城市污水处理厂污泥热值及影响因素分析.doc

摘要以重庆市主城区城市污水处理厂污泥为研究对象,测定了污泥的热值并分析了影响污泥热值的主要因素,探讨了水分对热值利用的影响。结果表明:元素分析法和量热仪法测定的污泥热值较吻合;污水水质、排水体制、污水及污泥处理工艺通过影响污泥挥发分的含量而影响污泥热值, 建议消化污泥和合流制区域污水处理厂污泥不宜采用焚烧处理。污水处理厂污泥具有自持燃烧特性时的最高含水率为68 %;通过元素分析发现,不同污水处理厂污泥挥发分元素的计量组成基本一致,可用计量化学式CH1. 72 O0. 55 N0. 12 S0. 03 粗略地表示重庆市主城区污水处理厂污泥挥发分的组成。关键词污水处理厂污泥热值焚烧挥发分污泥处置 On sl udge heat val ue examinat ion and it s inf l uencing f actor s of munici pal wastewater tr eat ment plant s Chen Meng 1 ,2 , Han Dawei 1 , Ji Fangying 1 , Han Wanyu 1 ( 1. Key L aboratory of Three Gorges Reservoi r Regi ons Eco2envi ronment , Mi nistry of Educati on, Chongqi ng Uni versi ty , Chongqi ng 400045 , Chi na; 2. Chongqi ng Munici pal Admi nistrati on Commi ttee, Chongqi ng 401121 , Chi na) Abstract : The sludge heat value of municipal wastewater treatment plant s in central district of Chongqing was investigated. Combining t he volatile content , ash and element of sludge , factors t hat affected sludge heat value was investigated , and t hen the influence of moist ure on sludge heat value utili2 zation was also discussed. The experiment showed t hat t he result s of element analysi s and calorimeter are accordant . The sl udge volatile content examination was infl uenced by t he wastewater qualit y , drainage system , wastewater t reating process and sl udge feat ure , and t hen effected t he sl udge heat val ue. It was suggested t hat t he sludge coming f rom wastewater t reat ment plant s of combined drainage system and digested sl udge were not fit for combustion. St udy result s f urt her indicated t hat when t he sewage sl udge could be incinerated by it self , t he moi st ure should not be higher t han 68 %. From t he analyses of sl udge element , we find t hat alt hough t he sl udge volatile content of each plant are different , but t he stoichiomet ric form of element i s basically consi stent , we can roughly denote t he stoichiomet ric formula of sewage sludge volatile content CH1. 72 O0. 55 N0. 12 S0. 03 . Keywor ds: WWTPs ; Sewage sludge ; Heat value ; Combustion ;Volatile content ; Sludge disposal 0 概况随着三峡库区及其上游水污染防治规划的实重庆市2005 年重点科技攻关项目( CSTC ,2005AB7030) ; 重庆市市政管理委员会资助课题。施,目前重庆市辖区内已建成并运行的城市污水处理厂有 30 多座, 伴生的污水处理厂污泥已高达 1 185 t/ d 1 ,污泥的妥善处理与处置已成为污水处理厂乃至城市发展面临的一个棘手问题 1 ,2 。目前,国内外常见的污泥处置方法有填埋、土地 38 给水排水Vol134 No14 2008 利用、焚烧及综合利用等 36 。和其他各种方法相比,焚烧法具有占地面积小、处理速度快、减量化程度高及可以回收能量等突出优点 3 ,7 ,8 。但是,在实际工程中发现污泥的来源不同,含水率不同,污泥的可利用热值差异较大 ,一定程度上影响了污泥的焚烧效能。本文借鉴不同领域常用的热值分析方法, 分别测定了重庆市主城区代表性污水处理厂污泥的热值,通过对比分析,提出了较适宜污水处理厂污泥热值测定方法;进一步分析了污水水质、排水体制、污水及污泥处理工艺对污泥热值的影响,以及水分对污泥潜热利用的影响。 1 试验方法、仪器和试验污泥 1. 1 试验方法及仪器按照工业固体废物采样制样技术规范( HJ / T 20 1998) 的要求采集和制备污泥样品; 参照煤的工业分析方法( GB/ T 212 2001) 测定污泥的水分、灰分、挥发分和固定碳含量; 用 vario EL 元素仪(德国) 测定污泥的元素组成;用 I KA C5000 控制型量热仪(德国) 测定污泥的热值。 1. 2 试验污泥来源目前,三峡库区重庆范围内运行的污水处理厂大约有30 座,污水处理工艺主要为普通活性污泥法、氧化沟、A 2 / O 等;污泥处理工艺多为浓缩脱水一体化技术,少数污水处理厂有污泥消化。在兼顾污水处理厂运行稳定性、污泥样品的运输和保存、以及污泥样品代表性的情况下,选择了5 个污水处理厂污泥作为研究对象,这5 个污水处理厂的受纳污水排水体制、进水水质、污水和污泥处理工艺等情况详见表1。表1 试验污水处理厂基本情况污水处理厂名称排水体制进水水质/ mg/ L CODCr SS 污水处理工艺污泥处理工艺污泥性质唐家桥 分流制 335 200 普通活性污泥法浓缩- 消化- 脱水消化污泥城南 分流制 474 170 生物滤池- 曝气浓缩- 脱水- 自然干化混合污泥北碚 分流制 266 135 厌氧- Corrousel 氧化沟浓缩脱水一体化混合污泥唐家沱 合流制 255 175 A 2 / O 浓缩- 脱水混合污泥巴南 合流制 300 180 Orbal 氧化沟浓缩脱水一体化混合污泥 2 污泥热值测定结果及分析 2. 1 量热仪测定结果将105 烘干的污泥样品粉碎成粒径为2 mm 左右碎粒,称取0. 6 g 左右,利用I KA C5000 控制型量热仪直接测定污泥的高位发热量(每个样品测 3 次,取平均值) ,然后根据污泥的挥发分含量,计算污泥无灰基高位发热量,结果见表2。表2 量热仪测定热值及无灰基热值污泥试样高位热值 / kJ / kgDS 挥发分/ % 无灰基高位热值 / kJ/ kgDS 唐家桥消化污泥 6 865 30. 62 22 421 城南混合污泥 15 656 53. 58 29 219 北碚混合污泥 15 485 67. 52 22 933 唐家沱混合污泥 11 937 49. 55 24 089 巴南混合污泥 7 150 35. 41 20 193 从表2 可以看出,挥发分含量对污泥高位热值的影响更加明显,经过厌氧消化处理的污泥具有相对较低的热值。 2. 2 工业分析法测定结果工业分析法是以污泥中挥发分的含量来计算热值的,计算公式见式(1) 。 Q= 2. 3 a 100 PV 100 - G - b 100 - G 100 (1) 式中 Q 干污泥的燃烧热值,kJ / kg ; PV 挥发分的含量, %; G 机械脱水时添加无机混凝剂的量, g/ 100 gDS ,投加有机混凝剂或未投时 G= 0 ; a、b 经验系数;新鲜初沉污泥与消化污泥 a= 131 ,b=10 ;新鲜活性污泥 a=107 ,b=5。参照煤的工业分析方法( GB/ T 212 2001) , 测定了污泥挥发分含量以及污泥灰分、固定碳的含量。其中,固定碳的含量决定了物料完全燃烧的温度以及灰烬的含量,是燃烧过程值得关注的一个重要参数 9 。工业分析结果及工业分析法热值计算结果见表3。从表3 可以看出,污水处理厂污泥的固定碳含量极低,可以认为污水处理厂污泥的固定碳含量对燃烧过程以及灰烬的影响可以忽略不计; 污泥的消化处理不仅削减了污泥中有机质的含量,同时也消耗了污泥的潜在热值。给水排水Vol134 No14 2008 39 表3 污泥的工业分析结果和工业分析法热值污泥试样污泥工业分析/ % 挥发分 灰分 固定碳热值 / kJ / kgDS 唐家桥消化污泥 30. 62 67. 57 1. 81 6 212 城南混合污泥 53. 58 45. 72 0. 70 11 956 北碚混合污泥 67. 52 31. 64 0. 84 15 386 唐家沱混合污泥 49. 55 49. 62 0. 83 10 964 巴南混合污泥 35. 41 62. 19 2. 40 7 484 值得关注的是,没有经过消化处理的巴南污水处理厂混合污泥同时也具有较低的热值。究其原因可能是由于该污水处理厂服务范围地处城乡交界地带,地面的铺装率低,同时合流制的排水体制增加了污水中泥沙等无机物含量,致使单位污泥具有较低的热值。 2. 3 元素分析法测定结果元素分析法是依据物料中C、H、O、S 这4 种元素的含量来计算热值的。计算公式见式(2) 。QH = 4. 187 81C + 342. 5 H - O 8 + 22. 5S (2) 式中QH 污泥的高位热值,kJ / kg ; C、H、O、S C、H、O、S 这4 种元素的干燥基的质量分数。试验污泥的元素组成测定结果及元素分析法热值计算结果见表4。表4 污泥的元素组成及元素分析法热值污泥试样污泥元素组成分析/ % C H O N S 总和热值 / kJ/ kg DS 唐家桥消化污泥16. 23 2. 23 13. 57 2. 26 1. 67 35. 96 6 484 城南混合污泥 33. 30 5. 17 16. 89 3. 19 2. 09 60. 64 15 981 北碚混合污泥 34. 70 4. 98 22. 13 6. 17 1. 81 69. 79 15 524 唐家沱混合污泥26. 72 3. 96 20. 00 3. 84 1. 96 56. 48 11 517 巴南混合污泥 18. 32 2. 46 17. 45 2. 93 1. 60 36. 68 7 429 从表4 可以直观地看出,由于城南和北碚污水处理厂污泥具有较高的碳氢元素含量,所以具有比其他污水处理厂污泥更高的热值。 2. 4 污泥热值及影响因素分析 2. 4. 1 干污泥热值及影响因素分析 (1) 元素分析法与量热仪直接测定法得出的热值比较吻合,而工业分析法计算热值有时误差较大 。导致工业分析法误差较大的原因可能和计算公式中经验系数的取值有关。 (2) 污水处理厂的进水水质、受纳污水的排水体制、以及污水和污泥的处理工艺通过影响污泥挥发分的含量而影响污泥热值,经过消化处理的污水处理厂污泥、合流制排水系统的污水处理厂污泥,由于单位污泥中挥发分含量较低,而具有较低的单位污泥热值。 (3) 虽然不同污水处理厂污泥的挥发分、灰分、甚至元素含量差异较大 ,但是污泥中 C、H、O、N、S 五种元素含量之和与污泥挥发分和固定碳含量之和却基本一致;进一步分析发现,这些元素在污泥挥发分中的相对含量以及元素物质的量之比都相对稳定,分别见图1 和表5。这一特性说明污水水质、排水体制、污水及污泥处理工艺对构成污水处理厂污泥挥发组分的相对含量及元素组成的影响较小。基于污泥挥发分元素物质的量之比相对稳定的特性, 建议污泥挥发分的计量化学式用 CH1. 72 O0. 55 N0. 12 S0. 03 进行表征。图1 干污泥挥发组分中碳、氢元素的相对含量表5 污水处理厂污泥的计量化学组成物质的量之比污泥试样 C H O N S 唐家桥消化污泥 1100 1. 65 0. 63 0. 12 0. 039 城南混合污泥 1100 1. 86 0. 38 0. 08 0. 024 北碚混合污泥 1100 1. 72 0. 48 0. 15 0. 020 唐家沱混合污泥 1100 1. 78 0. 56 0. 12 0. 028 巴南混合污泥 1100 1. 61 0. 71 0. 14 0. 033 平均值 1. 00 1. 72 0. 55 0. 12 0. 030 2. 4. 2 水分对热值利用的影响上述试验结果均为干污泥热值,而实际的污水处理厂污泥始终含有一定的水分,这些水分在污泥焚烧过程中将转变为蒸汽,并以气化潜热的形式带走部分能量,也就是说有部分热量无法利用。图 2 反映了试验污水处理厂污泥的含水率。从图2 可以 40 给水排水Vol134 No14 2008 看出, 试验污水处理厂污泥的含水率为 70 % 87 %。其中,经过厌氧消化处理的唐家桥污水处理厂污泥含水率最低,约 70 %。结合表 1 发现,污泥浓缩脱水一体化技术的脱水效果差异较大 ,污泥的自然干化对降低污泥含水率有益。图2 污水处理厂污泥含水率显然,这些水分的存在将严重影响污泥的焚烧。根据1 个标准大气压下水的气化潜热(2 512 kJ / kg) 可以确定污泥水分蒸发带走的能量,见图3。从图3 可以看出,对于干基低位热值( QL ) 为 10 000 kJ / kg 的污泥,水分达到 79. 9 %时,其热值将全部用于污泥含水的蒸发, 即能量 100 %损失。大量研究表明 9 ,10 ,污泥自持燃烧的低位热值约 3 500 kJ / kg , 对照图3 可知,重庆市主城区污水处理厂污泥(无灰基高位热值以23 000 kJ / kg 计) 可自持燃烧的最高限含水率为68 %。显然,这一要求已超出了污泥机械脱水设备的脱水能力。因此,污水处理厂的脱水污泥不宜直接进行焚烧,而需要干化预处理,如采用预干化焚烧工艺降低含水率,或利用焚烧烟气热量对污泥进行干化预处理 10 。图3 能量损失与含水率关系 3 结论与建议 (1) 元素分析法和量热仪直接测定得出的污泥热值较吻合,建议污泥的热值用量热仪测定,没有量热仪时,采用元素分析法。 (2) 污水水质、排水体制、污水及污泥处理工艺通过影响污泥挥发分的含量而影响污泥热值,消化污泥以及合流制区域的污水处理厂污泥,具有较低的热值,不宜采用焚烧处理。 (3) 不同污水处理厂污泥的挥发分含量差异较大 ,但挥发分的元素计量组成却相对稳定,可用计量化学式CH1. 72 O0. 55 N0. 12 S0. 03 粗略地表示重庆市主城区城市污水处理厂污泥挥发分的组成。 (4) 含水率是污水处理厂污泥焚烧的重要影响因素, 建议通过预处理, 使污泥的含水率降至 50 %60 %,以提高污泥的热值利用效率。参考文献 1 重庆市市政管理委员会. 重庆市污泥专项规划,2006 2 杭世珺,陈吉宁,郑兴灿,等. 污泥处理处置的认识误区与控制政策. 见:张辰主编. 污泥处理处置技术研究进展. 北京:化学工业出版社,2005. 59 3 Wert hera J , Ogada T. Sewage sludge combustion. Progress in Energy and Combustion Science , 1999 , 25 : 55116 4 王璠,霍跃文,杨明