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污泥干燥和焚烧是最终的污泥处理/处置方法

发布时间:2020-10-10 18:35:14      点击次数:426

摘要:剩余污泥的处理/处置已成为比污水处理本身更困难的问题。丢弃(垃圾填埋,土地使用等)虽然节省了时间,精力和金钱,但限于有限的垃圾填埋空间和土地使用受阻,再加上二次环境污染的问题,这种低较终方法已经进入或即将进入“盲点”,这也是发达国家面临的现实。较好污泥的处理/处置以焚烧为代表,但是大多数人认为投资太高而无法燃烧。针对此问题,研究建议污泥脱水/干燥后焚烧。处置计划,计算该拟议过程的能量平衡,投资和运营成本,并将其与传统的处理/处置过程以及热水的干预进行比较解决方案横向比较预处理过程。计算结果表明,无论是在能源短缺还是在投资和运输方面,都将所提出的过程与其他两个过程进行了比较。运营成本较低,分别为109 kW·h / tDS,374万元/ tDS和2663元/ tDS,低于其他两个流程。字数减少了66. 4%和65. 2%,投资成本减少了36. 4%和39. 2%,分别降低了运营成本分别为5%和12. 1%。如果废水的残留温度可用于附近的污泥焚烧,则所提议过程的可持续性将大大提高。该水处理厂以碳中和的方式运行,并且还可以将电力传输到外部。同时,所提出的方法可以使灰分和磷的回收更显效果。生物处理不仅是过去和现在流行的污水处理方法,而且代表着未来。因此,污水处理的副产品---剩余污泥始终是不可避免的问题。从填埋,农业利用,绿化到目前的堆肥,消化甚至污泥处置方法焚烧,其中,“解除”污泥(例如填埋,农业用途)显然是较简单,较经济的方法;中、美和英在“丢弃”的污泥中所占比例相对较高,分别达到76%,59%和63%[1-3]。但是,人均在一些土地面积较小的欧洲国家和日本,废弃申请的比例持续下降,从法国的46%降至德国的27%,日本有16%,荷兰有11%(未用于农业)[1-3],这反过来又增加了厌氧消化甚至焚烧的途径。

在诸如欧洲这样的发达国家中,污泥的过剩处理和处置历史上,污泥的“处置”越来越受到空间和农业的限制。它即将成为“死胡同”。从节省麻烦,努力和金钱的角度来看,我国当然希望继续采取“丢弃”污泥的路线。事实表明,我国没有足够的垃圾填埋场可持续地接收污泥,农民对污泥中的肥料效率并不缺乏,难以进行美化。长时间接收污泥。这导致了我国剩余污泥“灾难”的严重局势。因此,污泥的堆肥,消化和焚烧技术路线也已一再提及,工程应用已经开始。一般认为,焚烧的投资和运营成本太高,通常首先考虑堆肥和消化。污泥堆肥的出口有限。厌氧消化后,剩余污泥有机物的50%至70%,须增加焚烧过程。

终处置

有鉴于此,采用“低端”污泥处理方法变得越来越困难。可去“较好”焚烧。当然,污泥焚烧需要将水分含量降低到固定范围(40%〜70%[4-5])。因此,脱水后污泥仍需进一步干燥至目标含量水率,而传统的厌氧消化可以全省略。干燥后焚烧污泥不仅可以较大程度地回收污泥的有机能。焚烧后的电,热和灰分是回收污水中磷(P)的较有用方法,甚至可以回收重金属[4-9]。基于这种想法,须平衡拟议的污泥干化和焚烧工艺的能源,投资成本和运营成本,并将其与传统工艺进行比较。

将基于氧气消化的焚烧过程与技术和经济性进行比较,以揭示所提出的过程在能源,投资和运营方面的优势。

1建议的干燥+焚烧工艺

推荐的直接污泥干化和焚烧工艺包括三个单元:机械脱水,热介质干燥和单独焚烧。具体过程如图1所示。水分含量≥99%的原始污泥通过机械脱水将水分降低至80%;常用的机械脱水方法包括压滤机(皮带,板和框架),真空吸滤和离心等,但压滤更常用[10]。近年来,国内外也开发了一些新的脱水方法,例如电渗析脱水工艺。

[10]。简而言之,有很多选择可以将原始污泥脱水至80%。

尽管已经机械脱水至80%水分含量的污泥以泥饼的形式出现,但可以将其运出车辆,但可以自我维持和燃烧(无需辅助外部燃料)。比率(40%至70%)仍然有固定距离,这主要取决于污泥中有机物的含量[4-5]。这需要80%的水分在高速率脱水污泥的基础上,进行热介质干燥,主要形式为热对流干燥系统和导热干燥系统。对流干燥系统(鼓式干燥和流化床干燥适用于全干燥过程,可以将水分含量从80%降低到15%甚至更低[11]。从燃烧点就角度而言,不希望全干燥。一个是能耗较高,另一个是在随后的焚烧中难以形成流化的污泥颗粒[11]。因此,半干热导电干燥系统(转盘干燥和多步干燥)更适合于污泥的干燥,可将污泥的水含量降低到35%〜50%[

11].

根据污泥的有机含量,水分含量为40%至70%的干燥污泥具有维持燃烧的能力。

污泥中的有机物在800〜900℃时被全燃烧并氧化成CO2,后包括磷的无机物形成灰分[5]。污泥焚烧

燃烧释放的热量可用于发电或回收高温废气,用于污泥的重新干燥或热交换加热[5],灰中的磷甚至重

金属可以通过化学过程进行回收,剩余的灰分可以用于生产建筑材料[2]。国内外常用的焚烧炉包括流化床炉和立式

多膛炉、喷射焚烧炉等[11].

2建议的过程能量平衡

2. 1机械脱水

表1 [10]列出了国内外常用的机械脱水方法及其能耗。其中,板框压滤机能耗较高,带式压滤机和真空吸尘机

其次是过滤,离心和双辊挤出能耗较低。在本研究中,以常用的皮带过滤法为例计算能量平衡。平均能量

消耗约60 kW·h / tDS。

2. 2污泥干化

2. 2. 1理论能耗计算

污泥干化过程的能耗由污泥固体的温升和水分的吸热组成[12],因此从这两个方面出发,分别进行理论能耗计算

如下。

①污泥固体加热所需的热量

污泥固体加热所需的热量可以根据以下公式计算:

ES =(T2 - T1)×CS×MS×100(1)

在公式ES中-污泥固体加热所需的热量,kJ / tDS

T1,T2——脱水污泥的初始温度(20℃)和干燥温度(100℃)

CS——污泥比热3.62 kJ /(kg·℃)

MS污泥干固体,10 kg / t湿污泥(含水量99%)

②污泥中的水分吸收热量

污泥中水吸收的热量分为:a。水从室温升到显热; b。水蒸发过程中蒸发的潜热。热媒干燥分为高温干燥

热化(100℃)和低温干燥(20〜80℃)分别可以使用高温烟气,过热蒸汽,燃料和热水,太阳能,

实现低温热能。目前,高温干燥更受欢迎。本研究还以高温干燥为例(100℃)。这部分干燥量热仪

计算如下:

在上述计算中,较重要的参数是污泥干化后的含水量w2,它代表污泥自持燃烧所需的较高含水量。

公式为[7]:

2. 2. 2实际能耗计算

由于污泥干化机的热损失,污泥干化的实际能耗(E'T)明显高于理论能耗ET;不同干燥机的热量

损失也有一些差异,热损失效率εdry为10%至20%;本研究采用较高的值(20%)进行计算[12-13]。

污泥干化的实际能耗可计算如下:

2. 3污泥焚化

2. 3. 1理论能量释放计算

污泥有机质全焚烧至灰分释放的热量体现在 污泥的干基热值上,污泥干基热值[7]计计算如下:

我国污泥的有机物含量在30%至65%之间,低于欧洲和美等发达国家。 2%〜37. 7%。有机物

含量为基准,分别取30%和65%,代入公式(6),计算出污泥燃烧热值。 3〜15。0GJ / tDS。这个

污泥中有机物含量的pv为53%,污泥的高热值,即焚化释放的理论能量为11。9 GJ / tDS,如表2所示。

我国污泥的平均发热量是一致的[4,14-15]。为了实现自持燃烧,污泥干燥的含水量w2需要达到57。 7%

。通过这种方式,脱水污泥的水分含量从80%干燥到57%。 7%,所需的干燥能耗为9。1 GJ / tDS,实际工程11

。 7 GJ / tDS约为[11];电当量约为2 529 kW·h / tDS(1 kW·h = 3 600 kJ)。

干燥污泥的持续燃烧所需的水分含量w2取决于污泥中的有机物含量。根据方程(4)和(6),可以得到污泥

有机物含量与干燥目标含水量之间的关系如图2所示。显然,污泥中有机物含量越高,污泥干燥的目标含水量就越大。

比率w2可以增加,即,干燥污泥的自持燃烧的水分随着有机物含量的增加而增加。


2. 3. 2 焚烧过程中的能量损失

污泥焚烧过程中会因固体、气体不完燃烧或者锅炉自身散热造成一些热量损失[7],所以,污泥焚烧释能计算需要扣除这部分热量损失,可按下式计算:

本计算中焚烧炉以国内外常用鼓泡流化床为例,炉内不设置水冷壁( Qa = 0) 。焚烧所产生的热量以烟气形式为载体,排烟热量占总热量的 93% , 即,污泥焚烧损失热量占总热量的 7%[7,13],所以污泥焚烧能量损失 Q损 = 11. 9 × 7% = 0. 8 GJ/tDS。

2. 3. 3 实际产能计算

理论释能值与焚烧能量损失之差即为污泥焚烧实际产能值: Q' = Q - Q损 = 11. 1 GJ/tDS。污泥焚烧产能主要以烟道气和水蒸气为载体,可利用热电联产技术( CHP) 对这部分能量进行回收与利用[13,16]。如果热电联产效率取 80% ,则污泥焚烧后通过 CHP实际可转化的电当量为 2 480 kW·h /tDS。

2. 4 能量衡算

根据上述能量计算,可绘制出如图 3 所示的能量平衡图。因此,可以看到建议工艺的能量赤字为109 kW·h /tDS。

3 建议工艺成本分析

本研究以处理规模为 50 × 104 m³ /d 的传统活性污泥法污水处理厂为例计算投资与运行成本。该案例厂剩余污泥产量为 8 000 t /d( 含水率为 99% ) ,脱水污泥产量为 400 t /d ( 含水率为 80% ) ,干污泥为 80 t /d ( 含水率为零) 。

工艺投资成本由基建成本和设备成本组成( 均为一次性投资) ,设备成本根据污泥产量进行选型[17]。污泥脱水以带式压滤机为例,还包括污泥泵、加药装置、加药泵、计量装置、输送机等设备投入。机械脱水全投资成本以 2 400 元/t 湿泥( 99%含水率) 计算。污泥干化系统设备主要包括计量、存储、进料系统、干燥器( 以转盘式干燥器为例) ,投资成本以 30 万元/t 湿泥( 80% 含水率) 计算。污泥焚烧系统设备主要包括焚烧炉( 以鼓泡式流化床为例) 、烟气净化系统、飞灰处理系统等[17],投资成本以 40 万元/t 湿泥( 80% 含水率) 计算。

污泥脱水、干化、焚烧运行全成本由电费、水费、药剂费、工资福利费和固定资产折旧费、大修费、检修维护费等费用构成。动力费以电费为主,水费指冲洗水等用水费用,药剂费主要指污泥脱水所用药剂( 混凝剂) 费用; 固定资产折旧费为固定资产原值与综合基本折旧率的乘积; 检修维护费则是固定资产原值与检修维护率的乘积[17]。

根据以上匡算原则,可计算出建议工艺各单元投资与运行成本,结果见表 3。

4 对比传统工艺能耗与成本

传统污泥处理、处置工艺一般由重力浓缩、厌氧消化、机械脱水、热媒干化、污泥焚烧 5 个单元完成。剩余污泥经过重力浓缩后,污泥含水率从 99% 降为97% ,污泥体积可减少 2 /3,相应地可降低厌氧消化运行负荷。在厌氧消化过程中,污泥中有机质转化效率( 至 CH4 ) 一般为 30% ~ 50% ,厌氧消化产生的能量一般用于消化池自身加热[18]。由于厌氧消化降低了污泥有机质含量,也就降低了污泥干基热值,从而会减少污泥焚烧过程的能量输出[7]。

4. 1 能量衡算

污泥厌氧消化前含水率为 97% ,消化后熟污泥含水率略有升高,但相差不大,计算中取 97. 5% 。厌氧消化过程化学能转化( CH4 ) 可以产生能量,产能为 5.7 GJ/tDS[18],通过 CHP 转化电当量为 1 284 kW·h /tDS。因消化池加热会消耗能量,实际能耗为 728 kW·h /tDS[18],所以,实际可输出电当量为556 kW·h /tDS。经厌氧消化后干固体量 MS 降为8. 41 kg /t 湿泥( 99% 含水率) ,厌氧消化后污泥中有机质含量减少到 37% ,这就降低了污泥的高位热值,使得污泥自持燃烧含水率也随之降低为41. 3% 。

熟污泥经厌氧消化后温度升高至 35 ℃,即 T1 = 35 ℃,计算得出厌氧消化后污泥干化实际能耗为2 459 kW·h /tDS。熟污泥有机质含量减量为37% ,相应污泥理论焚烧产能值降为 8. 0 GJ/tDS,污泥焚烧能量损失同前,则污泥干化焚烧后燃烧实际产能为 7. 4 GJ/tDS,通过 CHP 转化电当量为 1 653 kW·h /tDS。

上述能量衡算表明,传统处理、处置工艺总能耗为 3 261 kW·h /tDS,总产能为 2 937 kW·h /tDS,能量赤字为 324 kW·h /tDS,详细结果见图 4。

4. 2 成本分析

99% 含水率剩余污泥经重力浓缩( 97% ) 、厌氧消化污泥含水率变为 97. 5% ,污泥体积可减少 3 /5,机械脱水污泥处理量减少为 3 200 t /d,可大大降低机械脱水投资成本; 以 1 800 元/t 湿泥( 99% 含水率) 计算,则机械脱水投资成本降为 18 万元/tDS。

机械脱水运行成本主要体现在电费的降低上,为 140 元/tDS。经厌氧消化后浓缩污泥干固体减量,使得干化、焚烧设备规模减小,干化、焚烧投资成本可降至 280 万元/tDS。设备规模减小必然也会降低运行成本,主要体现在电费、检修费、维护费的节省上[17],因 此,干化、焚烧运行成本可降至 2 264 元/tDS。虽然厌氧消化使得机械脱水、干化、焚烧投资及运行成本都有所降低,但仍需考虑重力浓缩、厌氧消化基建和设备投资以及相应的运行成本; 重力浓缩投资及运行成本分别以 40 万 元/tDS 和 100 元/tDS 计算[17]; 厌氧消化投资和运行成本分别按250 万元/tDS和 200 元/tDS 计算。这样,传统污泥处理、处置工艺的投资成本为 588 万元/tDS,运行成本为 2 704 元/tDS,分析详见表4。

4. 3 热水解对传统工艺的影响

污泥单独厌氧消化有机物降解、转化效率很低,只有 30% ~ 50% ; 当剩余污泥中不含初沉污泥时厌氧消化有机物转化率更低,可能只有 20% ~ 30% 。为提高厌氧消化有机物转化能源效率,热水解技术被用作厌氧消化的预处理工艺,并获得一些应用。污泥热水解是在一些温度和压力下,将污泥在密闭的容器中进行加热,使污泥细胞部分发生破壁[19],以增加污泥后续厌氧消化有机物转化率。热水解固然可以强化厌氧消化有机物转化率,但提高厌氧消化有机物转化率后的消化污泥后续焚烧能源释放量会相应减少,况且,热水解设备投资与运行费用价格不菲。因此,需要对介入热水解的传统污泥处理、处置工艺进行能量平衡以及成本核算。

污泥经重力浓缩和预脱水( 预处理) 含水率可降至 85% ,能耗约 60 kW·h /tDS。经热水解预处理后进行厌氧消化,有机物降解率可从 30% 提高至50% ,导致厌氧消化产能升至 9. 58 GJ/tDS,利用CHP 转化为电当量是 2 130 kW·h /tDS。热水解亦消耗能量,约为厌氧消化产能的 60% ,即为 1 278 kW·h /tDS; 热水解后污泥冷却可释放一些热量( 经热交换器) ,约为厌氧消化产能的 20%[19 - 21],即 426 kW·h /tDS,可用于污泥干化。由于热水解污泥升温至 180 ℃,所以,厌氧消化过程消化池无需加热,只需热水解后降温至 35 ℃。这样,污泥干固体量MS 降低为 7. 35 kg /t 湿泥( 99% 含水率) ,消化后污泥有机物含量降低至 26. 5% ,使得后续污泥干基热值降低、污泥自持燃烧含水率也相应降至21. 1% ( 接近全干化水平) 。实际上,这种已成干泥块状的污泥很难在流化床焚烧炉中流化焚烧。因此,干化污泥含水率按可流化的 41. 3% 考虑,污泥干化能耗为 2 153 kW·h /tDS,但这样含水率( 41. 3% ) 的污泥无法实现自持焚烧,需要投加外部辅助燃料,约 429 kW·h /tDS。因厌氧消化熟污泥有机质含量减少,导致污泥焚烧产能降低为 5. 0 GJ/tDS,转化电当量为 1 111 kW·h /tDS。

能量衡算表明,热水解介入传统污泥处理、处置工艺后总能耗为 3 980 kW·h /tDS,总产能为 3 241 kW·h /tDS ( 14. 58 GJ/tDS) ,热水解冷却水释放热量( 426 kW·h /tDS) 可用于污泥干化,但终能量赤字为 313 kW·h /tDS,能量衡算详细结果见图 5。

热水解介入传统污泥处理、处置工艺后固然使总的能量赤字( 324 kW·h /tDS) 有所降低,并且使得厌氧消化后污泥进一步减量,从而降低后续机械脱水、干化、焚烧的投资及运行成本。但是,热水解设备高昂的投资成本( 75 万元/tDS) 和较大的运行成本( 389 元/tDS) ,终导致整个工艺投资与运行成本分别达到 615 万元/tDS 和 3 029 元/tDS。

4. 4 与建议工艺综合对比

与传统工艺及热水解介入传统工艺相比较,污泥干化、焚烧建议工艺的能量赤字较低,仅为 109 kW·h /tDS。在投资以及运行成本上,建议工艺显然也是较低的,分别为374万元/tDS和2663元/tDS。其他两种工艺投资与运行成本分别为: 588万元/tDS 和 2 704 元/tDS 以 及 615 万 元/tDS 和 3 029 元/tDS。

将三种工艺能量平衡、投资与运行成本绘制成柱状图进行比较则能更直观地看出三种工艺的差别,如图 6 所示。建议工艺能量赤字较其他两种比较工艺( 324 kW·h /tDS 与 313 kW·h /tDS) 可分别降低 66. 4% 和 65. 2% ; 建议工艺投资成本( 374 万 元/tDS) 较其他两种工艺( 588 万元/tDS 和 615 万 元/tDS) 分别降低 36. 4% 和 39. 2% ; 建议工艺运行成本( 2 663 元/tDS) 较其他两种工艺( 2 704 元/tDS 和 3 029 元/tDS) 分别降低 1. 5% 和 12. 1% 。

结语

通过对污泥直接脱水、干化、焚烧建议工艺能量衡算以及投资与运行成本匡算显示,其能量赤字仅为 109 kW·h /tDS,投资与运行成本也只有 374 万 元/tDS 和 2 663 元/tDS,与传统及介入热水解预处理污泥处理、处置工艺相比,污泥干化焚烧建议工艺在能量赤字及投资与运行成本上均为较低,能量赤字分别减少 66. 4% 和 65. 2% ,投资成本分别减少36. 4% 和 39. 2% ,运行成本分别减 少 1. 5% 和 12. 1% 。可见,污泥干化后直接焚烧建议工艺在污泥全生命周期( LCA) 处理/处置方面较好,同时还能从焚烧灰分中回收磷等无机资源。

如果污水余温可以通过水源热泵( WSHP) 加以原位利用,污泥干化所需热量则可以大大减少甚至无需外部能源。因此,污水厂内分散式干化,集中到某一适宜地点焚烧发电、供热将有可能实现并将污水余温低品位能源间接转换为可发电的高温热能。污水余温就近用于干化可避免污水处理厂“有能输不出”的现实问题,从而使污水处理厂成为能源工厂,不仅实现自身碳中和运行,而且还可以向外输电。进言之,省略污泥厌氧消化单元还能较大限度避免甲烷( CH4 ) 这种强温室气体逸散的问题以及运行隐患。


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