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 HiROS污泥资源化处理处置工艺及装备工程实例

 

姜鹏明 武显亮 李玉鸿

北京绿创生态科技有限公司

一、技术路线的选择

(一)污泥处理的总体形势

伴随着中国的城市化进程以及环境保护力度的不断加大,污水处理厂在相当长的一段时间内会以较快的速度增长。随着大量污水处理厂紧锣密鼓地上马,尾随其后的污泥问题亟须妥善解决。

污泥的妥善处理处置既是环保工作必须面对的棘手问题,也是各固废处理处置企业眼中极具吸引力和挑战性的业务领域。但是我国污泥处置事业长期以来没有得到足够的重视,相关的技术开发特别是产业化工程示范工作基础薄弱,一时间难以为污泥的妥善处理和处置提供权威的可供选用的技术路线,更缺少与政策要求相适应的成套处理设备。

2010年初,住建部副部长仇保兴指出,即将到来的“十二五”,将重点放在污泥处置等方面,应“千方百计地将污泥处置搞上去”,并鼓励污泥无害化后进行土地综合利用。

今年3月住建部和发改委联合发布的《城镇污水处理厂污泥处理处置指南(试行)》(以下简称《指南》)为今后几年我国污泥处理事业的发展明确了方向,明确将污泥土地利用作为污泥的处置的主要方式和鼓励方向。

(二)绿创提出的污泥技术路线选取三原则

污泥处置技术的判定原则首先要符合生态学的基本三原则,也要符合中国的国情。针对目前多种污泥处置技术路线,我们提出采用如下三个原则对污泥的处置技术加以判定和选择:

A) 一致性匹配原则——效率匹配

即污泥的处理技术要与污水处理的工业化、规模化过程相匹配,也即时间空、间匹配。

中国的现实土地资源情况以及城市化的快速进程不可能以更多的空间去消纳大规模污水处理产生的越来越多的污泥。因此以占用大面积土地为特点的填埋、堆肥等工艺很难成为污泥处理的技术选项。又如生化处理工艺,其实质是来源于自然界微生物生化过程的改良(主要是缩短生化处理时间),但产物稳定性差、占地巨大、无法与工业化污水处理规模相适应,大面积的空间处理过程暴露在人居或自然环境中,造成新的环境冲突而易诱发新的矛盾

B) 能级稳定原则——成本匹配

这是“资源回收永远高于能量回收”的根本原因。这一原则归结起来核心就是污泥处置过程中的成本控制问题,要尽可能少的引入额外的能源输入,以降低处置成本,才能够找到真正适合中国国情的处置措施。试图通过改变能量的形式、形态、量级,尤其改变能级,代价必定是消耗更多的能量。往往得不偿失,顾此失彼。

C) 资源循环最短原则——路径匹配

形成污泥的过程实际上也是一个碳汇集的过程,并且可以取得固碳的效果。生活污水本质上来自土壤(植物,动物作为人的食物),污泥处理后回归土壤符合资源轮回最短的生态法则(如HiROS的路线)。变成气态或固态的燃料排入大气是不可取的。作为“建材”,只能是其传统建材的添加剂或部分替代体。添加量少则难匹配污泥的产量,量大又会造成建材品质的降低,形成新的资源浪费。污泥建材最终还要回归土壤。这绕路的代价也是得不偿失。专门生产建材有更适合的材料,而不是污泥。

以上三条原则相辅相成,互联各重,是为整体;且与住建部《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策(试行)》及《指南》的精神高度契合,可以作为选择污泥处理技术路线的依据,也可以作为污泥等有机固废技术开发、投资等的评判参考。

(三)《指南》中关于相关技术的描述以及湿式氧化法的发展

《指南》第四章<污泥处理的单元技术>第六节<其他技术>中提及,“热处理没有氧化剂通入,而湿式氧化需要向反应器内通入氧化剂”,经处理后的污泥“脱水性能大幅度提高,经机械脱水可获得低含水率的泥饼,为污泥的处理和处置提供了基础”;“处理上清液可引入水处理的高效厌氧工艺中,整体提高污泥处理系统效率;污泥中病原微生物在高温高压环境下被彻底杀灭”。

这里提到的湿式氧化法在国外发展已有逾半个多世纪的历史,在美 国、日本以及欧洲得到了很好的应用和发展;在我国,该技术大部分处于实验室研究阶段。因此指南中并未详细给出该技术的具体指标。

根据已有研究,认为湿式氧化工艺具有适用范围广、处理效率高、氧化速度快、占地少、没有二次污染等特点。以湿式氧化法的基本原理为基础发展出很多种应用技术路线。其中部分湿式氧化法(Partial wet air oxidation,简称PWAO)与通常的湿式氧化法不同之处在于,它在处理有机废弃物时,主要是稳定易腐化有机物,如其中的蛋白质,而不是全部氧化。与通常的湿式氧化法相比,部分湿式氧化法主要的优点还包括:

1.反应的温度、压力较低,相应的反应釜造价低;

2.氧化程度较低,因此可以减少压缩空气(或其它氧化剂)用量,节省费用;

3.处理后的产物更易于固液分离,过滤比阻更小;

4.产物无毒害、无恶臭,能作为土壤改良剂或堆肥原料等。

综合以上分析,绿创生态公司正式基于目前市场及政策形势,结合污泥资源化的巨大市场潜力,将传统的湿式氧化法进行改进,使之与资源化的目标相匹配,进而开发成功HiROS污泥高速资源化处理工艺。

二、工艺概述

(一)工艺设计原理

HiROS技术可实现污泥的高速资源化。HiROS(High-rate Recovery of Organic Solid-wastes)技术可实现污泥等有机固废的高速资源化。该技术采用先期氧化与后期还原相结合的工艺,首先将污泥中的易降解有机物(糖类、脂肪、蛋白质等)水解、氧化,使其减量化、无害化,同时释放出能量供工艺回用,然后,将较难降解的木质素、纤维素还原成为高吸附性的物质,与易降解有机物水解氧化得到的部分物质一起制成高品质的有机肥料或肥基,实现资源化。

整个工艺处理过程在密闭的反应器系统中连续进行,采用电加热作为系统的启动热源,处理过程中充分利用反应自身产生的热能,以降低整个系统的能耗。进料中含有杂质或有害物质亦在过程中去除(如各类菌类、重金属等),工艺过程中不产生其他次生污染物。有机垃圾从进入系统到形成资源化产品仅需一个小时的时间,设备的处理能力可以根据需要定制,通常单机处理规模可以从50/天到500/天。

经该技术处理后得到的资源化产品具有很高的吸水及持水性、投入土壤可有效提高土壤的氮磷钾(NPK)的缓释、改良,提高土壤透气、隔热性以及颗粒稳定性。产品可作为高品质有机肥直接使用,也可用于农业面源污染防治、土壤板结贫瘠治理、植被修复、荒漠化治理、水土保持、及其他生态保护等多种用途。

(二)简要工艺流程

一个典型的HiROS工艺流程如图所示,主要包括以下几个功能系统组成:

1、物化预处理单元

该单元主要是完成对污泥的前期调质准备。

首先,来自污泥压滤机脱水后的污泥经输送机送入储罐中待用。在物化预处理器中,根据原料的组成、含量及重金属和其他有害物质的性质与特殊助剂和添加剂混合,完成对物料的配制。配制好的物料,通过物料泵连续输送至高速稳定釜中,供HiROS工艺处理使用。在该单元中,为节约能耗及减少排放,物料的预热或添加水等均使用物料换热和工艺废水。

2、高速稳定处理单元

该单元是HiROS工艺中的核心单元,在该单元中,完成对物料的无害、减量化处置。由物料泵送入高速稳定釜的物料,在一定温度和压力条件下,在催化剂的作用下与进入稳定釜的氧化剂发生系列化学反应,使物料中部分有机质被氧化分解。该单元温度、压力条件均由反应热提供以维持反应的自续进行,反应的启动热依靠外加热源供应,物料在高速稳定釜中经合理的停留时间后,易降解的有机质被氧化分解。反应后的物料依靠自身的压力通过出料口排至强制过滤机将其水分脱出,完成污泥的无害化、减量化处理。

该单元的温度、压力条件使存活于原污泥中的病毒、病菌、寄生虫等有害生物被有效灭活。同时,在此条件下,萃取剂与物料中的重金属发生反应,使物料中的重金属从污泥中进入液相,液相中的重金属可以根据种类及相应的指标要求采用合适的工艺加以去除。

3、高速活化处理单元

该单元的功能是对处理后的污泥进行资源化处置。

在经过高速稳定单元并经脱水后,物料已被无害减量处理,但物料的活性还未被完全有效激活,只能作为一种低效的营养土使用,为了使原存于物料中的NPK及纤维素、有机质转化为能被农作物吸收的高效有机肥基体,HiROS工艺设置了高速活化处理单元。在本单元中,来自高速稳定单元中被软化纤维素的木质素在特定条件下被活化剂打破,使其内部的纤维素、半纤维素充分暴露还原,原存于物料中的有机成分如腐殖酸、NPK被吸附至纤维素微孔中。

在该单元中,物料在这里与助剂混合、反应,发生还原反应。

4、膨化处理单元

该单元的功能是完成物料的膨化,增加纤维素的比表面积,使物料具备高效的保湿、透气功能。

在膨化器中,物料中的纤维素,经膨化后,能够最大程度的裸露出来,使最终产品的吸水性、持水性得到明显的改观,提高有机肥基质的品质。在操作上,使用自动控制系统对膨化器入料器、膨化器、压力调整器控制。膨化后的物料,通过分离设备,脱去水分,达到水分含量的要求后,即可作为本套工艺的产品——肥基。

此外,系统中还包括添加剂配置、水循环利用、能量回收、空气压缩、空气净化等工作单元,整套装备采用集散式中央控制系统进行控制,全自动化操作。

本套工艺生产出的肥基,可作为复合肥的主要成分,可根据需要添加不同的组分,调整生产不同品质的优质复合肥。

三、工程实践——北京南口污水处理中心污泥资源化项目

1、处理量:50t/d,含水率 80%;日产资源化产品:15t/d;设备占地面积:600平方米;


2、处理周期:约1小时,可以做到日产日清;

3、污泥处理电耗:8090kWh/t

4、高速稳定釜操作参数:温度160­220,压力≥1.6MPa,停留时间2030min

5、高速活化釜操作参数:温度130­160,压力≥1.4MPa,停留时间20­30min

6、污泥处理后产物的主要性能指标(基于示范工程):

含水率:≤45%

有机质含量(干基):≥300g/kg

氮磷钾(N+P2O5+K2O)含量(干基):≥90g/kg

PH6­-9

重金属等污染物浓度:满足《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》CJ/T309-2009要求。

 

2011826,住房和城乡建设部科技发展促进中心在北京主持召开了由北京绿创生态科技有限公司研发的“污泥高速资源化工艺”科技成果评估会。评估委员会认为:该技术在污泥部分湿式氧化和活化膨化方面具有创新性,其成套装备水平达到国内领先,具有推广应用价值。