污泥热化学处理的试验研究
摘要：本文介绍了污水厂污泥低温热解试验的初步 研究 成果，它能有效去除污泥中的污染物质，同时污泥热解的产物还可作为能源加以回收。
关键词：低温热解 污泥处置 能量回收
随着城市污水处理率的上升，城市污水厂污泥将大量增加。污泥处理 方法 种类繁多，但大都存在一些弊端。土地填埋处理由于可供填埋场地越来越少，今后将受到严格控制;焚烧法处理由于设备及运行费用昂贵、投资大，也不普遍适用[1]。至于 目前 国内广泛使用的污泥浓缩、压滤脱水后即行排放的处理方法，则有处理不彻底，易引起二次污染等缺点[2]。而污泥热化学处理法具有灭菌效果好、处理迅速、占地相对较少、处置后污泥性质稳定并能进行能源回收等优点，因此能达到使污泥处置减量化、无害化、资源化的目的。
1. 污泥热分解机理
目前进行的污泥热解试验尚不能完全有效地阐明其作用机理。国内外学者较普遍的看法为：污泥被加热至200℃~300℃，其中的脂肪族化合物发生转化;加热至300℃~390℃时，蛋白质类化合物转化;390℃以上，糖类化合物转化，肽链断裂，基因变性转移;与此同时，碳化合物发生转化至450℃时转化完成。所以污泥热解在500℃以下即可完成。本人的大量实验测试结果亦证实如此，但在无氧或缺氧条件下热解状况会略有不同[3,4]。
2. 试验
2.1试验原理
缺氧条件下，加热脱水污泥至一定温度(<320℃)，通过热解和干馏作用，使污泥性质发生变化，分解产出碳、油和不凝气体。大部分产物可进行能源回收。
2.2试验原料
所取污泥为武汉水质净化厂脱水污泥，经取样和化验，其平均数据如下：
表1 污泥肥份及大肠杆菌数值
|
项目 |
有机质 （%） |
全N （%） |
全P （%） |
全K （%） |
大肠杆菌 （个/100g） |
S (%) |
|
混合 |
62.1 |
1.520 |
0.735 |
1.04 |
＜2400 |
0.835 |
|
初沉 |
64.8 |
1.457 |
1.416 |
1.01 |
＜2400 |
0.650 |
表2 污泥重金属含量表(mg﹒kg-1)
|
项目 |
Cu |
Zn |
Cr |
Cd |
Hg |
Pb |
As |
|
混合 |
148.4 |
543.9 |
72.8 |
0.70 |
0.42 |
55.1 |
18.8 |
|
初沉 |
132.7 |
568.2 |
78.6 |
0.75 |
0.94 |
57.5 |
21.4 |
从以上两表可看出，污泥中有机质含量较高，具有一定热值，而N、P、K等植物营养素含量不高，部分污泥重金属含量超标(GB4284-84)。这种污泥农用不会有好的效果。
2.3试验设备及方法
2.3.1 主要设备： 电热干燥箱，马弗炉，热解器，氧弹测热仪，冷凝瓶，分液漏斗，日产TAS-100热 分析 仪
2.3.2 测试项目：反应温度、时间、含水率、VS含量、TG图和放热值
2.3.3 试验结果及讨论
表3 污泥含水率及VS含量
|
污泥样 |
W1(g) |
W2(g) |
W3(g) |
P(%) |
VSS(%) |
|
1 |
24.972 |
38.128 |
30.698 |
34.222 |
56.476 |
|
2 |
23.876 |
37.191 |
29.569 |
33.425 |
57.243 |
|
3 |
24.573 |
37.771 |
30.270 |
34.012 |
56.827 |
注：测试所用方法参见 文献 5。
污泥热解在温度大于200℃时开始有明显表象生成,至300℃停留1小时后，反应基本停止(图1)。污泥热解产物为炭、油、水和不凝气体，主要是炭和油，故对这两类物质进行分析。
从图1可知，污泥热解时产炭率随温度升高而下降，产油率随温度升高而上升。得到的炭占污泥干重的50~70%，体积约为原污泥的1/3~1/2。一般含有机物较多的炭为无光泽的黑色块粒。污泥炭性质稳定，无异味，杀菌率为100%，可长期贮存。所得油有浓重的气味，呈棕色，易被明火点燃，所得率在20~35%左右(重量比)。所得气体带恶臭味，主要含有H2S、甲硫醇和氨等物质，这些气体可通过燃烧脱臭。由于在实验过程中，避开了生成二噁英等持久性污染物的最佳温度区域，故不必担心生成这类物质[6,7]。
采用日产TAS-100热分析仪进行TG和DTA测试。污泥热解自200℃开始，放出烟气。大约至300℃时，烟气放出速率最高，维持一段时间后浓烟消失，至350℃时反应基本停止。
图3 污泥DTA曲线
从TG和DTA曲线判断污泥热解在缺氧条件下进行的是放热反应。其中200~350℃对于城市污水厂污泥而言是较好的热解温度范围。当温度升至500℃左右，其转化率为最高，但热解温度高，需增加大量加热设备、消耗大量热能，不 经济 。同时在该温度下，会产生难以处理的二噁英类物质[8]。这种污泥经200~350℃低温热解后，各类污染物质均被去除。部分重金属离子留在灰分中，不会造成二次污染。灰分体积减为原有体积的30%以下，便于运输填埋。
。
3.炭化污泥合成燃料
上述热解后的污泥称之为炭化污泥。其性质稳定，且有一定量的有机质(表4)，仍具有一定热值。这种污泥可与其他固体燃料混合供 工业 锅炉使用。既减少了污泥处置成本，又可作为一种能源回收，获得一定 经济 效益。
表4 炭化污泥 分析
|
炭化污泥样 |
W1(g) |
W2(g) |
W3(g) |
P(%) |
VSS(%) |
|
1 |
24.563 |
44.279 |
39.981 |
1.42 |
21.8 |
|
2 |
24.394 |
44.120 |
39.701 |
1.37 |
22.4 |
|
3 |
25.622 |
45.304 |
41.328 |
1.59 |
20.2 |
此外，为了充分说明炭化污泥可利用的价值，本人还进行了污泥型煤燃烧可行性分析，即将所配制型煤经氧弹放热测试，其发热值可达到20000KJ·kg-1，符合一般燃料用煤放热值条件[9]。这种型煤具有点火快、燃烧充分等优点。表5列出了炭化污泥型煤与普通民用蜂窝煤比较。
表5 型煤成分分析
|
项目 |
水份（%） |
挥发份（%） |
灰份（%） |
热值KJkg-1 |
|
炭化污泥型煤 |
7.56 |
10.4 |
34.5 |
18442 |
|
普通蜂窝煤 |
5.10 |
8.5 |
38.1 |
19080 |
4.污泥热解的能量分析
由于条件所限，本文未对污泥热解进行能量平衡分析。根据国内外资料，可以得出污泥热解过程为能量净输出过程。其中污泥含水率及有机质含量是污泥热解能量回收效果的关键。因此，对于有机质含量较高的污泥采用污泥热解法处置是适当的，此外，提高污泥脱水能力也是决定污泥热解成败的重要因素[8,10]。
结 论：
采用污泥低温热解能有效去除污泥中的污染物质，灰份可填埋，不形成二次污染。污泥热解产物中的污泥炭和油类均可作为燃料回收使用。其中污泥炭又可与其它固体燃料按一定比例混合后，形成合成燃料。
污泥热解是放热分解反应，对于城市污水厂污泥，其经济、有效热解温度区域在200℃~350℃。
对于生活污水污泥，热解处理产油率在20~35%之间，产炭率在50%~70%左右。
参考 文献
1.高庭耀. 水处理手册. 北京. 高教出版社, 1983
2.邓晓林. 上海城市污水处理厂的污泥处置途径探讨. 中国 给水排水, 2000,Vol.16(5)
3.邵立明. 污水厂污泥低温热解过程能量平衡分析. 上海环境 科学 ,1996,Vol 15(6)
4.Bayer B. Kutubuddin M. Proc.of the International Recycling Congress. Berlin: EF Verlag, 1987, 314-318
5.5.金儒霖 污泥处理 北京：中国建筑工业出版社，1982
6.汪恂. 二噁英的危害与防治. 武汉 科技 大学学报, 2001, Vol 24(4)
7.Campell H.W. and Bridle T.R. Conversion of sludge to oil: a novel approach to sludge management. Wat. Sci. Tech, 1989, Vol. 21. 1467~1475
8.J. Werther, T. Ogada. Sewage sludge combustion. Progress in Energy and Combustion Science, 1999, Vol.25:55~116
9.大内公耳. 煤炭的利用技术. 西安交大出版社
10何品晶, 顾国维. 低温热化学转化污泥制油技术. 环境科学, 1996, Vol.16(5):82~86
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