污泥低温碳化技术在污水处理行业的应用
2015-01-06 11:47 分类：技术应用 来源：招商水务
一：什么是污泥碳化
将市政生化污泥中的细胞裂解，强制脱出污泥中水分，使污泥中碳含量比例大幅度提高的过程叫做污泥碳化。由于生化污泥中大量生物细胞的存在，采用机械方法将其中的水分脱出十分困难，若将其中的细胞破解，其中的固体物质和水分将很容易分离。脱水后的污泥碳化物含水量极小，发热值相对较高，孔隙率大，松散，黑色，与煤炭外观极为相似。
日本在最初研究时，将这种处理技术称为“炭化”，示意处理后的生物质固体有如木炭一般。欧美等国在最初研究时，使用了“Carbonization”一词，译为“碳化”，后来日本的资料中也多采用“碳化”代替“炭化”。学术界将此项技术归为“热分解”或“裂解”，英文均为Pyrolysis。
二：污泥碳化发展的历史
早在上世纪80年代，美国、加拿大和日本的科学家就开始了污泥碳化的研究。1980年，加拿大曾经建设了一个每天可处理25吨污泥的碳化试验工厂；1986年，日本通产省开展了污泥碳化的研究；1978至1990年间，美国有许多关于污泥碳化的专利。上世纪90年代，美国、日本、澳大利亚等国相继研发出各种各样的污泥碳化装置。2000年以后日本的高温碳化技术和美国的低温碳化技术已经相继成熟。各种各样的生产性装置相继投入运行。2008年10月，美国Enertech公司在加州Rialto建设了日处理能力达到750吨脱水污泥的低温碳化厂。
中国在2000年以前目前还没有一个真正的污泥热分解试验装置。1996年，何品晶，顾国维，绍立明等人就曾经在《中国环境科学》杂志上介绍过污泥热分解技术。在这之后，武汉工业大学和上海同济大学均在试验室中进行过污泥热分解的试验。试验结果与目前国外几个厂家所得出的结论基本相同
2005年，日本高温碳化技术开始在中国几个大城市宣传和推广，但由于当时污泥处置问题在各个城市中尚未得到高度重视，加之高温碳化设备价格高昂，技术推广在中国受阻。2012年初，采用日本高温碳化技术，日处理能力为10吨脱水污泥的生产线在武汉正式投产运行。
2006年，天津机电进出口有限公司开始了污泥低温碳化的研究。2009年3月，日处理能力为5吨脱水污泥的生产线通过了天津科学技术中心的鉴定。2010年，山西国际能源集团与天津机电成立了以推广污泥低温碳化技术为主要目标的正阳环境工程有限公司，天津机电以污泥低温碳化技术入股。山西国际能源自有污水处理厂9座，2010年6月，山西国际能源决定在其自有的晋中市第二污水处理厂内建设一座日处理脱水污泥100吨的污泥低温碳化车间，并得到山西省发改委的批准和部分资助。2011年8月，中国第一座采用污泥低温碳化技术的污泥处置工厂正式运行。2012年10月，该项目通过了山西省发改委组织的晋中市城区污泥处置试点工程项（污泥低温碳化技术）后评价会议。
三：晋中污泥低温碳化工程的成果
项目概况：
项目名称：晋中市城区污泥处置试点工程
项目建设单位：山西正阳污水净化有限公司（国际能源全资控股）
工程规模：100吨脱水污泥/天
项目地点：山西省晋中市第二污水处理厂内
占地面积：1500平方米（其中车间占地864平方米）
开工日期：2010年12月
完工日期：2011年6月
投入运行：2011年8月
经济指标：
项目概算：3591万元
运行费：126元/吨湿污泥（燃煤），180元/吨湿污泥（燃天然气）
其中：
若采用煤炭合计：35元
若采用天然气合计：89元
电力合计：32元
药剂合计：28元
人工及管理：31元
技术指标：
进水污泥含水率：80%±5%
碳化脱水后含水率：50%以下
碳化物烘干后含水率：30%以下
低位发热值
原始脱水污泥：1.74MJ/kg（415大卡/kg，一般400~500大卡/kg）
裂解脱水污泥：9.01MJ/kg（2152大卡/kg，一般2000~2200大卡/kg）
裂解烘干污泥：12.16MJ/kg（2904大卡/kg，一般2500~3000大卡/kg）
碳化后污泥脱水裂解液指标（回流至污水处理厂反硝化段）：
BOD5：8950mg/L
COD：19200mg/L
TN：1810mg/L
TP：199mg/L
其他指标：
臭气排放：合格
烟气（硫）：合格
烟气（颗粒）：合格
四：污泥低温碳化工艺原理
污泥低温碳化的原理非常简单，由于市政污水处理厂多数采用活性污泥法处理污水，剩余污泥脱水后，内部含有大量的生物细胞，机械方法很难将其中与细胞有联系的水分脱出。污泥低温碳化就是采用低温（300℃以下），中压（10MPa以下），将污泥中的细胞裂解，裂解后的污泥再次脱水，水分很容易脱出，使污泥含水率降至50%以下。脱出水后的污泥样似砂状，很容易干燥，强制风干可使含水率进一步降低至30%以下，自然风干（3-5天）含水率可达10%以下。
含水约80％的污泥首先切碎，进入高压泵，经过预热和加热进入反应釜，在反应釜反应一定时间后，就变成了裂解液，污泥从原来的半固体状态变成了液态。液态裂解液经普通脱水装置即可将其中75％的水分脱出，达到含水率50％，体积减小为原来的40％以下。如果脱水后的污泥进一步烘干，即可达到含水率30%以下。
污泥低温碳化原理很简单，做一个污泥低温碳化试验很容易，很多大学的实验室都可以完成。但由于污泥的粘稠度很高，流动性很差，要制作一套连续运行的系统，绝非易事。污泥低温碳化的许多专利和技术，大部分都是在解决污泥流动性的问题。晋中市第二污水处理厂的污泥低温碳化系统就是在解决了污泥流动性问题的基础上完成的
污泥中有多种杂质，对设备的损害很大，一些坚硬的杂质（如石块、金属），会造成设备的快速磨损。污泥低温碳化工艺中使用了许多加压泵、阀门和换热器。在项目的实施过程中，通过制造厂家的通力协作，在一些关键设备中，设计了许多过滤设备和耐磨材质，使得设备的磨损问题得到了很好的解决，设备得以长期连续运行。
六：污泥低温碳化技术的前景
污泥低温碳化是一种低成本污泥处理技术，它的低成本体现在两个方面。一方面是投资成本低，由于它的技术简单、工艺流程短，工艺中使用的绝大部分设备为中国目前已经非常成熟的化工设备（如换热器，反应釜，柱塞泵等），使得该技术的投资大大减少；另一方面是运行成本低，通过连续运行中的热量回收，污泥实际的净升温不超过100℃，整个工艺中污泥中的水分不蒸发，避免了蒸发热所需要的大量能量。
污泥低温碳化工艺占地面积很小，与污水处理厂原有的脱水机房相当。这就为在污水处理厂内进行污泥处置创造了条件。
污泥低温碳化技术的前景有如下几个方面：
（1）取代传统工艺，独立实现污泥的处理和处置；
（2）作为干化、焚烧和堆肥的前处理工艺，用很低的投资和很小的运行费用首先将污泥总体积减少60%，极大的降低了污泥处置的总投资和运行成本；
（3）该技术可以应用于对其他类似的生物质固体的处理，例如秸秆，椰壳等。
将市政生化污泥中的细胞裂解，强制脱出污泥中水分，使污泥中碳含量比例大幅度提高的过程叫做污泥碳化。由于生化污泥中大量生物细胞的存在，采用机械方法将其中的水分脱出十分困难，若将其中的细胞破解，其中的固体物质和水分将很容易分离。脱水后的污泥碳化物含水量极小，发热值相对较高，孔隙率大，松散，黑色，与煤炭外观极为相似。
日本在最初研究时，将这种处理技术称为“炭化”，示意处理后的生物质固体有如木炭一般。欧美等国在最初研究时，使用了“Carbonization”一词，译为“碳化”，后来日本的资料中也多采用“碳化”代替“炭化”。学术界将此项技术归为“热分解”或“裂解”，英文均为Pyrolysis。
二：污泥碳化发展的历史
早在上世纪80年代，美国、加拿大和日本的科学家就开始了污泥碳化的研究。1980年，加拿大曾经建设了一个每天可处理25吨污泥的碳化试验工厂；1986年，日本通产省开展了污泥碳化的研究；1978至1990年间，美国有许多关于污泥碳化的专利。上世纪90年代，美国、日本、澳大利亚等国相继研发出各种各样的污泥碳化装置。2000年以后日本的高温碳化技术和美国的低温碳化技术已经相继成熟。各种各样的生产性装置相继投入运行。2008年10月，美国Enertech公司在加州Rialto建设了日处理能力达到750吨脱水污泥的低温碳化厂。
中国在2000年以前目前还没有一个真正的污泥热分解试验装置。1996年，何品晶，顾国维，绍立明等人就曾经在《中国环境科学》杂志上介绍过污泥热分解技术。在这之后，武汉工业大学和上海同济大学均在试验室中进行过污泥热分解的试验。试验结果与目前国外几个厂家所得出的结论基本相同
2005年，日本高温碳化技术开始在中国几个大城市宣传和推广，但由于当时污泥处置问题在各个城市中尚未得到高度重视，加之高温碳化设备价格高昂，技术推广在中国受阻。2012年初，采用日本高温碳化技术，日处理能力为10吨脱水污泥的生产线在武汉正式投产运行。
2006年，天津机电进出口有限公司开始了污泥低温碳化的研究。2009年3月，日处理能力为5吨脱水污泥的生产线通过了天津科学技术中心的鉴定。2010年，山西国际能源集团与天津机电成立了以推广污泥低温碳化技术为主要目标的正阳环境工程有限公司，天津机电以污泥低温碳化技术入股。山西国际能源自有污水处理厂9座，2010年6月，山西国际能源决定在其自有的晋中市第二污水处理厂内建设一座日处理脱水污泥100吨的污泥低温碳化车间，并得到山西省发改委的批准和部分资助。2011年8月，中国第一座采用污泥低温碳化技术的污泥处置工厂正式运行。2012年10月，该项目通过了山西省发改委组织的晋中市城区污泥处置试点工程项（污泥低温碳化技术）后评价会议。
三：晋中污泥低温碳化工程的成果
项目概况：
项目名称：晋中市城区污泥处置试点工程
项目建设单位：山西正阳污水净化有限公司（国际能源全资控股）
工程规模：100吨脱水污泥/天
项目地点：山西省晋中市第二污水处理厂内
占地面积：1500平方米（其中车间占地864平方米）
开工日期：2010年12月
完工日期：2011年6月
投入运行：2011年8月
经济指标：
项目概算：3591万元
运行费：126元/吨湿污泥（燃煤），180元/吨湿污泥（燃天然气）
其中：
若采用煤炭合计：35元
若采用天然气合计：89元
电力合计：32元
药剂合计：28元
人工及管理：31元
技术指标：
进水污泥含水率：80%±5%
碳化脱水后含水率：50%以下
碳化物烘干后含水率：30%以下
低位发热值
原始脱水污泥：1.74MJ/kg（415大卡/kg，一般400~500大卡/kg）
裂解脱水污泥：9.01MJ/kg（2152大卡/kg，一般2000~2200大卡/kg）
裂解烘干污泥：12.16MJ/kg（2904大卡/kg，一般2500~3000大卡/kg）
碳化后污泥脱水裂解液指标（回流至污水处理厂反硝化段）：
BOD5：8950mg/L
COD：19200mg/L
TN：1810mg/L
TP：199mg/L
其他指标：
臭气排放：合格
烟气（硫）：合格
烟气（颗粒）：合格
四：污泥低温碳化工艺原理
污泥低温碳化的原理非常简单，由于市政污水处理厂多数采用活性污泥法处理污水，剩余污泥脱水后，内部含有大量的生物细胞，机械方法很难将其中与细胞有联系的水分脱出。污泥低温碳化就是采用低温（300℃以下），中压（10MPa以下），将污泥中的细胞裂解，裂解后的污泥再次脱水，水分很容易脱出，使污泥含水率降至50%以下。脱出水后的污泥样似砂状，很容易干燥，强制风干可使含水率进一步降低至30%以下，自然风干（3-5天）含水率可达10%以下。
含水约80％的污泥首先切碎，进入高压泵，经过预热和加热进入反应釜，在反应釜反应一定时间后，就变成了裂解液，污泥从原来的半固体状态变成了液态。液态裂解液经普通脱水装置即可将其中75％的水分脱出，达到含水率50％，体积减小为原来的40％以下。如果脱水后的污泥进一步烘干，即可达到含水率30%以下。
污泥低温碳化原理很简单，做一个污泥低温碳化试验很容易，很多大学的实验室都可以完成。但由于污泥的粘稠度很高，流动性很差，要制作一套连续运行的系统，绝非易事。污泥低温碳化的许多专利和技术，大部分都是在解决污泥流动性的问题。晋中市第二污水处理厂的污泥低温碳化系统就是在解决了污泥流动性问题的基础上完成的
污泥中有多种杂质，对设备的损害很大，一些坚硬的杂质（如石块、金属），会造成设备的快速磨损。污泥低温碳化工艺中使用了许多加压泵、阀门和换热器。在项目的实施过程中，通过制造厂家的通力协作，在一些关键设备中，设计了许多过滤设备和耐磨材质，使得设备的磨损问题得到了很好的解决，设备得以长期连续运行。
六：污泥低温碳化技术的前景
污泥低温碳化是一种低成本污泥处理技术，它的低成本体现在两个方面。一方面是投资成本低，由于它的技术简单、工艺流程短，工艺中使用的绝大部分设备为中国目前已经非常成熟的化工设备（如换热器，反应釜，柱塞泵等），使得该技术的投资大大减少；另一方面是运行成本低，通过连续运行中的热量回收，污泥实际的净升温不超过100℃，整个工艺中污泥中的水分不蒸发，避免了蒸发热所需要的大量能量。
污泥低温碳化工艺占地面积很小，与污水处理厂原有的脱水机房相当。这就为在污水处理厂内进行污泥处置创造了条件。
污泥低温碳化技术的前景有如下几个方面：
（1）取代传统工艺，独立实现污泥的处理和处置；
（2）作为干化、焚烧和堆肥的前处理工艺，用很低的投资和很小的运行费用首先将污泥总体积减少60%，极大的降低了污泥处置的总投资和运行成本；
（3）该技术可以应用于对其他类似的生物质固体的处理，例如秸秆，椰壳等。
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