先科新闻：污泥处理过程的物质与能量流分析
关于污泥处理处置不同对策的讨论与争议通常远比对污水处理工艺的探讨要激烈和复杂得多。除了商家利益和设计、决策者所处的部门局限等主观因素外，污泥处理处置不仅涉及多个环节而且在短期和长期规划、最终去向等方面与很多边界条件和政策导向相关。
通过对不同处理手段的组合、相应的物质和能量流分析，并对投资和运行费用进行比较，常可将问题和讨论更客观化。
本文根据一些实际工程经验的总结对不同工艺组合的物质流和能量流加以分析并结合中国目前情况加以讨论。
2 工艺组合
图1简单综合了欧洲较为常用的污泥 处理、处置或利用的途径。所涉及的单元操作将在下节分别介绍。
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3 单元操作及物质与能量流特征
3.1 生物稳定化
通过稳定化处理，污泥被进一步无机化、减量化，而且脱水性能得到改善。处理后的污泥，由于降低了产气潜能从而可以更好地贮运。出于简化工艺，欧洲小型处理厂（500～20,000人口规模）有较多采用好氧工艺，而大一些的污水处理厂考虑能量回收和运行费用的优化则采用厌氧工艺1。
采用焚烧处理手段时，消化作为一个中间单元操作来说所要达到的目的就简化为减量、便于中间储存和改善机械脱水性能，至于消化的其它功能，比如污泥中有机物含量是否对焚烧有利，以及建造消化系统的投资对污泥处理系统总的影响，则要与其它单元操作综合起来统一考虑。
在厌氧消化污泥的过程中，一部分干物质转化成沼气，可用于发电、制备热水或低压蒸气、作为燃料供给发酵系统保温或作为污泥干燥和污泥焚烧时的辅助燃料。
厌氧消化过程所需要的能量主要是污泥输送和搅拌的电能，以及污泥升温及消化池的保温。目前中国对消化设施运行数据的总结和报道尚较少。图2是根据德国工程数据归纳的结果2。计算中假设处理前干污泥中灼烧挥发份占65%，挥发份的热值是22000KJ/kg，消化后灼烧挥发份减少50%。重力浓缩污泥的浓度、消化温度均会对相关数据产生影响。
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3.2 机械脱水与干燥
机械脱水的效率在没有仔细考虑污泥处置和片面强调一次性投资的节省时常常被忽视，绝大多数情况下，机械脱水脱水率的增加对后续处理处置费用的减小至关重要。
污泥可被部分干燥或全部干燥。干物质含量超过92%的污泥可视为无生物活性，并可长期储存。特别是对于规模较大的污水处理厂，干燥所需能量的来源常常是干燥应用的最大制约。德国上世纪90年代约有120多家污泥干燥厂，这些装置大约可处理市政污水处理设施污泥产生量的10%，单体处理规模远小于中国污水处理厂平均规模。由于严格的排放标准限制，实际常采用间接热交换工艺。
图3给出污泥干物质中不同挥发性固体物含量与污泥干物质含量及污泥低位热值的相关关系。计算中假设灼烧挥发份的热值为22,000KJ/Kg，图中还标出了污泥干燥时不同初始干物质含量及干燥后干物质含量与干燥所需最小理论热量。
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污泥的机械脱水是进一步处理的重要前提。如果将焚烧或其它热处理作为最终处理手段，则要求机械脱水效率尽可能高，因为机械脱水每处理一吨含水污泥需要1—2kwh 的能量（电能），而干燥时不仅需要一部分电能，而且需要大量的热能用于水的蒸发。图4概括了污泥脱水、干燥的基本能量流2。
特别需要注意的是干燥过程中被蒸发出来的水分含有较高浓度的氨氮。通常的做法是将冷凝下来的水排到污水处理厂进行处理，从而在不同程度上增加了进水的氨氮负荷。
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3.4 杀菌与固化
利用氧化钙和添加其他材料或工业废物，如水泥、粘土、石粉、飞灰和烟气净化的粉尘等对脱水污泥进行杀菌和固化处理西方国家在上世纪六、七十年代作了较多的应用研究，包括处理后的填埋性能与工艺。虽然近20多年来这一处理手段在专家学者的视野中几乎消失，但不能忘记的是即使在西欧的发达国家尚有较大比例的污泥以填埋作为最终处置手段，而填埋前通常经过杀菌和固化处理。
除了卫生学上的意义外，氧化钙与含水污泥混合，在与水分子反应的同时放热并使一部分水分蒸发。加入氧化钙后污泥含水率降低、硬度增加。少量的铝盐和（或）磷酸盐的添加可以进一步增加污泥的硬度。
该操作单元的另一个重要作用在于污泥的改性：无形状的和块状的污泥在适宜的混合器中进行固化处理后形成流动性良好的颗粒，由于去除了生物活性从而易于堆积、储存和运输。
这一单元操作的关键在于混合。原始的处理装置是在蜗杆输送机中加入钙粉，因为物料只经过推送过程所以混合不均匀（耗钙粉多、混合不均匀，效果差）同时难以实现污泥性状的改善。现代的混合设备采用混合器中特制的绞刀使污泥破碎并流态化，处理后的物料（污泥）变成流动性良好的颗粒。这种形式的处理在德国得到普遍应用。
图5是一个简化的污泥固化的框算。
该处理单元的作用主要为以下几点：
(1) 单组分或与垃圾混合填埋的预处理；
(2) 酸性土壤的改良；
(3) 污泥热干燥的替代方案；
(4) 污泥焚烧炉或工业窑炉焚烧的预处理（加入的氧化钙起一定的脱硫剂作用）；
(5) 改善储存和运输。
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3.5农业利用和土壤改良
污泥农业利用或用作土壤改良有几种不同的形式，如在极小型污水处理厂经生物稳定化处理后的浓缩污泥直接农用，经机械或加热脱水后的污泥农用、堆肥等。从物质流角度看，污泥富含营养盐，回归农田可以使农业、食品、废物构成良性循环。遗憾的是，现代城市混合排污系统使得污泥成分复杂，因此农用在安全性方面有一定的局限，而用于绿化和土壤改良虽然更为适宜，但由于政策和组织管理方面的原因难以实施。
3.6污泥焚烧与烟气净化
焚烧分为污泥单组分焚烧和混合焚烧。前者最主要的工艺形式是静态流化床。混合焚烧包括：
(1) 垃圾焚烧厂在垃圾中混入少量污泥；
(2) 电厂混入少量污泥；
(3) 工业窑炉（如水泥厂）等。
由于垃圾焚烧厂烟气的排放要求与污泥焚烧一样，所要考虑的因素更多是对策、工艺和费用的优化，比如垃圾焚烧炉排炉在加入过量污泥后，过量的污泥会通过炉排泄漏，导致焚烧不完全，以及污泥会增加烟气中的飞灰从而超过垃圾焚烧炉及锅炉设计的允许值等。争议最大的是电厂和工业窑炉的混合焚烧，因为电厂和工业窑炉排放标准较低，污泥中的污染物混入后被稀释，而重金属、二恶英的监测又很复杂并难以监控。这个议题较大，限于篇幅本文不再展开。
所谓焚烧过程能够自燃，并不是单纯指焚烧过程不需辅助燃料，而同时包括：必须要达到对污染物，主要是有机污染物的充分消除。这里不仅指气相（烟气），而且指固相（飞灰及炉渣），同时达到系统残余固体物的高度稳定化。在设计和实施污泥焚烧处理时需优化空气预热系统、能量回收系统和辅助燃料系统。焚烧过程能否够自燃除了与污泥本身（含水率，干物质的热值）有关外，还与设计的燃烧空气过剩系数、空气预热温度有关。
焚烧后污泥中的化学能转换成烟气中的热能，其中一部分随热回收后的烟气排放而损失掉。热能回收后的主要利用途径为
(1) 燃烧空气的预热；
(2) 污泥预干化（提高热值）；
(3) 发电或输出热水、蒸汽。
前两项完全是焚烧系统的“内耗”。由于烟气组分比常规电厂要复杂，所以一般锅炉蒸汽压力不超过50bar，以发电为最大目的设计，蒸汽热能变成电能的效率约为25%，远低于电厂。
焚烧和烟气净化消耗的电能主要是燃烧风机和烟气引风机。
4以焚烧为最终处理的工艺组合与比较
4.1工艺组合
表1列出几个以焚烧为最终处理的工艺组合。以下为以实际工程为基础的几个方案比较，重点是物质流与能量流的量化，由此可进一步确认设施的复杂程度、大小与费用。
计算中采用统一的基数：
(1) 原始人均污泥产生量为每人每天80g；
(2) 污泥的干物质中灼烧挥发物含量为65%；
(3) 灼烧挥发物中有50%可通过厌氧消化得到降解；
(4) 灼烧挥发物的低位热值为22,000kJ/Kg。
表1： 几个以焚烧为最终处理的工艺组合
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组合代号
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是否有厌氧消化工艺
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机械脱水后TS含量%
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半干化后TS含量%
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燃烧空气预热℃
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焚烧特征
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Fl30Tr37Vw
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有
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30
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34
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500
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自燃
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Fl30Tr48
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有
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30
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48
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不需
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自燃
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Fl37Vw
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有
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37
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无干化
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500
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自燃
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F25Vw
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有
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25
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无干化
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500
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需辅助原料
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25Tr30Vw
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无
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25
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30
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500
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自燃
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25Tr40
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无
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25
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40
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不需
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自燃
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30Vw
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无
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30
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无干化
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500
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自燃
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20Vw
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无
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20
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无干化
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500
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需辅助原料
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Fl30Tr95
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有
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30
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95
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不需
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自燃
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25Tr95
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无
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25
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95
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不需
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自燃
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方案Fl30Tr37和Fl30Tr48污泥消化后机械脱水至固体物TS含量30%（如通过离心脱水机实现），如果通过半干化（或加CaO）将固体物含量进一步增加，在固形物TS含量为37%时（半干化），通过将燃烧空气预热到500℃便可自燃。如果TS含量进一步提高，达到48%时焚烧炉不需对燃烧空气预热便可自燃。
如果机械脱水仅将TS提升到25%（Fl25Vw），即使对燃烧空气预热，也仍需辅助燃料。
未经消化的污泥脱水至TS30%（25Tr30Vw和30Vw），系统通过预热燃烧空气可自燃。
方案Fl30Tr95和25Tr95将污泥全干化至TS95%，所需热源可来自烟气的热回收或污泥消化的沼气。
4.2物质流与设备规模
焚烧烟气量和干燥蒸发的水量分别是焚烧设备和热蒸发干燥设备规模的重要指标。图6将这两个指标列出2。由于污泥消化已将部分可燃物降解，所以烟气量均低于未消化污泥。如果机械脱水率高（Fl37Vw，Fl25Vw,和30Vw），仅通过预热燃烧空气便可实现自燃，不需要中间的干化。
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4.3热能
图7列出焚烧前系统所需的热能以及从沼气和烟气中可回收的热能2。从中可以看出消化过程回收的热量在假定的消化条件下有一大部分又用于系统的保温。除机械脱水率低的20Vw方案外，所有其它方案均可不同程度地回收热能。计算中假定沼气和烟气的热能回收率为75%，在全干化的两个方案中（Fl30Tr95和25Tr95）取90%（相当于电厂热回收率）。
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4.4 电能
图8为系统电耗2，在30-65KJ/人·天这样一个范围。图7中过程剩余热能在150-400KJ/人·天之间（20Vw除外）。取沼气转化电能30%，烟气热能转化为电能的25%，则剩余热能理论上所能转化的电能便与系统耗电在一个数量级上了。实际的系统中考虑到稳定性通常要有一定的余量，一次性投资的局限等，所以污泥焚烧过程的能量回收未必完全抵消系统的能耗。
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图9给出以发电为最大目的发电量比较2。
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在有消化的工艺组合中，发电量绝大部分来自沼气发电。Fl25Vw,20Vw以及全干化方案的发电量较高是因为输入了外界供给的能量。如果燃料计价低而发电量又有较好的补贴，则过程会有盈利，尽管同样的燃料用在发电效率高的常规电厂从能源利用效率上看更有意义。
二个全干化+焚烧的方案（Fl30Tr95和25Tr95）如果利用电厂的剩余热能进行干燥，干化后的污泥替代常规燃料，从能量的角度看是有意义的。实际中，除了以上所提及的污染物排放问题外，运输以及干燥后冷凝水的去向等又成了新的问题。
5 讨论
本文所涉及到的定量描述以欧洲污泥的基础数据和污泥处理工程实践为依据，试图指出污泥问题的系统性以及不同操作单元之间的物质与能量的相互关联，而其中定量化的结论与假设的边界条件有关。关于单元操作和工艺组合的描述与分析可以引出以下启示：
(1) 污泥问题涉及方方面面，如果将某一个或几个单元操作的结论扩展到全系统，就势必会容易以偏概全。 在规划和设计中通过对过程的物质和能量流进行分析可以使决策更科学化。
(2) 无论从卫生要求还是减量化和能量回收的角度，污泥厌氧消化在污泥处理处置系统中应得到更多重视。污泥消化遇到的问题常常是发酵时间长（反应中细胞壁的障碍使得水解过程过长），管理技术要求高等。近十多年欧洲污泥消化之前的预处理技术与工艺可以缓解这一问题，应当注意引进。
(3) 上面的分析显示，半干化如果作为焚烧的预处理，是否需要以及干化的程度主要取决于焚烧的系统优化。如果作为填埋的预处理或者作为污泥运往异地的污泥焚烧厂之前的预处理，在经济性和能耗方面存在很大的局限性。这时杀菌固化在绝大多数情况下会更经济、有效、合理。
(4) 现代污水处理厂污水处理及污泥脱水和稳定化的耗电约在250kJ/人.天2。如果不加辅助燃料的话，由上面的分析可看出，沼气、焚烧的电能回收小于均小于这一数值。也就是说，污水污泥处理是个净耗能的过程。
(5) 焚烧在减量化方面有明显优势，但应该对其在能量回收上所起的作用进行客观估价。减量伴随着污染物的富集，烟气净化的副产物属于特殊固体废弃物。
(6) 焚烧是否是中国目前要普及的对策，应在多方面加以考虑。国际上, 如前西德国，50万以上人口的城市均有至少一个污泥焚烧厂，但另一方面，西德超过50万人口的城市几乎屈指可数，而垃圾焚烧厂约有60个。如果中国垃圾的对策仍以卫生填埋为主的话，追求污泥焚烧似乎就不对称。(7) 将经过简单机械脱水后的污泥进行填埋会给填埋场造成很大压力，上面介绍的污泥杀菌与固化在中国几乎没有实施。在卫生填埋仍为垃圾处置的重要趋势和有限的资金更多要投向完善管网和提高污水处理率的大环境下，杀菌固化和卫生填埋不失为一个务实的解决途径。
过去的几十年中污水处理技术不断完善，但污泥问题即使在发达国家也仍然是一个难以解决的问题。从物质和能量流角度对污泥处置的思考自然会涉及污水的来源与最终归宿的问题。污水处理主要解决的是好氧有机物的降解和营养盐的去除，前者是能量携带体，但通过消耗能量的生化好氧过程转变成二氧化碳被排放。营养盐氮、磷的去除也需要消耗能量，剩余的一部分随出水流走进入水体，一部分留在污泥中。污水处理厂污泥由于成分复杂，资源回收很困难.现代的污水排放模式几乎完全截断了食品－废物－农业的物质循环。污水中大部分的有机物和绝大部分营养盐来自粪尿， 近年来国际国内开展的污水源分离的探索就是想将人粪尿单独分离出来回收能量和资源，同时改变目前污水处理高耗能和污泥处理处置困难的局面3。
