污泥热解技术探讨
2019-12-02程锴
摘要：在当前严格的环保要求以及可持续发展的需要背景下，一种当代城市固体废弃物新型处理技术──热解气化技术应运而生。这是一条提高能源回收利用且更有利于环境的固体废弃物处理新途径。
关键词：污泥处理;污泥热解气化;热能自持平衡
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00
城市污水厂污泥产生量与日俱增，填埋或堆肥处理方法的空间越来越小，传统的直接焚烧处理方法难以适应严格的环保要求以及可持续发展的需要。政府和民众迫切需要更适用于当代城市固体废弃物的处理新途径，以提高能源回收利用。热解气化技术以“减量化、无害化、资源化”为原则，兼顾能源环境和资源循环，对污泥处理处置，真正实现无污染的循环经济体系。该技术利用先进的污泥热解气化处理技术对现有污水处理厂的污泥进行处理，并制备合成气用于发电上网，减少目前污泥处理造成的环境污染，减少温室气体排放。处理后形成残渣很少，可直接填埋。该技术注意开发生物质能源，实现资源有效利用，达到可持续发展目的。
1 国内外污泥处理现状
污泥的处置与利用是环境工程技术领域的重要课题。近年来国内外污泥处理处置技术状况如下：
1.1 海洋倾倒
此法操作简单，其处理费用对沿海城市而言较低。随着政府和民众环保意识的加强，污泥对海洋生态环境的影响愈受关注。目前各国已颁发有关法律，禁止向海洋倾倒污泥。
1.2 卫生填埋
污泥可单独或与其他固体废弃物填埋，此法操作简单、费用低、适应性强，但存在以下问题：
（1）污泥含大量高浓度有机污水，必须收集处理防止二次污染;（2）填埋机械工作强度和难度较大;（3）填埋场卫生状况恶劣[1]。
据报道，美国主要的污泥处置方式是循环利用，填埋比例下降;我国主要的污泥处置方式是堆放或填埋，一些大中城市现阶段已禁止污泥进入。
1.3 污泥焚烧
污泥有机成分较高，具有一定热值。此法技术要求简单，能彻底处理污泥中有机物和大部分重金属，减量率达95%，但存在以下问题：（1）投资和操作费用高;（2）对环境影响大;（3）未充分利用污泥有用成分[2]。此法在西歐和日本已得到广泛应用。
1.4 污泥干化和热处理
此法采用热解气化处理技术，利用热和压力破坏污泥胶凝结构，使污泥显著减容，同时消毒灭菌，产品稳定、无臭、无病原生物，具有效率高、能耗低、操作便利、占地少、自动化程度高等优点。干化污泥可用作肥料、土壤改良剂、替代能源等[3]。随着技术进步和实践改良，此法已成为经济发达国家污泥处理的重点发展方向。近年，污泥热解气化工艺在污泥处置方面的应用研究受到国内各方重视，在部分城市进行生产试点。
1.5 污泥堆肥
此法将污泥与添加剂按比例混合，利用污泥中好氧微生物发酵过程，将有机物转化为腐殖质。此法设备投资较高，自动化程度高，日处理量大，产品质量稳定，能有效控制环境污染，具较高综合效益[4]。日、韩及欧美均已研究开发出封闭仓式发酵系统进行污泥堆肥。
2 污泥热解发电的技术
2.1 污泥热解技术原理
根据所用工艺，热解可分为干馏、焦化、气化及热分解;根据设备工作温度，可分为低温热解（500℃以内）、中温热解（500℃～800℃）和高温热解（800℃以上）。热解就是隔绝空气，在一定温度环境里使有机物受热分解，形成热解气、热解液以及固体残留物。热解温度是热解工艺主要影响因素[5]。现有污泥热解设备大多在低、中温范围内运行。该技术工艺简单，运行灵活，经济性好，热解气可工艺自用或者并入城市管网。
2.2 污泥热解工艺流程及特点
与直接焚烧法不同的是，热解气化处理工艺的基本原理是采用在无氧或缺氧条件下使固体废弃物得到完全处理并充分回收能源。工艺包括以下步骤：干燥、热解、气化和燃烧，如图1所示。
污泥热解气化焚烧工艺的特点是二段式燃烧。该工艺通过控制热分解室和气化室的供风量和温度来实现热解气化和完全燃烧。热分解室温度控制在600-800℃，在缺氧条件下依靠燃烧热使部分污泥分解成为可燃气体;气化室温度控制在1000℃左右，可燃气体充分燃烧，有毒有害物完全分解。烟气经余热锅炉产生高温蒸汽发电[6]。
该技术具备减量化、无害化、资源化特点：（1）热分解在缺氧条件下进行，热分解室保持负压，使垃圾能充分热解，NOx、HCl等有害产物少，废气量小，大气污染程度低。（2）炉渣量低，减少后续填埋处理压力与成本，防止二次污染。（3）热分解室工艺温度相对较低，可提高装置使用寿命。（4）不需辅助燃料，能耗降低。（5）大部分有害物质得到系统处理，排放气体完全达到排放要求。（6）热解气化产生的气体燃料可进行能源回收。
2.3 技术关注点
2.3.1 污泥来源与成分
污泥是城市污水处理过程的副产品，包括初沉池的物化污泥和大量来自二沉池生物处理后的生化污泥。这些微生物及菌胶团处于高度活性状态，常随环境变化发生快速变异，表现出高致病性、重金属含量高等特征，引发了民众对污泥处置二次污染的担忧和关注。
2.3.2 热解与其余热处理技术对比
随着近年来对污泥微观研究深入与工艺改良，污泥热处理技术得到较广泛的应用。污泥干化-焚烧、烟气余热干化、喷雾干燥-回转式焚烧、一体化干化循环流化床焚烧等污泥热处理技术百花齐放，但二噁英、干化粘结、尾气治理、热处理高能耗等问题都愈加突出。
二噁英生成：污泥中的含氯有机物在一定范围的温度和金属催化剂作用下生成二噁英，其危害性远高于污泥本身及已知的其它物质。这是污泥热处理技术中直接面对的首要问题。
高温焚烧在氧化下进行，采用提高炉温来避免二噁英的产生，但无法彻底消除。污泥热解过程在无氧条件下进行，能抑制二噁英的产生;经净化处理后热解气不含金属催化剂。故热解气的燃烧过程是洁净的。据报道，热解过程能有效防止二噁英产生，还可处理被二噁英污染的土壤或物质。
干化粘结和尾气处理：污泥热处理技术前段一般是污泥干化过程。在干化过程中，由于污泥的化学、生物、物理特征，无法避免干化粘结问题，产生大量臭气逸出。因此，污泥热处理技术中防干化粘结和尾气除臭措施的实效能充分展示工程项目的技术水平。
污泥干燥过程中含水率40%-60%间存在胶粘相阶段，此时进行干燥和灭菌显得困难且能耗比常态高。若进料前先将干泥颗粒返回与湿污泥混合，使混合物含水率降到30%-40%，减轻污泥干化前粘结，干燥只需蒸发颗粒表层水分，容易进行且降低能耗。
国外的污泥热处理技术要求严格，必须保证环境安全且不产生二次污染，故国外很重视尾气处理。现通用转鼓式直接加热工艺循环回用气体。该工艺流程中，热风经除尘、冷凝、水洗后85%返回转鼓，15%经热氧化除臭后排放，降低尾气处理负荷，极大提高系统安全性能。其后气体经冷凝、水洗后送回燃烧炉，将臭气彻底分解，尾气能满足排放标准。干燥设备内部采用适当负压，避免臭气外泄。
机械改进和工艺完善：在近年污泥热处理工艺应用中逐渐形成行业共识：解决污泥问题必须从污泥处理的工艺完整性进行考量。
污泥热处理工艺能量是否自平衡的关键环节是机械脱水。当污泥含水率达到80%时，很难达到热平衡。故降低含水率非常重要。
（1） 首要途径是提高机械脱水效率。近年来，研究学者和专业技术人员提出从水力同向、薄层脱水、延长路径、适当施压等方面着手对新型污泥脱水机械作出改进。
（2）次要途经是调整脱水工艺链。实践证明，在热环境下微生物活性降低，污泥中的水分更易被机械脱除。在热处理能量自平衡的前提下，可设计热能回流优化脱水环境，当热产出大于热投入时即形成工艺良性循环。
3 污泥热解技术展望
通过优化设计，能实现完全解决二噁英生成、污泥干化粘结和尾气处理且能量平衡的完善污泥热解技术工艺。该工艺具减量化、资源化、无害化特点，与其它热处理技术相比更具先进性。
工程投资方面，污泥处理工程投资约为25-30万元/吨。如广东省在2011-2014年间污泥工程建设规模为9000吨/日，污泥工程投资额超过23万元/吨。由此可知，污泥热处理工艺的经济指标具有可行性，如表1所示。
规模效应方面，低温热解工艺采用组合式装备，其规模适应性强，适合我国县级地区污泥的处理。
综上所述，污泥热处理技术在国内前景良好。根据调查研究，在此提出对污泥热解技术的改进。
3.1 将脱水工艺划归污泥工艺段管理
污水处理厂常把污泥脱水列在污水工段。由于现代污水处理流程的连续性和现有机械脱水设备的缺陷，加上人为分割管理，末端污泥脱水处理不受重视，对工艺完整性产生负面效应。
采用污泥热处理技术，在能量自持平衡前提下形成工艺良性循环，是保证该工艺完整性的重要思路。管理层面必须作出调整，将脱水工艺从污水工段末端调整到污泥工段始端。
3.2 培养和充实专业技术力量
从业人员专业知识欠缺、对技术发展认识不足的现象广泛存在于污水、污泥处理项目运行管理层及相关工程建设、设计、建造管理层面。有关企业必须紧跟技术发展形势，培养和充实专业技术力量。
參考文献：
[1]宋志辉.对污泥处理与处置现状与对策的思考[J].科技情报开发与经济，2005（23）：84-85.
[2]李军，王忠民，张宁，杨晓冬，宋玮华，陈刚.污泥焚烧工艺技术研究[J].环境工程，2005（06）：48-52.
[3]李海英.生物污泥热解资源化技术研究[D].天津大学，2006.
[4]徐丽莉，孙善利，任永忠.国内外污泥处理现状及工艺[J].商场现代化，2007（20）：381.
[5]杨顺生，埃·普鲁克纳，彼得·卡普耐克.污泥低温热解技术在德国的应用实践[J].四川环境，2010，29（3）：62-65.
[6]蔡炳良，辛玲玲.污泥热解技术特性分析[J].中国环保产业，2011（08）：51-54.
收稿日期：2019-06-16
作者简介：程锴（1986—），男，广东广州人，本科，讲师，研究方向：精细化工、环境工程技术。
