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 污泥加钙干化处理技术应用与评价

左东升 李彩斌 张晓慧 武燕飞 杨永凯

(北京中持绿色能源环境技术有限公司 北京,100192

摘要:随着我国城镇污水处理厂的不断完善,市政脱水污泥的处理处置问题越来越凸显出来。我国大多数污水处理厂产生的脱水污泥含水率高、未经过杀菌处理且机械性能较差不能满足填埋的要求。污泥加钙干化技术作为国家推荐的污泥处理处置技术之一,具有较大的灵活性,可与多种工艺相结合,为现有污水厂污泥系统改造及升级提供了很好的条件,还能为资源化提供有利条件。

 

关键词:加钙干化、填埋、含水率、杀菌、建材利用

 

根据相关数据显示,2009年全国投运城镇污水处理厂1992座,处理污水量280亿立方米,产生含水率80%左右的污泥2005万吨。 随着在建的2000多座污水处理厂陆续投入运行,全国年污泥总产生量将很快突破3000万吨[1]。数量巨大的脱水污泥如未经恰当处理处置进入环境后,会直接给水体和大气带来二次污染,不但降低了污水处理系统的有效处理能力,而且对生态环境和人类的活动构成了严重的威胁。

1 我国污泥处理处置现状分析

根据数据显示,由于受认识、资金、技术和政策等因素的影响,我国的污泥处理处置情况并不理想。城镇污水处理厂的建设往往只注意污水处理要达到排放标准,而对污泥处理和处置,设计中一般只提将脱水污泥外运和综合利用,污泥处理处置单元较为简化甚至没有考虑,产生的污泥随意堆放或去向不明,这势必会造成二次污染,造成了较大的安全隐患。

1.1污泥处理现存问题

鉴于以上原因,城镇污水处理厂产生的大量脱水污泥存在着以下问题:

脱水污泥含水率较高。市政污水处理厂脱水污泥含水率一般约为80~85%,其体积较大,填埋过程大量占用有限的土地资源造成浪费,无形中消减了填埋场的库容,缩短填埋场的使用寿命。《城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋泥质》(CJ/T249-2007)要求污泥进入垃圾填埋场填埋处理时,污泥含水率要小于60%;作为垃圾填埋场覆盖土时,含水率要小于45%。同时,含水率较高的污泥会阻塞填埋场的渗滤液及沼气收集管道,造成渗滤液及沼气无法正常排除,造成填埋层凹凸不平,甚至会造成爆炸的危险。

脱水污泥抗剪及承压能力较差,不能满足填埋要求。含水率80%左右脱水污泥仍具有良好的流动性,无法承受填埋设备在其上面行走,造成设备深陷泥中,影响填埋场正常运行。这也是许多垃圾填埋场不愿接收脱水污泥的主要原因之一。我国《城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋泥质》(CJ/T249-2007)规定作为垃圾覆盖土的污泥其横向抗剪要大于25KN/m2;国外相关规定更加严格。

脱水污泥未经过卫生处理,泥中含有大量的微生物,特别是病原菌的存在,使得污泥成为疾病传染源头之一。同时,污泥在堆置过程中会发出大量臭气,影响周边环境。

1.2 我国污泥处理处置现状

目前,我国运营的以及在建的城市污水处理厂中,污泥处理处置以卫生填埋为主流方式,在所有的污水处理厂污泥处置方式中所占的比例达到63.3%,而堆肥处置工艺占14.6%,建材利用只占2.3%,个别污水处理厂采用焚烧、排海及自然干化处理[2]。污泥处置工艺分析如下图所示。

1 我国运营及在建城市污水处理厂污泥处理处置工艺

2 污泥加钙干化技术原理

我国污泥处理处置的基本方针是减量化稳定化无害化资源化,而现有大部分污水处理厂污泥处置工程建设滞后,基本不能满足污泥处理处置的卫生学指标,造成污泥污染环境状况较普遍。因此,污泥的无害化处理已成为当务之急。污泥加钙干化技术即可满足以上要求。

2.1 加钙干化技术原理

污泥的加钙干化是指将生石灰(CaO)与脱水污泥进行混合,利用生石灰和水在环境温度下的水和反应热,形成蒸汽,从而降低含水率的目的。另一方面,通过石灰与水反应产生的热量以及pH值的提高,对混合器中的全部污泥进行消毒杀菌。化学反应如下:

1kg CaO+0.32kg H2O→1.32 kg Ca(OH)2+1177kJ

根据这一反应,每投加1公斤的氧化钙有0.32kg的水被结合成为氢氧化钙,反应所生成的热量约相当于蒸发约0.5公斤水所需要的热量,即每向污泥中投加1公斤的氧化钙就可以消耗掉约0.82kg的水,从而大大降低污泥的含水率。而后,生石灰与水反应生成的氢氧化钙,还会继续与空气中CO2以及污泥中的其他物质如重金属离子、无机离子、有机酸、脂肪等发生反应。通过以上反应,污泥中臭味物质得到分解。同时,由于在高温、碱性环境下细胞壁发生破壁作用,从而将细胞内水释放出来,也为水份的进一步蒸发创造了条件。加钙干化的反应过程及反应结果如图2所示。

同时,生石灰与水反应后产生了碱性环境,可以杀死大量微生物,以及将NH4+转化为氨气并释放出来。从污泥中释放出的含NH3气体必须进行处理,否则会造成二次污染。

2 加钙干化反应过程及反应结果

2.1 加钙干化技术处理效果

污泥通过加钙加钙干化后可以得到如下结果:

污泥含水率进一步降低,可以从80%降低至60%以下(据生石灰投加量而定),由于石灰的加入,体积略有增加,但总质量会下降;

反应热形成的高温和较高pH可以杀死大量病原菌,如沙门氏菌和大肠杆菌;

改善污泥机械性能。石灰与污泥混合反应后,污泥的细胞壁被大量破碎,促进了污泥中非自由水向自由水转化,有利于水分的蒸发及后续处理;伴随着污泥含水率的降低,还可能形成污泥的颗粒化,从而改善储存和运输条件,避免二次飞灰、渗滤液泄漏;

钝化部分重金属离子。投加一定量的氧化钙使污泥呈碱性,在特定碱性条件下,部分金属离子会形成无害的化合物,达到钝化重金属离子的效果。

污泥加钙加钙干化技术作为污泥处理处置的强化预处理工艺,主要适用于进一步降低污泥的含水率,改善卫生性状等情况。其可以灵活地与其他多种工艺进行衔接,加钙加钙干化后的污泥可以卫生填埋、土地利用、焚烧处理、建材利用等,其应用范围较广。

3、污泥加钙干化技术的应用

3.1国内外相关规定

由于污泥加钙稳定技术可以降低含水率和杀菌等功能,在欧美等发达国家一直被认为是污泥处置的必要中间环节。该技术已经发展较为成熟,且均有明确的规定:

美国联邦政府对城市污泥的土地利用有严格的规定,在《有机固体废弃物(污泥部分)处置规定》中,将污泥分为A B 两大类,脱水污泥经高温堆肥、无菌化处理后各项有毒有害物质指标达到环境允许标准的为A类,可作肥料、园林植土、生活垃圾填埋坑覆盖土等;经脱水或部分脱水简单处理的为B 类污泥,只能林业用土,不能直接用于改良粮食作物耕地。为保证污泥良好的杀菌效果,生石灰的投加量要满足维持30min内污泥的反应温度均在70℃以上,或者能够使得污泥2小时内的pH维持在12以上(WEF, 1998[3]

欧盟则将加钙稳定技术视为一种预稳定化工艺,用以维持特定的条件来防止有机物的分解与反应(如pH和干度)。预稳定化可以减少污泥储存过程中的气体排放、提高污泥的可处理性及进行消毒。当使用生石灰对脱水污泥进行消毒处理时,应满足在55℃温度下维持24小时,pH值高于12度等(参见EN12176[4]

我国在加钙加钙干化技术方面也有较为深刻的认识,建设部于20094月下发的《城镇污水处理厂污泥处理技术规程》(CJJ/131~2009),其中对污泥石灰干化处理设施要求及石灰投加量进行了相应的规定。同时,指出石灰污泥的pH及维持时间规定应满足:接触反应2h后,pH值升高到12;在不过量投加石灰的情况下混合物的pH应维持在11.5以上24小时。

3.2工艺种类及分析

目前常用的加钙加钙干化工艺主要有以下几种:

 

BIO*FIX工艺

N-Viro Soil工艺

Chenpost工艺

RDP En-Vessel巴氏杀菌

3 加钙稳定化技术工艺

BIO*FIX工艺是由Wheelabrator净水公司BIOGRO分公司推向市场的专利碱稳定工艺。该工艺可利用同一装置中生产出多用途产品,能有效地控制气体挥发物和臭味,且占地面积小。但该工艺增加了质量/体积比(相对于进入的脱水污泥,质量提高了15%~30%)。当满足美国EPAA类标准时,费用相对较高。

N-Viro Soil工艺是使用石灰和窑灰的专利后加钙干化工艺,该工艺质量稳定,可固定重金属,且运行费用较低,产品的资源化应用包括石灰化药剂、垃圾填埋覆盖物和土壤补充剂等。其主要缺点是增加了产品质量/体积比,且设备较大,臭味控制费用较高;

Chenfix工艺是使用石灰、波特兰(Portland)水泥和溶解性硅酸钠凝硬性化合物与污泥进行混合反应。该工艺可以生产可回收利用产品,但是系统较复杂、运行费用较高,受产品销售影响较大。

RDP En-Vessel巴氏杀菌工艺由美国RDP公司开发研制,该工艺包含生石灰与脱水污泥的混合和辅助加热混合物(通常是电加热)两部分。该工艺运行稳定,杀菌率较高,但设备运行费用较高。

SG-MixerDrum®污泥加钙干化处理技术是北京中持绿色能源环境技术有限公司开发研制的,是根据生石灰与污泥中水分反应的进程与条件,将快速混合与慢速干燥进行有机的结合,使得干化效果更佳,石灰使用量更省。

综上所述,无论是哪种工艺,均能降低脱水污泥的含水率,大量减少有机物组份,达到了降低含水率和卫生化的目的,同时产品可均适宜用于制造建材产品如水泥、路面砖等,也可以农用、填埋或焚烧。

3.3工程应用

污泥加钙干化技术在美国、欧洲都有大量的应用,而我国污泥加钙干化技术还刚处于起步阶段,工程应用较少。目前已建成运行的项目有北京市排水集团方庄污水处理厂污泥石灰干化工程[5]、小红门污水处理厂污泥加钙干化工程,以及河北省廊坊市经济开发区污水处理厂污泥加钙干化系统工程。以上工程对于我国污泥加钙加钙干化技术的应用与推广具有重大的示范意义。

20108-12月,北京中持绿色能源环境技术有限公司采用具有自主知识产权的“SG-MixerDrum®污泥加钙干化处理技术”为廊坊市凯发新泉污水处理厂、香河县三强污水处理厂、大厂回族自治县城区污水处理厂、固安县城区污水处理厂、永清县污水处理厂、文安县城区污水处理厂等6家污水处理厂提供污泥加钙干化设计、设备供货与安装、工程施工及调试等服务,为廊坊市环保模范城建设提供了有力的支持。

4 污泥加钙干化技术评估

通过污泥加钙干化技术在我国的实际应用,可以在以下几个方面进行技术评估:

该技术可以降低污泥含水率至60%以下,具有较强的杀菌能力,大大改善了污泥机械性状,出泥满足卫生填埋的要求。这就为国内大多数城镇污水处理厂提供了一个在不改变现有污泥处理工艺及设备的前提下,只增加少量设备即可达到国家要求的卫生填埋要求的条件,适合现阶段国内以填埋为主的污泥处理处置现状。

该技术运行费用相对较高。总成本根据投加石灰量及石灰价格的不同,在90~150/t湿泥之间,远高于卫生填埋与污泥堆肥。但相对于焚烧、热干化等还是有一定的优势。造成费用较高的主要原因以下有两个:a污泥加钙干化化需要投加大量的活性生石灰(活性度一般大于290),该种石灰价格价高,且地域分布受限制;b加钙稳定化后的污泥需要足够堆放时间,这就增加成品泥的堆放场建设,增加了成本。

加钙干化技术与其他污泥处理处置技术如建材利用等结合后效果更佳。根据国家水泥基材料科学重点实验室的检测结果,加钙稳定化处理后污泥所含的化学成分及矿物组份可替代石灰原材料,用于制造建材产品如砖、水泥、道路施工等用途。这也需要国家及相关部门出台相关的激励措施,大力推进该组合技术的发展[6]

该技术只是污泥处置的强化预处理,应根据污泥的最终处置确定是否选加钙干化技术。污泥的最终处置方法决定了污泥的处理方式,如果没有最终的去处,污泥处理只是污染的不断转移,而不是最终的消除。因此,我们应该因地制宜并结合本地区的发展规划来选取最为适宜的污泥处理处置方式,不宜盲目追求污泥处理的资源化。

加钙干化技术在重金属钝化方面需要注意反应过程中的pH值。通过难溶金属氢氧化与pH关系曲线(见图3)可以看出,当满足杀菌效果所要求的pH=11.5后,多种难溶氢氧化物离子如PbCrNiZnCuAg等重金属会析出,在污泥的堆放过程中会再次渗滤出来,造成二次污染。因此,污泥加钙干化过程中的重金属钝化作用需密切注意和控制污泥的pH值。

4 难溶金属氢氧化物与pH关系曲线

5干化后污泥资源化利用

污泥加钙干化后的污泥含水率大大降低、性能得到改善,经检测满足《城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋用泥质》(GB/T23485-2009)、《城镇污水处理厂污泥处置  制砖泥质》(CJ/T2912008)、《城镇污水处理厂污泥处置 水泥熟料生产用泥质》(CJ/T314-2009)相关要求。可以根据当地的实际要求,污泥可以进行卫生填埋处理,并留有接口为将来进行制砖、路基填料、水泥熟料等建材利用提供有利的条件,可作为矿山等改良剂,也可作为后续焚烧、填埋等处置的前处理。通过生产性试验可知:

干化污泥与粘土等原材料按<10%的配比混合后可生产合格的普通烧结砖,经检测抗压强度符合MU15级,范霜符合优等品,冻融试验合格,5h煮沸吸水率、饱和系数符合严重风化区技术指标。产品可做内隔墙、护墙、称重墙体、地下或防潮基础等(含严寒、严重风化区)。

干化污泥与原位土按<10%的配比的混合土样,其液限、塑性、颗粒、最大干密度、最优含水率、有机物等均满足《公路路基设计规范》(JTGD302004)的要求,可作为公路路基填料进行使用。

20047月,北京高碑店污水处理厂曾利用加钙稳定化方法处理污泥,后将其运至北京顺义水泥厂,成功烧制了3000吨水泥。这说明干化污泥经过适当处理,完全可以满足建材需求。[5]

6 工程应用成果

通过6个工程的建设与运行,从中可以得到以下几点结论:

污泥加钙干化技术可以实现脱水污泥的干化、无害化、稳定化,为资源化提供有利条件;

系统干化效果明显,出泥呈颗粒化,便于运输及贮存,资源化条件良好;

系统占地省,不需二次征地,可利用脱水机房旁空地进行建设;

系统投资较小,吨投资远低于焚烧、热干化,略低于堆肥;

该技术的直接运行成本较低,电能消耗较小,直接运行成本小于100/t湿泥(含水率80%);

系统操作简单、运行稳定、检修维护量低。

7 结论与建议

污泥加钙稳定处理技术非常适合我国现有城镇污水处理厂污泥处置系统的升级改造,以满足国家关于污泥处理处置的要求;

加钙稳定处理技术要结合污泥的最终处置、因地制宜进行选用;

加钙干化处理后的污泥经检测满足制砖、水泥熟料等建材利用,路基填料,卫生填埋覆盖土等要求,但需要国家及相关行业出台有效的激励措施;

可以通过调整运行参数、降低脱水污泥含水率、投加其他添加剂来降低生石灰的使用量,以此进一步降低直接运行成本。

 

参考文献

[1~2].我国污泥处理处置市场报告[M],中国水网. 2009,2

[3].赵丽君,张大群,陈宝柱.污泥处理与处置技术的进展[J]. 中国给水排水,2001. 17:6-8

[4].李金红,何群彪.欧洲污泥处理处置概况[J].中国给水排水,2005. 21(1):101-105

[5].张水英,张辉,甘一萍,.城市污水处理厂污泥石灰稳定干化工艺应用研究[J]. 净水技术2009,281):75-77

[6].王钊. 北京污水处理厂污泥干化处理工艺选择的探讨[J]. 市政工程,2004,22(6):374-378

 

 

 

作者简介:左东升(1980~  ),男,河北承德人,中级工程师,主要从事市政污泥处理处置及相关研究。E-mail:zuodongsheng@zchb.net

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