清华大学教授27载破译污泥处理技术瓶颈

根据有关调查发现全国20万t/d规模及以上污水厂的污水处理能力总共达到2272.6万t/d。以万吨污水产脱水污泥7.5吨（含水80%）计，则每年产污泥613.6万吨，占全国污泥总产量的55%。根据2007年底有关部门对全国处理能力20万t/d（含）以上城市污水处理厂污泥处理情况的统计，83%是没有经过妥善处置的，这些污泥的出路也没有一定的保障，造成了污泥无控排放的现状。清华大学环境科学与工程系王伟教授从1982年就开始攻克污泥处理技术难题，近日他率领的科研组终于完成了“基于水热干化技术的污泥处理系统”示范工程的专家组鉴定工作。该技术有望成为未来解决我国污泥处理技术瓶颈的重要一环。

污泥处理的技术瓶颈

随着我国经济迅速发展和城市化金城的加快，城市污水处理的规模不断扩大，污水处理程度逐年升高，污泥产量也急剧增加。我国早期建设的污水处理厂普遍存在重水轻泥的倾向，追求污水处理率，而忽略污泥的处理处置，未经处理的污泥直接外运、简单填埋或堆放，对环境造成潜在的危害。

污泥中含有大量病原菌、寄生虫（卵），铜、锌、镉、汞等重金属，盐类以及多氯联苯、二噁英、放射性核素等难降解有毒有害物。同时，由于污泥中含有大量的蛋白质、脂肪和碳水化合物等高浓度有机物，导致污泥的粘度较大、含水率较高、固液分离性能差，进而影响到污泥堆肥、焚烧或填埋等后续处理处置。目前的一般污泥处理技术无论是脱水还是进行消化抑或直接处理都面临效率低、能耗高的难题。因此，污泥的细胞质/胶体结构是导致污泥处理处置的技术瓶颈和资源化利用的关键障碍。

1、含水率对污泥处置的影响
   
　　污泥中含有大量的微生物细胞和有机物胶体，导致了污泥脱水困难，通常脱水泥饼含水率高达80%左右。目前，污泥处置的手段主要包括堆肥、填埋和焚烧。

　　污泥用于堆肥物料时，通常需要添加调理剂降低含水至50-60%，需要添加的调理剂总量约为污泥的60%，如污泥堆肥产品的销路不好，污泥量不但没有减少反而增加。为了实现堆肥化过程中的高效分解和产品的稳定性，通常堆肥物料的含水率也要求小于60%。

　　国内个别城市也采用垃圾卫生填埋场接纳污泥，由于污泥含水率高，容易造成填埋作业困难、渗滤液水质恶化和填埋堆体不稳定，实际上国内大部分垃圾卫生填埋场拒绝污泥进场。2009年2月16日下午4时左右，深圳市清水河下坪固体废弃物填埋场3号污泥坑发生管涌，大量的淤泥从地底喷涌而出，坡下的道路上被覆盖上厚厚的黑色污泥，空气中弥漫着沼气的味道。据目击者称，管涌发生时，几股黑色的喷泉冲天而起，像瀑布一样，喷射了七八米高，泥浆和污水沿着坡面流下，掩埋了污水处理场的道路，坡下一个正在施工的工地也被掩埋了。有很多专家都反映，“崩塌”事件警示钟敲响，我们应该引起高度重视。

　　焚烧是实现污泥减量化的有效手段，但由于污泥含水率高、热值低，需要添加大量的辅助燃料，是造成运行成本高的重要原因。为了防止焚烧过程的二次污染通常要求焚烧物料的热值大于1200kcal/kg，根据市政污泥的平均泥质水平，只有含水率小于50%时才能满足这一要求。
为了规范污泥的处理处置，近年来我国制定了一系列相关标准和技术政策。其中，对污泥混合填埋的含水率规定小于60%，横向剪切力大于25KN/m2。实际上，脱水泥饼直接填埋的处置方式已经受到现行法规的限制。
   
　　填埋、堆肥和焚烧都不宜直接处理含水率80%的脱水泥饼，为满足处置标准和工艺需要，含水率至少要降低到60%以下。如何高效低耗地将污泥含水率由80%降低到60%，成为保障污泥有效处置的技术关键。

2、污泥脱水特性的热力学解析

　　污泥脱水困难是由于污泥中的水受到多种作用力的束缚，清华大学王伟老师课题组在实验室采用热力学解析手段对污泥的脱水性能进行了定量分析，结果显示，在脱水机可能提供的功率条件下，脱水污泥含水率由80%左右进一步降低是很难实现的。

总体而言，我国污泥处理处置存在处理技术单一、装备水平落后、处置保障率低、二次污染风险大的问题。另外，污泥处理的费用问题也亟待解决。

水热干化技术与国内外同类技术的比较

目前，污泥改性技术受到了越来越多的关注，污泥改性技术可以分为改善污泥厌氧消化性能和改善污泥脱水性能两方面。以实现污泥细胞破碎，释放胞内大分子有机物从而克服污泥厌氧消化固体有机物水解限速步骤的方式有机械破碎、超声波、冻融、臭氧、化学处理以及臭氧等。以溶解污泥中悬浮固体和挥发性悬浮固体降低污泥粘度从而提高脱水性能的方式有热化学处理和水热技术处理。其中，以超声波为代表的改善污泥厌氧消化的污泥改性技术在国内外得到了广泛的研究。但是，厌氧消化污泥的脱水性能没有明显改进，满足不了大量污泥的最终处置。

　　水热干化技术通过将污泥加热，在一定温度和压力下使污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构，可以同时改善脱水性能和厌氧消化性能。随水热反应温度和压力的增加，颗粒碰撞增大，颗粒间的碰撞导致了胶体结构的破坏，使束缚水和固体颗粒分离。另外，加热使污泥中的蛋白质分解，细胞发生破裂，胞内的水分被释放。经过水热处理的污泥在不添加絮凝剂的情况下机械脱水的含水率大幅度降低。污泥的水解宏观上表现为挥发性悬浮固体浓度的减少和COD、BOD以及氨氮等浓度的增加。

　　污泥水热干化技术相比其它改性技术来看，可以同时实现污泥脱水性能和厌氧消化性能改善，其处理成本比臭氧、超声波方式低，且不像普通化学方法需要消耗大量的化学药剂，引入新的二次污染，处理后的污泥可以根据不同地区的实际特点，直接用于堆肥、焚烧、填埋等处理处置方式，具有较好的推广应用前景。

污泥水热干化技术的特点

1、水热干化过程改变了污泥中水的形态

　　污泥经过水热处理，微生物细胞破碎、胶体结构和毛细结构破坏、固体颗粒的表面性质改变，使污泥中水与固体颗粒的结合形态发生改变。胞内水、毛细水、结合水和表面吸附水被大量释放，从而改善了污泥的脱水性能。

　　2、水热干化过程改变了污泥中有机物的形态
   
　　污泥在热水解过程中有机物发生变化，首先是污泥的固体有机物不断溶解、液化；其次，部分溶解性的大分子有机物还进行水解变成小分子物质，有效解决了后续厌氧消化过程中固体有机物水解限速的问题，有利于提高污泥厌氧消化效率。

　　3、水热反应过程污泥中的水不发生相变
   
　　污泥的水热反应是在密闭容器内进行的，尽管水热处理的反应温度高于蒸发干燥的温度，但由于反应过程中污泥中的水不发生相变，系统总体能耗远远低于蒸发干燥工艺，这一点是水热干化技术实现系统节能的核心。

水热干化技术处理污泥的示范工程取得成功

清华大学环境科学与工程系的王伟教授致力于污泥水热干化技术研究27年，本着将该技术应用到污泥处理领域以解决我国长期以来污泥肆意堆放、污染环境的初衷，对该技术的反应机理、工艺条件等进行了全面而深入的研究。目前，该工艺系统已经较为成熟，同时通过开发二次闪蒸换热技术，系统能耗也显著降低，已经使实现工业化应用成为了可能。

　　2008年7月，清华大学、北京健坤伟华新能源科技有限公司受东莞市城市管理局、东莞市市区污水处理厂委托，以东莞市污水处理厂的市政污泥为处理对象，根据国内外市政污泥处理处置的技术发展和经济可行性，并参照东莞市的具体条件，建设了污泥水热干化技术示范工程。

　　2009年3月初，业内污泥处理的专家组参观了示范工程，并且给予了积极的好评。专家组认为，成果完成单位开发了具有自主知识产权的污泥水热干化技术，在此基础上开发了高效节能的污泥脱水处理系统，对于解决污泥含水率高、处置困难的问题提供了重要的技术选择。通过实验室研究和现场中试研究，完成了工艺包开发、关键设备研制及系统集成等，建成了日处理30吨污泥（含水率90％）的示范工程，并实现了生产性规模的连续稳定运行。该技术具有系统能耗低、污泥固液分离性能和生物降解性能同步改善的特点。该技术在工艺设备上实现了以下突破：①开发的浆化反应器，通过闪蒸乏汽返混预热浆化、蒸汽与机械协同搅拌，提高了系统的处理效率。②在水热反应器中，采用蒸汽逆向流直接混合加热的方式，强化了传质传热过程，可以避免局部过热结焦炭化。③在连续闪蒸反应器中，实现了系统能量的有效回收。

　　专家们称，示范工程工艺先进、设备可靠、系统完整，节能效果和减量化效果突出，在国内同类技术中处于领先水平。专家组一致认为，建议推广应用。

编辑：张倩