板框厢式隔膜压滤机
引言
随着我国污水处理能力的不断提高，污泥量也同步大幅度增加。截至 2018 年 6 月底，全国城市累计建成污水处理厂 5000 多座，每天的污水处理能力达 1.90 亿立方米，年产生污泥约 5000 多万吨（以含水量 80% 计，不含工业污泥）。2020 年我国污泥年产量突破 6000 万吨（以含水率 80% 计）。市政污泥成分复杂，包含有机物、细菌微生物、无机颗粒和胶体等。市政污泥具有含水量高、易腐败和散发恶臭的特点，通常含病原微生物、寄生虫卵等有毒有害物质。然而污泥中也有一些有益成分，可被资源化利用，主要包括蛋白质、脂肪、碳水化合物以及氮、磷等营养物质，约占干重的一半。近年来随着污泥量的快速增加，污泥的无害化、资源化处理也逐渐被广泛重视。《污染防治行动计划》规定，我国地级及以上城市污泥无害化处理处置率应于 2020年年底前达到 90% 以上。环保“十三五”规划也提出，大力推进污泥稳定化、无害化和资源化处理处置，地级及以上城市污泥无害化处理处置率达到 90%，京津冀区域达到 95%。但是调研结果显示，我国污水处理厂所产生的污泥，有 70% 没有得到妥善处理，污泥随意堆放及所造成的污染与再污染问题日益凸显，引起了社会的重点关注。本文重点对比了水泥窑协同处理的污泥前置处理方式和水泥窑的实际运行效果，以期探索合适的水泥窑协同处置市政污泥的前置处理工艺。水泥窑协同处置市政污泥的特点
1. 有效避免酸性物质和重金属的挥发水泥窑系统煅烧温度高，热容量大，窑内呈碱性，这样可有效避免酸性物质和重金属挥发，窑内物料温度一般高于 1450°C，烧结过程中玻璃和结晶为重金属提供了空隙，重金属进入到晶体的网格中，进而被固化在晶格中，转变成新的晶体相，镉、铬、铜、铅在高温烧结下形成新的结晶相，重金属的析出量在 950°C～ 1050°C的区间内，随温度升高而降低。
2. 有效消除二噁英排放有机物燃烧充分，使得水泥窑在高温运行过程中产生的二噁英等排放浓度远低于国家对废气排放要求的限值标准。有学者对比了协同处置污泥前后窑尾烟气中二噁英排放水平，结果表明，水泥窑协同处置污泥并不会造成污染物排放超标。同时，水泥窑中二噁英的主要合成途径可能发生变化，表明水泥窑协同处置污泥对二噁英的排放水平影响较小。据统计，我国目前已建成水泥窑协同处置污泥生产线 24 条，年处置污泥约 195 万吨，在建和拟建的水泥窑协同处置生产线还有 90 多条。水泥窑协同处置市政污泥具有独特的技术优势，在控制添加比例的条件下对水泥生产及水泥品质不产生明显的影响。水泥窑协同处置技术形成了良好的发展态势，前景广阔，利用水泥窑协同处置市政污泥技术值得发展和推广。 水泥窑协同处置市政污泥的工程应用现状在日本，约污泥产量的 20% 用于硅酸盐水泥生产中协同处置。但是市政污泥含水率高，且伴有恶臭，如果直接进入水泥窑，能耗较高，容易对烧成系统的热工制度产生影响 ；而且产生“邻避效应”，带来诸多社会及环境的负面影响，违背了污泥无害化处置的初衷。目前的水泥窑协同处置污泥的工艺方案中，大多仅在前置处理中考虑了对污泥的脱水或干化处理，使其含水率降至30% ～ 60%，以降低对水泥窑系统产量、热工制度、能耗的影响。某水泥公司自 2012 年 11 月开始利用液压驱动活塞泵将未经处理的城市生活污泥泵送至水泥窑进行协同处置，水泥系统经过改造，能够稳定运行，但窑系统台时产量会有明显下降，熟料煤耗明显增加。金华某水泥厂进行的湿污泥直喷入窑工艺工业试验，污泥干基中的成分主要为钙硅铝铁，可以替代水泥生产原料，污泥含水率是影响水泥窑况的主要因素。针对污泥有机质较低、重金属含量少、发热量不高、营养成分不高的情况，采用生物沥浸＋板框压滤机脱水＋水泥窑的协同处置方式，污泥入窑前含水率需要降到 60%以内，但需要考虑含水率要求和配套的烟气处理设施而造成较高的运行成本的问题。有学者分析了葛洲坝当阳水泥有限公司利用水泥窑无害化协同处置的案例，污水处理厂的污泥，在出厂前已经经过调质、板框压滤等措施，使含水率降至 55% 以下，水泥厂脱水污泥从分解炉喂入 ；市政污泥的化学组成与水泥生产所用的原料基本相似，根据有害元素的含量，控制污泥的掺入比例，对烧成系统的影响较小，基本不会增加煤耗。华润水泥从2010 年开始水泥窑协同处置技术的研究，采用“污水处理厂内干化 + 水泥窑协同处置”的协同处置污泥技术，污泥在污水处理厂内采用深度脱水 + 电热干化，污泥最终脱水降至含水率 30% ～ 35%，质量减量比约为 65%，污泥协同处置项目对窑产量、质量、熟料工序电耗影响在可接受范围内，对水泥熟料生产线的影响是可控的。株洲市水泥窑协同处置 50% 含水率污泥，将干化污泥直接投入分解炉内，可充分利用污泥中的有机成分和无机成分，水泥窑产量减产 4%，入窑生料分解率略有降低，水泥窑内预热分解带负荷增加。河南省豫鹤同力水泥有限公司为 5000t/d 生产线协同处置污泥能有效降低 NOx的生成量，除了能得到政府相应补贴，还能响应环保政策不停窑带来间接收益。遵义赛德水泥有限公司采用市政污泥直接螺杆泵送入生料立磨替代磨内喷水，取得了很好的经济和社会效益。有学者通过现场调研和分析，提出了我国污泥水泥窑协同处置的 6 种工艺路线，前置处理工艺为脱水或干化，总结分析了协同处置污泥对水泥窑设备运行工况、产品性能及污染物控制等方面的影响，充分证明其具有较高的可靠性。因此在当前污泥填埋、土地利用或其他处置方案出路不顺畅的情况下，污泥水泥窑协同处置也是一种较好的选择。只有在前置处理过程中，对污泥的有益成分进行提取或有效利用，实现对废旧资源的进一步“吃干榨净”，从而提高污泥处置的附加值 ；同时降低污泥的含水率和有机物含量，实现污泥的减量化 ；而且消除或控制污泥的臭味，从而优化水泥厂处理时的工作环境，才能有利于后续的水泥窑协同处理，提高污泥处置企业的经济和环境效益。
热水解提取蛋白质法联合水泥窑协同处置工程方案
1. 技术路线热水解提取蛋白质的技术实现污泥的高附加值资源化再利用，处理后污泥残渣含水率在 30% ～ 60%，没有恶臭，再联合水泥窑协同处置，作为水泥原料或燃料。技术方案简洁可靠，经济收益可观。水泥生产企业也可以作为市政污泥处置的主体在污泥处置行业中发挥更重要的作用。
2. 技术原理污泥中有机物的 40% ～ 60% 为微生物蛋白，污泥中的蛋白质是一类优质蛋白，可用于制备富含蛋白的动物饲料、绿化有机肥、可降解发泡剂、泡沫灭火剂等。蛋白质一般是由疏水性氨基酸基和亲水性氨基酸基构成，特点是在分子链的末端有氨基和羧基，如果对氨基或羧基进行修饰，就可制得多种特殊的表面活性剂。氨基酸是细胞的重要组成部分，它在植物生命活动中担负着重要作用，氨基酸能增强植物抗旱和抗寒能力，植物可直接吸收土壤中的氨基酸分子，氨基酸肥具有促进植株生长发育、增强抗逆性、改善土壤状况和提高作物产量的作用。
3. 技术可行性污泥提取蛋白质是一种环保、低耗能、高附加值的前置处理方式。根据蛋白质、氨基酸多肽等营养元素表面活性特性和植物营养学特性对液相进行调质、浓缩等技术处理，形成工业发泡类和有机肥料两大类副产品。其中蛋白质浓缩液中富含蛋白质、氨基酸多肽、单糖、多糖等植物有机养分，其与矿物质离子形成各种有机配位态，提高矿物质养分利用率，以此为原料加工的有机全营养配方肥具有提高产量、改善农产品的品质、防止连作障碍、改良土壤结构、激活土壤微生物等作用，具有较高的市场价值。热水解提取蛋白质技术是利用高温高压蒸汽（150°C～ 170°C）对污泥进行蒸煮并瞬间泄压，使污泥菌胶团，有机物颗粒溶解，细胞物质破碎，大分子有机物质水解，彻底杀灭细菌，从而提高污泥的流动性。细胞内水释放，并联用板框压滤机等脱水工艺进一步降低含水率 ；病原菌全部灭活达到彻底无害化，并将恶臭祛除 ；有机物消减 50% 以上达到稳定化，有效降低了钾钠磷等有害物质的含量，更有利于后续水泥窑协同化处置。
资源化水泥窑协同处置前景
水泥窑协同处置市政污泥具有独特的技术优势，能够实现污泥的无害化处置。水泥窑协同处置市政污泥具有天然的技术优势，三十多年来，欧美等先进国家利用水泥产业的核心技术优势来处理废弃物，被称为“废弃物终结者”，污泥中有机物质能被彻底分解从而避免二噁英的产生，处理后的废弃物再次成为水泥烧制过程中部分替代原料或燃料，资源再利用达到最大化，减少了新资源的耗用。水泥窑协同处置市政污泥需要合适的前置处理工艺，目前多采用干化或深度脱水工艺，以降低对水泥窑系统产量、热工制度、能耗的影响。热水解提取蛋白质法能有效地实现污泥资源化再利用，联合水泥窑协同处置工程方案具有很好的技术和经济优势。通过热水解提取蛋白质结合水泥窑协同处置抑或会成为污泥处置一个重要的工程应用方向。
