摘要：介紹污泥處理單元與處理處置途徑，從物質(zhì)和能量流角度對(duì)不同工藝組合加以分析并結(jié)合中國(guó)目前情況加以討論。

關(guān)鍵詞：污泥；處理；能量流；物質(zhì)流；優(yōu)化

1背景

關(guān)于污泥處理處置不同對(duì)策的討論與爭(zhēng)議通常遠(yuǎn)比對(duì)污水處理工藝的探討要激烈和復(fù)雜得多。除了商家利益和設(shè)計(jì)、決策者所處的部門(mén)局限等主觀因素外，污泥處理處置不僅涉及多個(gè)環(huán)節(jié)而且在短期和長(zhǎng)期規(guī)劃、最終去向等方面與很多邊界條件和政策導(dǎo)向相關(guān)。

通過(guò)對(duì)不同處理手段的組合、相應(yīng)的物質(zhì)和能量流分析，并對(duì)投資和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行比較，�？蓪�問(wèn)題和討論更客觀化。

本文根據(jù)一些實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)對(duì)不同工藝組合的物質(zhì)流和能量流加以分析并結(jié)合中國(guó)目前情況加以討論。

2 工藝組合

圖1簡(jiǎn)單綜合了歐洲較為常用的污泥 處理、處置或利用的途徑。所涉及的單元操作將在下節(jié)分別介紹。

3 單元操作及物質(zhì)與能量流特征

3.1 生物穩(wěn)定化

通過(guò)穩(wěn)定化處理，污泥被進(jìn)一步無(wú)機(jī)化、減量化，而且脫水性能得到改善。處理后的污泥，由于降低了產(chǎn)氣潛能從而可以更好地貯運(yùn)。出于簡(jiǎn)化工藝，歐洲小型處理廠(chǎng)（500～20,000人口規(guī)模）有較多采用好氧工藝，而大一些的污水處理廠(chǎng)考慮能量回收和運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)化則采用厭氧工藝1。

采用焚燒處理手段時(shí)，消化作為一個(gè)中間單元操作來(lái)說(shuō)所要達(dá)到的目的就簡(jiǎn)化為減量、便于中間儲(chǔ)存和改善機(jī)械脫水性能，至于消化的其它功能，比如污泥中有機(jī)物含量是否對(duì)焚燒有利，以及建造消化系統(tǒng)的投資對(duì)污泥處理系統(tǒng)總的影響，則要與其它單元操作綜合起來(lái)統(tǒng)一考慮。

在厭氧消化污泥的過(guò)程中，一部分干物質(zhì)轉(zhuǎn)化成沼氣，可用于發(fā)電、制備熱水或低壓蒸氣、作為燃料供給發(fā)酵系統(tǒng)保溫或作為污泥干燥和污泥焚燒時(shí)的輔助燃料。

厭氧消化過(guò)程所需要的能量主要是污泥輸送和攪拌的電能，以及污泥升溫及消化池的保溫。目前中國(guó)對(duì)消化設(shè)施運(yùn)行數(shù)據(jù)的總結(jié)和報(bào)道尚較少。圖2是根據(jù)德國(guó)工程數(shù)據(jù)歸納的結(jié)果2。計(jì)算中假設(shè)處理前干污泥中灼燒揮發(fā)份占65%，揮發(fā)份的熱值是22000KJ/kg，消化后灼燒揮發(fā)份減少50%。重力濃縮污泥的濃度、消化溫度均會(huì)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

3.2 機(jī)械脫水與干燥

機(jī)械脫水的效率在沒(méi)有仔細(xì)考慮污泥處置和片面強(qiáng)調(diào)一次性投資的節(jié)省時(shí)常常被忽視，絕大多數(shù)情況下，機(jī)械脫水脫水率的增加對(duì)后續(xù)處理處置費(fèi)用的減小至關(guān)重要。

污泥可被部分干燥或全部干燥。干物質(zhì)含量超過(guò)92%的污泥可視為無(wú)生物活性，并可長(zhǎng)期儲(chǔ)存。特別是對(duì)于規(guī)模較大的污水處理廠(chǎng)，干燥所需能量的來(lái)源常常是干燥應(yīng)用的最大制約。德國(guó)上世紀(jì)90年代約有120多家污泥干燥廠(chǎng)，這些裝置大約可處理市政污水處理設(shè)施污泥產(chǎn)生量的10%，單體處理規(guī)模遠(yuǎn)小于中國(guó)污水處理廠(chǎng)平均規(guī)模。由于嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)限制，實(shí)際常采用間接熱交換工藝。

圖3給出污泥干物質(zhì)中不同揮發(fā)性固體物含量與污泥干物質(zhì)含量及污泥低位熱值的相關(guān)關(guān)系。計(jì)算中假設(shè)灼燒揮發(fā)份的熱值為22,000KJ/Kg，圖中還標(biāo)出了污泥干燥時(shí)不同初始干物質(zhì)含量及干燥后干物質(zhì)含量與干燥所需最小理論熱量。

污泥的機(jī)械脫水是進(jìn)一步處理的重要前提。如果將焚燒或其它熱處理作為最終處理手段，則要求機(jī)械脫水效率盡可能高，因?yàn)闄C(jī)械脫水每處理一噸含水污泥需要1—2kwh 的能量（電能），而干燥時(shí)不僅需要一部分電能，而且需要大量的熱能用于水的蒸發(fā)。圖4概括了污泥脫水、干燥的基本能量流2。

特別需要注意的是干燥過(guò)程中被蒸發(fā)出來(lái)的水分含有較高濃度的氨氮。通常的做法是將冷凝下來(lái)的水排到污水處理廠(chǎng)進(jìn)行處理，從而在不同程度上增加了進(jìn)水的氨氮負(fù)荷。

3.4 殺菌與固化

利用氧化鈣和添加其他材料或工業(yè)廢物，如水泥、粘土、石粉、飛灰和煙氣凈化的粉塵等對(duì)脫水污泥進(jìn)行殺菌和固化處理西方國(guó)家在上世紀(jì)六、七十年代作了較多的應(yīng)用研究，包括處理后的填埋性能與工藝。雖然近20多年來(lái)這一處理手段在專(zhuān)家學(xué)者的視野中幾乎消失，但不能忘記的是即使在西歐的發(fā)達(dá)國(guó)家尚有較大比例的污泥以填埋作為最終處置手段，而填埋前通常經(jīng)過(guò)殺菌和固化處理。

除了衛(wèi)生學(xué)上的意義外，氧化鈣與含水污泥混合，在與水分子反應(yīng)的同時(shí)放熱并使一部分水分蒸發(fā)。加入氧化鈣后污泥含水率降低、硬度增加。少量的鋁鹽和（或）磷酸鹽的添加可以進(jìn)一步增加污泥的硬度。

該操作單元的另一個(gè)重要作用在于污泥的改性：無(wú)形狀的和塊狀的污泥在適宜的混合器中進(jìn)行固化處理后形成流動(dòng)性良好的顆粒，由于去除了生物活性從而易于堆積、儲(chǔ)存和運(yùn)輸。

這一單元操作的關(guān)鍵在于混合。原始的處理裝置是在蝸桿輸送機(jī)中加入鈣粉，因?yàn)槲锪现唤?jīng)過(guò)推送過(guò)程所以混合不均勻（耗鈣粉多、混合不均勻，效果差）同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)污泥性狀的改善�，F(xiàn)代的混合設(shè)備采用混合器中特制的絞刀使污泥破碎并流態(tài)化，處理后的物料（污泥）變成流動(dòng)性良好的顆粒。這種形式的處理在德國(guó)得到普遍應(yīng)用。

圖5是一個(gè)簡(jiǎn)化的污泥固化的框算。

該處理單元的作用主要為以下幾點(diǎn)：

(1)   單組分或與垃圾混合填埋的預(yù)處理；

(2)   酸性土壤的改良；

(3)   污泥熱干燥的替代方案；

(4)   污泥焚燒爐或工業(yè)窯爐焚燒的預(yù)處理（加入的氧化鈣起一定的脫硫劑作用）；

(5)   改善儲(chǔ)存和運(yùn)輸。

3.5農(nóng)業(yè)利用和土壤改良

污泥農(nóng)業(yè)利用或用作土壤改良有幾種不同的形式，如在極小型污水處理廠(chǎng)經(jīng)生物穩(wěn)定化處理后的濃縮污泥直接農(nóng)用，經(jīng)機(jī)械或加熱脫水后的污泥農(nóng)用、堆肥等。從物質(zhì)流角度看，污泥富含營(yíng)養(yǎng)鹽，回歸農(nóng)田可以使農(nóng)業(yè)、食品、廢物構(gòu)成良性循環(huán)。遺憾的是，現(xiàn)代城市混合排污系統(tǒng)使得污泥成分復(fù)雜，因此農(nóng)用在安全性方面有一定的局限，而用于綠化和土壤改良雖然更為適宜，但由于政策和組織管理方面的原因難以實(shí)施。

3.6污泥焚燒與煙氣凈化

焚燒分為污泥單組分焚燒和混合焚燒。前者最主要的工藝形式是靜態(tài)流化床�；旌戏贌�包括：

(1)   垃圾焚燒廠(chǎng)在垃圾中混入少量污泥；

(2)   電廠(chǎng)混入少量污泥；

(3)   工業(yè)窯爐（如水泥廠(chǎng)）等。

由于垃圾焚燒廠(chǎng)煙氣的排放要求與污泥焚燒一樣，所要考慮的因素更多是對(duì)策、工藝和費(fèi)用的優(yōu)化，比如垃圾焚燒爐排爐在加入過(guò)量污泥后，過(guò)量的污泥會(huì)通過(guò)爐排泄漏，導(dǎo)致焚燒不完全，以及污泥會(huì)增加煙氣中的飛灰從而超過(guò)垃圾焚燒爐及鍋爐設(shè)計(jì)的允許值等。爭(zhēng)議最大的是電廠(chǎng)和工業(yè)窯爐的混合焚燒，因?yàn)殡姀S(chǎng)和工業(yè)窯爐排放標(biāo)準(zhǔn)較低，污泥中的污染物混入后被稀釋?zhuān)�而重金屬、二惡英的監(jiān)測(cè)又很復(fù)雜并難以監(jiān)控。這個(gè)議題較大，限于篇幅本文不再展開(kāi)。

所謂焚燒過(guò)程能夠自燃，并不是單純指焚燒過(guò)程不需輔助燃料，而同時(shí)包括：必須要達(dá)到對(duì)污染物，主要是有機(jī)污染物的充分消除。這里不僅指氣相（煙氣），而且指固相（飛灰及爐渣），同時(shí)達(dá)到系統(tǒng)殘余固體物的高度穩(wěn)定化。在設(shè)計(jì)和實(shí)施污泥焚燒處理時(shí)需優(yōu)化空氣預(yù)熱系統(tǒng)、能量回收系統(tǒng)和輔助燃料系統(tǒng)。焚燒過(guò)程能否夠自燃除了與污泥本身（含水率，干物質(zhì)的熱值）有關(guān)外，還與設(shè)計(jì)的燃燒空氣過(guò)剩系數(shù)、空氣預(yù)熱溫度有關(guān)。

焚燒后污泥中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成煙氣中的熱能，其中一部分隨熱回收后的煙氣排放而損失掉。熱能回收后的主要利用途徑為

(1)   燃燒空氣的預(yù)熱；

(2)   污泥預(yù)干化（提高熱值）；

(3)   發(fā)電或輸出熱水、蒸汽。

前兩項(xiàng)完全是焚燒系統(tǒng)的“內(nèi)耗”。由于煙氣組分比常規(guī)電廠(chǎng)要復(fù)雜，所以一般鍋爐蒸汽壓力不超過(guò)50bar，以發(fā)電為最大目的設(shè)計(jì)，蒸汽熱能變成電能的效率約為25%，遠(yuǎn)低于電廠(chǎng)。

焚燒和煙氣凈化消耗的電能主要是燃燒風(fēng)機(jī)和煙氣引風(fēng)機(jī)。

4以焚燒為最終處理的工藝組合與比較

4.1工藝組合

表1列出幾個(gè)以焚燒為最終處理的工藝組合。以下為以實(shí)際工程為基礎(chǔ)的幾個(gè)方案比較，重點(diǎn)是物質(zhì)流與能量流的量化，由此可進(jìn)一步確認(rèn)設(shè)施的復(fù)雜程度、大小與費(fèi)用。

計(jì)算中采用統(tǒng)一的基數(shù)：

(1)   原始人均污泥產(chǎn)生量為每人每天80g；

(2)   污泥的干物質(zhì)中灼燒揮發(fā)物含量為65%；

(3)   灼燒揮發(fā)物中有50%可通過(guò)厭氧消化得到降解；

(4)   灼燒揮發(fā)物的低位熱值為22,000kJ/Kg。

表1： 幾個(gè)以焚燒為最終處理的工藝組合
 

組合代號(hào)	是否有厭氧消化工藝	機(jī)械脫水后TS含量%	半干化后TS含量%	燃燒空氣預(yù)熱℃	焚燒特征
Fl30Tr37Vw	有	30	34	500	自燃
Fl30Tr48	有	30	48	不需	自燃
Fl37Vw	有	37	無(wú)干化	500	自燃
F25Vw	有	25	無(wú)干化	500	需輔助原料
25Tr30Vw	無(wú)	25	30	500	自燃
25Tr40	無(wú)	25	40	不需	自燃
30Vw	無(wú)	30	無(wú)干化	500	自燃
20Vw	無(wú)	20	無(wú)干化	500	需輔助原料
Fl30Tr95	有	30	95	不需	自燃
25Tr95	無(wú)	25	95	不需	自燃

方案Fl30Tr37和Fl30Tr48污泥消化后機(jī)械脫水至固體物TS含量30%（如通過(guò)離心脫水機(jī)實(shí)現(xiàn)），如果通過(guò)半干化（或加CaO）將固體物含量進(jìn)一步增加，在固形物TS含量為37%時(shí)（半干化），通過(guò)將燃燒空氣預(yù)熱到500℃便可自燃。如果TS含量進(jìn)一步提高，達(dá)到48%時(shí)焚燒爐不需對(duì)燃燒空氣預(yù)熱便可自燃。

如果機(jī)械脫水僅將TS提升到25%（Fl25Vw），即使對(duì)燃燒空氣預(yù)熱，也仍需輔助燃料。

未經(jīng)消化的污泥脫水至TS30%（25Tr30Vw和30Vw），系統(tǒng)通過(guò)預(yù)熱燃燒空氣可自燃。

方案Fl30Tr95和25Tr95將污泥全干化至TS95%，所需熱源可來(lái)自煙氣的熱回收或污泥消化的沼氣。

4.2物質(zhì)流與設(shè)備規(guī)模

焚燒煙氣量和干燥蒸發(fā)的水量分別是焚燒設(shè)備和熱蒸發(fā)干燥設(shè)備規(guī)模的重要指標(biāo)。圖6將這兩個(gè)指標(biāo)列出2。由于污泥消化已將部分可燃物降解，所以煙氣量均低于未消化污泥。如果機(jī)械脫水率高（Fl37Vw，F(xiàn)l25Vw,和30Vw），僅通過(guò)預(yù)熱燃燒空氣便可實(shí)現(xiàn)自燃，不需要中間的干化。
 

4.3熱能

圖7列出焚燒前系統(tǒng)所需的熱能以及從沼氣和煙氣中可回收的熱能2。從中可以看出消化過(guò)程回收的熱量在假定的消化條件下有一大部分又用于系統(tǒng)的保溫。除機(jī)械脫水率低的20Vw方案外，所有其它方案均可不同程度地回收熱能。計(jì)算中假定沼氣和煙氣的熱能回收率為75%，在全干化的兩個(gè)方案中（Fl30Tr95和25Tr95）取90%（相當(dāng)于電廠(chǎng)熱回收率）。
 

4.4 電能

圖8為系統(tǒng)電耗2，在30-65KJ/人·天這樣一個(gè)范圍。圖7中過(guò)程剩余熱能在150-400KJ/人·天之間（20Vw除外）。取沼氣轉(zhuǎn)化電能30%，煙氣熱能轉(zhuǎn)化為電能的25%，則剩余熱能理論上所能轉(zhuǎn)化的電能便與系統(tǒng)耗電在一個(gè)數(shù)量級(jí)上了。實(shí)際的系統(tǒng)中考慮到穩(wěn)定性通常要有一定的余量，一次性投資的局限等，所以污泥焚燒過(guò)程的能量回收未必完全抵消系統(tǒng)的能耗。
 

圖9給出以發(fā)電為最大目的發(fā)電量比較2。
 

在有消化的工藝組合中，發(fā)電量絕大部分來(lái)自沼氣發(fā)電。Fl25Vw,20Vw以及全干化方案的發(fā)電量較高是因?yàn)檩斎肓送饨绻┙o的能量。如果燃料計(jì)價(jià)低而發(fā)電量又有較好的補(bǔ)貼，則過(guò)程會(huì)有盈利，盡管同樣的燃料用在發(fā)電效率高的常規(guī)電廠(chǎng)從能源利用效率上看更有意義。

二個(gè)全干化+焚燒的方案（Fl30Tr95和25Tr95）如果利用電廠(chǎng)的剩余熱能進(jìn)行干燥，干化后的污泥替代常規(guī)燃料，從能量的角度看是有意義的。實(shí)際中，除了以上所提及的污染物排放問(wèn)題外，運(yùn)輸以及干燥后冷凝水的去向等又成了新的問(wèn)題。

5 討論

本文所涉及到的定量描述以歐洲污泥的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和污泥處理工程實(shí)踐為依據(jù)，試圖指出污泥問(wèn)題的系統(tǒng)性以及不同操作單元之間的物質(zhì)與能量的相互關(guān)聯(lián)，而其中定量化的結(jié)論與假設(shè)的邊界條件有關(guān)。關(guān)于單元操作和工藝組合的描述與分析可以引出以下啟示：

(1)         污泥問(wèn)題涉及方方面面，如果將某一個(gè)或幾個(gè)單元操作的結(jié)論擴(kuò)展到全系統(tǒng)，就勢(shì)必會(huì)容易以偏概全。 在規(guī)劃和設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)過(guò)程的物質(zhì)和能量流進(jìn)行分析可以使決策更科學(xué)化。

(2)         無(wú)論從衛(wèi)生要求還是減量化和能量回收的角度，污泥厭氧消化在污泥處理處置系統(tǒng)中應(yīng)得到更多重視。污泥消化遇到的問(wèn)題常常是發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)（反應(yīng)中細(xì)胞壁的障礙使得水解過(guò)程過(guò)長(zhǎng)），管理技術(shù)要求高等。近十多年歐洲污泥消化之前的預(yù)處理技術(shù)與工藝可以緩解這一問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)注意引進(jìn)。

(3)         上面的分析顯示，半干化如果作為焚燒的預(yù)處理，是否需要以及干化的程度主要取決于焚燒的系統(tǒng)優(yōu)化。如果作為填埋的預(yù)處理或者作為污泥運(yùn)往異地的污泥焚燒廠(chǎng)之前的預(yù)處理，在經(jīng)濟(jì)性和能耗方面存在很大的局限性。這時(shí)殺菌固化在絕大多數(shù)情況下會(huì)更經(jīng)濟(jì)、有效、合理。

(4)         現(xiàn)代污水處理廠(chǎng)污水處理及污泥脫水和穩(wěn)定化的耗電約在250kJ/人.天2。如果不加輔助燃料的話(huà)，由上面的分析可看出，沼氣、焚燒的電能回收小于均小于這一數(shù)值。也就是說(shuō)，污水污泥處理是個(gè)凈耗能的過(guò)程。

(5)         焚燒在減量化方面有明顯優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)該對(duì)其在能量回收上所起的作用進(jìn)行客觀估價(jià)。減量伴隨著污染物的富集，煙氣凈化的副產(chǎn)物屬于特殊固體廢棄物。

(6)         焚燒是否是中國(guó)目前要普及的對(duì)策，應(yīng)在多方面加以考慮。國(guó)際上, 如前西德國(guó)，50萬(wàn)以上人口的城市均有至少一個(gè)污泥焚燒廠(chǎng)，但另一方面，西德超過(guò)50萬(wàn)人口的城市幾乎屈指可數(shù)，而垃圾焚燒廠(chǎng)約有60個(gè)。如果中國(guó)垃圾的對(duì)策仍以衛(wèi)生填埋為主的話(huà)，追求污泥焚燒似乎就不對(duì)稱(chēng)。(7)         將經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單機(jī)械脫水后的污泥進(jìn)行填埋會(huì)給填埋場(chǎng)造成很大壓力，上面介紹的污泥殺菌與固化在中國(guó)幾乎沒(méi)有實(shí)施。在衛(wèi)生填埋仍為垃圾處置的重要趨勢(shì)和有限的資金更多要投向完善管網(wǎng)和提高污水處理率的大環(huán)境下，殺菌固化和衛(wèi)生填埋不失為一個(gè)務(wù)實(shí)的解決途徑。

過(guò)去的幾十年中污水處理技術(shù)不斷完善，但污泥問(wèn)題即使在發(fā)達(dá)國(guó)家也仍然是一個(gè)難以解決的問(wèn)題。從物質(zhì)和能量流角度對(duì)污泥處置的思考自然會(huì)涉及污水的來(lái)源與最終歸宿的問(wèn)題。污水處理主要解決的是好氧有機(jī)物的降解和營(yíng)養(yǎng)鹽的去除，前者是能量攜帶體，但通過(guò)消耗能量的生化好氧過(guò)程轉(zhuǎn)變成二氧化碳被排放。營(yíng)養(yǎng)鹽氮、磷的去除也需要消耗能量，剩余的一部分隨出水流走進(jìn)入水體，一部分留在污泥中。污水處理廠(chǎng)污泥由于成分復(fù)雜，資源回收很困難.現(xiàn)代的污水排放模式幾乎完全截?cái)嗔耸称罚瓘U物－農(nóng)業(yè)的物質(zhì)循環(huán)。污水中大部分的有機(jī)物和絕大部分營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)自糞尿， 近年來(lái)國(guó)際國(guó)內(nèi)開(kāi)展的污水源分離的探索就是想將人糞尿單獨(dú)分離出來(lái)回收能量和資源，同時(shí)改變目前污水處理高耗能和污泥處理處置困難的局面3。

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