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这是一张污泥的粒度分布图。经过我们对所有污泥类型的分析,污泥的两种最主要粒级是细粉沙和粘土,通过X光衍射和红外光谱分析,构成它们的主要矿物有石英、长石和伊利石等粘土矿物,这是污泥中无机成分的基本物质组成,这个基本物质组成告诉我们,污泥可以作为建筑材料的原料,因为它具有建筑材料所需要的基本矿物质构成。
通过对中国污泥特性的研究,我们对污泥的最终处理就可以作出基本的科学判断。
污泥处理目标就是“三化”:无害化、减量化、资源化。以前还讲稳定化,没有稳定化,稳定化的概念就是暂时处理一下,不行,国际上就讲这“三化”。我们把污泥含水率从80%降到30%,首先减少污泥的体积,这是污泥得到最终处理的关键。“热干化”是污泥减量最有效的方法,它可以杀灭污泥中的病菌,使污泥中的有害物质向稳定态转化。我们来看这张图,如果将含水率75%的污泥的体积看作100%,当含水率降到60%时,其体积已经降至40%,当含水率降到40%时,其体积已降至原体积的20%左右。所以,热干化可以使污泥非常有效地实现减量化。
现在国外已经开始发展污泥热干化技术,有一个标志性文件的发表说明这点,这就是美国环境保护局2006年发布了《污泥热干化技术情况说明书》。我们的研究和实践证明,热干化对于污泥减量化是非常重要和非常有效的,而“低温干化”是热干化技术核心中的核心。
什么是污泥低温干化技术?利用低于绝干污泥燃点的热量(<250℃),使污泥中的水分蒸发达到有效减量的过程。这张图显示了污泥初步减量的途径,污水处理厂污泥初步减量的途径包括浓缩、消化和机械脱水,但这里我要谈一下污泥消化的问题。补充说明一下,我今天做的发言纯属学术上的,在学术讨论过程中我会对一些技术谈一些自己的看法,如果对于某些技术有不利的方面不要在意,因为完全是技术性的。消化是最早国外污水处理中一个组成的部分,这张图片是杭州第一个污水处理厂,由德国资助建造,当时设计的消化池,但是正式投产后没有正常使用,为什么?因为它所投入的远大于产出,所以以后建设的污水处理厂省略了这个过程。当然现在有一批专家在推这个,然而从经济和实际效果来讲,我认为在中国是不合适的,因为我国的污泥通过消化不仅所产出的效率实在是太低了,而且污泥减量也很有限,原因在于我国的生活污泥有机质含量偏低,所以,污泥消化在中国并不适合推广。
污泥在污水处理厂经过机械脱水以后含水率一般在80%左右,这是污水处理厂可以接受的平衡含水率,它是由污泥产生量、污泥处理速度和污泥处理成本等综合因素决定的。污泥中80%的水,有间隙水(约占70%)、毛细水(约占20)、吸附水和结构水(约占10%)。污水处理厂通过污泥浓缩后,污泥含水率约为95%,然后经过机械脱水,可以脱掉一部分间隙水,从理论上讲机械脱水可以使污泥含水率降至70%,但是要达到这个含水率需要付出很大的代价。现在有的说机械脱水可以使污泥含水率降至60%以下,甚至50%以下,这在实际中做不到,要达到那个含水率水平就是在污泥中添加了固体物质,如石灰等。我们处理污泥的首要原则是减量,绝对不允许在污泥里面添加任何固体物质。
我做过初步统计,如果污泥里面添加5-10%的固体物质,板块压滤后污泥含水率达到60%,这时污泥的体积和含水率80%的污泥体积是基本一样的,甚至更大,不但没有减量而且增量了,因为从表面上看含水率已经是60%,但实际上水分并没有从污泥中跑出来,只是部分间隙水变成了结构水,这一结果不仅造成污泥增量外,而且由此造成污泥热值降低,也无法作为建筑材料的原料,只能去填埋,这点大家必需要有清晰的认识。低温干化可以使污泥中的全部间隙水、毛细水和吸附水去掉。
污泥低温干化有什么优点?第一,水分蒸发有效减量;第二,有机质不被破坏,有害气体少量释放,同时保存了95%以上的原始热值。这个图是污泥干化速率曲线,开始的时候干化速率迅速升高,到B点就不变了,这个B点就是污泥开始脱水的时候,然后到了C点干化速率又下降了,C点是临界含水率。这个图所反映的过程,在不同条件下进行实验都得到了验证。
热干化是能量净消耗的过程,能耗占污泥处理总费用的80%以上。但如果我们利用锅炉、热电厂、水泥厂或垃圾焚烧厂等排放的烟气余热进行污泥干化,就彻底克服了“耗能瓶颈”,使污泥处理的运行成本大大降低。这些烟气温度在120-200℃之间,其中隐藏着巨大的热能,烟气中潜在的热能正是污泥低温干化最理想的能源。在中国,利用烟气余热资源来干化所有的污泥,绰绰有余。
为了实现烟气余热干化污泥过程,我们建立了烟气量、烟气温度和污泥处理量之间相互关系的数学模型。根据这个模型,我们只要了解烟气资源有多少,就可以知道能够处理的污泥数量,反过来我们要处理多少污泥量,就必须要提供多少的烟气量。
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