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辐射技术在国内城市污泥处理领域中的机遇分析

1、国内城市污泥处理处置现状

  城市污泥是城市污水形成过程中最主要的潜在二次污染源。从目前来看,污泥处置主要包括填埋、焚烧、堆肥三大技术路线。而这其中,公认的,只有堆肥真正实现了污泥的资源化利用。
  长期以来,国内污泥处置主要以填埋和堆肥为主要方式。但是由于技术装备落后,监督机制不完善等原因,导致大量污泥未经任何卫生处理便被随意填埋、任意堆放,致使大片土地退化并影响周边居民正常生活,甚至对当地地下水源构成安全威胁。
  有鉴于此,以焚烧为基本形式的污泥处置方法在近年来十分活跃,层出不穷。污泥焚烧(发电)的突出优点是能够最大限度地实现污泥的减量化,在污泥的最终处置方面很有优势。然而这只是一种表象,很多深层次的问题是被回避了的:

(1)高耗能高投入;

(2)高碳排放、高二次污染。污泥热值很低,相对于单位产能而言,将产生更多的二氧化碳排放,加剧全球变暖趋势。更严重的是燃烧过程中,将产生大量有害气体物质和粉尘,其中就包括臭名昭著的一级致癌物——二恶英,以及SO2、NOX等。将炉温控制在1300℃以上,将使二恶英大幅减少,甚至可以控制在欧盟标准以内,但同时能耗也将大幅提高。

(3)资源化“掩耳盗铃”。污泥焚烧发电一直以来都以能够发电作为宣传重点,强调能够实现污泥的资源化利用。其实这是一种混淆视听的说法,因为任何含有有机物的东西都能够焚烧发电,问题在于投入产出比。
  ●污水处理厂出来的污泥由于含水率很高,必须经过脱水、成型等一系列高耗能过程,才能生成泥饼,用于发电。
  ●泥饼本身仍然含有大约15%左右的水分,燃烧过程中,水分蒸发所消耗的能量甚至要超过污泥本身产生的热量。
  ●污泥的热值,发电效率很低,必须与原煤混合才能有效燃烧。

  基于此,可以说污泥焚烧(发电)是考虑到污泥处理处置的紧迫性,所采取的迫不得以的方式。污泥焚烧发电是个亏本的买卖,说白了就是拿着政府的补贴,把污泥给处置了,而这种污泥处置本身是没有经济效益可言的,又何谈“资源化”呢?当然,这里并不排除通过技术改进,实现污泥焚烧发电的效益化,但是这里还有很长的路要走。

2、国内有影响、有特色的几个污泥处理项目

(1)北京金隅集团、北京市科委“利用水泥回转窑余热干化处置城市生活污泥示范项目”
  这是由北京市政府、环保局、科委和金隅集团联合投资兴建的,在经过一年的试运行后,于2009年10月28日正式常规运行。该项目的设计思路是利用水泥回转窑余热将有机污泥经过干燥后作为燃料进行焚烧,焚烧残渣熔入水泥熟料,最终进入水泥成品。据悉,由于窑内温度稳定在1450℃以上,且呈碱性环境、负压状态运行,因此非常有利于有害有机物的分解,并有利于金属元素的固化,也不会产生烟气、粉尘等二次污染。
  利用水泥厂回转窑、热电厂流化床等实现污泥干化、焚烧这种污泥处理工艺具有节省空间、污泥处置彻底等优点,但是同样存在能源消耗巨大的问题。

(2)上海世博会配套工程“上海白龙港污泥处理工程”
  该工程是目前亚洲最大的污泥处理工程,采用生化方法(厌氧消化法)对污泥进行无害化、稳定化处理。主体工程为8座单体容积为1.24万立方米的蛋形消化池。该工程设计日处理能力为204吨干污泥。干污泥外运可作为园林绿化介质土或垃圾填埋场覆盖土进行资源化利用。厌氧消化的副产物是沼气,燃烧后可用于发电及消化池保温。
  相对于焚烧发电而言,厌氧消化法处理污泥具有单位能耗低、资源化利用率高等优点。但是该项目也将生化法的缺点暴露无疑:
  ●占地面积大,该项目占地面积最大的部分——8个巨型消化池,只是对污泥进行了稳定化和无害化处理,还需其他配套设备对污泥进行进一步干化处理;
  ●整个系统设备复杂,初期投资大(据悉,项目总投资约6.8亿),维护成本高。
  造成这种后果的直接原因是生化法的反应速度太慢(一般需20~40天),因此,必须建设大型的消化池对污泥进行缓冲。

(3)海南农丰宝肥料有限公司“污泥资源化生产有机肥项目”
  2002年,海南农丰宝肥料有限公司与白沙门污水处理厂签订合同,以每吨15元的价格包购该污水处理厂的全部污泥。公司采用专利技术对污泥进行微生物无害化处理并降低重金属含量,然后以污泥为基肥,研制出多种有机肥、复合肥、和微生物肥。投放市场后,实现了可观的经济效益。
  通过对上述几个项目的分析,笔者认为只有海南项目真正实现了污泥的“四化”要求,实现了可持续发展。上海白龙港污泥处理工程就整体效果而言稍差。而其他所有以燃烧为基本形式的处理方式,由于污泥干化耗能巨大等原因,整体无法实现污泥的资源化处理。

3、辐射技术的机遇

3.1辐射技术的原理

  污泥中含有大量的水分,水在受到电子束或γ射线等高能射线辐射后,会产生大量的氢自由基、羟基自由基以及水合电子等高活性粒子,能够迅速与水中的有机物发生化学反应。这些反应主要包括:卤代物的脱卤反应、苯环的氢加成反应、醇类的氢抽取反应、有机物的辐射降解反应、重金属离子的辐射还原反应、微生物DNA损伤等。

3.2辐射技术特点和优势

  辐射技术特点和优势列表比较如下:


序号

项目

焚烧法

生化法

辐射法

能源消耗

较小

资源化率

很低

较高

占地面积

较小

工艺流程

简单

复杂

简单

投资

较大

二次污染

较小

反应环境

高温高压

加热

常温常压

工艺水平

成熟

成熟

较不成熟

3.3辐射技术在污泥处理中的应用前景举例

  从原理上讲,辐射技术本身即可完成污泥的无害化、稳定化并完成减量化的预处理,通过机械设备进一步脱水后即可进行资源化处理。但是,由于目前缺乏整体工艺研究,较现实的方式是与现行的污泥处理方法结合。
作为厌氧消化法的预处理手段,可大幅缩短厌氧消化时间(缩短至10~20天),并显著提高沼气产出率(国内已有相关专利);
  ●作为污泥脱水前的预处理手段,可大幅提高脱水效率及脱水率;
  ●作为污水处理厂的配套设备,可直接在出厂前实现污泥的稳定化、无害化和一定程度的减量化预处理,避免了由于运输等原因造成的二次污染;
  ●应用于固体废物焚烧后二恶英的消除方面。废物焚烧产生的废气经过300kv电子束辐照后,二恶英类有害物质可以被分解和消除90%以上。与其它处理方法相比,这是一种非常快速而且可以在常温常压下消除二恶英的方法。

4、辐射技术应用于污泥处理的技术现状

  ●对工艺摸索只是停留在实验室阶段,国内暂无中试规模示范项目稳定运行,缺乏说服力;
  ●目前可参考的国外数据基本都是10多年前,甚至更早以前的,近期进展不详。辐射技术在环境保护中的应用始于上世纪70年代,其有效性已经被充分证明,只是局限于当时设备的稳定性、以及庞大的体积、操作困难等因素,被排斥在商业应用外。但是现在发达国家又开始把目光投向了这项古老而又年轻的技术。

5、建议

  辐射技术用于污泥处理,在技术层面上的工作建议:

5.1专用电子束设备的开发是前提

  没有符合行业要求的相关设备开发出来,一切无重做起:
  ●自屏蔽,辐射技术的主要优势就在于其极其简单的处理工艺,因此尽量降低设备占地是其优势的体现,显然,自屏蔽电子加速器将更好的实现这一优势;
  ●大功率;
  ●稳定可靠,年运行时间不少于8500小时(即至少354天),这是污水处理行业对设备稳定性的最低要求;
  ●维护方便,要求即使是普通技术工人,也能方便地在短时间里使设备恢复运行;

5.2处理工艺研究是关键

  ●对辐射剂量的要求,和降低辐射剂量的工艺研究;
  ●对污泥的要求,不同污泥成分不同对辐射剂量的要求,以及辐射方法适用性;
  ●污泥辐照后的后处理研究,包括对后期工业处理(消化、干化)的影响研究;

5.3资源化处置研究是突破

  ●有机物等营养元素富含水平研究;
  ●肥料添加剂研究;
  辐射技术用于污泥处理,在管理层面上的工作建议:
 (1)协调业内相关资源力量,开展相关技术研究;
 (2)争取行业主管部门配套资金支持;
 (3)争取环保部门相关资金支持;目前,污泥处理在技术上正处于百家争鸣的状态,任何一种方法都有其优势,国家对不同工艺方法的研究探索是鼓励和支持的;
 (4)引进BOT类项目管理模式,吸引民间资本投资。

6、总结

  辐射加工技术是一种绿色环保的高新加工技术,它的绿色环保不仅体现在加工处理工艺本身极低的甚至零污染,还应体现在对环境污染的治理方面。从目前来看,污泥是唯一能够通过辐射技术进行四化处理的固体废物。国内外相关技术研究逐渐活跃,市场潜力巨大,在这一领域是大有可为的。当然,这一切的前提是,行业内必须形成一个具有说服力的中试规模项目稳定运行。

(北京机械工业自动化研究所 刘建辉)

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