污泥水热干化处理技术_清华王伟

80年代中，美国 Synox工艺 90年代中，美国 Protox工艺 90年代末，美国 RTC工艺 1997年，挪威 Cambi工艺
水热技术一直都是污泥处理的一个重要发展方向
二、水热技术的工艺研发
3、水热技术特点 技术特点1——通过对污泥改性提高脱水性能
污泥细胞结构破坏
二、水热技术的工艺研发
3、水热技术特点 技术特点1——通过对污泥改性提高脱水性能
三、 水热系统关键设备研发
三、水热系统关键设备研发
从中试研究至今，课题组又进行了多年的研究，对系统与工 艺开展了技术攻关，获得了推动技术发展的重大突破：
突破1：开发了污泥浆化反应器，提高了进料污 泥的浓度，大幅度降低了系统能耗。
100 90 80 70 污泥体积(%) 60 50 40 30 20 10 0 水 固体 90 80 70 60 50 40 30 20 10 含 水 率 (%) 0
屈服应力/pa
28 21 14 7 0
r=5mm r=10mm r=15mm r=20mm
l = 0.2m
h
2r
θ = 0.1m
排出管
支架
2
4
6
8
10
12
14
污泥浓度/%
三、水热系统关键设备研发
突破1：开发了污泥浆化反应器，提高了进料污 泥的浓度，大幅度降低了系统能耗。
独特设计： 强制搅拌 加热稀化 闪蒸乏汽返混
液 位 变 送 器
压 力 变 送 器
温 度 变 送 器
执 行 机 构
1 # 变 频 器
2 # 变 频 器
3 # 变 频 器
4 # 变 频 器
5 # 变 频 器
四、 东莞污泥水热干化示范工程
四、东莞污泥水热干化示范工程
项目位置
建成时间：2008年10月 处理规模：30吨/天 应用单位：东莞市市区污水处理厂 实施单位：清华大学 北京健坤伟华新能源科技有限公司
城市污泥处理处置的关键问题 与水热处理技术
清华大学环境科学与工程系 王 伟
2009年5月 江苏·无锡
提
纲
一、我国城市污泥的产生与处理处置现状 二、 水热技术的工艺研发 三、 水热系统关键设备研发 四、 东莞污泥水热干化示范工程 五、 基于水热技术的污泥处理系统
一、我国城市污泥的产生与处理处置现状
三、水热系统关键设备研发
突破1：开发了污泥浆化反应器，提高了进料污 泥的浓度，大幅度降低了系统能耗。
污泥浓度过高不利于水热反应
三、水热系统关键设备研发
突破1：开发了污泥浆化反应器，提高了进料污 泥的浓度，大幅度降低了系统能耗。 根据流变学的原理确定了高浓度污泥的极限浓度
35
沉降桶
H = 0.35m
V，HV
液体进料 F TF, pF, HF 阀 Q 加热器
p,T
L，HL
三、水热系统关键设备研发
突破3：开发了用于换热的闪蒸反应器，加热污 泥闪蒸的热蒸汽直接加热冷泥，热损失 小，设备稳定性强。
15 12 蒸汽携带质量/% 9 6 3 0 0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90
浆化反应器外观 浆化反应器设计
三、水热系统关键设备研发
突破2：开发了蒸汽直接加热方式的水热反应 器，提高加热效率，实现高浓度污泥均 匀反应，避免反应器结焦。
反应器的特点 •污泥－蒸汽逆流混合 •蒸汽高速喷射 •搅拌器 局部湍流
分层分区搅拌
三、水热系统关键设备研发
突破3：开发了用于换热的闪蒸反应器，加热污 泥闪蒸的热蒸汽直接加热冷泥，热损失 小，设备稳定性强。
固体 水
水热处理前的污泥
水热处理后的污泥
污泥胶体结构破坏
二、水热技术的工艺研发
3、水热技术特点 技术特点1——通过对污泥改性提高脱水性能
sludge surface level in a 100mL graduated cyliner
90 75 60 45 30 15 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
一、我国城市污泥的产生与处理处置现状
1、我国城市污泥的产生现状
140
污水产生量
120
污泥产生量
1000
污水产生量/×108m3/a
100 80 60
800
600
400
40 20 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05
200
年份
目前1400万吨/年 2015年将增加至3560万吨
二、水热技术的工艺研发
4、水热处理效果 •水热效果1——污泥脱水性能提高
80 70 泥饼含水率/% 60 50 40 30 120 140 160 180 热水解温度/oC 200
30min TS10% 30min VS/TS:67%
80 70 泥饼含水率/% 60 50 40 30
0 20 40 60 80 100
污泥产生量/×104t/a
一、我国城市污泥的产生与处理处置现状
2、我国城市污泥的处置现状
无处置 83%
干化焚烧 10%
填埋 6% 堆肥 1%
一、我国城市污泥的产生与处理处置现状
3、城市污泥的污染严重 重水轻泥的结果是事倍功半
污泥是污水处理的产物，在污水得到净化的同时，约一半的污染物转移到污 泥中。不解决好污泥处理处置的问题，污水处理的效果只是“事倍功半”。
3、工程外观
工程外观 系统单元 水热单元
四、东莞污泥水热干化示范工程
4、泥饼性状
工程外观 系统单元 水热单元
水热处理后的污泥性状与泥土类似，黑褐色，疏松多孔 污泥含水率低于55％，易成型。
水热处理前 水热处理后
四、东莞污泥水热干化示范工程
5、物料衡算
尾气处置 闪蒸蒸汽 流量 5.21 t/d 固体 0
control 80℃ 120℃ 150℃ 170℃
Settling time (min)
污泥固液分离性能的显著提高
二、水热技术的工艺研发
3、水热技术特点 技术特点2——水热反应过程没有相变，能耗低
蒸发干燥
水热干化
二、水热技术的工艺研发
3、水热技术特点 技术特点3——水热处理解决了污泥厌氧消化的瓶颈
180oC 170oC 160oC
50 蒸汽携带能量/% 40 30 20 10 0 0.15 0.30 0.45
180℃水热 170℃水热 160℃水热
0.60
0.75
0.90
闪蒸压力/MPa
闪蒸压力/MPa
三、水热系统关键设备研发
突破4：开发了连续污泥水热系统的自动控制方案。
上位机
PLC
流 量 变 送 器
170oC TS10% 180℃ VS/TS:67%
热水解时间/min
二、水热技术的工艺研发
4、水热处理效果 •水热效果2——生物降解性能改善
二、水热技术的工艺研发
4、水热处理效果 •水热效果2——生物降解性能改善
20 OLR=4.196 15 日 产 气 量 / L·d -1 OLR=7.762 OLR=13.106 中温ASBR 酸化点 停止 OLR=2.523 进料 高温ASBR 酸化点 OLR=10.091
5 4 6 7 8
1
2
P-76
9
3
1 重力浓缩机，2 原泥调节池，3 高压进料泵，4 制氧机组，5 反应釜， 6 列管换热器， 7气液分离器，8 浓缩池，9 离心脱水机
中试研究流程
二、水热技术的工艺研发
5、中试研究
实验室小型反应器
中试规模处理装置
二、水热技术的工艺研发
5、中试研究
经水热处理后污 泥脱水含水率可 降低到50%左右
一、我国城市污泥的产生与处理处置现状
4、高含水率是污泥处理处置的瓶颈 污泥脱水性能的热力学解析
压滤脱水示意图
机械力
P
脱水的压力做功过程
一、我国城市污泥的产生与处理处置现状
4、高含水率是污泥处理处置的瓶颈
通过蒸发降低含水率的能耗太大 固体 200kg
水 90kg 水 90kg
固体 200kg 蒸发 干燥
含水率高造成污泥热值低
z 污泥含水率越高，热值越低，只 有到含水率低于50％时，才适合 焚烧
含水率 (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 热值 (kcal/kg) -226.50 132.00 490.50 849.00 1207.50 1566.00 1924.50 2283.00 2641.50 3000.00
二、水热技术的工艺研发
2、水热技术发展的沿革
初次应用 1939年，英国 1954年，英国 70年代，英国 工艺名称 技术特点
Porteous工艺 污泥185℃热水解，提高污泥消化效率。 Zimpro工艺 LPO工艺 250℃湿式氧化工艺。 200℃以下低压氧化，改善脱水性能 加碱热水解，100℃以下 加酸热水解，100℃以下 高压蒸汽快速升温，200～220℃ 水热改性＋厌氧消化，消化率60%。
10 中温ASBR 高温ASBR
5
0 0 10 20 30 40 50 时间 /d 60 70 80 90 100
HRT：10d 容积负荷：10kg/m3d 总COD去除率：55%
二、水热技术的工艺研发
5、中试研究
• 开展时间：2003年 建设规模：12m3/天
• 处理对象：浓度3%的浓缩污泥 • 水热反应器：电加热釜式反应器
工程外观 系统单元 水热单元
• 中试规模装置上验证了水热处理的效果
二、水热技术的工艺研发
6、通过中试研究发现工艺和设备存在的问题
（1） 污泥进料浓度过低，增加了系统能耗，相关单元设备的 水力负荷大，增加了系统投资； （2） 采用换热器回收系统能量，存在换热面易结垢、热阻增 加快和换热效率低的问题； （3） 采用直接电加热方式存在污泥局部过热、结焦等问题， 设备维护困难； （4） 在设定的反应温度条件下，氧的反应活性低，充氧对污 泥水热效果的促进作用不明显。
一、我国城市污泥的产生与处理处置现状
4、高含水率是污泥处理处置的瓶颈 脱水泥饼 脱水泥饼 (( 含水率 80 ％ )) 含水率 80 ％
直接填埋
渗滤液水质 填埋操作困难
堆 肥
含水率 重金属
干化焚烧
高能耗 高成本
欧洲:有机物<5% 我国:含水率<60%
干化或调理剂 控制限值
干化至50% 需蒸发600kg水
四、东莞污泥水热干化示范工程
1、工艺流程
工艺流程图
四、东莞污泥水热干化示范工程
2、平面布置
平面布置图
四、东莞污泥水热干化示范工程
3、工程外观
工程外观
四、东莞污泥水热干化示范工程
3、工程外观
工程外观 系统单元
四、东莞污泥水热干化示范工程
3、工程外观
24h连续运行 工程外观 系统单元
工程夜景
四、东莞污泥水热干化示范工程
污泥形成的“城市沼泽”
一、我国城市污泥的产生与处理处置现状
4、高含水率是污泥处理处置的瓶颈
含水率高造成污泥量巨大
z 污泥含水率从95%降低至80%， 污泥体积减少75%，从80%降低 至50%体积还将减少60%
100 90 80 70 污泥体积(%) 60 50 40 30 20 10 0 水 固体 90 80 70 60 50 40 30 20 10 含 水 率 (%) 0
污泥固体 有机物
低分子 有机物
乙酸
CH4等
水热处理
二、水热技术的工艺研发
4、水热处理效果 •水热效果1——污泥脱水性能提高
180℃/30min
6000 5000
粘度(CP)
4000 3000 2000 1000 0 0 10 20 30 40 50 60
热处理时间/min
污泥粘度显著降低
热处理前
热处理后
水 710kg
蒸发掉水 710kg
含水率80%
水的蒸发潜热：538kcal/kg 水的比热：1kcal/(kg · ℃)
含水率30%
每吨污泥需要的投入热量44 ×105kcal 折合64kg标准煤
二、 水热技术的工艺研发
二、水热技术的工艺研发
1、水热技术原理
) 破坏污泥细胞，释放胞内水分 z 基于对污泥细胞结构和水分布的原 理 ) 热作用下有机物水解，破坏胶体结构 z 基于对污泥胶体结构和物理化学降 粘度的原理
一、我国城市污泥的产生与处理处置现状
4、高含水率是污泥处理处置的瓶颈 含水率由80%降低到60%，污泥减量一半！
30 20 20
30
固体
水wk.baidu.com
固体
水
水
50
水
50
含水率80%
含水率60%
一、我国城市污泥的产生与处理处置现状
4、高含水率是污泥处理处置的瓶颈
间隙水：游离态，浓缩脱水的去除对象 毛细水：较高机械力去除 吸附水：无法通过机械力去除 内部水：需进行细胞破碎，或高温干燥去除
一、我国城市污泥的产生与处理处置现状
4、高含水率是污泥处理处置的瓶颈
• 含水率由80%降低到60%，甚至50%，是污泥处理所必须达到的要求 • 含水率由80%降低到60%，甚至50%，干化环节是污泥处理处置系统耗 能的主要环节 •《城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋泥质》要求含水率低于60% • 欧盟填埋导则要求有机物含量必须低于5%