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污泥热化学处理的试验研究
污泥热化学处理的试验研究
摘要：
本文介绍了污水厂污泥低温热解试验的初步研究成果，它能有效去除污泥中的污染物质，同时污泥热解的产物还可作为能源加以回收。
关键词：
低温热解污泥处置能量回收
随着城市污水处理率的上升，城市污水厂污泥将大量增加。
污泥处理方法种类繁多，但大都存在一些弊端。
土地填埋处理由于可供填埋场地越来越少，今后将受到严格控制；焚烧法处理由于设备及运行费用昂贵、投资大，也不普遍适用[1]。
至于目前国内广泛使用的污泥浓缩、压滤脱水后即行排放的处理方法，则有处理不彻底，易引起二次污染等缺点[2]。
而污泥热化学处理法具有灭菌效果好、处理迅速、占地相对较少、处置后污泥性质稳定并能进行能源回收等优点，因此能达到使污泥处置减量化、无害化、资源化的目的。
1．污泥热分解机理
目前进行的污泥热解试验尚不能完全有效地阐明其作用机理。
国内外学者较普遍的看法为：
污泥被加热至200℃~300℃，其中的脂肪族化合物发生转化；加热至300℃~390℃时，蛋白质类化合物转化；390℃以上，糖类化合物转化，肽链断裂，基因变性转移；与此同时，碳化合物发生转化至450℃时转化完成。
所以污泥热解在500℃以下即可完成。
本人的大量实验测试结果亦证实如此，但在无氧或缺氧条件下热解状况会略有不同[3,4]。
2．试验
2.1试验原理
缺氧条件下，加热脱水污泥至一定温度（＜320℃），通过热解和干馏作用，使污泥性质发生变化，分解产出碳、油和不凝气体。
大部分产物可进行能源回收。
2.2试验原料
所取污泥为武汉水质净化厂脱水污泥，经取样和化验，其平均数据如下：
表1污泥肥份及大肠杆菌数值
项目
有机质
（%）
全N
（%）
全P
（%）
全K
（%）
大肠杆菌
（个/100g）
S
（%）
混合
62.1
1.520
0.735
1.04
＜2400
0.835
初沉
64.8
1.457
1.416
1.01
＜2400
0.650
表2污泥重金属含量表（g﹒kg-1）
项目
u
Zn
r
d
Hg
Pb
As
混合
148.4
543.9
72.8
0.70
0.42
55.1
18.8
初沉
132.7
568.2
78.6
0.75
0.94
57.5
21.4
从以上两表可看出，污泥中有机质含量较高，具有一定热值，而N、P、K等植物营养素含量不高，部分污泥重金属含量超标（GB4284-84）。
这种污泥农用不会有好的效果。
2.3试验设备及方法
2.3.1主要设备：
电热干燥箱，马弗炉，热解器，氧弹测热仪，冷凝瓶，分液漏斗，日产TAS-100热分析仪
2.3.2测试项目：
反应温度、时间、含水率、VS含量、TG图和放热值
2.3.3试验结果及讨论
表3污泥含水率及VS含量
污泥样
1（g）
2（g）
3（g）
P（%）
VSS（%）
1
24.972
38.128
30.698
34.222
56.476
2
23.876
37.191
29.569
33.425
57.243
3
24.573
37.771
30.270
34.012
56.827
注：
测试所用方法参见文献5。
污泥热解在温度大于200℃时开始有明显表象生成,至300℃停留1小时后，反应基本停止（图1）。
污泥热解产物为炭、油、水和不凝气体，主要是炭和油，故对这两类物质进行分析。
从图１可知，污泥热解时产炭率随温度升高而下降，产油率随温度升高而上升。
得到的炭占污泥干重的50~70%，体积约为原污泥的1/3~1/2。
一般含有机物较多的炭为无光泽的黑色块粒。
污泥炭性质稳定，无异味，杀菌率为100%，可长期贮存。
所得油有浓重的气味，呈棕色，易被明火点燃，所得率在20~35%左右（重量比）。
所得气体带恶臭味，主要含有H2S、甲硫醇和氨等物质，这些气体可通过燃烧脱臭。
由于在实验过程中，避开了生成二噁英等持久性污染物的最佳温度区域，故不必担心生成这类物质[6,7]。
采用日产TAS-100热分析仪进行TG和DTA测试。
污泥热解自200℃开始，放出烟气。
大约至300℃时，烟气放出速率最高，维持一段时间后浓烟消失，至350℃时反应基本停止。
图3污泥DTA曲线
从TG和DTA曲线判断污泥热解在缺氧条件下进行的是放热反应。
其中200~350℃对于城市污水厂污泥而言是较好的热解温度范围。
当温度升至500℃左右，其转化率为最高，但热解温度高，需增加大量加热设备、消耗大量热能，不经济。
同时在该温度下，会产生难以处理的二噁英类物质[8]。
这种污泥经200~350℃低温热解后，各类污染物质均被去除。
部分重金属离子留在灰分中，不会造成二次污染。
灰分体积减为原有体积的30%以下，便于运输填埋。
3．炭化污泥合成燃料
上述热解后的污泥称之为炭化污泥。
其性质稳定，且有一定量的有机质（表4），仍具有一定热值。
这种污泥可与其他固体燃料混合供工业锅炉使用。
既减少了污泥处置成本，又可作为一种能源回收，获得一定经济效益。
表4炭化污泥分析
炭化污泥样
1（g）
2（g）
3（g）
P（%）
VSS（%）
1
24.563
44.279
39.981
1.42
21.8
2
24.394
44.120
39.701
1.37
22.4
3
25.622
45.304
41.328
1.59
20.2
此外，为了充分说明炭化污泥可利用的价值，本人还进行了污泥型煤燃烧可行性分析，即将所配制型煤经氧弹放热测试，其发热值可达到20000KJ·kg-1，符合一般燃料用煤放热值条件[9]。
这种型煤具有点火快、燃烧充分等优点。
表5列出了炭化污泥型煤与普通民用蜂窝煤比较。
表5型煤成分分析
项目
水份（%）
挥发份（%）
灰份（%）
热值KJkg-1
炭化污泥型煤
7.56
10.4
34.5
18442
普通蜂窝煤
5.10
8.5
38.1
19080
4．污泥热解的能量分析
由于条件所限，本文未对污泥热解进行能量平衡分析。
根据国内外资料，可以得出污泥热解过程为能量净输出过程。
其中污泥含水率及有机质含量是污泥热解能量回收效果的关键。
因此，对于有机质含量较高的污泥采用污泥热解法处置是适当的，此外，提高污泥脱水能力也是决定污泥热解成败的重要因素[8,10]。
结论：
采用污泥低温热解能有效去除污泥中的污染物质，灰份可填埋，不形成二次污染。
污泥热解产物中的污泥炭和油类均可作为燃料回收使用。
其中污泥炭又可与其它固体燃料按一定比例混合后，形成合成燃料。
污泥热解是放热分解反应，对于城市污水厂污泥，其经济、有效热解温度区域在200℃~350℃。
对于生活污水污泥，热解处理产油率在20~35%之间，产炭率在50%~70%左右。
参考文献
1．高庭耀.水处理手册.北京.高教出版社,1983
2．邓晓林.上海城市污水处理厂的污泥处置途径探讨.中国给水排水,2000,Vl.16（5）
3．邵立明.污水厂污泥低温热解过程能量平衡分析.上海环境科学,1996,Vl15（6）
4．BayerB.Kutubuddin.Pr.ftheInternatinalReylingngress.Berlin:
EFVerlag,1987,314-318
5．5．金儒霖污泥处理北京：
中国建筑工业出版社，1982
6．汪恂.二噁英的危害与防治.武汉科技大学学报,2001,Vl24（4）
7．apellH..andBridleT.R.nversinfsludgetil:
anvelapprahtsludgeanageent.at.Si.Teh,1989,Vl.21.1467~1475
8．J.erther,T.gada.Seagesludgebustin.PrgressinEnergyandbustinSiene,1999,Vl.25:
55~116
9．大内公耳.煤炭的利用技术.西安交大出版社
10何品晶,顾国维.低温热化学转化污泥制油技术.环境科学,1996,Vl.16（5）:
82~86
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