城镇污水处理厂污泥处理处置新技术介绍

■文 / 李建军 马嘉乐 董芳

随着污泥问题的凸显和国家对环境保护日渐重视，中国污水处理力度逐渐加大，随之产生污泥处理和处置的新技术，如热水解技术、碳化技术、超声破解技术、气化技术、超临界水氧化技术、水热干化技术等，为城镇污水处理厂污泥处理提供了新的思路和方法。

一、污泥热水解技术

污泥热水解技术最初用于改善污泥的脱水性能从而实现污泥的末端减量，随后末端减量化与资源化并重，获取反硝化碳源的处理方式也是在资源化利用水解液的同时实现末端污泥的减量化。基于微生物隐性生长的污泥减量技术是污泥的首端控制减量技术，符合时代发展的要求。传统的污水处理厂将污泥作为二次污染物单独处理，在一定程度上造成重视污水处理而忽视污泥处理的局面，而基于微生物隐性生长的污泥减量技术则将污水和污泥作为一个整体对象来看待，对污染物进行统一处理，因此能实现彻底的污染控制，污泥热水解技术有进一步开发、应用的潜力。

热水解处理技术是污泥经高压蒸汽预处理，溶解污泥中的胶体物质，破碎细胞物质，水解大分子物质，使污泥性质发生相应的变化。热水解处理技术的工艺流程主要包括混匀预热、水解反应和泄压闪蒸三个步骤。污泥首先经过离心脱水机或压滤机进行脱水使含固率达到14%-18%，用泵输送到搅拌罐中进行混匀预热，预热后的污泥约为100℃。然后将污泥输送到主反应罐中，用热蒸汽对反应罐中的污泥进行加热加压，达到温度为180℃左右，压力约为10bar时反应约30min，经热水解反应能够溶解污泥中的胶体物质降低黏度，并且将复杂的有机物水解为易于生物降解的简单有机化合物。最后一步为泄压闪蒸，利用反应罐中的压力和闪蒸罐中的压力差，将污泥输送到闪蒸罐中闪蒸，将闪蒸罐中产生的蒸汽回送到搅拌罐中与新污泥混匀加热，实现热回收降低能耗。

传统热处理一般在200-250℃，能耗较大，同时臭气、高浓度的水解液处理困难，腐蚀性及运行中易堵塞等问题导致热处理逐渐被淘汰，热水解处理技术克服了传统热处理的缺点而得到广泛应用。

热水解污泥处理技术特点简单归纳为以下几点：

1.热水解处理技术破碎污泥中的细胞物质，释放细胞内的非自由水而改善了污泥的脱水性能。

2.热水解处理技术能够溶解污泥中一部分固体有机物，能够一定程度上减少干污泥量。

3.热水解处理技术能够将大分子物质水解为易生物降解的小分子物质，处理后的水解液中含有丰富的C1-C5挥发性脂肪酸，提高污泥的厌氧消化性能，缩短厌氧消化的停留时间，增加生物天然气产量。

4.热水解处理技术杀灭污泥中的病菌等有害微生物，初步实现污泥的无害化。

二、污泥碳化技术

污泥碳化是通过一定的手段，使污泥中的水分释放出来，同时又最大限度地保留污泥中的碳值，使最终产物中的碳含量大幅提高的过程。污泥碳化技术破坏污泥细胞、释放细胞内水分是基于污泥细胞结构和水分布的原理。热作用下有机物水解，破坏胶体结构是基于污泥胶体结构和物理化学降黏度的原理。

物料在整个工艺流程中由特种泵进行输送，省去了大量固态污泥传输、返混设备和惰性气体保护系统，降低了投资成本、操作难度和爆炸危险性，产生的废气较少，减少了对环境的二次污染。碳化后污泥的高位发热值达到3243大卡/公斤，比碳化前污泥的热值减少了6.8%，污泥热值以最大限度保留，为后续资源化处置创造了有利的基础。

污泥碳化分为高温碳化、中温碳化和低温碳化三类。

1.高温碳化

碳化时不加压，温度为649 982℃，先将污泥脱水至含水率约30%，然后进入碳-化炉高温碳化造粒。碳化颗粒可以作为低级燃料使用，其热值为2000-3000大卡/公斤（在日本或美国）。该技术可以实现污泥的减量化和资源化，但由于技术复杂，运行成本高，产品热值低，目前尚未有大规模的应用。

2.中温碳化

碳化时不加压，温度为426 537℃，先将污泥脱水至含水率约90%，然后进入碳-化炉分解。工艺中产生油、反应水（蒸汽冷凝水）、气体（未冷凝的空气）和固体碳化物。该技术可以实现污泥的减量化和资源化，但由于产物过于多样化，利用十分困难。另外，该技术是对脱水后的污泥实行碳化，经济效益不明显。

3.低温碳化

碳化前无须脱水，碳化时加压至10MPa左右，碳化温度为315℃，碳化后的污泥成液态，脱水后的含水率达50%以下，经干化造粒后可以作为低级燃料使用，热值为3600-4900大卡/公斤（在美国）。该技术的特点是，通过加温加压使得污泥中的生物质全部裂解，仅通过机械方法即可将污泥中75%的水分脱除，极大地节省了运行中的能源消耗。污泥全部裂解保证了污泥的彻底稳定。污泥碳化过程中保留了污泥热值，为裂解后的能源再利用创造了条件。

三、污泥超声破解技术

利用超声波杀菌和处理污泥中的有机污染物，尤其是难降解的有机污染物，是近年来发展起来的一项新兴环境治理技术。该技术操作条件适中，降解速度快，适用范围广，可以单独使用，也可以与其他污泥氧化技术联用，是一种很有发展潜力和应用前景的技术。

超声波泛指频率在20000Hz以上的声波，是物质介质中的一种弹性机械波，能在水中产生一系列接近于极端的条件，如急剧放电，产生瞬间的局部高温高压和超高速射流等。质点加速度、冲击波、射流、高温、高压可破坏物质结构，改变物理化学性质，这是超声波的一次效应；而由此衍生的二次波，如辐射压、声捕捉、自由基和氧化剂等也可能较大程度地改变物质性质，引发化学反应，这是超声波的二次效应。影响超声波效应的因素主要有声波频率、强度、作用时间、作用方式等。

不同频段的超声波对介质的作用差异很大，适合处理污泥的是低频超声波，频率在20-100千赫之间。由于声学特点，该频段的超声波可以在介质里产生强烈的成穴作用，大量直径100-150微米的微气泡不断形成并消失，寿命一般在400-500微秒。微气泡消失的瞬间会产生“热点”，是一个能量密度极大而范围很小的空间，其中的温度和压力可分别达到5000℃和500bar，并且伴随着极强的水力剪切力。在这个环境里，水分子也被电离成H+和OH-，而后者是强氧化剂。这些因素的综合作用，使难降解物质的稳定结构被摧毁，转化成易降解物质，剩余污泥中的微生物细胞被击破，释放出碳源和催化物质，后两种物质可以投加到污水及污泥处理工艺中，强化生物过程。遇到生物池出现膨胀污泥的情况，利用超声波可以将丝状菌击碎，从而消除并预防再次出现膨胀污泥。

四、污泥气化技术

气化技术是在极高温度（大约400°C）和缺氧条件下对污泥进行加热，将污泥分解为富能合成气体，主要包括H2、CO和CH4。气体在锅炉或熔炉中燃烧，热能被作为工艺热使用或用于发电。

污泥气化工艺是污泥原料在气化装置中置于缺氧状态下氧化燃烧和还原，使能量转换成可燃气体的过程。气化涉及一系列复杂的燃烧、还原、裂解乃至聚合反应。

污泥气化步骤可以概括为3个过程：干化，使残留水分蒸发；热裂解反应，细胞或高分子在裂解后得到充分挥发；气化反应过程，即碳物质的不充分氧化反应过程。

固态燃料转化为气态，反应过程同时产生大量气体和水蒸气。污泥的脱气过程也称为焦化过程，过程中高分子结构被分解。这一工艺过程需要的温度是1000℃左右，产生的残渣含碳比例很低，产生的气体净化后具有较高热值，可用于发电。

污泥气化反应过程在流化床气化炉中完成，气化炉温度最低要维持在900℃以上，经初步干化脱水的污泥停留30分钟左右。污泥在高温高压环境内的长时间停留，可以使污泥内的有机物分解并气化，同时发生不充分的氧化反应。产生气体的主要可燃成分是H2和CO，含量分别为15%和27%。

五、超临界水氧化技术

水的临界点在相图上是气体—液体共存曲线的终点，它由一个具有固定不变的温度、压力和密度的点来表示，在该点气相和液相之间的差别刚好消失。当体系的温度和压力超过临界点值时，体系中的水就被称作“超临界”的水。

超临界水的许多物理和传输性质介于液体和气体之间，具有许多独特的性质。例如，与普通水相比，超临界水具有较小的极性、易改变的密度、较低的黏度、较低的介电常数、较低的表面张力和较高的扩散性。超临界水也具有独特的溶解性质，在室温中难溶于水的化合物在超临界环境下会变得易溶，而一些在室温下易溶于水的化合物在超临界环境下变得难溶。

超临界水氧化技术是以水为介质，利用在超临界条件（温度＞374℃，压强＞22.1MPa）下不存在气液界面传质阻力来提高反应速率并实现完全氧化。处于超临界状态下的水兼具液态和气态水的性质，可连续变化的密度、低静电介质常数、低黏滞度等特性使超临界水成为一种具有高扩散能力、高溶解性的理想反应介质，可以利用温度与压力的变化来协调反应速率与化学平衡、调节催化剂的选择活性等，也可以通过不同物质溶解度对超临界流体的依赖性，实现反应与分离在同一反应器内完成。

超临界水氧化技术具有如下的特点：

1.水中几乎所有的有机物在几秒钟至几分钟内，与氧气或空气中的氧气进行氧化、分解，分解率为99.99%以上，有机污染物转化成无害的二氧化碳、水和氮气等。

表1 超临界水氧化与其他传统方法对比

2.盐类和金属以固体形式被分离出来或回收利用，例如造纸黑液经处理后可回收碱，处理后的水也成为洁净的水。

3.当被处理的废水或废液中的有机物浓度在3%（30000毫克/升）以上时，就可以依靠反应过程中释放的反应热来维持反应所需的热量平衡，不需外界加热。

4.污水在密闭环境中，反应彻底，不排放污染物，有利于有毒有害物的处理。

5.处理装置可设计成小型化、可移动的设备，便于现场处理和操作。

超临界水氧化技术开发以来，最大的技术瓶颈就是腐蚀和结垢堵塞问题。

六、水热干化技术

污泥水热干化技术通过将污泥加热，在一定温度和压力下使污泥中的黏性有机物水解，破坏污泥的胶体结构，可以同时改善脱水性能和厌氧消化性能。随水热反应温度和压力的增加，颗粒碰撞增大，颗粒间的碰撞导致了胶体结构的破坏，使束缚水和固体颗粒分离。经过水热处理的污泥在不添加絮凝剂的情况下，机械脱水后的含水率大幅度降低。

水热干化技术通过低温热解打破污泥固相持水结构，大幅度改善污泥脱水干燥性能，与传统热力干化方法相比，具有如下优势：

1.安全，不会产生粉尘，无爆炸危险性

与热力干化相比较，本工艺是通过低温热解过程，改善污泥的脱水性能，整个过程中不会产生粉尘，不会引起爆炸，增强了工艺的安全性能。

2.节能，运行成本低，经济性好

通过低温热解过程，破坏污泥有机物高分子结构、胶体絮体等固相物质持水结构，大幅度改善污泥脱水干燥性能，脱水后24小时内自然风干即可降低含水率20%以下，总能耗降低30%-50%。

3.环保与资源化利用程度高

在密闭反应器中通过低温热解过程，迅速完成杀菌除臭过程，后续污泥处理不会产生异味及其他环保问题。同时低温热解没有燃烧过程，避免了二恶英的产生。污泥干化后具有一定的热值，根据污泥中有机组分分量的不同，干化到一定程度后，可作为煤的替代燃料与辅助燃料。干化后的污泥已经完成除臭和杀菌过程，可以作为园林绿化用土、土地改良土。

4.水热干化处理污泥的反应特征

密闭反应釜，通过低温热解过程破坏污泥有机物高分子结构、胶体絮体等固相物质持水结构，大幅度改善污泥脱水干燥性能。同时完成污泥的杀菌消毒和除臭过程，经水热反应的污泥进入机械脱水设备脱水。