Drying of Sewage Sludge and Utilization of Dried Sludge

在污泥處置費用不斷上升的背景情況下，采用太陽能污泥干化和帶式污泥干化變得十分安全，為污泥后處置提供了可靠技術途徑。除了降低體積和重量之外，全干化后的污泥還能夠穩定庫存和運輸。對于污泥干化工藝來說，要求對全年的能耗和物流進行合理管理 ，廢氣處理必須達到令人滿意的處理程度。根據各國不同的污泥處置政策，產生的干泥可作為燃料或作為肥料回收利用。

In the sludge disposal costs rising background, the use of solar sludge drying sludge drying and belt becomes very safe for sludge disposal technology provides a reliable way. Aside the mass and volume reduction a sufficient storage stability and improved transportability is achieved. For the drying process an energy and mass management throughout the whole year is decisive and the problem of exhaust air treatment has to be solved satisfactorily. Depending on the political framework a refined dried material can be used as a solid fuel or as a fertilizer component, thus creating a reusable material.

關鍵詞:

市政污泥, 帶式干化，太陽能干化, 能源管理, 廢氣處理, 干化污泥作為替代燃料或肥料

Keywords:

Sewage Sludge, belt and solar drying, energy management, exhaust air treatment, dried sludge as (substitute) fuel or fertilizer

 

1 污泥干化是污泥熱處置和作為農肥的前提條件

1.1 降低重量體積，提高污泥庫存穩定性

污泥干化處理的最大優點是可以大幅度降低污泥體積和重量。太陽能干化后的污泥密度一般是在 800 - 900 kg/m³ 范圍內, 污泥體積可從原來 1 m³ 降低至0.18 – 0.27 m³。 在進行帶式污泥干化時，因為在污泥干化之前必須進行面條化處理, 全干化之后的污泥密度一般是在400 - 600 kg/m³ 范圍內。污泥體積可從原來 1 m³ 降低至 0.37 – 0.55 m³。舉例來說，如果將進料污泥 25% DS全干化至 90% DS時，重量可以降低77.8%。

 

圖 1 顯示了消化污泥在20°C 時從實驗室內確定的干化等溫曲線, 此時藍色曲線表示在不同水活性情況下– 即可供微生物利用的水量 –污泥固含量變化情況。紅色曲線表示微生物生長速率。可以清楚看出, 當污泥固含量超過 87% DS時，微生物活性幾乎下降至零，因此全干污泥可以長期庫存，不會產生異味

 

1.2干泥作為燃料

如果需要將市政污泥作為燃料進行能源回收利用時，則采用免費熱能或工業廢熱進行污泥干化處理則是能源回收的前提條件。采用以下公式，可以通過污泥有機物含量大致估計干化后污泥的熱值:

 

(1)

 

當消化污泥的有機物含量 OTR = 50% 和干化后污泥固含量為90% DS時，污泥熱值大約是 Hu = 10,100 kJ/kg 或 2.81 kWh/kg。在以下表 1內，舉例列出了各種不同類型的消化污泥和好氧穩定化污泥性能參數，并和褐煤進行比較。根據污泥熱值，還計算了干化污泥的熱能商業價值。

 

表 1 不同市政污泥和褐煤的燃料性能/數值

燃料	消化污泥 全干處理	消化污泥 半干處理	穩定污泥 全干處理	穩定污泥 半干處理	褐煤球	原褐煤
污泥固含量	90%	70%	90%	70%	86%	45%
污泥有機物含量	50%	50%	70%	70%	-	-
熱值Hu kJ/kg	10,100	7,300	14,250	10,500	20,090	9,650
單位灰分含量kg/kg	0.45	0.35	0.27	0.21	0.06	0.03
爐灰軟化溫度°C 大致估計數值	950-1,150	950-1,150	950-1,150	950-1,150	1,100-1,200	1,100-1,200
污染系數 E tCO2/kWh	0	0	0	0	0.406	0.406
在 3 € / MWh時的理論熱能價值€/t	8.43	6.09	11.88	8.76	16.74	8.04

 

表 1一方面顯示, 干化后的市政污泥含有較高的爐灰含量, 與褐煤相比較灰燼處置費高和焚燒效率低。此外與燃料例如褐煤，石煤和木料相比較，灰燼軟化溫度較低。因此在焚燒有些市政污泥時會產生以下問題: 許多國家規定，最后一段焚燒空氣溫度必須在850°C 時至少維持2秒[2], 此時飛灰就很容易粘在煙氣熱交換器表面。較低的灰燼熔化溫度會容易產生爐渣, 從而在市政污泥氣化裝置的運轉過程中產生負面影響。在褐煤燃燒時，當灰燼內SiO2 上升時灰燼熔化溫度會逐步下降[3]。在德國 Emscherfluß-污水處理廠內，流化床污泥氣化裝置采用氧氣和水蒸汽作為氣化介質，主要處理市政污泥。運轉數據顯示: 灰燼中SiO2-含量大約 40.3%, 灰燼軟化溫度1,038°C, 灰燼熔化溫度 1,104°C [4].

 

另一方面，采用市政污泥作為燃料焚燒時具有CO2-零排放擴散的優點。但只有今后CO2-排放指標能夠在全球范圍銷售運轉時，才能在商業基礎上顯示這一優點。原則上說，在采用單焚燒爐和污泥氣化裝置時，應該優先考慮采用好氧穩定化市政污泥。

 

必須注意, 不同焚燒系統對于污泥固含量要求是不同的。對于爐架焚燒爐來說，半干污泥的固含量至少在 65 - 70% DS 以上, 而對于流化床焚燒爐來說，污泥固含量在45 - 50%DS 范圍就可以滿足要求。此時，可通過接觸性污泥干化裝置直接將污泥干化至規定的污泥固含量，或者將脫水污泥和全干化污泥進行混合處理后輸入焚燒裝置。

 

圖 2 顯示了流化床單污泥焚燒裝置和帶式污泥干化裝置協同運轉的情況[5]。

 

 

1.3干泥作為肥料

目前在德國瑞士基本上市政污泥以熱處置為主情況下，在法國和美國仍然還存在很大市場，允許干化后市政污泥作為肥料被回收利用。但此時必須注意, 污泥農用時必須通過肥料中間商的銷售途徑進入市場。舉例來說，污泥的理論肥料價值可通過其中的礦化物質組成來計算(價格基礎 2007)[6]。不管如何，計算所獲得的理論商業價值要比前面的污泥燃料高出好幾倍。以下表 2 可以清楚地顯示這一點。

表 2舉例說明市政污泥的理論肥料價值

礦物質含量	g/kg	理論肥料價值 €/kg	理論肥料價值 € / t DS
N	38.4	0.65	25.0
P2O5	36.5	0.50	18.3
K2O	4.2	0.30	1.3
MgO	9.7	0.06	0.6
CaO	737.	0.05	3.7
		總數值	48.9 44.0 € / t，90% DS

 

但在很多國家或地區，有時要求污泥顆粒直徑是在3.25 mm +/- 0.25 mm 范圍內[7]，而對于帶式污泥干化裝置和太陽能污泥干化裝置往往很難直接滿足要求，經常要求額外配置干泥造粒裝置。

2 何時采用帶式干化, 何時采用太陽能干化?

2.1 帶式污泥干化

在滿足以下前提條件情況下，可以采用中溫帶式污泥干化裝置:

Ø 擁有足夠廢熱能源，例如70 - 145°C 范圍內的熱水

Ø 占地較小

Ø 處理量 > 2000 - 3000 t 脫水污泥 / a

Ø 要求恒定出泥固含量 > 90%DS

Ø 裝置連續運轉

Ø 對來自冷凝裝置的廢熱進行深度回收利用，例如用于污泥消化塔的加熱

Ø 干泥作為肥料時要求衛生化處理，根據美國規范EPA 503 要求達到等級A[8]

圖 3 顯示了整套雙帶污泥干化裝置，配置了污泥面條機和冷凝裝置以及廢氣處理裝置(含2級化學洗滌和生物除臭裝置)[9]。

 

2.2太陽能污泥干化

如果滿足以下條件，則可以采用太陽能污泥干化技術(采用或不采用外來廢熱):

 

Ø 沒有廢熱或只有限量低溫廢熱時, 可在暖房內采用加熱地板或熱空氣產生器

Ø 要求很低的電耗

Ø 出料污泥的平均固含量在70 - 80%DS

Ø 當地政府在財務稅收政策上支持這一„綠色技術“

在圖 4 顯示了整套太陽能污泥干化系統，其中含有翻滾機, 暖房, 環風和廢氣鼓風機 [10]。通過鏟車或運輸螺桿可輸入進料污泥。干泥出料可在污泥進料端(在圖內前端)的相反一側，或者在污泥進料端的同一側。通過加熱地板，可輸入熱水溫度最高至50°C 或者通過空氣加熱器輸入熱水溫度最高至90°C。

3 廢氣處理問題

用戶接收市政污泥干化裝置的前提條件是廢氣處理裝置能夠正常運轉，滿足國家規定的處理要求和排放指標。

在采用中溫帶式干化裝置時，不管何種情況都必須配置安裝廢氣處理裝置, 一般是由酸洗塔, 有時還配置堿洗塔和生物除臭裝置。

在采用太陽能污泥干化裝置時，正常情況下在處理完全消化后的市政污泥時不需要配置除臭裝置 。但在污泥干化處理時，要求對污泥進行高效翻滾通風處理，使得污泥床始終處于好氧狀態。但在以下特殊情況下，有時仍然要求進行除臭處理:

Ø 廢熱處理比例很高

Ø 污泥沒有完全消化處理和穩定化處理

Ø 進水內很有很高比例的工業污水，其中含有高濃度蛋白質或油脂含量。

 

在這種情況下，最好事先在一臺試驗裝置內現場條件對污泥干化后的廢棄進行分析研究, 這樣可以確定, 采用何種類型的廢氣處理裝置。照片 5 顯示一臺試驗性污泥干化裝置，可以模擬帶式污泥干化裝置的運轉情況，并配置各種廢氣成份分析的測試設備。

4 能源和物質管理

4.1 市政污水處理廠內的能源利用情況

盡管有些污水處理廠通過污泥消化可以抽提一部分生物能源，但不管是從電耗1還是從熱耗情況來看，還無法達到能源自給狀態。尤其是在冬季，為了平衡污泥消化塔和污泥運輸管道的熱能損失以及機房加熱，必須輸入很多熱能來加熱污泥。帶式污泥干化裝置所需要的熱能和電能有時需要通過額外采用天燃氣運轉的熱電聯產裝置進行供電供熱。根據市政污水處理廠的不同規模，在沒有污泥干化裝置情況下，通過沼氣發電達到電耗自給的程度說明如下[11]:

- 人口當量在 10,000 – 30,000 范圍內的小型市政污水處理廠內，電耗自給程度是50 %

- 人口當量大于 100,000的大型市政污水處理廠內，電耗自給程度是68 %

4.2提高能源利用效率的各種可能性

為了提高沼氣能源利用效率和降低用于污泥干化的能耗，可以采取以下技術措施:

Ø 通過定向引入其他工藝技術和優化或選擇合適的絮凝劑來提高污泥機械脫水時的固含量。

Ø 通過優化混合技術，有時通過污泥水解技術來提高產沼能力

Ø 多次反復利用熱能，例如帶式污泥干化裝置利用廢熱之后再用于消化塔加熱或用于太陽能干化裝置的加熱

Ø 利用外來協同發酵基質(例如，餐廚垃圾, 油脂分離器內涵物質, 宰雞場垃圾) ，可將污泥消化塔的產沼能力提高2 至 3倍

 

原則上說，污水處理廠的„能源自給“ 只能通過引入外部的協同發酵基質來實現。例如，德國漢堡污水處理廠或德國Straubing 污水處理廠就是按此模式運轉。所獲得的產沼能力大約為 1.1 m³ 沼氣 / m³ 消化塔/每天，全部用于沼氣發電。所獲得的電能和發電廢熱可以滿足整個污水處理廠的熱能需要(包括污泥干化處理)，甚至還有多余電能進行并網銷售[12]。

 

4.3能源和物質管理

考慮到能源供給能力的波動性，要求市政污泥干化裝置擁有一定的靈活調節能力。舉例來說，污泥消化時的沼氣產量或熱能產量是和季節時間有關或者太陽輻射強度在一年不同季節時間內數值相差很大:

Ø 帶式干化裝置: 通過污泥處理量的調節來自動補償能源供給的波動狀態

Ø 太陽能干化裝置: 在暖房內或在外部儲泥倉內中間儲存污泥或者采用廢熱進行污泥干化處理

 

5 干化污泥的后制備應用

在后續回收利用干化污泥時，必須根據不同的應用場來滿足以下提出的要求:

Ø 污泥固含量

Ø 衛生化要求

Ø 污泥顆粒直徑 / 密度

Ø 粉塵含量

Ø 污泥的肥料價值或熱值

 

通過篩濾, 顆粒化或造粒處理以及添加劑混合處理等可以滿足以上各種要求, 但這些技術處理措施需要額外的投資費用和電耗費用。

 

來自太陽能干化裝置的干化污泥可在一根加熱運輸螺桿內進行篩濾和熱水解處理來滿足肥料應用要求。對于帶式污泥干化裝置來說，則可以通過投加來自酸洗塔的硫酸氨溶液和通過造粒處理來提高污泥肥料的價值(圖 5) [13]。

 

 

在一般情況下，干化污泥還是被看作是垃圾物質而不是資源物質。但人們可在歐美國家看到以下緩慢的發展趨勢

 

 

Ø 全干污泥至少在瑞士被免費接受，進行能源回收利用

Ø 在美國，由帶式干化裝置產生的市政污泥達到等級A質量要求，以作為肥料用于公園綠草房頂或高爾夫球場。

Ø 在美國有些地方，等級A 干化污泥可作為肥料銷售給私人。

Ø 市政污泥灰燼有時作為長效肥料，有時作為肥料添加劑用于肥料工業。

不管回收利用途徑如何，一般都是通過常規已建立的銷售途徑才能成功地出售干化污泥。

6 總結

污泥干化是后續將污泥作為肥料或燃料(污泥焚燒或污泥氣化)時的基本前提條件。

進行有效的能源管理來解決污泥干化的能耗問題是整個污泥處理處置的關鍵。

 

至今為止，在含有污泥干化裝置的污水廠內進行能源 „自給“只能通過引入餐廚垃圾進行協同發酵來提高消化裝置的沼氣產量和能源利用效率。

 

在德國，目前必須嚴格按照只有通過肥料法律和市政污泥規范才能將干化污泥作為農肥使用。盡管如此，肥料市場將污泥作為農肥的接受程度在不斷下降。

 

干化后的污泥是否最后能否作為燃料，一方面是和污泥熱值有關，同時也會受到污泥接受單位對污泥的具體要求或自己產能時的框架條件等因素影響。

 

文獻

[1] 高穎: 中溫帶式干化裝置的發展歷史.. 2012年7月/8月: 18 - 25. ISSN: 0219 – 5674

[2] 17. BImSchV Bundesimmissionsschutzverordnung, "Verordnung über die Verbrennung und die Mitverbrennung von Abfällen vom 2. Mai 2013 (BGBl. I S. 1021, 1044, 3754)" Ausfertigungsdatum: 02.05.2013

[3] Pracht P.: Babcock – Handbuch Kohle. 1. Auflage Deutsche Babcock & Wilcox Dampfkessel-Werke AG Oberhausen 1950.

[4] Noack W.: Die Schlammbehandlung in städtischen Kläranlagen unter besonderer Berücksichtigung der Schlammvergasung. Forschungsberichte des Landes Nordrhein-Westfalen Nr. 1251. Springer Fachmedien Wiesbaden 1964.

[5] 高穎: 德國目前市政污泥熱法處置現狀和技術. 亞洲環保（月刊）2011年12月號: 38 - 42. ISSN: 1818-5835.

[6] Jacobs G.: Hühnertrockenkot entlastet Düngerkonto. Landwirtschaftliches Wochenblatt 28 (2007), S.24-28.

[7] European Fertilizer Blenders Association: Handbuch für feste Düngermischungen. Leitfaden für Qualitätsmischdünger. 2.Ausgabe 2007

[8] United States Environmental Protection Agency EPA Part 503 Biosolids Rule. September 1994

[9] 高穎: HUBER帶式污泥干化系統技術介紹.. 2008年7月/8月: 32 – 38. ISSN: 0219-5674

[10] 高穎: 利用太陽能進行市政污泥干化處理和生物能源回收. 亞洲環保（月刊）2010年1月號: 40 – 44. ISSN: 1818-5835.

[11] Ministerium für Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft des Landes NRW Handbuch Energie in Kläranlagen 1999

[12] Infobroschüre Stadt Straubing „Die Straubinger Stadtentwässerung macht Zukunft“ 09/2011