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向着碳中和目标:剩余污泥处置方式转型

北极星水处理网  来源:WaterResearch    2021/3/24 10:56:19  我要投稿  

北极星水处理网讯:未来城市设计高精尖创新中心郝晓地团队在Water Research杂志上,发表了题为Sustainable disposal of excess sludge: Incineration without anaerobic digestion(可持续剩余污泥处理/处置方式:超越厌氧消化直接焚烧)一文。在以“碳中和”为目标的低碳经济发展的大背景下,该研究对污泥直接干化焚烧、传统厌氧消化+焚烧、现代热水解+厌氧消化+焚烧三种方法的系统能量衡算结果以及投资与运行成本匡算结果进行横向对比。对比结果表明,在一定情况下,直接干化焚烧有望成为世界各国和地区的城市处理污泥的最佳解决方案。

01 项目背景

剩余污泥处理/处置目前在我国乃至世界范围已成为比污水处理本身更为棘手的问题。丢弃(填埋、土地利用等)固然省事、省力、省钱,然而,城市周边因容纳空间限制而严重受阻。再者,在农民连自己粪尿都不再返田的情况下(于是形成农村污水处理问题!),农民并不在乎污泥返田所能带来的有限肥效;园林绿化也非接纳污泥的永久去处,这就导致污泥“成灾”的严重局面。以至厌氧消化、干化焚烧相继提到议事日程,乃至工程应用。厌氧消化后污泥仍残留50%70%的有机物“无地自容”,最终处置仍需焚烧环节。因此,在低端“丢弃”方式日益变得无路可走的情况下,不如以“蛙跳”方式直接实施“高端”焚烧方法。这就需要对污泥直接干化焚烧工艺进行系统能量衡算以及投资与运行成本匡算,使之与传统厌氧消化+焚烧、现代热水解+厌氧消化+焚烧方法横向比较,以确定直接干化焚烧是否为污泥处理/处置的终极方式。

02 研究内容

污泥直接干化焚烧工艺包括机械脱水、热媒干化与单独焚烧3个单元。含水率99%原污泥一般采用机械脱水方式将含水率降至80%,但距自持燃烧所需含水率(40%~70%)仍有一定距离。这就需要对80%含水率脱水污泥进行热媒干化,如,采用半干化方式使污泥含水率降至35%~50%。视污泥有机质含量,40%~70%含水率污泥已具备自持燃烧能力,在800~900 oC温度下可将污泥有机物完全燃烧并氧化至CO2,最后形成包括磷(P)在内的无机物灰分。污泥焚烧释放出的能量可通过热电联产技术(CHP)发电、供热,灰分中的P可通过化工工艺予以回收、生产磷肥。污泥直接干化焚烧能量赤字为109 kW·h/t 干污泥;对国内50万m3/d规模污水处理厂成本匡算显示,投资和运行成本分别为55 ×104 US$/t 干污泥、392 US$/t 干污泥(与实际项目数据接近)。

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对比传统污泥处理/处置工艺(重力浓缩、厌氧消化、机械脱水、热媒干化、污泥焚烧)和现代污泥处理/处置工艺(增加污泥热水解),能量赤字分别为324 kW·h/t 干污泥和313 kW·h/t 干污泥,相应的投资与运行成本分别为86 ×104 US$/t 干污泥/398 US$/t 干污泥和90 ×104 US$/t 干污泥/445 US$/t 干污泥。显然,3种比较工艺中,无论能量赤字还是投资与运行成本,污泥直接干化焚烧均处于最低水平。

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如果污水(出水)余温热能通过水源热泵可以原位利用,污泥干化所需热量则可以大为减少、甚至无需外部能源。据此,建议污泥实施分散干化(污水厂内)、集中焚烧(邻避效应)。以这种方式,可将不能发电的低品位热能间接通过污泥焚烧而转变为可以发电的高热能量,亦解决了污水余温热能只能就近(3-5 km)利用的弊端,使污水处理厂摇身变为能源工厂,不仅间接实现自身碳中和运行,而且还可向社会输电、输热。

污水中的P最终几乎全部进入污泥,并残留于焚烧灰分中。因此,从灰分中实施P回收技术日渐成熟且回收率高达90%。P回收后的灰分可用作建筑材料,实现固体“零”排放。

最后,理论与经验表明,污泥焚烧产生的尾气污染物(二噁英、氮氧化物、重金属)均在可控范围,无须顾虑。

03 创新点和应用价值

因填埋空间限制以及农民不愿使用低肥效污泥返田,导致中大城市剩余污泥处理/处置需另寻出路;污泥脱水、干化后直接焚烧无论在能量赤字还是投资及运行成本方面较其它高级处置方式均显优势;污水余温热能经水源热泵提取可就近用于污泥低温干化,分散干化污泥可集中焚烧(邻避效应)发电、供热,实现低品位热能向高热能量转化;污泥焚烧灰分是磷回收最佳选择,可最大限度实现污水磷回收;污泥焚烧无须顾虑尾气污染物(二噁英、氮氧化物、重金属),它们在高温下不易生成或得到有效控制。

创新点

✔剩余污泥填埋以及农用越来越受到限制,寻找可持续污泥处理/处置方式迫在眉睫

✔厌氧消化不能实现污泥完全减量化,并非污泥终极处置方式

✔污泥脱水、干化后直接焚烧无论在能量回收还是投资与运行成本方面均较其它处置方式(厌氧消化+焚烧、热水解+厌氧消化+焚烧)具有明显系统优势

✔污泥处理/处置应该更多地关注高效脱水、干化技术而非强化厌氧消化本身


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