污泥熱化學處理的試驗研究

摘要本文介紹了污水廠污泥低溫熱解試驗的初步研究成果，它能有效去除污泥中的污染物質，同時污泥熱解的產物還可作為能源加以回收。

關鍵詞低溫熱解污泥處置能量回收

隨著城市污水處理率的上升，城市污水廠污泥將大量增加。污泥處理方法種類繁多，但大都存在一些弊端。土地填埋處理由于可供填埋場地越來越少，今后將受到嚴格控制；焚燒法處理由于設備及運行費用昂貴、投資大，也不普遍適用[1]。至于目前國內廣泛使用的污泥濃縮、壓濾脫水后即行排放的處理方法，則有處理不徹底，易引起二次污染等缺點。而污泥熱化學處理法具有滅菌效果好、處理迅速、占地相對較少、處置后污泥性質穩(wěn)定并能進行能源回收等優(yōu)點，因此能達到使污泥處置減量化、無害化、資源化的目的。

1．污泥熱分解機理

目前進行的污泥熱解試驗尚不能完全有效地闡明其作用機理。國內外學者較普遍的看法為：污泥被加熱至200℃~300℃，其中的脂肪族化合物發(fā)生轉化；加熱至300℃~390℃時，蛋白質類化合物轉化；390℃以上，糖類化合物轉化，肽鏈斷裂，基因變性轉移；與此同時，碳化合物發(fā)生轉化至450℃時轉化完成。所以污泥熱解在500℃以下即可完成。本人的大量實驗測試結果亦證實如此，但在無氧或缺氧條件下熱解狀況會略有不同[3,4]。

2．試驗

試驗原理

缺氧條件下，加熱脫水污泥至一定溫度，通過熱解和干餾作用，使污泥性質發(fā)生變化，分解產出碳、油和不凝氣體。大部分產物可進行能源回收。

試驗原料

所取污泥為武漢水質凈化廠脫水污泥，經取樣和化驗，其平均數(shù)據(jù)表1污泥肥份及大腸桿菌數(shù)值

項目有機質全N全P全K大腸桿菌S(%)混合＜2400初沉＜2400表2污泥重金屬含量表(mg﹒kg-1)

項目

Cu

Zn

Cr

Cd

Hg

Pb

As

混合

初沉

從以上兩表可看出，污泥中有機質含量較高，具有一定熱值，而N、P、K等植物營養(yǎng)素含量不高，部分污泥重金屬含量超標。這種污泥農用不會有好的效果。

試驗設備及方法

主要設備：電熱干燥箱，馬弗爐，熱解器，氧彈測熱儀，冷凝瓶，分液漏斗，日產TAS-100熱分析儀

測試項目：反應溫度、時間、含水率、VS含量、TG圖和放熱值

試驗結果及討論表3污泥含水率及VS含量

污泥樣

W1(g)

W2(g)

W3(g)

P(%)

VSS(%)1

2

3

注：測試所用方法參見文獻5。

污泥熱解在溫度大于200℃時開始有明顯表象生成,至300℃停留1小時后，反應基本停止。污泥熱解產物為炭、油、水和不凝氣體，主要是炭和油，故對這兩類物質進行分析。

從圖１可知，污泥熱解時產炭率隨溫度升高而下降，產油率隨溫度升高而上升。得到的炭占污泥干重的50~70%，體積約為原污泥的1/3~1/2。一般含有機物較多的炭為無光澤的黑色塊粒。污泥炭性質穩(wěn)定，無異味，殺菌率為100%，可長期貯存。所得油有濃重的氣味，呈棕色，易被明火點燃，所得率在20~35%左右。所得氣體帶惡臭味，主要含有H2S、甲硫醇和氨等物質，這些氣體可通過燃燒脫臭。由于在實驗過程中，避開了生成二惡英等持久性污染物的最佳溫度區(qū)域，故不必擔心生成這類物質[6,7]。

采用日產TAS-100熱分析儀進行TG和DTA測試。污泥熱解自200℃開始，放出煙氣。大約至300℃時，煙氣放出速率最高，維持一段時間后濃煙消失，至350℃時反應基本停止。圖3污泥DTA曲線

從TG和DTA曲線判斷污泥熱解在缺氧條件下進行的是放熱反應。其中200~350℃對于城市污水廠污泥而言是較好的熱解溫度范圍。當溫度升至500℃左右，其轉化率為最高，但熱解溫度高，需增加大量加熱設備、消耗大量熱能，不經濟。同時在該溫度下，會產生難以處理的二惡英類物質。這種污泥經200~350℃低溫熱解后，各類污染物質均被去除。部分重金屬離子留在灰分中，不會造成二次污染?；曳煮w積減為原有體積的30%以下，便于運輸填埋。

3．炭化污泥合成燃料

上述熱解后的污泥稱之為炭化污泥。其性質穩(wěn)定，且有一定量的有機質，仍具有一定熱值。這種污泥可與其他固體燃料混合供工業(yè)鍋爐使用。既減少了污泥處置成本，又可作為一種能源回收，獲得一定經濟效益。表4炭化污泥分析炭化污泥樣

W1(g)

W2(g)

W3(g)

P(%)

VSS(%)1

2

3

此外，為了充分說明炭化污泥可利用的價值，本人還進行了污泥型煤燃燒可行性分析，即將所配制型煤經氧彈放熱測試，其發(fā)熱值可達到20000KJ·kg-1，符合一般燃料用煤放熱值條件。這種型煤具有點火快、燃燒充分等優(yōu)點。表5列出了炭化污泥型煤與普通民用蜂窩煤比較。表5型煤成分分析項目水份揮發(fā)份灰份熱值KJkg-1炭化污泥型煤18442普通蜂窩煤19080

4．污泥熱解的能量分析

由于條件所限，本文未對污泥熱解進行能量平衡分析。根據(jù)國內外資料，可以得出污泥熱解過程為能量凈輸出過程。其中污泥含水率及有機質含量是污泥熱解能量回收效果的關鍵。因此，對于有機質含量較高的污泥采用污泥熱解法處置是適當?shù)模送?，提高污泥脫水能力也是決定污泥熱解成敗的重要因素[8,10]。

結論：

采用污泥低溫熱解能有效去除污泥中的污染物質，灰份可填埋，不形成二次污染。污泥熱解產物中的污泥炭和油類均可作為燃料回收使用。其中污泥炭又可與其它固體燃料按一定比例混合后，形成合成燃料。

污泥熱解是放熱分解反應，對于城市污水廠污泥，其經濟、有效熱解溫度區(qū)域在200℃~350℃。

對于生活污水污泥，熱解處理產油率在20~35%之間，產炭率在50%~70%左右。

參考文獻

1．高庭耀.水處理手冊.北京.高教出版社,1983

2．鄧曉林.上海城市污水處理廠的污泥處置途徑探討.中國給水排水,2000,(5)

3．邵立明.污水廠污泥低溫熱解過程能量平衡分析.上海環(huán)境科學,1996,Vol15(6)

4．BayerB.KutubuddinM.theInternationalRecyclingCongress.Berlin:EFVerlag,1987,314-318

5．5．金儒霖污泥處理北京：中國建筑工業(yè)出版社，1982

6．汪恂.二惡英的危害與防治.武漢科技大學學報,2001,Vol24(4)

7．CampellandBridleConversionofsludgetooil:anovelapproachtosludgemanagement.Wat.Sci.Tech,1989,Vol.21.1467~1475

8．J.Werther,T.Ogada.Sewageslud