研究与分析造纸污泥脱水与污泥焚烧处理技术

时间：2011-08-05信息来源：点击：次【收藏此文】【字体：大中小】

污泥是一种特殊的垃圾，它是污水处理后的副产品，其成分极其复杂，包括有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等[1]。我国的污泥产量很大，每年排放千污泥大约3×105t，并且以每年10％左右的速度迅速增长[2]，如果对污泥不及时进行处理，就会造成严重的二次污染。我国十分重视环境问题，把城市污水、污泥的综合治理工作纳入了国民经济和社会发展“十一五”计划纲要。在此情况下，污泥的妥善处理将会具有更大的经济、环境意义。

最初污泥的处理处置方式基本上采用填埋与海洋倾倒。这两种处理方法操作相对简单，投资费用小，但是会污染土壤、地下水以及海洋生态环境。随着时代的发展及环保要求，目前人们比较热衷于污泥焚烧及土地化利用。污泥焚烧处理可以迅速和最大限度地实现减量化，有毒污染物被氧化，而且不必考虑病原菌的灭菌处理，既解决了污泥的出路又充分利用了污泥中的能源。污泥焚烧对于我国这样一个污泥产量大、种类广泛的发展中国家来说，是污泥处理的主要发展方向之一，因此发展、完善污泥焚烧和能源利用的应用技术是迫在眉睫的重要任务。

1造纸污泥浓缩

污泥浓缩是指通过污泥增稠来降低污泥的含水率和减小污泥的体积，减少后续构筑物或处理单元的压力。造纸废水处理过程中产生的污泥，含水率很高，一般为96％～99．8％，体积很大，对污泥的处理、利用和运输造成很大的困难，必须先进行浓缩，然后再进行后续处理。

1．1 污泥中的水分

为了有效地分离污泥中的水分，有必要了解污泥中水分存在的状态。根据污泥中所含水分与污泥结合的情况，污泥中所含的水分可分为自由水和结合水两大类。自由水为不直接与污泥结合也不受污泥颗粒影响的那部分水，这部分水可通过浓缩或机械脱水与污泥颗粒分离，污泥中的大部分水是以这种形式存在的。对于结合水，一般认为污泥中水分与固体颗粒存在四种结合状态：空隙水，这是一部分被污泥颗粒包围起来的水分，并没有与污泥颗粒直接结合，空隙水一般占水分的70％左右，这部分水可以通过重力沉淀的方法进行分离；毛细水，毛细水是在高度密集的细小污泥颗粒周围的水，由于毛细管现象而形成的，毛细水约占总水分的20％左右，要想脱出毛细水，必须施加离心力、负压力等，以破坏毛细管表面张力和凝聚力的作用；表面吸附水：它是在污泥颗粒表面附着的水分，其附着力比较强，脱出比较困难，要使胶体颗粒与水分离，必须采用混凝方法，通过胶体颗粒的相互絮凝，排除附着在其表面的水分；内部水，内部水是污泥颗粒内部结合的水分，如生物污泥中细胞内部水分，无机污泥中金属化合物所带的结晶水等，这部分水是不能用机械方法分离的，可以通过生物分解或热力方法除去[3]。

每个制浆造纸厂的制浆工艺、抄纸设备、产品类型以及企业技术管理水平都不尽相同，导致处理造纸废水时产生的污泥种类十分广泛。不同污泥中水分的结合状态对污泥浓缩、脱水影响很大。例如：纤维含量较高和灰分含量较低的污泥，含有较多的空隙水与毛细水，因此最

容易脱水；经过高效生物系统处理过的污泥，由于其中含有较多的表面吸附水和生物细胞内部水，浓缩、脱水最为困难。因此充分了解污泥中水分的结合状态，有助于污泥处理企业制定合理的处理工艺、选择适当的浓缩设备，对企业提高污泥处理效率、减少生产资金投入，都会起到积极的作用。

1．2污泥浓缩方法

目前，污泥浓缩的方法通常有五种：重力浓缩、气浮浓缩、离心浓缩、带式浓缩机浓缩以及转鼓机械浓缩等。我国造纸企业浓缩污泥，较多的采用重力浓缩与气浮浓缩。

重力浓缩本质上是一种沉淀工艺，是依靠污泥中固体物质的重力作用进行沉降与压密。重力浓缩是在浓缩池内进行，它的操作与一般沉淀池相似。根据运行情况，浓缩池分为间歇式和连续式两种，通过增加污泥的停留时间，有效地去除造纸污泥中不与固体颗粒直接结合的间隙水。由于初沉池的污泥相对平均密度为1．02～1．03，污泥颗粒本身的相对密度约为1．3～1．5，所以初沉池污泥易于实现重力浓缩；活性污泥的相对密度大约在1．0～1．005之间，活性污泥絮体本身的相对密度约为1．0～1．01，因而活性污泥一般不易实现重力浓缩。

气浮浓缩法是通过微小气泡附着在污泥颗粒周围，使其密度减小而强制上浮，从而使污泥在表层获得浓缩。因此，溶气气浮法适用于相对密度接近1的活性污泥浓缩。根据气泡形成的方式，气浮可以分为压力溶气气浮、生物溶气气浮、涡凹气浮等。

压力溶气气浮：通过压力溶气罐溶入过量的空气，然后突然减压释放出大量的微小气泡，附着在污泥颗粒周围，使其强制上浮，从而使污泥获得浓缩。压力溶气气浮具有占地面积小、卫生条件好、浓缩率高等优点，缺点是设备多，运行费用高，维护管理复杂。

生物气浮浓缩：生物气浮浓缩利用了污泥自身的反硝化能力，加入硝酸盐，污泥进行反硝化作用产生气体使污泥上浮而进行浓缩。这种方法日常运转费用比重力浓缩工艺和压力溶气气浮工艺低、能耗小、设备简单、操作管理方便。

2造纸污泥的脱水

污泥经过浓缩后，还有95％～97％的含水率，体积依然很大，可以用管道输送。为了综合利用和进一步处置，必须对污泥进行机械脱水处理。

2．1机械脱水前的预处理

污泥在机械脱水前要进行预处理，其目的是改善污泥的脱水性能，提高脱水设备的生产能力。造纸厂通常采用化学调节法对污泥进行预处理，即通过向污泥中投加各种混凝剂、助凝剂，使污泥颗粒絮凝、结构增强以利于机械脱水。常用的混凝剂可分为无机与有机两大类。无机混凝剂包括铝盐、铁盐两类，例如三氯化铁、氯化铝、硫酸铁等等。有机高分子混凝剂有聚丙烯酰胺(PAM)、聚酰胺等。投加无机盐混凝剂虽然可以改善污泥脱水效果，但是其用量比较大，并具有一定的腐蚀性，与无机盐混凝剂相比，有机高分子混凝剂用量比较小，也没有腐蚀性。

另外，有些纸厂在污泥预处理时，将聚丙烯酰胺(PAM)等有机高分子混凝剂与表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠等)联合使用，以降低PAM的使用量，同时使污泥含水率降低2％～6％左右。这可能是由于表面活性剂不但能使污泥表面的蛋白质、多糖等大分子物质脱离污泥颗粒，而且使得这些物质较易溶于水，减少了污泥颗粒间的间隙水，导致污泥的沉降速度加快、脱水污泥的体积减少。

2．2机械脱水

机械脱水包括压力过滤机、板框压滤机、厢式压滤机、带式压滤机和螺旋压滤机等很多种。这些方法都是以过滤介质(多孔性材质)两面的压力差作为推动力，使污泥中的水分强制通过过滤介质(滤液)，固体颗粒被截留在介质上(滤饼)，从而达到脱水的目的。在这些方法中，带式压滤机实际应用的比较多。

带式压滤机在过去几年中取得的工业效益十分可观，这种压滤机由上下两条张紧的滤带组成，由一系列滚筒支撑，并在滚筒之间形成S形路径，上下二带通常以相同方向相同速度运转，靠带的张力产生对污泥的压力和剪切力，可以把污泥中的水分挤压出去[4]。

目前已经开发出了一种污泥脱水的新型设备，即螺旋压滤机。它产生的泥饼固体浓度约为50％～55％。从工业发达国家制浆造纸废水处理厂选用的脱水设备上看，螺旋压滤机有逐步取代带式压滤机的趋势。

经过机械脱水后的污泥，其含水率降低到60％～80％左右，从而失去流动特性，形成泥饼，体积减小，便于运输与进一步处理。

3造纸污泥焚烧

污泥焚烧技术是近年来发展起来的一项污泥处理技术。该技术采用的主要设备是循环流化床锅炉，它依据气体流化机理，使燃料在炉膛内处于流化状态，固体颗粒和空气一起具有像流体一样的流动性，可实现炉内低温强化燃烧，还可有效控制NOx的生成，同时细小的飞灰颗粒随气流一起在炉内反复循环。炉膛内热容量大、燃料在炉内停留时间长。

3．1污泥灰分对焚烧的影响

造纸厂的污泥常用三种方式进行焚烧：在专门设计的污泥焚烧炉内焚烧；在燃烧树皮锅炉内焚烧；在燃烧化学燃料的动力炉中焚烧。不论采用哪一种焚烧方式，污泥中灰分、水分等因素对焚烧的影响都很大。通常制浆厂污泥的灰分含量在10％～30％左右，造纸厂的污泥灰分含量可达50％～70％。灰分不同于水分，水分可以通过浓缩、脱水等手段大幅度地降低，而灰分是由造纸厂的生产原料、抄造工艺等客观因素决定盼，基本无法改变。造纸厂的污泥灰分如果高于50％，焚烧起来就有一定的困难，因为有机物含量太低，要维持燃烧则要求水分含量很低，并且还可能引起蒸发器结构以及某些化学物质在系统内积累，给操作与设备维护带来困难。

3．2污泥水分对焚烧的影响

一般来说，污泥的发热值对污泥焚烧影响很大，如果污泥中的含水率较高，水分便会挤占污泥中有机物的份额，从而使污泥的发热值下降。另外，在焚烧过程中污泥带来的水分将转变成蒸汽，需要大量的热量，依靠污泥自身燃烧是无法满足这部分能量需求的，只能由其他燃料提供，这样就给造纸企业在污泥处理成本上增加了负担。为了进一步讨论污泥水分对污泥焚烧的影响，本文以山东亚太森博浆纸有限公司焚烧污泥为生产实例，进行说明。

森博浆纸有限公司将废水处理后得到的污泥进行浓缩、脱水处理，污泥含固率提高到了40％左右，污泥灰分29．4％，污泥中C、H、0比例为54．96％、6．82％、26．81％。绝干污泥燃烧热值M污抛为11．5MJ／kg；焚烧后排渣温度120℃，灰渣比热C渣为0．91 MJ／kg℃(按Si02计)，入动力锅炉的污泥、空气温度20℃，排烟温度180℃。空气中N2、O2、H2O比例为75．9％、22．8％、1．3％。空气过量系数a为1．5。蒸汽比热C渣为2．001 MJ／t℃，水的比热C水为4．187 MJ／t℃，100℃时水的汽化热γ100为2258．4 MJ／t。辐射和不完全燃烧热损失占总热量的15％。按1吨污泥在动力锅炉内进行焚烧，经过计算：(计算基准为20℃)

(1) 污泥燃烧产量的热量Q1：

Q1=Gt污泥×M污泥一1×40％×(1—29．4％)×11．5×103=3247．6(MJ)

(2)燃烧后排渣带出的热量Q2：

Q2=C渣×G渣×△t=0．91×1 X40％×29．4％×(120—20)=10．7(MJ)

(3)烟气带出的热量Q3：

①污泥中的H元素生成H2O量HH2O

HH2O=绝干污泥量×H元素比例×(16+2×1)／(z×1)=1×40％×6．82％×18／2=0．25(t)

所消耗的氧量O1= HH2O×16／18=0．25×16／18=0．22(t)

②污泥中的C元素生成CO2的量C CO2

CCO2=绝干污泥量×C元素比例×(12+16×2)／12=1×40％×54．96％×44／12=0．81(t)

所消耗的氧量O2= C CO2×16×2／(12+16×2)=0．81×32／44=0．59(t)

③污泥中O元素的量O3

O3=绝干污泥量×O元素的比例=1×40％×26．81％=0．11(t)

④理论需氧量OL=O1+ O2一O3=0．22+0．59—0．11=0．7(t)

⑤理论空气用量GL=OL÷空气中O的比例=0．7÷22．8％=3．07(t)

⑥实际空气用量G=GL·a=3．07×1．5=4．61(t)

其中：含O量G o=G×空气中O比例一4．61×22．8％=1．05(t)

含N量G N=G×空气中N比例=4．61×75．9％=3．5(t)

含H2O量G H2O=G×空气中H2O比例=4．61×1．3％=0．06(t)

⑦过剩空气量G剩=G—G L=4．61—3．07=1．54(t)

其中：含O量G剩O—G剩x 22．8％一1．54×22．8％=0．35(t)

含N量G剩N=G剩×75．9％=1．54×75．9％=1．17(t)

含H2O量G剩H2O=G剩H2O×1．3％=1．54×1．3％=0．02(t)

⑧污泥中的C元素生成CO2的量CCO2=0．81(t)

污泥中的H元素生成H2O的量HH2O=0.25(t)

⑨干烟气排放带出的热量Q干

Q干=(G剩O+G剩N+CCO2)X C烟气×(t3一t0)=(0．35+1．17+0．81)×1．068×(180一20)=398．15(GJ)

空气中的水排放带出的热量Q水

Q水=(G剩H2O+H H2O)·[C蒸·(t 180—tl00)+γ100+C水·(t l00—t 20)]=(0．02+0．25)·[2．001·(180—100)+2258．4+4．187·(100—20)]=743．43(MJ)

⑩烟气带出的热量Q3

Q3=Q干+Q水=398．15+743．43=1141．58(MJ)

(4)蒸发污泥中的水分消耗的热量Q4

Q4=m水分·[C蒸·(t 180—t l00)+ γ100+C水·(t 100一t 20)]=1×(1－40％)·[2．001·(180—100)+2258．4+4．187·(100－20)]一1652．06(MJ)

(5)辐射和不完全燃烧热损失带出的热量Q5

Q5=15％Q1一15％×3247．6=487．14(MJ)

(6)剩余热量Q6

Q6=Q1一(Q2+Q3+Q4+Q5)一3247．6一(10．7+1141．58+1652．06+487．14)=－43．88(MJ)

根据上述公式及有关参数计算当污泥固含量为40％时焚烧锅炉的能量衡算及所占的比例如表1所示。

表1 污泥焚烧锅炉系统能量平衡表

从以上数据中我们可以看出，当污泥固含量为40％时，污泥自身的发热量不足以蒸发出自身的水分，因此需要加煤等燃料作补充，可以说，直接焚烧固含量为40％的污泥，对于工厂来说，是不合算的。同时，为了找到最佳的焚烧水分，我们又计算了污泥固含量为45％、50％、55％的几种情况，计算结果如图1与表2所示。

图1 污泥焚烧中的热量剩余

表2 污泥焚烧过程中的各种热量损失与热量剩余

根据图1可以直观地看出，当污泥的固含量达到40．9％时，污泥燃烧的余热与产热比到达零点，这说明此时焚烧污泥不再需要加入煤等额外的燃料，只依靠污泥自身燃烧所产生的热量，足以蒸发自身所含水分，使污泥焚烧顺利进行。也就是说，造纸厂如果要在不加入额外燃料的情况下对污泥进行焚烧处理，就必须把污泥的固含量提高到40．9％以上，才能使整个焚烧过程持续地进行下去。

综合图1与表2可知：当污泥的固含量超过40．9％时，污泥焚烧后开始产生剩余热量，并且随着固含量的增大，剩余热量也不断地增多；当污泥的固含量为55％时，污泥焚烧后所剩余的热量最多。为了得到更多的剩余热量，工厂可以通过机械方法尽可能地脱去污泥中的水分，将污泥的固含量控制在50％以上，再进行焚烧处理。污泥焚烧技术不仅解决了污泥处置难的问题，同时焚烧后剩余的热量还可以为工厂提供热源，这正是当前节能减排的典型例子。