0?引 言

城市污泥是城市生活污水處理過程中產(chǎn)生的固體廢物，含水率高且不易脫水，主要有蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂質(zhì)等，還含有一些難于降解的毒害性物質(zhì)，比如多環(huán)芳烴、重金屬（Cd、Cr、Hg、Cu、Pb、Zn、Ni等）、寄生蟲（卵）、致病菌等微生物，隨意處置不僅會對環(huán)境造成二次污染，還會引起一些資源浪費，不利于碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。

目前中國污泥處置方式中，土地填埋占65%，堆肥占15%，污泥自然干化占6%，污泥焚燒占3%，污泥露天堆放和外運等占11%，而在美國、歐洲等發(fā)達(dá)地區(qū)，污泥脫水后資源化利用的比例已經(jīng)高于85%。城市污泥水分高，脫水困難是制約污泥資源化利用的共性技術(shù)難題，污泥脫水方法與技術(shù)成為當(dāng)前城市污泥資源化利用領(lǐng)域的研究熱點與難點。傳統(tǒng)方法是采用熱干化技術(shù)，將機械預(yù)脫水污泥的含水率降低至10%左右，能耗高脫水率低，運行成本高。

污泥水熱炭化處理是指以污泥為原料，水為媒介，在一定的溫度（150～300℃）及壓力作用下，經(jīng)過一系列反應(yīng)生成水熱污泥炭、水相以及少量以CO₂為主的氣體。水熱炭化處理可以顯著改善污泥的脫水干燥性能、燃料特性和氣化特性，獲得相對高品質(zhì)固體燃料^[12]，因此利用水熱炭化技術(shù)將污泥轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品或生物燃料引起了廣泛關(guān)注，在技術(shù)參數(shù)優(yōu)化和產(chǎn)物特性等方面取得一定研究成果^[13-14]。Brooks等^[15]發(fā)現(xiàn)對市政污泥在165～180℃條件下水解量最大，F(xiàn)isher等^[16]研究發(fā)現(xiàn)水熱溫度在150℃以上能大幅提高污泥的脫水等性能，在180℃時取得較好的脫水效果。Bougrier等^[17]研究發(fā)現(xiàn)水熱預(yù)處理能夠提高污泥的沉降性、脫水性和厭氧消化性能，污泥經(jīng)過170℃條件下預(yù)處理比150℃條件下有更高的溶解率和產(chǎn)甲烷能力。

在規(guī)模化污泥熱水解處理技術(shù)工藝中，Porteous工藝用水蒸氣熱處理初沉污泥和二沉池污泥，促進污泥脫水性能，脫水污泥含固量由20%上升至40%；Zimpro工藝是以壓縮空氣為氧化劑濕式氧化污泥，目的在于對污泥完全滅菌、充分除臭、易于脫水等；Cambi工藝采用高壓蒸汽對工業(yè)污泥進行厭氧消化預(yù)處理，分解細(xì)胞結(jié)構(gòu)和有機物，為厭氧反應(yīng)提供易于消化的原料。以上處理工藝推動了污泥水熱處理技術(shù)發(fā)展，但均是以蒸汽或者空氣作為熱介質(zhì)的水熱預(yù)處理，針對污泥水熱炭化技術(shù)的工程案例鮮有報道。

本文主要通過對工程規(guī)模的污泥水熱炭化系統(tǒng)開展研究，重點討論系統(tǒng)工程設(shè)計，產(chǎn)物特性以及系統(tǒng)能量平衡分析等，以期為污泥水熱炭化技術(shù)推廣應(yīng)用提供理論支撐。

工藝方案及系統(tǒng)組成

工藝方案

該污泥連續(xù)水熱炭化工程位于山東省濟寧市，處理含水率約80%的市政污水廠污泥，設(shè)計年處理能力1.4×10⁴t^[21]。系統(tǒng)工藝主要包括連續(xù)增壓、水熱炭化、連

續(xù)泄壓、固液分離等工藝，具體工藝流程如圖1所示。

連續(xù)增壓過程主要以高壓螺桿泵為驅(qū)動力，將含固率為10%~30%的污泥原料輸送至高壓反應(yīng)器內(nèi)，螺桿泵耐壓可達(dá)6MPa。

水熱炭化工藝主要是采用連續(xù)式攪拌釜反應(yīng)器（ContinuousStirredTankReactor，CSTR），該反應(yīng)器具有物料連續(xù)輸送過程中流速穩(wěn)定易控、濃度均勻、受熱均勻等優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用^.

系統(tǒng)泄壓工藝主要是在保障系統(tǒng)相關(guān)環(huán)節(jié)壓力的條件下，將反應(yīng)后的水熱碳漿變?yōu)榈蛪海龠M行下一步的固液分離。

固液分離工藝主要采用較為成熟的污泥壓濾機，對水熱后的污泥漿擠壓脫水，水相排入污水廠，固相污泥炭進行資源化利用。

1.2系統(tǒng)組成及原理

污泥連續(xù)水熱炭化工程主要由連續(xù)進料系統(tǒng)、水熱炭化系統(tǒng)、固液分離系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)以及在線監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)方案如圖2所示。

系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，污泥原料由高壓螺桿泵經(jīng)套管預(yù)熱至50～60℃后輸送至CSTR反應(yīng)器中進行水熱炭化，通過料位計控制反應(yīng)停留時間為1.5～3h。水熱反應(yīng)過程中產(chǎn)生的少量氣體經(jīng)過化學(xué)洗滌除臭系統(tǒng)后排出。反應(yīng)結(jié)束后，高溫水熱泥漿通過多級套管換熱器冷卻降溫，將熱量通過導(dǎo)熱油傳遞至預(yù)熱系統(tǒng)，降溫后水熱泥漿再進行泄壓。泄壓后的污泥漿輸送至緩存罐，進行定期壓濾，實現(xiàn)固液分離和后續(xù)利用^[24]。控制系統(tǒng)監(jiān)控整個系統(tǒng)的溫度、壓力、流量、液位等關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)連續(xù)進出料控制。水熱反應(yīng)器和換熱系統(tǒng)均設(shè)有緊急排污口，防止系統(tǒng)堵塞故障。

1.污泥暫存罐2.循環(huán)導(dǎo)熱油3.氣路4.噴淋塔5.吸附劑6.排氣口7.反應(yīng)釜8.水熱炭9.緩存罐10.壓濾脫水系統(tǒng)11.泄壓泵12.排污口13.換熱系統(tǒng)14.油循環(huán)泵15.污泥預(yù)熱16.增壓泵

試驗材料及測試方法

試驗原料

以濟寧市污水處理廠的市政污泥為原料，含水率為82.64%，污泥原料進行工業(yè)與元素分析，該污泥是市政污水經(jīng)改良A²/O工藝處理后的剩余脫水污泥。測得污泥氨氮含量為456.8mg/L，化學(xué)需氧量COD（ChemicalOxygenDemand，COD）為269.1mg/L。新鮮污泥樣品在干燥箱中105℃烘干12h，粉碎后置于干燥器中保存待用。

測試方法

為了確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，本研究對該項目工程進行了連續(xù)4d的檢測。設(shè)定系統(tǒng)反應(yīng)壓力為2.3MPa，溫度為190℃，反應(yīng)時間為4h，主要測試指標(biāo)為污泥處理量、三相產(chǎn)物產(chǎn)率及性質(zhì)、系統(tǒng)能耗等主要參數(shù)。采用德國INFICON-3000Micro氣相色譜儀測試氣體組分^[26]，三根色譜柱載氣為Ar、He和He，色譜柱溫度分別為110、90和80℃。采用GC/MS測試水相組分，采用重鉻酸鉀法測試水相COD，采用流動分析儀（AutoAnalyzer3）測試水相氨氮^[27]。采用氧彈量熱儀（HW-5000D）測試污泥炭的熱值。

采用恒重法測定污泥含水率，將經(jīng)過真空抽濾脫水后的泥餅稱重，再將其放入烘箱中在105℃溫度下烘干至質(zhì)量不變。污泥原料含水率S、污泥炭含水率CS、污泥脫水率W的計算公式如下：式中M₁為污泥樣品的質(zhì)量，g；M₂為污泥樣品烘干后的質(zhì)量，g；M₃為污泥炭的質(zhì)量，g；M₄為污泥炭烘干后的質(zhì)量，g。

結(jié)果分析

系統(tǒng)性能及產(chǎn)物特性

穩(wěn)定運行過程中，對設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)進行測試，每次測試時長為5h。主要指標(biāo)如表2所示，可以看出系統(tǒng)溫度和壓力等參數(shù)控制精度較高，運行穩(wěn)定性良好。三相產(chǎn)物的質(zhì)量產(chǎn)率分別為污泥炭28.57%，水相70%，氣相1.43%。累計系統(tǒng)各個電動機以及監(jiān)控系統(tǒng)等能量能耗，處理每噸污泥消耗的總電能為18kWh^[21]，系統(tǒng)熱量由天然氣爐提供，處理每噸污泥消耗天然氣13m³.

經(jīng)樣品測試分析，污泥炭的脫水率可達(dá)75.00%，污泥中水分形態(tài)可分為自由水、間隙水、表面水和結(jié)合水，其中表面水和結(jié)合水很難通過機械脫水方式脫除，機械脫水后其含水率只能降至80%左右。但經(jīng)水熱炭化處理后，污泥含水率可降至50%以下。在高溫高壓條件下，污泥中的水為亞臨界狀態(tài)，具有較高的自由電離常數(shù)和較低的介電常數(shù)，使得水作為反應(yīng)溶劑較強的溶解能力和穿透能力，在反應(yīng)過程中將污泥微生物細(xì)胞破碎，細(xì)胞中的有機物質(zhì)（蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物）被進一步水解為小分子物質(zhì)，細(xì)胞結(jié)合水被釋放出來，使得污泥的脫水性能得到改善。

污泥炭表征

污泥和污泥炭收到基的基本理化特性如表3所示，污泥原料經(jīng)過水熱炭化后，發(fā)生了水解、脫羧以及聚合等反應(yīng)，使得元素分析和工業(yè)分析均出現(xiàn)較大差異。C含量顯著增加，H和N等含量降低，O含量大幅降低。炭的H/C摩爾比反應(yīng)了污泥水熱反應(yīng)的煤化程度，結(jié)果表明，該工程系統(tǒng)的水熱污泥炭的H/C比為6.47，遠(yuǎn)高于燃煤的H/C比0.9，煤化程度較差。另外，O/C摩爾比表征了生物炭的穩(wěn)定性，數(shù)值越低穩(wěn)定性越好，對環(huán)境保護的固炭減排越有利，當(dāng)O/C比為0.2～0.6之間時，生物炭的半衰期是100～1000a，該污泥炭的O/C比為2.58，說明污泥炭的穩(wěn)定性較差。結(jié)合污泥炭干燥基的低位熱值測試結(jié)果為13.17MJ/kg，灰分為35.05%，可以看出污泥炭的燃料特性并不理想，還需探索其他的資源化利用路徑。

3.2.2?水相產(chǎn)物及表征

水相是污泥水熱炭化主要的副產(chǎn)品，利用壓濾機從水熱污泥漿中壓濾分離。經(jīng)檢測，濾液中COD濃度達(dá)到22981mg/L，氨氮濃度為1746.13mg/L，總磷濃度為363.96mg/L，利用GC/MS測試污泥水熱炭化水相主要組分如表4所示，列出了前25種相對含量較高的組分，總占比為99.68%。一些短鏈有機酸比如醋酸，苯乙酸、丙酸和丁酸，以及幾種其他有機物，如呋喃、酚、芳烴、烯烴和醛化合物，都存在于液體中，且液體顏色為黃褐色，有研究表明，污泥在水熱炭化過程中經(jīng)歷水解、脫水、脫羧、縮合，聚合和芳構(gòu)化，但由于溫度較高也會發(fā)生美拉德反應(yīng)機理，主要是指氨基化合物和羰基化合物之間的縮合反應(yīng)生成類黑色素，使得濾液在水熱反應(yīng)下顏色加深，類黑色素難以生化降解，近而影響污泥的厭氧消化性能。

據(jù)報道40%～70%的氮、50%～70%的鉀和10%～15%的磷在水熱炭化反應(yīng)中均遷移至水相^[38]，由于大量營養(yǎng)素和少量微量營養(yǎng)素的比例在水相中，氮、鉀和磷的濃度通常為分別約為2000～5000、100～600和10～200mg/kg，利用水熱水相產(chǎn)物在制備有機肥方面有較高潛力，同時，考慮水相產(chǎn)物中較高的COD含量，且成分較為復(fù)雜，水相產(chǎn)物的處理與資源化需要進一步深入研究。

氣態(tài)組分測試

水熱炭化反應(yīng)的氣體產(chǎn)率很小，約為1.43%，利用氣相色譜儀進行氣體組分分析^[39]，并根據(jù)氣體組分計算低位熱值，得到水熱炭化氣體主要組分如圖5所示，主要以CO₂為主，但仍含有少量的烴類、甲烷及CO等，低位熱值為2.25MJ/m³。但是廢氣中具有較強的臭味，猜測里邊可能含有揮發(fā)性有機物，如醛類化合物、含硫化合物、含氮化合物、含磷化合物、低級脂肪酸、酚類化合物、環(huán)狀醇等惡臭氣味的組分，現(xiàn)有處理工藝主要是采用循環(huán)水噴淋、活性炭吸附等方式實現(xiàn)氣體凈化，同時，考慮氣體具有一定熱值，下一步可以考慮將氣體經(jīng)過燃?xì)馊紵疫M行高溫氧化分解，達(dá)到氣體凈化效果。

reach a verdict

1）本文研究了工業(yè)應(yīng)用規(guī)模的污泥連續(xù)水熱炭化工程，并對運行情況進行了監(jiān)測，結(jié)果表明該連續(xù)式攪拌釜反應(yīng)器系統(tǒng)運行狀態(tài)較好，污泥脫水率達(dá)到75%，年處理量達(dá)1.4×10⁴t，實現(xiàn)了污泥減量化處理。

2）通過系統(tǒng)測試和能量平衡分析，水熱炭化后的三相產(chǎn)物分別為污泥炭57%，水相70%，氣相1.43%，工程系統(tǒng)能耗比為83.83%，能量回收率為66.68%，表明該工藝具有較高的能耗比，具有一定技術(shù)優(yōu)勢，但系統(tǒng)能量回收率較低，在減少能量損耗及增加能量回收利用等方面有待提升。

3）根據(jù)產(chǎn)物特性探討資源化利用路徑，固相水熱炭的燃燒特性不理想，可以探究其作為育苗基質(zhì)、吸附劑、活性炭等應(yīng)用潛力；水相產(chǎn)物中較高的COD含量，可進為厭氧發(fā)酵提高營養(yǎng)物質(zhì)；氣相內(nèi)含有可燃?xì)怏w以及揮發(fā)性有機物，建議將氣體脫水后通入燃?xì)馊紵覂?nèi)處理，實現(xiàn)凈化排放。

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