助能的计算程序，建立了针对高水分的多孔介质造纸污泥的水分蒸发和 挥发分析出的模型。 德国的h a r t m u th p r o b s t 和p e t e rw e h l a n d 在1 0 8 m w 的浅床流化床电站锅炉上做 了污水污泥与煤的混烧试验，其中污泥提供2 5 的投入热量，污染物排放达到德国标准， 但遇到的问题是燃烧飞灰在流化床上部及热烟道出现粘结和结焦。通过将污泥和煤混合 后造粒，改变燃料颗粒尺寸分布，延长颗粒在床内的停留时间，可以避免因为极细颗粒 大连理工大学硕士学位论文 被夹带至下部燃烧引起高温而导致的飞灰结焦，之所以使用浅床就是因为悬浮段会加剧 飞灰的粘结。另外，热烟道的曲线设计也会加剧粘纠1 3 】。 v a nd ev e l d e n 等人【1 4 1 研究了污泥流化床焚烧重金属的分布。认为除h g 外，其他 重金属几乎全部集中在由静电除尘器收集的飞灰中。 g e r s t l e 和a l b r i n c k ”】指出，砷、钙、汞、锌和铅在烟气中的含量随着燃烧温度的升 高而升高，而且金属挥发后，在凝结时易形成亚微米颗粒，通常的烟气净化设备难以捕 获。 d e w l i n g 等人i i6 】对污水污泥焚烧时重金属的迁移进行了研究。发现只有h g 主要分 布在烟气中，z n 、c u 、n i 、c a b 0 留在灰中，2 0 留在烟气清洗器中，p b 和c r 则绝大 部分留在灰中( 分别为9 0 0 , 6 和9 5 ) 。 s a n g e r m 和w e r t h e r j 【i - q 研究了半干污泥流化床焚烧炉燃烧烟气中n o 。和n 2 0 的排 放，得出的结论是其排放浓度高于湿污泥而低于干燥污泥，与湿污泥类似，半干污泥燃 烧n o x 的排放随0 2 的增加而减少。 李斌等人【1 8 】在小型流化床上进行了污泥焚烧试验。考察了污泥水分、运行床温及过 量空气系数对n o ，和s 0 2 的排放浓度与燃料n 、s 转化率的影响。结论是：流化床焚烧 污泥时，燃料n 的转化率与污泥本身性质关系极大；流化床焚烧污泥的n o i 排放量随 水分增加而减少；随床温和过量空气系数升高而增大；设计污泥焚烧炉时，床温应控制 在8 0 0 8 5 0 c 之间，并实施分段燃烧：流化床焚烧污泥的s c h 排放浓度随水分增大而较 快减小，污泥硫含量较高时，s 0 2 捧放浓度高；床温控制在8 0 0 8 5 0 ，以便加脱硫剂 来降低s 0 2 排放量。 李爱民等人【1 9 】研究了污水污泥在直径3 8 m m 、高5 0 0 m m 的小型流化床热态试验台 上的试验，讨论了水份、粒度、床温、停留时间等对污泥燃烬过程的影响。 c a l v of 掣驯研究了污泥在氦气和氧气两种不同气氛下热过程不同阶段的动力学参 数。发现氧气浓度的增大对于动力学参数没有显著影响。 国内对污泥燃烧特性及动力学特性的研究【2 1 - 2 4 1 基本都是在热分析上以极微少的物 料进行的。 从上述国内外研究进展可以看出，国外在污泥焚烧方面已做了比较深入的研究，而 国内在这方面的研究起步较晚，主要是借助流化床焚烧炉研究了其燃烧特性和污染捧放 特性，对于污泥燃烧机理和动力学的基础性研究资料较少，且基本都是利用热分析进行 的研究。然而普通的热分析仪试验物料少，物料的温度场均匀，