濕式空氣氧化法處理城市污水廠污泥的可行性分析

胡林龍

摘要：隨著我國城市污水處理廠的污泥產生量劇增，污泥處理處置成為環境保護的熱點。就濕式空氣氧化法處理城市污水廠污泥進行可行性分析，闡述了該方法的原理和工藝流程，分析了處理城市污水處理廠污泥的技術和經濟可行性。濕式空氣氧化法在處理城市污水廠污泥上，能實現污泥的“穩定化、減量化、無害化、資源化”，處理速度快;經濟上比焚燒、干化等其他污泥處理方法投資運行費用低。

關鍵詞：污泥;濕式空氣氧化法;可行性

中圖分類號：X7

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9941（2018）8-0049-03

1 引言

隨著我國污水處理設施建設的快速發展，污泥產生量日益增加。截至2014年底，我國城市污水處理能力達到13807萬t/日，污泥的年產生量已經超過3000萬t[1]。市政污泥作為污水處理的產物，一般來源于初沉池和二沉池，不僅含水率高，且含有大量的病原微生物及銅、鋅、鉻等重金屬。假如污泥得不到合適的處理處置，將帶來土壤及地下水污染、疾病傳染等環境衛生問題，具有巨大的潛在危害性。同時，污泥中又含有大量的N、P及有機物等營養元素，經過合適的技術處理電可以作為一種可用資源。

西方發達國家由于工業化進程早，對污泥的處理處置技術先進，處理程度較高，其污泥的最終處置方法為土地利用、填埋、污泥農用、焚燒及綜合利用等。我國污泥處理起步較晚，處理設施少，絕大多數污水廠污泥處理部分只是簡單地進行濃縮脫水后外運，污泥處理設施和污水廠同時建造的案例很少。但隨著我國經濟實力的發展，市政基礎設施的投資增加，加之污泥污染問題嚴峻，污泥的處理處置引起社會各方的關注，國家出臺多項污泥處理處置的法律法規和政策，日前我國的污泥處理處置技術也層出不窮，本文就濕式空氣氧化法（Wet air oxidation，簡稱WAO）處理城市污水處理廠污泥這項技術進行可行性分析。

2 濕式空氣氧化法技術簡介

將待處理的污泥、廢水、有機固廢等置于密閉的容器中，在高溫（125℃～320℃）和高壓（0.5～10 MPa）條件下用空氣或純度較高的氧作為氧化劑，采用化學方法將其中有機物降解的處理方法，叫做濕式氧化法（Wet oxidation，簡稱WO），其中以空氣作為氧化劑又叫做濕式空氣氧化法（Wet air oxidation，簡稱WA0）。較高的溫度促使反應速度劇增，使有機物可以在數秒內被氧化分解，而較高的壓力則保證反應在液相中進行。

從1958年F.J.Zimmermann[2]首次采用濕式氧化法處理造紙黑液，到目前世界上采用這種工藝建成的W0工廠已有200多家，廣泛的應用于石化廢堿液、農藥生產廢水、丙烯晴生產廢水、焦化廢水以及城市污泥的處理。

第一座以空氣為氧化劑的污泥熱處理裝置于1967年在賓州的萊維城建成的[3]。在濕式空氣氧化法處理活性污泥過程，通過研究學者發現了一些規律：淀粉較容易地被分解，而木質素卻在相同條件下不易降解，反而能夠在200℃以上與淀粉一樣較易地降解。在200℃以下，蛋白質和比較粗的纖維素同樣不易被氧化分解，卻在溫度升高至200℃以上時，二者同樣也同淀粉一樣較易被氧化了。經過研究表明，在低壓的條件下的WAO中，有機氮轉化為硝酸鹽類和氨鹽類，并且這些鹽類大部分都溶解存在于液相之中。在經過低溫低壓的WAO系統的處理之后，含高濃度多氯化合物等有毒物質的城市污泥成功地去除了99%左右的有毒有害物質。

濕式空氣氧化法由于處理的有機物范圍廣、效果好，反應時間短，反應器容積小，幾乎沒有二次污染，可以回收有用的物質和能量等優點而受到廣泛的應用和重視。但是，由于反應所需的溫度和壓強較高，一次性投資比較大，對設備和技術的要求也很高，限制了它的進一步推廣。

3 濕式空氣氧化技術處理城市污泥工藝流程

濕式空氣氧化技術處理城市污泥的工藝流程如圖1所示。

3.1 污泥進料存儲單元

經城市污水處理廠脫水后的污泥（80%含水率）轉運至處理廠門衛室稱重計量后，進入污泥儲庫。其作用是對污泥的計量和儲存。

3.2 預處理單元

污泥儲庫的市政污泥進入預處理單元，首先與回流液一并進入均質罐內充分混合均質，均質后污泥進入濕式氧化反應器進行氧化反應。回流液具備一定溫度，因此預處理單元一方面使污泥混合均勻，另一方面吸收回流液的熱量及提高污泥的含水率，保證污泥在后續管道中的流動性。

3.3 氧化反應單元

污泥在一定溫度和壓力條件下，與進入氧化反應器的氧化劑發生系列化學反應，易降解的有機質被氧化分解。反應后的物料依靠自身的壓力通過出料口排至強制過濾機將其水分脫出。

溫度、壓力條件使存活于原污泥中的病毒、病菌、寄牛蟲等有害生物被有效滅活。

3.4 活化、閃蒸單元

來自氧化反應過程的被軟化的纖維素、木質素在特定條件下打破，使其內部的纖維素、半纖維素充分暴露還原，原存于物料中的有機成分如腐殖酸、N、P、K被吸附至纖維素微孔中。

在閃蒸器中，物料中的纖維素，經膨化后，能夠最大程度的裸露出來，增加纖維素的比表面積，使最終產品的吸水性、持水性得到明顯的改觀，提高固體產物的品質。同時，閃蒸能夠使得污泥中的微生物細胞破裂，增加污泥的脫水性能。

3.5 脫水單元

經過氧化和閃蒸處理的市政污泥，其中的微生物細胞開始破碎，膠體物質開始解體，粘度降低，胞內水、毛細吸附水和表面吸附水大量析出，大量的有機物從非溶解的固態轉化為溶解態而轉移到液相中，因此市政污泥經水熱處理后的殘余固體的脫水性能得到顯著改善（通過機械脫水就可以將含水率降低到45%左右）。

3.6 污泥分離液處理單元

因為污泥上清液呈酸性，有機物溶解，易氧化有機物被氧化穩定，胞外聚合物分解，重金屬大量進入液相，通過納濾等方式將金屬離子與有機物分離，富集有機物，富集后的有機物可資源化利用，含有重金屬離子的液體則通過離了交換或化學沉淀的方法去除后循環利用或排放。此方法工藝流程簡單，操作方便。

通過上述工藝流程中各單元的介紹，WAO法處理城巾_污水處理廠污泥，氧化反應單元氧化污泥中的有機質和滅菌，解決污泥的不穩定性和傳染性;活化、閃蒸單元增加污泥的脫水性;上清液處理回用單元能夠去除污泥重金屬及提到污泥氮磷回收。

4 技術可行性論證

我國的政策文件《城市污水處理廠污泥處理處置最佳可行性技術導則》中，提出污泥應以“穩定化、減量化、無害化”為目的，但應盡可能利用污泥中的物質和能量，以減少投入和節約能源，實現其“資源化”。現就濕式空氣氧化法處理城市污泥這一技術可行性分析。

4.1 穩定化分析

穩定性主要體現在污泥的物理穩定性、化學穩定、生物穩定性等3個方面。經過高溫氧化，容易氧化的有機物和有機氣體等均反應完，剩余的有機物主要是水源性腐殖質、纖維類和熱穩定性高的有機物，處理后的產物可以長期堆放而不會發臭。

4.2 污泥減量化分析

由于高溫氧化及閃蒸膨化的處理，污泥最難脫除的細胞胞內水得到釋放。污泥經離心脫水后，污泥的含水率為40%，在含水率80%的基礎上體積和質量減量60%以上，即如果80%含水率的原泥處理量為100 t，則處理后固體產品的產量不到30 t。

4.3無害化分析

無害化的評價可以從酸堿腐蝕性、生物穩定性、有害物溶出性等方面進行評價。反應前污泥的pH值為7.5，反應后pH值為6.7，在6～9范圍內。同時，溫度、壓力條件使存活于原污泥中的病毒、病菌、寄牛蟲等有害生物被有效滅活，反應后泥中細菌病菌等殺滅率為100%，不含微生物體和病原菌。

4.4 資源化分析

資源化根據綠化園林用泥的標準，主要考查兩個方面，一是污泥中的營養物質（N、P）和有機物含量;二是重金屬含量。

通過控制反應溫度及反應時間，總COD去除率有20%，實現了易反應有機物的濕式氧化;易降解有機物被氧化分解，有機物降解率為21.7%;由于只氧化了有機物中不穩定的部分，產物的有機物含量仍然較高，達33.7%。產物具有較高的利用價值。同時，經過高溫水熱處理后的磷元素，大多以磷酸鹽的形式吸附和殘留在固體表面，含氮的化合物則主要進入分離液。分離液在經過重金屬脫除后，可以回流到污水處理廠作為碳源的補充。從而實現了污泥的固體和液體的資源化。

5 經濟可行性分析

目前，我國濕式氧化法處理污泥工業化項目有北京南口污水處理中心污泥資源化項日和浙江海寧城市污水處理廠污泥處理工程。其中，北京南口污水處理中心污泥資源化項目主要指標是處理量：50 t/d，含水率80%;日產資源化產品：15 t/d;設備占地面積：600 m2;處理周期：約1h，可以做到日產日清;污泥處理電耗：80～90 kwh/t。

海寧城市污水處理廠污泥處理項目[4]處理量100t/d，總投資2800萬元，污泥處理費用170元/t。另外李維成[5]對濕式氧化進行初步經濟分析，包含系統折舊的污泥（含水率80%）綜合處理成本約為130元/t。通過對污泥焚燒和污泥濕式空氣氧化（ WAO）進行深度對比，如表1所示。

通過表1的經濟分析，WAO處理城市污水廠污泥具備投資低運行費用低，占地少。但是由于WAO處理工藝對管道和壓力容器的使用多，在運行和操作上要求更高。綜合來講，WAO法與傳統的焚燒、干化等污泥處理工藝比較，具有較好的經濟性。

6 結語

（1）濕式空氣氧化法作為污泥處理的一種新方法，在我國的實際工程較少。該方法以空氣作為氧化劑，在高溫高壓反應器中對污泥的有機物進行氧化，通過閃蒸、脫水等后續環節，達到污泥的穩定化、減量化、無害化及資源化，技術成熟可行。

（2）濕式空氣氧化法的主要設備有污泥存儲容器、氧化反應器、閃蒸罐、脫水設備、換熱設備及空氣壓縮設備，固定投資約40萬元/t;運行費用主要在加熱的電耗，換熱設備能耗及分離液重金屬去除藥劑費等，處理成本約170元/t。與其他污泥處理方法比較，具有較好的經濟性。同時，該處理方法占地面積小，污染物排放低，隨著我國污泥處理的需求增加，會有更多的實際工程出現。

參考文獻：

[1]中華人民共和圍住房和城鄉建設部.2014年中圍城市建設統計年鑒[M].北京：中國社會年鑒出版社，2015.

[2]FJ Zimmerman， [J]. ChemEng 1958 （8）：117.

[3]楊琦，陸雍森，趙建夫，污泥濕式空氣氧化處理研究的進展[J].水處理技術，1997，1（23）.

[4]L.PengL.L. HuComparison of Lhermal hydrolysis and wet air oxi-

dation in sludge treatment in China[J]. International Conferenceon Humanities and Social Science Research，2016：91～95.

[5]李維成，污泥濕式氧化試驗研究及經濟性分析[J].動力工程學報，2018，18（38）.