污泥深度脫水處理與處置工藝的COD及碳減排分析*

劉 鵬，朱乃若，熊 唯，劉 歡，李亞林，時亞飛，李 野，何 姝，楊家寬

（1.華中科技大學環境科學與工程學院，湖北 武漢 430074；2.宇星科技發展（深圳）有限公司，廣東 深圳 518057）

污泥深度脫水處理與處置工藝的COD及碳減排分析*

劉 鵬1，朱乃若1，熊 唯1，劉 歡1，李亞林1，時亞飛1，李 野2，何 姝2，楊家寬1

（1.華中科技大學環境科學與工程學院，湖北 武漢 430074；2.宇星科技發展（深圳）有限公司，廣東 深圳 518057）

采用污泥深度脫水技術，可使泥餅含水率降到40%～55%，有利于污泥后續處置的同時實現全過程的COD減排及碳減排。經核算，10萬m3/d污水處理廠產生的污泥經深度脫水-焚燒、深度脫水-填埋工藝進行合理有效的處理處置，COD日排放均可減少5.52 t，CO2日排放可分別減少26.06 t和5.61 t。

污泥深度脫水；節能；COD減排；碳減排

據統計，到2010年，城市污泥年產生量已達到3 000萬t（以含水率80%計）［1］。目前我國城市污泥的處理處置工序主要分3步：①污泥在廠區完成初步穩定脫水處理；②污泥轉運至污泥消納中心進行中轉；③污泥經堆肥、填埋、焚燒完成最終處置。

現行污泥脫水技術普遍存在脫水泥餅含水率過高的問題，導致后續處置過程耗能高，難以滿足后續處理的要求，造成嚴重的二次污染。2009年哥本哈根會議后，我國提出“到2020年單位GDP碳排放強度比2005年下降40%～45%”的減排目標［1］。隨著污水處理產業的不斷擴大，污泥等固體廢物的處理處置環節中所存在的能耗高、排污嚴重等問題將愈發突出。采用污泥深度脫水處理工藝，不僅可以降低泥餅的含水率從而利于后續處置，也可以在一定程度上減少COD排放和碳排放，從而達到節能減排的目的。

1 污泥深度脫水工藝

污泥深度脫水處理工藝指對污泥進行調理，破除細胞壁，釋放結合水、吸附水和內部水，改善污泥的脫水性能，使得脫水后污泥的含水率低于 60%的工藝［2］。

1.1 深度脫水工藝的關鍵步驟

1.1.1 污泥調理

污泥調理是在污泥脫水前通過對污泥進行物化處理來改變污泥特性，從而減小污泥比阻，提高脫水率。

目前國內的污水處理廠普遍采用聚丙烯酰胺（PAM）高分子絮凝劑對污泥進行前期調理。PAM在污泥中起到吸附架橋作用，可使分散的污泥小顆粒絮凝聚集形成大顆粒，提高污泥的沉降性能［3］，但并不能改變污泥固相顆粒的形態特征，破除胞外聚合物（EPS），因此難以達到脫除結合水的要求。采用該方法調理經離心或帶式壓濾機脫水后泥餅含水率約80%，難以滿足后續處置的要求。

深度脫水工藝采用界（表）面改性技術、高級氧化技術和骨架構建體技術等對污泥進行前期調理。界（表）面活性劑可減少固液相間的界面張力，其兩親結構的增溶作用和分散作用可使聚合物轉移至水中，使污泥絮體中的EPS分布發生變化，促進污泥絮體結構的解體，從而使絮體網格中所含的水分得以釋放［4-5］；高級氧化技術可有效破除污泥中的EPS，釋放內部水［6-8］；骨架構建體技術可在污泥中形成多孔網狀骨架，改善污泥顆粒結構，破壞膠體的穩定性，提高混凝劑的混凝效果，增強絮體強度，在污泥中形成脫水通道，提高脫水效率［9-10］。

1.1.2 污泥脫水

傳統的污泥機械脫水主要采用離心脫水和帶式壓濾機脫水2種方式。離心脫水利用固液比重差異，即污泥絮體與水所受離心力的不同，使污泥絮體被更快更多地轉移到轉筒壁上，形成環狀沉淀層，液體則從溢流口排出，達到泥水分離的目的［11］；帶式壓濾機首先在污泥濃縮階段依靠重力過濾，然后利用濾帶本身的壓力或張力使污泥脫水，從而獲得固含量較高的泥餅［12］。由于離心脫水所提供的離心力和帶式壓濾脫水的壓力太小，這2種方式不能滿足污泥進一步脫水的要求。

深度脫水的機械脫水工藝采用隔膜板框壓濾技術。板框脫水工藝根據污泥特性設計分散布漿系統，在網面上形成均勻的濕板元，并多層濕合，形成濕板。在壓濾過程中，污泥的過濾靠濾布和濾餅層來完成［13］。隔膜板框壓濾能提供較大的壓力，可進一步脫除污泥中的水分，提高脫水污泥含固率。污泥經界（表） 面改性-骨架構建體技術、高級氧化-骨架構建體技術調理后，通過隔膜板框壓濾，脫水泥餅含水率為40%～55%，可直接滿足污泥后續處置要求。

1.2 污泥焚燒

污泥焚燒是最快捷、高效的污泥減量化處置方式。焚燒時，一定量的過剩空氣與被處理的有機廢物在焚燒爐內進行氧化分解反應，廢物中的有毒有害物質在高溫中氧化分解而被破壞［14］。根據CJ/T 290—2008城鎮污水處理廠污泥處置單獨焚燒用泥質，擬采取焚燒處置的污泥含水率需降低到50%以下。干泥具有較高的能量利用價值。而含水率為80%的脫水污泥難以直接燃燒，需要干化或加入煤或柴油等輔助燃料［15］。采用污泥深度脫水-焚燒工藝，調理階段選用褐煤等可提供熱值的成分作為骨架構建體［16］，在得到含水率較低的泥餅同時可提高泥餅本身的熱值，免除了污泥干化階段［1，17］的化石能源消耗，有效減少處置過程的碳排放。

1.3 污泥填埋

污泥填埋分為單獨填埋和混合填埋2種方式。污泥填埋前必須經過脫水。傳統脫水工藝僅能得到含水率為80%左右的泥餅，無法滿足CJ/T 249—2007城鎮污水處理廠污泥處置混合填埋泥質的要求（混合填埋含水率≤60%，垃圾填埋場覆蓋土含水率≤45%），因此必須加入填充劑才能達到污泥填埋所需要的力學指標。但添加劑的加入縮短了填埋場的壽命。如果采用高干度脫水填埋工藝，脫水后污泥含水率為45%～60%，一般可以直接填埋［18］。選用粉煤灰、石灰等作為骨架構建體，污泥經深度脫水后，含水率在60%以下，可直接填埋。泥餅中的粉煤灰與石灰可發生類似火山灰的水化膠凝反應，能進一步提高固化體的后期強度，達到填埋場覆蓋材料的強度指標要求。同時，骨架構建體的加入可固化污泥中重金屬等有害物質［19］，降低填埋的工序與成本，一定程度上實現了節能減排。

2 污泥深度脫水處理處置的COD減排量計算

以日處理量為10萬m3的污水處理廠為例（以下計算均以此規模進行）。對于普通的二級污水處理廠，污泥產生量（含水率97%） 通常為污水量的0.3%～0.5%（體積比）。按照0.4%計算，10萬m3污水產生約400 m3濕污泥。經測定，原始濕污泥的COD濃度通常為13 000～19 000 mg/L。按16 000 mg/L計，則此規模污水處理廠日產生污泥的 COD 量為：400×103×16 000/106=6 400（kg）。

目前，污水處理廠大多采用PAM調理污泥，經離心或帶式壓濾機脫水，獲得含水率80%左右的泥餅。脫水泥餅含水率以80%計，脫出水重新返回污水處理系統。脫出水中的COD濃度按800 mg/L計，則該方式處理的COD量為：（400×97%－400×3%/20%×80%）×103×800/106=272.0 （kg）。

假設含水率為80%的污泥在自然條件下降解的COD量為總量的10%，則自然降解COD量為：（6 400－272.0）×10%=612.8 （kg）。

若該規模污水處理廠產生的污泥不經過任何處理處置，則每日直接排放COD量為：6 400－272.0－612.8=5 515.2（kg）=5.52（t）。

若采用深度脫水-焚燒工藝或深度脫水-填埋工藝對污泥進行合理有效的處理處置，則處理量為10萬m3/d的污水處理廠COD日減排量為5.52 t。

3 污泥深度脫水處理處置的碳減排量計算

污泥焚燒過程中83%的碳以氣體形式釋放［20］，其最終氣體產物為CO2。污泥處理處置的碳排放主要來自：①污泥處理處置過程直接排放的CO2；②處理處置設施運行能耗間接造成的碳足跡。從全球范圍來看，前者主要來自大氣中已存在的CO2，只是通過碳吸收-存貯-釋放的循環過程又回到大氣環境中，屬于中性碳，對于碳減排的影響有限。而后者從碳源上講來自化石能源，屬于典型的碳減排領域［21］。對深度脫水-焚燒、深度脫水-填埋2條工藝路線的碳減排量計算如下。

對于普通的二級污水處理廠，一般處理量為10萬m3/d污水廠干污泥日產生量為10～20 t，按照15 t計算。根據實驗室測定結果，污水處理廠產生的市政污泥中的碳含量約為26%［22］。處理15 t干污泥的CO2減排量為：15×26%/12×44=14.30（t）。

3.1 深度脫水-焚燒工藝

深度脫水電耗：單套高效脫水系統的功率按100 kW計，按2套脫水系統同時運行計算，則運行期間日耗電量為：100×2×24=4 800（kW·h）。

深度脫水水耗：單套高效脫水系統每小時水耗按10 t計，則運行期間日耗水量為：10×2×24=480（t）。

據“杭州網”（http：//www.hangzhou.com.cn）2009-11-24“低碳生活指導手冊”，每消耗1 kW·h電、1 t水分別折合碳排放0.785 kg和0.194 kg。依照“碳足跡”計算，深度脫水過程CO2日排放量為：0.785×4 800+0.194×480=3 861.12 （kg） =3.86（t）。

經深度脫水后泥餅含水率為45%～60%，按50%計。根據實際運行測算，目前發電廠用電率為8%，其中鍋爐設備廠用電率為3.5%，按發電原煤耗500 g/（kW·h） 計算，污泥焚燒耗電為35 kW·h/t。則焚燒15 t干泥的CO2排放量為：15/50%×35×0.785=824.25（kg）=0.82（t）。

污泥深度脫水后所含熱量為8 792 kJ，按污泥含水率50%計算，濕污泥產熱值為：8 792×（1-50%）=4 396（kJ/t）。

由于污泥發熱量低，為低品質輕質燃料，部分熱能被飛灰和殘渣帶走，可用系數為正常煤的90%左右，因此每15 t污泥可產生有用熱量為：15× （4 396×90%） =59 346 （kJ）。

每噸污泥處理后焚燒產生的有用熱量，相當于20 934 kJ的原煤0.189 t。“百度”網數據顯示：燃燒1 t煤的碳排放為2.6～3.1 t。按照2.9 t計算，則此過程中碳排放減少量為：15/50%×2.9×0.189=16.44（t）。

綜上，深度脫水-焚燒工藝碳減排總量為：14.30-3.86-0.82+16.44=26.06（t）。

3.2 深度脫水-填埋工藝

假設填埋氣體產生過程中無能量損失且有機物全部分解生成CH4和CO2。根據能量守恒定理，有機物所含能量均轉化為CH4所含能量。而物質所含能量與該物質完全燃燒所需氧氣量（即COD）成特定比例。

據CH4燃燒化學計量式：CH4+2O2=CO2+2H2O，可導出：VCH4=VCO2。

為便于實際測量和應用，將CH4的衡量單位轉化為體積（L），得到：每降解1 g COD可產生在0℃、0.1 MPa條件下0.35 L CH4。據此，可以計算出填埋場的理論CH4產生量，即最大CH4產生量。

由于填埋場氣體中CH4的濃度約為50%，可近似地認為總氣體產生量為CH4產生量的2倍。即在0℃、0.1 MPa條件下，1 kg COD產生0.7 m3填埋氣體。

由于填埋氣體中還有少量二氧化硫、氨氣、氮氣等氣體，對總氣體添加CO2修正因子，取0.8。混合氣體的相對密度為1.02～1.06，取1.04。

按10萬m3污水干污泥產生量為15 t計算，其中COD含量為6 400 kg，則將產生的CO2排放量為：6 400×1 000×0.7×0.8/22.4×29×1.04/1 000=4 825.6（kg）=4.83（t）。

綜上，深度脫水-填埋工藝碳減排總量為：14.30-3.86-4.83=5.61（t）。

4 結束語

污泥深度脫水有利于污泥后續處置，減少后續處置的耗能，有效降低污泥處理處置過程中的COD排放和碳排放。處理量為10萬m3/d污水處理廠產生的污泥經深度脫水-焚燒、深度脫水-填埋工藝進行合理有效的處理處置，每日COD排放量將減少5.52 t；經深度脫水-焚燒工藝處理處置，每日CO2排放量將減少26.06 t；經深度脫水-填埋工藝處理處置，每日CO2排放量將減少5.61 t。污泥經深度脫水后，減小了處理規模和占地面積，降低了污泥轉運過程中泥餅處置成本和能耗，隨著污泥量的不斷增加，處理處置要求的不斷提高，節能減排的重要性愈加突出，污泥深度脫水工藝將具有更廣泛的應用前景。

［1］劉洪濤，陳同斌，杭世珺，等.不同污泥處理與處置工藝的碳排放分析［J］.中國給水排水，2010，26（17）：106-108.

［2］謝小青.廈門城市污泥深度脫水處理和資源化處置利用技術［J］.水工業市場，2010，19（7）：26-29.

［3］ Luo Y L，Yang Z H，Xu Z Y，et al.Effect of Trace Amounts of Polyacrylamide （PAM） on Long-term Performance of Activated Sludge［J］.JHazard Mater，2011，189 （1）：69-75.

［4］ Chen Y，Yang H，Gu G.Effect of Acid and Surfactant Treatment on Activates Sludge Dewatering and Settling［J］.Water Res，2001，35 （11）：2615-2620.

［5］鹿雯，張登峰，胡開林，等.陽離子表面活性劑對污泥脫水性能的影響和作用機理［J］.環境化學，2008，27（4）：444-448.

［6］ Park K Y，Ahn H K，Maeng S K，et al.Feasibility of Sludge Ozonization for Stabilization and Conditioning［J］.Ozone Sci Eng，2003，25 （1）：73-80.

［7］ Buyukkamaci N.Biological Sludge Conditioning by Fenton’s Reagent［J］.Process Biochem，2004，39（11）：1503-1506.

［8］ Beauchesnea I，Cheikhb R B，Mercier G，et al.Chemical Treatment of Sludge：In-depth Study on Toxic Metal Removal Efficiency，Dewatering Ability and Fertilizing Property Preservation［J］.Water Res，2007，41 （9）：2028-2038.

［9］ Benítez J，Bodríguez A，Suárez A.Optimization Technique for Sewage Sludge Conditioning with Polymer and Skeleton Builders［J］.Water Res，1994，28（10）：2067-2073.

［10］ Albertson O E，Kopper M.Fine-coal-aided Centrifugal Dewatering of Waste Activated Sludge［J］.Journal WPCF，1983，55：145-156.

［11］田中良司，深沢秀司，巖瀬純一，等.離心脫水機的污泥脫水實驗及應用分析［J］.上海環境科學，1999，18（7）：321-324.

［12］高延耀，顧國維，周琪，等.水污染控制工程［M］.3版.北京：高等教育出版社，2006.

［13］程俊，胡小虎，姚寶軍，等.污泥機械深度脫水方法對比研究［J］.中國環境管理干部學院學報，2010，20（5）：47-49.

［14］ Werther J，Ogada T.Sewage Sludge Combustion［J］.Prog Energy Combust Sci，1999，25 （1）：55-116.

［15］秦翠娟，李紅軍，鐘學進.我國污泥焚燒技術的比較與分析［J］.能源工程，2011（1）：52-56，61.

［16］ Thapa K B，Qi Y，Clayton SA，et al.Lignite Aided Dewatering of Digested Sewage Sludge［J］.Water Res，2009，43 （3）：623-634.

［17］ Hong J L，Hong J M，Otaki M，et al.Environmental and Economic Life Cycle Assessment for Sewage Sludge Treatment Processes in Japan［J］.Waste Manage，2009，29 （2）：696-703.

［18］趙樂軍，戴樹桂，辜顯華.污泥填埋技術應用進展［J］.中國給水排水，2004，20（4）：27-30.

［19］曹永華，閆澍旺，楊昌民.污泥固化的試驗研究［J］.天津大學學報，2006，39（2）：199-203.

［20］ Lee D H，Yan R，Shao J，et al.Combustion Characteristics of Sewage Sludge in a Bench-scale Fluidized Bed Reactor［J］.Energy Fuels，2008，22（1）：2-8.

［21］劉洪濤，陳同斌，高定，等.城鎮污水廠污泥處理處置工藝的碳排放比較［J］.水工業市場，2010，19（9）：40-41.

［22］郭瑞，陳同斌，張悅，等.不同污泥處理與處置工藝的碳排放［J］.環境科學學報，2011，31（4）：673-679.

COD and Carbon Emission Reduction in Sludge Deep Dewatering Treatment and Disposal

Liu Peng1,Zhu Nairuo1,Xiong Wei1,Liu Huan1,Li Yalin1,Shi Yafei1,Li Ye2,He Shu2,Yang Jiakuan1
（1.School of Environmental Science&Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan Hubei 430074;2.Universtar Science&Technology(Shenzhen)Co.,Ltd.,Shenzhen Guangdong 518057）

Sludge deep dewatering process can lower the water content of sludge cakes to 40%～55%,which is conductive to subsequent sludge disposal while reducing COD and carbon emissions.For the sewage sludge from a wastewater treatment plant with the capacity of 100 000 m3/d,COD emission can be reduced by 5.52 t/d and CO2emission can be reduced by 26.06 t/d and 5.61 t/d,respectively,after effective treatment and disposal by deep dewatering-incineration process and deep dewatering-landfill process.

sludge deep dewatering；energy saving；COD emission reduction；carbon emission reduction

X703

A

1005－8206（2012） 01－0009－04

國家自然科學基金項目（51078162）；大學生創新活動基金（01-09-261921）

2011-09-22

劉鵬（1988—），華中科技大學環境工程專業08級本科生。從事基于骨架構建體的污泥脫水同步固化性能研究，主要負責污泥脫水調理劑的研究、配比優化及探索脫水過程中有機物的遷移轉化規律。

E-mail：niupeng.11@foxmail.com。

（責任編輯：劉冬梅）