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在2007水業(yè)高級技術(shù)論壇上，清華大學(xué)環(huán)境系教授王偉與參會代表分享了了我國污泥處理處置現(xiàn)狀、污泥處理標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)現(xiàn)狀和瓶頸等問題，并重點介紹了污泥的水熱干化處理技術(shù)。本文根據(jù)錄音整理成文，未經(jīng)本人核實。 各位領(lǐng)導(dǎo)、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(shù)。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(chǎn)生及處理處置現(xiàn)狀 2004年我們國家污泥的產(chǎn)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(jié)的情況。一是處理率低，工藝不完善；二是技術(shù)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(fēng)險比較大�，F(xiàn)在我們國家污水處理廠的出路就是填埋和農(nóng)用。但是現(xiàn)在污水處理廠80%的污泥比較正規(guī)的垃圾填埋廠是拒絕進(jìn)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(huán)境的危險；三是污泥生產(chǎn)的成本高，國外大型的污水處理廠采用消化、機(jī)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(dāng)然我們更寄希望于我們國家有更先進(jìn)和更高的處理技術(shù)。 從現(xiàn)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(zhuǎn)移。我這里面摘出來的是三峽庫區(qū)很多的污水處理廠，由于沒有到污泥后續(xù)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(xiàn)狀的“重水輕泥”的結(jié)果造成了污水處理的效果“事倍功半”。 我這里面有國家環(huán)保總局的統(tǒng)計，就是污泥是污水處理的產(chǎn)物，在污水得到凈化的同時，約一半的污染物轉(zhuǎn)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(jī)膠體物質(zhì)，使機(jī)械脫水很困難。我們普通國內(nèi)采用的機(jī)械脫水的方法，可以使污泥達(dá)到80%左右的含水率。第二個是污泥里面的有機(jī)物主要以固體形式存在，生物降解困難。 實際上，大家都很關(guān)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(xiàn)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(xiàn)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(jīng)限制了填埋處置，但是將會對世界各國產(chǎn)生重要的影響。那么二次處理里面產(chǎn)生的污泥有機(jī)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(chǎn)生惡臭等等的狀況。 污泥處理的標(biāo)準(zhǔn) 這里面介紹到的是我們國家的農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)污泥堆肥，污泥作為農(nóng)用的標(biāo)準(zhǔn)是不是太嚴(yán)格了？這是我個人的觀點，我認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)不是太嚴(yán)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(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)入農(nóng)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(yán)格，但是和它的月平均還有一個累計適應(yīng)量等等的指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)肥料的狀況。在歐盟也是這樣的情況。 污泥處理目的、技術(shù)現(xiàn)狀和技術(shù)瓶頸 污泥處理的目的和我們所有的有機(jī)物都有關(guān)系。一是減少水分，為后續(xù)處理、利用和運(yùn)輸創(chuàng)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(jī)物及其他有毒有害物質(zhì)。第三個就是資源化，改善污泥的成分和性質(zhì)，以利于回收能量和資源。 污泥處理的技術(shù)現(xiàn)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(xiàn)在很多的企業(yè)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(tuán)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(yùn)行成本要比焚燒還要貴，因為它后面是沒有能量的節(jié)約利用，而焚燒再利用的可能性很高。大家仔細(xì)算一下，半干化堆肥的成本更高。 那么污泥處理的技術(shù)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(xì)胞質(zhì)和膠體物質(zhì)，這造成了脫水困難。我們的現(xiàn)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(xiàn)在我們國家采用的是CSTR混合式的傳統(tǒng)的發(fā)酵，一般就是最傳統(tǒng)的發(fā)酵。所以它的效率并不是特別高，另外污泥本身的性質(zhì)就是難降解的，這使得污泥里面大量的物質(zhì)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(yùn)行成本高和效益差的問題，這是我們面臨的現(xiàn)狀，也是各個排水集團(tuán)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�，F(xiàn)在隨著污泥處理的增加和污泥量的增加，越來越認(rèn)識到了處理的重要性，能夠用更高效和更科學(xué)的技術(shù)解決我們國家的污泥處理的問題。 污泥處理的關(guān)鍵 污泥處理的關(guān)鍵是三個方面，第一個就是降低含水率是實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能降耗的基礎(chǔ)，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(xì)胞破碎技術(shù)，是從細(xì)胞上來解決，用超聲等等的技術(shù)來解決這個問題。 第二個是提高消化效率是實現(xiàn)系統(tǒng)能源回收的核心。但是污泥處理現(xiàn)在厭氧消化技術(shù)有很大的發(fā)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(shù)。如果我們把它的脫水性能轉(zhuǎn)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(yōu)化集成。我想污泥處理不是靠一個工藝或者是靠一個技術(shù)，或者是簡單地加料。實際上污泥處理是一個系統(tǒng)，需要系統(tǒng)的優(yōu)化組合，才能提高整個系統(tǒng)的效率。 污泥處理的水熱干化組合技術(shù) 技術(shù)的目標(biāo)是減量化、無害化和資源化。 水熱干化組合技術(shù)就是把污泥在一個濃縮的狀態(tài)，在一個液態(tài)的情況下，通過加熱的方式，使得里面的細(xì)胞質(zhì)或者是膠體物質(zhì)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(jī)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(jìn)行的，這樣的情況下，幾乎所有的細(xì)菌都會被殺滅。污泥經(jīng)過水熱干化以后，100多度的條件下進(jìn)行分解，它的有機(jī)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(tǒng)的CSTR，我的效率可以從40%提高到80%，這樣實現(xiàn)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(jīng)過170度的處理之后，污泥就變成了連續(xù)的流態(tài)的狀態(tài)，這就是它的形狀改變的效果。 脫水就是將沒有經(jīng)過處理的污泥，通過機(jī)械的方法把其中自由水去掉。而污泥里面有很多的毛細(xì)水、間隙水、吸附水、內(nèi)部水靠機(jī)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(jié)構(gòu)，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(shù)在這幾年有了非常大的技術(shù)進(jìn)步，為我們高效處理污泥提供了非常好的基礎(chǔ)。但是這個高效的厭氧技術(shù)不能直接應(yīng)用到這個污泥的領(lǐng)域，一方面是厭氧技術(shù)快速地進(jìn)步，另外一方面我們污泥的厭氧的消化一直沿用傳統(tǒng)的消化技術(shù)。這樣兩者不能適應(yīng)，我們可以通過水熱干化技術(shù)，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(jī)物的轉(zhuǎn)化效率。我把固體大量地存留在反應(yīng)器里面，讓它有更長的時間反應(yīng)，可以有更高的效率。我們做到在20天，污泥的量達(dá)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(jìn)來之后，和反應(yīng)器降熱，然后進(jìn)入二次濃縮池，可以濃縮到10%左右，后續(xù)的水力負(fù)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(chǎn)生的熱量提供污泥直接處理所需要的熱源。我們通過發(fā)熱降低主要系統(tǒng)的能耗，然后通過二次濃縮池，主要是為了降低水力負(fù)荷。那么富余的能量還可以外供。 如果實現(xiàn)了消化，不包括焚燒，大概系統(tǒng)污泥的減量化可以達(dá)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(shù)，是通過機(jī)械濃縮，提高系統(tǒng)整體的處理效率，減小水熱處理反應(yīng)器的容積，經(jīng)過濃縮后污泥含固率達(dá)5%以上。通過水熱反應(yīng)，在一定的溫度和壓力下，污泥中約30%的懸浮固體發(fā)生溶解轉(zhuǎn)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(nèi)可以將污泥濃縮至含固率10%左右，從而大大減輕后續(xù)脫水處理的水力負(fù)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(xiàn)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(tǒng)里面引入了換熱的裝置，就是把冷泥在進(jìn)入反應(yīng)器之前和熱泥進(jìn)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(tài)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(jī)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(fā)掉600公斤的水，才能達(dá)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(tǒng)的蒸發(fā)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(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵，一個是蒸發(fā)潛熱，一個是沒有蒸發(fā)潛熱。
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