1、城市污泥處理處置的關鍵問題與水熱處理技術2009年年5月月 江蘇江蘇無錫無錫清華大學環境科學與工程系清華大學環境科學與工程系王王 偉偉 提 綱一、我國城市污泥的產生與處理處置現狀二、 水熱技術的工藝研發三、 水熱系統關鍵設備研發四、 東莞污泥水熱干化示范工程五、 基于水熱技術的污泥處理系統一、我國城市污泥的產生與處理處置現狀一、我國城市污泥的產生與處理處置現狀一、我國城市污泥的產生與處理處置現狀9596979899000102030405204060801001201402004006008001000污泥產生量/104t/a 污水產生量/108m3/a 污水產生量年份 污泥產生量目前1400

2、萬噸/年2015年將增加至3560萬噸1 1、我國城市污泥的產生現狀、我國城市污泥的產生現狀一、我國城市污泥的產生與處理處置現狀2 2、我國城市污泥的處置現狀、我國城市污泥的處置現狀堆肥 1%填埋 6%干化焚燒 10% 無處置 83%u重水輕泥的結果是事倍功半 污泥是污水處理的產物，在污水得到凈化的同時，約一半的污染物轉移到污污泥是污水處理的產物，在污水得到凈化的同時，約一半的污染物轉移到污泥中。不解決好污泥處理處置的問題，污水處理的效果只是泥中。不解決好污泥處理處置的問題，污水處理的效果只是“事倍功半事倍功半”。一、我國城市污泥的產生與處理處置現狀3 3、城市污泥的污染嚴重、城市污泥的污染嚴

3、重污泥形成的“城市沼澤”一、我國城市污泥的產生與處理處置現狀4 4、高含水率是污泥處理處置的瓶頸、高含水率是污泥處理處置的瓶頸含水率高造成污泥量巨大含水率高造成污泥量巨大l污泥含水率從污泥含水率從95%降低至降低至80%，污泥體積減少污泥體積減少75%，從，從80%降低降低至至50%體積還將減少體積還將減少60%含水率高造成污泥熱值低含水率高造成污泥熱值低l污泥含水率越高，熱值越低，只污泥含水率越高，熱值越低，只有到含水率低于有到含水率低于50時，才適合時，才適合焚燒焚燒脫水泥餅脫水泥餅(含水率含水率80)直接填埋直接填埋滲濾液水質滲濾液水質填埋操作困難填埋操作困難堆堆 肥肥含水率含水率重金屬

4、重金屬干化焚燒干化焚燒高能耗高能耗高成本高成本歐洲:有機物5%我國:含水率60%干化或調理劑控制限值干化至50%需蒸發600kg水一、我國城市污泥的產生與處理處置現狀4 4、高含水率是污泥處理處置的瓶頸、高含水率是污泥處理處置的瓶頸 含水率由80%降低到60%，甚至50%，是污泥處理所必須達到的要求 含水率由80%降低到60%，甚至50%，干化環節是污泥處理處置系統耗能的主要環節城鎮污水處理廠污泥處置 混合填埋泥質要求含水率低于60% 歐盟填埋導則要求有機物含量必須低于5%一、我國城市污泥的產生與處理處置現狀4 4、高含水率是污泥處理處置的瓶頸、高含水率是污泥處理處置的瓶頸含水率由80%降低到

5、60%，污泥減量一半！固體固體水水水水含水率含水率80%80%含水率含水率60%60%一、我國城市污泥的產生與處理處置現狀4 4、高含水率是污泥處理處置的瓶頸、高含水率是污泥處理處置的瓶頸 吸附水：無法通過機械力去除吸附水：無法通過機械力去除 間隙水：游離態，濃縮脫水的去除對象間隙水：游離態，濃縮脫水的去除對象 毛細水：較高機械力去除毛細水：較高機械力去除 內部水：需進行細胞破碎，或高溫干燥去除內部水：需進行細胞破碎，或高溫干燥去除一、我國城市污泥的產生與處理處置現狀4 4、高含水率是污泥處理處置的瓶頸、高含水率是污泥處理處置的瓶頸u污泥脫水性能的熱力學解析污泥脫水性能的熱力學解析壓濾脫水示意

6、圖機械力脫水的壓力做功過程一、我國城市污泥的產生與處理處置現狀4 4、高含水率是污泥處理處置的瓶頸、高含水率是污泥處理處置的瓶頸水的蒸發潛熱：538kcal/kg水的比熱：1kcal/(kg )u通過蒸發降低含水率的能耗太大通過蒸發降低含水率的能耗太大含水率80%含水率30%固體200kg水水710kg710kg水水90kg90kg固體200kg蒸發掉水710kg水水90kg90kg蒸發干燥每噸污泥需要的投入熱量44 105kcal折合64kg標準煤一、我國城市污泥的產生與處理處置現狀4 4、高含水率是污泥處理處置的瓶頸、高含水率是污泥處理處置的瓶頸二、二、 水熱技術的工藝研發水熱技術的工藝研

7、發二、水熱技術的工藝研發F破壞污泥細胞，釋放胞內水分破壞污泥細胞，釋放胞內水分l 基于對污泥細胞結構和水分布的原理F熱作用下有機物水解，破壞膠體結構熱作用下有機物水解，破壞膠體結構l 基于對污泥膠體結構和物理化學降粘度的原理1 1、水熱技術原理、水熱技術原理水熱技術一直都是污泥處理的一個重要發展方向初次應用初次應用工藝工藝名稱名稱技術特點技術特點1939年，英國Porteous工藝 污泥185熱水解，提高污泥消化效率。1954年，英國Zimpro工藝250濕式氧化工藝。70年代，英國LPO工藝200以下低壓氧化，改善脫水性能80年代中，美國Synox工藝加堿熱水解，100以下90年代中，美國P

8、rotox工藝加酸熱水解，100以下90年代末，美國RTC工藝高壓蒸汽快速升溫，2002201997年，挪威Cambi工藝水熱改性厭氧消化，消化率60%。二、水熱技術的工藝研發2 2、水熱技術發展的沿革、水熱技術發展的沿革技術特點1通過對污泥改性提高脫水性能污泥細胞結構破壞二、水熱技術的工藝研發3 3、水熱技術特點、水熱技術特點水熱處理前的污泥固體水水熱處理后的污泥污泥膠體結構破壞技術特點1通過對污泥改性提高脫水性能二、水熱技術的工藝研發3 3、水熱技術特點、水熱技術特點02004006008001000120014001600153045607590 sludge surface level

9、 in a 100mL graduated cylinerSettling time (min) control 80 120 150 170污泥固液分離性能的顯著提高技術特點1通過對污泥改性提高脫水性能二、水熱技術的工藝研發3 3、水熱技術特點、水熱技術特點蒸發干燥蒸發干燥水熱干化水熱干化技術特點2水熱反應過程沒有相變，能耗低二、水熱技術的工藝研發3 3、水熱技術特點、水熱技術特點水熱處理有機物廢棄物低分子低分子有機物有機物CH4等乙酸乙酸技術特點3水熱處理解決了污泥厭氧消化的瓶頸二、水熱技術的工藝研發3 3、水熱技術特點、水熱技術特點水熱效果1污泥脫水性能提高熱處理前熱處理后污泥粘度顯著降

10、低污泥粘度顯著降低二、水熱技術的工藝研發4 4、水熱處理效果、水熱處理效果水熱效果1污泥脫水性能提高二、水熱技術的工藝研發4 4、水熱處理效果、水熱處理效果水熱效果2生物降解性能改善二、水熱技術的工藝研發4 4、水熱處理效果、水熱處理效果 HRT：10d容積負荷：10kg/m3d總COD去除率：55%二、水熱技術的工藝研發4 4、水熱處理效果、水熱處理效果水熱效果2生物降解性能改善 開展時間：2003年 建設規模：12m3/天 處理對象：濃度3%的濃縮污泥 水熱反應器：電加熱釜式反應器P-769 91 14 45 56 62 23 38 87 71 重力濃縮機，2 原泥調節池，3 高壓進料泵，

11、4 制氧機組，5 反應釜，6 列管換熱器， 7氣液分離器，8 濃縮池，9 離心脫水機中試研究流程二、水熱技術的工藝研發5 5、中試研究、中試研究實驗室小型反應器中試規模處理裝置二、水熱技術的工藝研發5 5、中試研究、中試研究 中試規模裝置上驗證了水熱處理的效果經水熱處理后污泥脫水含水率可降低到50%左右二、水熱技術的工藝研發5 5、中試研究、中試研究（1） 污泥進料濃度過低，增加了系統能耗，相關單元設備的水力負荷大，增加了系統投資；（2） 采用換熱器回收系統能量，存在換熱面易結垢、熱阻增加快和換熱效率低的問題；（3） 采用直接電加熱方式存在污泥局部過熱、結焦等問題，設備維護困難；（4） 在設定

12、的反應溫度條件下，氧的反應活性低，充氧對污泥水熱效果的促進作用不明顯。 二、水熱技術的工藝研發6 6、通過中試研究發現工藝和設備存在的問題、通過中試研究發現工藝和設備存在的問題三、三、 水熱系統關鍵設備研發水熱系統關鍵設備研發 從中試研究至今，課題組又進行了多年的研究，對系統與工藝開展了技術攻關，獲得了推動技術發展的重大突破：三、水熱系統關鍵設備研發突破突破1 1：開發了污泥漿化反應器，提高了進料污：開發了污泥漿化反應器，提高了進料污泥的濃度，大幅度降低了系統能耗。泥的濃度，大幅度降低了系統能耗。三、水熱系統關鍵設備研發突破突破1 1：開發了污泥漿化反應器，提高了進料污：開發了污泥漿化反應器，

13、提高了進料污泥的濃度，大幅度降低了系統能耗。泥的濃度，大幅度降低了系統能耗。污泥濃度過高不利于水熱反應根據流變學的原理確定了高濃度污泥的極限濃度246810121473521280 屈服應力/pa污泥濃度/% r=5mm r=10mm r=15mm r=20mm14三、水熱系統關鍵設備研發突破突破1 1：開發了污泥漿化反應器，提高了進料污：開發了污泥漿化反應器，提高了進料污泥的濃度，大幅度降低了系統能耗。泥的濃度，大幅度降低了系統能耗。漿化反應器外觀漿化反應器外觀漿化反應器設計漿化反應器設計獨特設計：獨特設計： 強制攪拌強制攪拌 加熱稀化加熱稀化 閃蒸乏汽返混閃蒸乏汽返混 三、水熱系統關鍵設備

14、研發突破突破1 1：開發了污泥漿化反應器，提高了進料污：開發了污泥漿化反應器，提高了進料污泥的濃度，大幅度降低了系統能耗。泥的濃度，大幅度降低了系統能耗。反應器的特點反應器的特點污泥蒸汽逆流混合蒸汽高速噴射 局部湍流攪拌器 分層分區攪拌三、水熱系統關鍵設備研發突破突破2 2：開發了蒸汽直接加熱方式的水熱反應器，：開發了蒸汽直接加熱方式的水熱反應器，提高加熱效率，實現高濃度污泥均勻反提高加熱效率，實現高濃度污泥均勻反應，避免反應器結焦。應，避免反應器結焦。三、水熱系統關鍵設備研發突破突破3 3：開發了用于換熱的閃蒸反應器，加熱污：開發了用于換熱的閃蒸反應器，加熱污泥閃蒸的熱蒸汽直接加熱冷泥，熱損

15、失泥閃蒸的熱蒸汽直接加熱冷泥，熱損失小，設備穩定性強。小，設備穩定性強。0.150.300.450.600.750.9003691215蒸汽攜帶質量/%閃蒸壓力/MPa 180oC 170oC 160oC0.150.300.450.600.750.9001020304050 180水熱 170水熱 160水熱蒸汽攜帶能量/%閃蒸壓力/MPa三、水熱系統關鍵設備研發突破突破3 3：開發了用于換熱的閃蒸反應器，加熱污：開發了用于換熱的閃蒸反應器，加熱污泥閃蒸的熱蒸汽直接加熱冷泥，熱損失泥閃蒸的熱蒸汽直接加熱冷泥，熱損失小，設備穩定性強。小，設備穩定性強。三、水熱系統關鍵設備研發突破突破4 4：開發

16、了連續污泥水熱系統的自動控制方案。：開發了連續污泥水熱系統的自動控制方案。四、四、 東莞污泥水熱干化示范工程東莞污泥水熱干化示范工程項目位置建成時間：2008年10月處理規模：30噸/天應用單位：東莞市市區污水處理廠實施單位：清華大學 北京健坤偉華新能源科技有限公司四、東莞污泥水熱干化示范工程工藝流程圖四、東莞污泥水熱干化示范工程1 1、工藝流程、工藝流程平面布置圖2 2、平面布置、平面布置四、東莞污泥水熱干化示范工程工程外觀四、東莞污泥水熱干化示范工程3 3、工程外觀、工程外觀系統單元工程外觀四、東莞污泥水熱干化示范工程3 3、工程外觀、工程外觀24h連續運行工程夜景系統單元工程外觀四、東莞

17、污泥水熱干化示范工程3 3、工程外觀、工程外觀水熱單元系統單元工程外觀四、東莞污泥水熱干化示范工程3 3、工程外觀、工程外觀水熱處理后的污泥性狀與泥土類似，黑褐色，疏松多孔污泥含水率低于55，易成型。水熱處理前水熱處理后水熱單元系統單元工程外觀四、東莞污泥水熱干化示范工程4 4、泥餅性狀、泥餅性狀廢蒸汽流量 0.56 t/d固體 0尾氣處置漿化反應器均質罐水熱反應器蒸汽發生器閃蒸反應器水熱離心機濾液處置泥餅處置漿化污泥流量 34.65 t/d固體 8.7%閃蒸蒸汽流量 5.21 t/d固體 0水熱蒸汽流量 6.19 t/d固體 0水熱污泥流量 40.84 t/d固體 5.9%閃蒸污泥流量 35

18、.63 t/d固體 6.7%脫水濾液流量 30.29 t/d固體 0脫水泥餅流量 5.34 t/d固體 45%濃縮污泥流量 30 t/d固體 10%水熱單元系統單元工程外觀四、東莞污泥水熱干化示范工程5 5、物料衡算、物料衡算廢蒸汽流量 0.56 t/d溫度 100焓值 1.5GJ/d漿化反應器均質罐水熱反應器閃蒸反應器水熱離心機漿化污泥流量 34.65 t/d溫度 100焓值 14.5GJ/d閃蒸蒸汽流量 5.21 t/d溫度 110焓值 14.0GJ/d水熱蒸汽流量 6.19 t/d溫度 200焓值 17.3GJ/d水熱污泥流量 34.84t/d溫度 180焓值 31.2GJ/d閃蒸污泥流量 35.63 t/d溫度 110焓值 16.4GJ/d脫水濾液流量 30.29 t/d溫度 80焓值 10.2GJ/d脫水泥餅流量 5.34 t/d溫度 80焓值 1.8GJ/d濃縮污泥流量 30 t/d溫度 20焓值 2.5GJ/d散熱損失熱損失率 5%焓值 0.5GJ/d散熱損失熱損失率 5%焓值 0.7GJ/d散熱損失熱損失率 5%焓值 0.6GJ/d冷卻溫度 80焓值 4.5GJ/d水熱單元系統單元工程外觀四、東莞污泥水熱干化示范工程6 6、能量衡算、能量衡算五、五、 基于水熱技術的污泥處理系統基于水