污泥焚烧前处理技术的能耗研究

卢 宁，魏婧娟

（1.宁夏公路勘察设计院有限责任公司；2.银川市节水设施推广中心，银川 750001）

由于土地资源紧张和环境污染，大城市的污泥填埋比例逐渐下降，而焚烧比例逐渐上升，其成为发达国家主要的污泥处置手段之一，但污泥含水率高导致焚烧效率低、对焚烧炉腐蚀大和热值利用率低等。高干脱水后的污泥可为后续处置带来诸多方便，并有着广泛的应用。例如，流化床污泥焚烧厂可以使用脱水污泥，燃煤发电厂和垃圾焚烧厂可以使用脱水或干化污泥。

我国垃圾焚烧技术、装备的研究与开发尚处于初级阶段，国产化水平不高，而进口装备价格高昂，匹配性差。焚烧所需的投资和运行成本高昂，加上高风险和高操控要求等，限制了其在污泥处置中的应用。

1 国外电渗透脱水机能耗比较

1.1 电能效率计算

1 t含水率为85%的污泥，其中含有850 kg的水和150 kg的干泥。850 kg水由20℃加热到70℃需要178500 kJ热量，150 kg干泥由20℃加热到70℃需要7875 kJ热量，5 kg水在70℃条件下蒸发需要11656 kJ热量，合计为198031 kJ，在热效率为100%的条件下，其相当于55 kW·h的电量。大约有37%的电能被用来加热污泥和蒸发水分，再考虑水的电解等其他方式的电耗，因此仅有不到63%的电能被真正用于电渗透脱水。

表1 电能效率的计算

1.2 污泥计算示例

以日产500 t含水率为85%的污泥的污水处理厂为例，采用电渗透脱水技术，使含水率降低到60%，然后采用卫生填埋进行最终处置，计算污泥处理费。相关参数如表2所示。计算结果如下。

表2 污泥处理相关参数

1.2.1 电脱水处理前

泥饼运输费：500×15=7500元/d，泥饼处置费：500×60=30000元/d。以上两项合计为37500元/d，折算到每吨污泥为75元/t，折算到每吨污水为0.05元/m3。

1.2.2 电脱水处理后

脱水后泥饼质量：500×（1-85%）÷（1-60%）=187.5 t。电渗透脱水机电耗：150×500×0.65=48750元/d，泥饼运输费：187.5×15=2812.5元/d，泥饼填埋处置费：187.5×60=11250元/d。以上三项合计为62812.5元/d，折算到每吨污泥为125.6元/t，折算到每吨污水为0.084 元/m3。

1.3 加拿大CINETIK电渗透污泥脱水技术

图1 加拿大CINETIK污泥脱水机示意图

如图1所示，加拿大CINETIK污泥脱水机的脱水方式为间歇式，污泥从左边的进料斗进入，待到达出泥口停止。随即进行电渗透脱水，待脱水一段时间后，脱水后的泥饼随履带排出，电渗透脱水过程结束。加拿大CINETIK污泥脱水机的能耗汇总如表3所示。

表3 加拿大CINETIK污泥脱水机的能耗汇总

1.4 韩国污泥电渗透脱水技术

韩国污泥电渗透脱水的能耗汇总如表4所示。

表4 韩国污泥电渗透脱水的能耗汇总

渗透在实际应用中还存在能耗较高的问题。能耗高制约电渗透脱水技术的发展，因此很多专家试图通过改变操作条件或添加电解质来降低能耗。

1998年，澳大利亚联邦科学及工业研究组织（CSIRO）的科学家S Miller、A Murphy、C Veal and M Young做了关于电渗透脱水提高污泥脱水效率的报告，其中，对于四个污水厂的不同污泥，尝试采用增加压力、调整处理时间、增加纤维材料或电解质等方法降低电耗。

1.5 不同国家电渗透能耗比较

从表5可以看出，2号样机的脱水能耗与加拿大ETIK污泥脱水机的能耗相当，但是与韩国技术相比还有一定的差距。原因可能是韩国脱水机的运行电压在70 V。

表5 不同国家电渗透污泥脱水机的能耗比较

1.6 结果汇总分析

试验发现，样机电耗随脱水泥饼固体含量的增加而增加，并呈较好的线性关系。当污泥含固率降为40%时，电能总消耗在1564～2000 kW·h/tDS；污泥含固率降为35%时，电能消耗在1122～1450 kW·h/tDS。最有效的能量利用率往往是在较低的泥饼含固率下达到的，例如，在最终固体浓度为25wt%时，能量消耗仅为237～446 kW·h/tDS。通过对加拿大、韩国电渗透脱水机比较，笔者发现，样机的脱水能耗与加拿大ETIK污泥脱水机的能耗相当，但是与韩国技术相比还有一定的差距。

2 电渗透高干脱水机与热干化能耗费用比较

污泥焚烧是最彻底的一种污泥处理工艺，它成为发达国家广泛应用的污泥处置技术。污泥的焚烧需要经过污泥干化和污泥焚烧两个阶段。现阶段，污泥焚烧前主要采用污泥加热干化处理技术。作为污泥焚烧工艺的前处理设备，电渗透高干脱水机有显著的优点。

2.1 高干脱水机（电渗透污泥脱水机）优点

2.1.1 低含水率，低成本

将80%～85%的原压滤污泥脱水后，其可以达到60%的含水率，并实现以下预期目标。一是运行成本低。由于实现了水分的电渗透脱水，脱水的电流效率大大提高，为低成本运行奠定了基础。同时，由于与毛细吸附的耦合作用，脱水效率得到大幅度提高，为降低运行成本创造了条件。二是设备成本低。通过优化设计和材料的开发优选，结构显著简化，实现了高性能和低成本的统一。

2.1.2 操作稳定，节省能源

电渗透污泥脱水机装置寿命长，维修简单。减量化要求污泥处理过程中减少资源消耗，而能源资源的短缺与价格不断上涨对污泥的处理处置形成刚性约束。电渗透污泥脱水以电能作为能源，可有效节省不可再生资源。

2.2 能耗比较

笔者对两种污泥焚烧前处理技术做了以下比较，有关热力学参数如表6所示。假设电加热的能量效率为100%，则1 kW·h电相当于3600 kJ。

表6 有关热力学参数

以污泥含水率由85%降低到60%为例，分别计算电渗透脱水技术和热干化技术能量消耗费用，如表7所示。

从表7比较可知，相同条件下，热干化和电脱水的能源费用相当，在某些情况下，高干脱水能耗低于热干化能耗。

表7 电渗透脱水技术和热干化技术能量消耗费用比较

3 结论

本文对电渗透高干脱水与热干化两种污泥焚烧前处理技术的能耗、费用进行比较，发现相同条件下热干化和电脱水的能源费用相当。高干脱水具有众多优点，可作为污泥焚烧的前处理方法之一。