根據(jù)有關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)全國20萬t/d規(guī)模及以上污水廠的污水處理能力總共達(dá)到2272.6萬t/d。以萬噸污水產(chǎn)脫水污泥7.5噸（含水80%）計(jì)，則每年產(chǎn)污泥613.6萬噸，占全國污泥總產(chǎn)量的55%。根據(jù)2007年底有關(guān)部門對(duì)全國處理能力20萬t/d（含）以上城市污水處理廠污泥處理情況的統(tǒng)計(jì)，83%是沒有經(jīng)過妥善處置的，這些污泥的出路也沒有一定的保障，造成了污泥無控排放的現(xiàn)狀。清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系王偉教授從1982年就開始攻克污泥處理技術(shù)難題，近日他率領(lǐng)的科研組終于完成了“基于水熱干化技術(shù)的污泥處理系統(tǒng)”示范工程的專家組鑒定工作。該技術(shù)有望成為未來解決我國污泥處理技術(shù)瓶頸的重要一環(huán)。
污泥處理的技術(shù)瓶頸
隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和城市化金城的加快，城市污水處理的規(guī)模不斷擴(kuò)大，污水處理程度逐年升高，污泥產(chǎn)量也急劇增加。我國早期建設(shè)的污水處理廠普遍存在重水輕泥的傾向，追求污水處理率，而忽略污泥的處理處置，未經(jīng)處理的污泥直接外運(yùn)、簡單填埋或堆放，對(duì)環(huán)境造成潛在的危害。
污泥中含有大量病原菌、寄生蟲（卵），銅、鋅、鎘、汞等重金屬，鹽類以及多氯聯(lián)苯、二噁英、放射性核素等難降解有毒有害物。同時(shí)，由于污泥中含有大量的蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物等高濃度有機(jī)物，導(dǎo)致污泥的粘度較大、含水率較高、固液分離性能差，進(jìn)而影響到污泥堆肥、焚燒或填埋等后續(xù)處理處置。目前的一般污泥處理技術(shù)無論是脫水還是進(jìn)行消化抑或直接處理都面臨效率低、能耗高的難題。因此，污泥的細(xì)胞質(zhì)/膠體結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致污泥處理處置的技術(shù)瓶頸和資源化利用的關(guān)鍵障礙。
1、含水率對(duì)污泥處置的影響
污泥中含有大量的微生物細(xì)胞和有機(jī)物膠體，導(dǎo)致了污泥脫水困難，通常脫水泥餅含水率高達(dá)80%左右。目前，污泥處置的手段主要包括堆肥、填埋和焚燒。
污泥用于堆肥物料時(shí)，通常需要添加調(diào)理劑降低含水至50-60%，需要添加的調(diào)理劑總量約為污泥的60%，如污泥堆肥產(chǎn)品的銷路不好，污泥量不但沒有減少反而增加。為了實(shí)現(xiàn)堆肥化過程中的高效分解和產(chǎn)品的穩(wěn)定性，通常堆肥物料的含水率也要求小于60%。
國內(nèi)個(gè)別城市也采用垃圾衛(wèi)生填埋場接納污泥，由于污泥含水率高，容易造成填埋作業(yè)困難、滲濾液水質(zhì)惡化和填埋堆體不穩(wěn)定，實(shí)際上國內(nèi)大部分垃圾衛(wèi)生填埋場拒絕污泥進(jìn)場。2009年2月16日下午4時(shí)左右，深圳市清水河下坪固體廢棄物填埋場3號(hào)污泥坑發(fā)生管涌，大量的淤泥從地底噴涌而出，坡下的道路上被覆蓋上厚厚的黑色污泥，空氣中彌漫著沼氣的味道。據(jù)目擊者稱，管涌發(fā)生時(shí)，幾股黑色的噴泉沖天而起，像瀑布一樣，噴射了七八米高，泥漿和污水沿著坡面流下，掩埋了污水處理場的道路，坡下一個(gè)正在施工的工地也被掩埋了。有很多專家都反映，“崩塌”事件警示鐘敲響，我們應(yīng)該引起高度重視。
焚燒是實(shí)現(xiàn)污泥減量化的有效手段，但由于污泥含水率高、熱值低，需要添加大量的輔助燃料，是造成運(yùn)行成本高的重要原因。為了防止焚燒過程的二次污染通常要求焚燒物料的熱值大于1200kcal/kg，根據(jù)市政污泥的平均泥質(zhì)水平，只有含水率小于50%時(shí)才能滿足這一要求。
為了規(guī)范污泥的處理處置，近年來我國制定了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)政策。其中，對(duì)污泥混合填埋的含水率規(guī)定小于60%，橫向剪切力大于25KN/m2。實(shí)際上，脫水泥餅直接填埋的處置方式已經(jīng)受到現(xiàn)行法規(guī)的限制。
填埋、堆肥和焚燒都不宜直接處理含水率80%的脫水泥餅，為滿足處置標(biāo)準(zhǔn)和工藝需要，含水率至少要降低到60%以下。如何高效低耗地將污泥含水率由80%降低到60%，成為保障污泥有效處置的技術(shù)關(guān)鍵。
2、污泥脫水特性的熱力學(xué)解析
污泥脫水困難是由于污泥中的水受到多種作用力的束縛，清華大學(xué)王偉老師課題組在實(shí)驗(yàn)室采用熱力學(xué)解析手段對(duì)污泥的脫水性能進(jìn)行了定量分析，結(jié)果顯示，在脫水機(jī)可能提供的功率條件下，脫水污泥含水率由80%左右進(jìn)一步降低是很難實(shí)現(xiàn)的。
總體而言，我國污泥處理處置存在處理技術(shù)單一、裝備水平落后、處置保障率低、二次污染風(fēng)險(xiǎn)大的問題。另外，污泥處理的費(fèi)用問題也亟待解決。
水熱干化技術(shù)與國內(nèi)外同類技術(shù)的比較
目前，污泥改性技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注，污泥改性技術(shù)可以分為改善污泥厭氧消化性能和改善污泥脫水性能兩方面。以實(shí)現(xiàn)污泥細(xì)胞破碎，釋放胞內(nèi)大分子有機(jī)物從而克服污泥厭氧消化固體有機(jī)物水解限速步驟的方式有機(jī)械破碎、超聲波、凍融、臭氧、化學(xué)處理以及臭氧等。以溶解污泥中懸浮固體和揮發(fā)性懸浮固體降低污泥粘度從而提高脫水性能的方式有熱化學(xué)處理和水熱技術(shù)處理。其中，以超聲波為代表的改善污泥厭氧消化的污泥改性技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛的研究。但是，厭氧消化污泥的脫水性能沒有明顯改進(jìn)，滿足不了大量污泥的最終處置。
水熱干化技術(shù)通過將污泥加熱，在一定溫度和壓力下使污泥中的粘性有機(jī)物水解，破壞污泥的膠體結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)改善脫水性能和厭氧消化性能。隨水熱反應(yīng)溫度和壓力的增加，顆粒碰撞增大，顆粒間的碰撞導(dǎo)致了膠體結(jié)構(gòu)的破壞，使束縛水和固體顆粒分離。另外，加熱使污泥中的蛋白質(zhì)分解，細(xì)胞發(fā)生破裂，胞內(nèi)的水分被釋放。經(jīng)過水熱處理的污泥在不添加絮凝劑的情況下機(jī)械脫水的含水率大幅度降低。污泥的水解宏觀上表現(xiàn)為揮發(fā)性懸浮固體濃度的減少和COD、BOD以及氨氮等濃度的增加。
污泥水熱干化技術(shù)相比其它改性技術(shù)來看，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥脫水性能和厭氧消化性能改善，其處理成本比臭氧、超聲波方式低，且不像普通化學(xué)方法需要消耗大量的化學(xué)藥劑，引入新的二次污染，處理后的污泥可以根據(jù)不同地區(qū)的實(shí)際特點(diǎn)，直接用于堆肥、焚燒、填埋等處理處置方式，具有較好的推廣應(yīng)用前景。
污泥水熱干化技術(shù)的特點(diǎn)
1、水熱干化過程改變了污泥中水的形態(tài)
污泥經(jīng)過水熱處理，微生物細(xì)胞破碎、膠體結(jié)構(gòu)和毛細(xì)結(jié)構(gòu)破壞、固體顆粒的表面性質(zhì)改變，使污泥中水與固體顆粒的結(jié)合形態(tài)發(fā)生改變。胞內(nèi)水、毛細(xì)水、結(jié)合水和表面吸附水被大量釋放，從而改善了污泥的脫水性能。
2、水熱干化過程改變了污泥中有機(jī)物的形態(tài)
污泥在熱水解過程中有機(jī)物發(fā)生變化，首先是污泥的固體有機(jī)物不斷溶解、液化；其次，部分溶解性的大分子有機(jī)物還進(jìn)行水解變成小分子物質(zhì)，有效解決了后續(xù)厭氧消化過程中固體有機(jī)物水解限速的問題，有利于提高污泥厭氧消化效率。
3、水熱反應(yīng)過程污泥中的水不發(fā)生相變
污泥的水熱反應(yīng)是在密閉容器內(nèi)進(jìn)行的，盡管水熱處理的反應(yīng)溫度高于蒸發(fā)干燥的溫度，但由于反應(yīng)過程中污泥中的水不發(fā)生相變，系統(tǒng)總體能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蒸發(fā)干燥工藝，這一點(diǎn)是水熱干化技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能的核心。
水熱干化技術(shù)處理污泥的示范工程取得成功
清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系的王偉教授致力于污泥水熱干化技術(shù)研究27年，本著將該技術(shù)應(yīng)用到污泥處理領(lǐng)域以解決我國長期以來污泥肆意堆放、污染環(huán)境的初衷，對(duì)該技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理、工藝條件等進(jìn)行了全面而深入的研究。目前，該工藝系統(tǒng)已經(jīng)較為成熟，同時(shí)通過開發(fā)二次閃蒸換熱技術(shù)，系統(tǒng)能耗也顯著降低，已經(jīng)使實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用成為了可能。
2008年7月，清華大學(xué)、北京健坤偉華新能源科技有限公司受東莞市城市管理局、東莞市市區(qū)污水處理廠委托，以東莞市污水處理廠的市政污泥為處理對(duì)象，根據(jù)國內(nèi)外市政污泥處理處置的技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)可行性，并參照東莞市的具體條件，建設(shè)了污泥水熱干化技術(shù)示范工程。
2009年3月初，業(yè)內(nèi)污泥處理的專家組參觀了示范工程，并且給予了積極的好評(píng)。專家組認(rèn)為，成果完成單位開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的污泥水熱干化技術(shù)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了高效節(jié)能的污泥脫水處理系統(tǒng)，對(duì)于解決污泥含水率高、處置困難的問題提供了重要的技術(shù)選擇。通過實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場中試研究，完成了工藝包開發(fā)、關(guān)鍵設(shè)備研制及系統(tǒng)集成等，建成了日處理30噸污泥（含水率90％）的示范工程，并實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)性規(guī)模的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。該技術(shù)具有系統(tǒng)能耗低、污泥固液分離性能和生物降解性能同步改善的特點(diǎn)。該技術(shù)在工藝設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了以下突破：①開發(fā)的漿化反應(yīng)器，通過閃蒸乏汽返混預(yù)熱漿化、蒸汽與機(jī)械協(xié)同攪拌，提高了系統(tǒng)的處理效率。②在水熱反應(yīng)器中，采用蒸汽逆向流直接混合加熱的方式，強(qiáng)化了傳質(zhì)傳熱過程，可以避免局部過熱結(jié)焦炭化。③在連續(xù)閃蒸反應(yīng)器中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能量的有效回收。
專家們稱，示范工程工藝先進(jìn)、設(shè)備可靠、系統(tǒng)完整，節(jié)能效果和減量化效果突出，在國內(nèi)同類技術(shù)中處于領(lǐng)先水平。專家組一致認(rèn)為，建議推廣應(yīng)用。（中國水網(wǎng) 李建軍）
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