城市污水廠污泥干化機理及其工程應用注意點

摘 要：以ATV-DVWK-M379 E《污泥干化》為基礎，介紹了城市污水處理廠污泥干化機理，并從能量輸入及其回收、尾汽冷凝水對污水處理廠負荷的影響、尾汽排放對污水處理廠的影響、干化污泥處置路線及其質量要求、干化工藝技術安全措施等方面闡述了污泥干化工藝在工程應用方面需注意的內容。

關鍵詞：污泥干化；能量輸入；回收；影響；處置路線；質量要求

1 城市污水廠污泥干化機理

1.1 污泥中水的結合形式

污泥在較低含水率時由于其多孔的毛細結構而具有較大的內、外表面積。這一結構形式使得污泥具有顯著的吸濕性的特征。

空氣相對濕度低導致污泥的載水率也低，這是由于在污泥表面吸附聯結單水分子層所致。隨著空氣濕度的增加，形成多層水分子覆蓋層。隨著空氣濕度的進一步增加，最終在污泥表面。

在污泥干化過程中，除需輸入能量以蒸發污泥中的水分以外，污泥上水的額外的能量以釋放與污泥吸附聯結的水分。很明顯，污泥在低載水率時，即污泥中殘留水分少時，需要相對較高的干化能量，其能量大約將占干化蒸發熱的15%～20%。

1.2 污泥部分干化與/完全干化

一般地，為防火防爆及更好的處理能力，干化工藝應適合于生成顆粒狀污泥，以利后續的利用或處置。一般干化污泥含固率達到85%以上稱為完全干化。當干化產品含固率低于85%時，稱為部分干化。

污泥干化產物的儲存必須注意以下問題：高干化程度的污泥由于其吸濕特性一般保存于相對濕度較低、空氣進入量較少環境中，以防止干化后污泥的含水率因為從空氣中吸收水分而再次升高。

1.3 污泥返混系統的返料比

污泥機械脫水后含固率約20%～35%。此時污泥粘度很高。許多干化機對在此階段呈現漿膏狀、粘稠狀的污泥存在相當多的輸送問題。

為了利用某些類型的干化設備將污泥干化到低的含水率，而避免經歷粘滯階段，一般在進入干化設備進口前將完全干化的污泥產物循環并與脫水污泥在專設的裝置中混合，將混合后污泥的含固率調整到高于“粘滯階段”的含固率，而避開粘滯區。

初看不利的污泥返混實際上也有其相當多的優點，如：通過返混不同量的干污泥，可使得污泥干化系統能適應脫水污泥含水率的波動；在專用混合裝置中的返混可以形成耐磨、外表面積大、一定粒徑范圍的顆粒，有利于污泥干化過程，提高干化產物的質量；完全干化不可避免產生的粉塵，從技術安全方面而言是危險的，通過返混系統可以將其重新最優地投入到物料中。

1.4 污泥干化中熱與物料的轉移

熱對流干化工藝：干化氣體（煙道氣、熱空氣、廢蒸汽等）環繞或在上部流經污泥，同時將熱量傳遞給污泥，水分從污泥中蒸發并隨干化氣流排出，待干化污泥與傳熱介質直接接觸。

熱傳導干化工藝：是一種間接污泥干化工藝，待干化污泥不與載熱介質（熱油、蒸汽等）直接接觸，而是在由載熱介質加熱的熱交換器表面靜態受熱。蒸發的水分與進入系統的漏風或特意引入的少量介質空氣一同排除。傳導干化工藝通過干化氣的循環（即尾汽循環），僅需排出少部分尾汽，可避免直接干化工藝大量尾汽需要冷凝或進一步處理的缺點。

熱輻射干化工藝：熱量傳遞不需要載熱介質，而是借助于電磁波或紅外線進行污泥干化。

2 污泥干化中能量輸入及其回收

2.1 能量的需求分析

污泥干化的載熱介質基本包括：煙氣、空氣、蒸汽、熱水、熱油及輻射熱源。干化所需的熱量可通過供暖廠的蒸汽鍋爐，或附近供熱裝置的廢熱提供。一次能源可利用沼氣、天然氣、熱油。如果污水廠污泥進行消化，沼氣可為污泥干化提供熱，干化產生的廢熱可作為污泥消化工藝加熱污泥的熱源，沼氣可充分為污泥干化提供能量。

如果污泥干化后接污泥焚燒，可利用余熱鍋爐的蒸汽作為干化熱源。

在選定污泥干化系統前，首先確定干化和處置干化程度是非常重要的。如果污泥干化是部分干化，以在后續的污泥焚燒裝置中進行熱處理，只需要將污泥干化到使焚燒系統能夠能量平衡就可以了。這種情況下，如在德國，對于消化污泥的含固率為40～45%，對于原生污泥含固率大約為35%。

在標準壓力下蒸發1噸水的理論能耗為627kwh。另外，將20℃的水加熱到100℃需要的熱量為93kwh，干污泥加熱需要14kwh。理論上，為整個工藝，干化前的脫水工藝——離心機、帶式機、板框機應盡可能達到高的脫水污泥含固率。然而由于經濟和技術的原因，不可能無限制地提高脫水污泥的含固率。

2.2 能量的回收分析

在污泥的干化過程中，隨著產物含固率的升高，干化尾汽量也增加。汽，因為其由于含有有機物的原因而具有很強烈的臭味在尾汽中含有大部分的水蒸發輸入的能量，通過冷凝可將尾汽釋放出的熱量用于消化池和建筑供熱。

一部分的尾汽熱量可簡單地得到利用，如待脫水的稀污泥。實際工程上可以將污泥加熱到60℃，以改善污泥的脫水性能。干化機內部污泥的加熱能量需求也可以通過濕污泥的預熱減少。污泥液溫度的升高（離心液/濾液）降低了后續脫氮處理的機械和能耗需求（強化生物脫氮）。

從干化機排除的尾汽，在冷凝前需先經除塵。由于尾汽中總含有粉塵、油脂以及其他污染物，一般尾汽在噴淋冷凝器中用循環水噴淋。在該水循環中，可通過管式或盤式熱交換器將熱量從熱水循環中分離出來。

在污泥干化中大部分的初級輸入熱量用于水分的蒸發，進入尾汽系統并作為冷凝熱得到回收。因此，尾汽中的水蒸汽量和滲漏空氣的質量比是十分重要的。在熱對流干化中，尾汽的2/3為惰性氣體（空氣），而在熱傳導干化中只有5～10%為滲漏氣。干化尾汽的水蒸汽分壓與此對應，熱對流干化僅約為熱傳導干化的一半。這使得熱對流干化的飽和蒸汽溫度僅達到80℃。

可回收的熱量計算如下：能量可回收率（%）=[1-（至冷凝器的尾汽熱晗/至干化機的尾汽熱焓）]*100%。在熱對流干化系統中，能量回收率僅能達到25%；在熱傳導干化系統中，卻有75%的干化輸入能量在無需大的設備投入的情況下在現有供熱裝置中得到回收。

另一尾汽利用熱能的可能途徑是，通過熱交換器來預熱鍋爐設備的進風。由于尾汽中所含物質的原因，直接將尾汽加入至燃燒空氣中的方法是不建議的。尾汽基本上都有腐蝕性。因此，所有與干化產物接觸的部件，如管道、熱交換器都應采用不銹鋼材料。

如將尾汽送入污水廠進水中，可提高曝氣池的水溫，稍有助于硝化/反硝化。這種簡單的尾汽熱量利用方法僅在限定條件下具有經濟性。

3 污泥干化對污水廠的影響

3.1 尾汽冷凝水對污水廠負荷的影響

污泥干化的冷凝水對污水廠的影響與污泥預處理（如厭氧穩定或好氧穩定及其穩定化程度）、干化過程污泥或顆粒的溫度及系統壓力有關。冷凝水中的氨濃度隨干燥過程中污泥加熱的增加而提高。

熱傳導干化的冷凝水中，氨濃度明顯高于熱對流干化的冷凝水中的氨濃度。冷凝水最高氨負荷為：熱傳導干化約為2500mg/L， 熱對流干化約為500mg/L，其波動范圍與污泥熱干化系統運行有關，最低值為最大值的25～50%。

冷凝水中BOD5及COD的含量與干化系統類型間接相關，主要取決于其中的粉塵的含量。沒有后置除塵系統的流化床干化系統冷凝水中COD負荷高達7000 mg/L。產生粉塵的熱干化系統設置除塵裝置是不可缺少的。

完全干化系統的冷凝水量僅約為污泥脫水濾液的10%左右。冷凝水對污水廠的影響比較小，從這層意義上講，在污泥干化系統選擇的考慮因素中，冷凝水對污水廠的影響并不顯著。但是，這種情況不適用于污水處理廠污泥集中進行干化處理的情況，因為冷凝液僅排到污泥干化系統所在的一座污水廠中。

3.2 尾汽處理排放對污水廠的影響

一般地，尾汽排噴淋冷凝器。產生的冷凝液送入污水廠進水中進行處理。不可冷凝部分與冷凝器出氣一起排放至臭氣處理設施進行處理。

除臭可采用生物組合濾池、生物洗滌器、吸收/吸附裝置或送至焚燒爐。不可冷凝尾汽可利用污泥干化熱媒加熱用鍋爐、附近熱電廠、污泥單獨焚燒廠、或送入燃煤電廠進行焚燒處理。

對熱流干化系統由于尾汽量大，增加了鍋爐燃燒器的負荷。排放氣體中氮氧化物和二氧化碳濃度顯著高于熱傳導型干化系統。熱對流型干化系統氮氧化物濃度一般為125～260mg/m3，一氧化碳濃度一般為50～69mg/m3。而在熱傳導型干化系統中，氮氧化物濃度約為100mg/m3，一氧化碳濃度低于5mg/m3。

4 干化污泥處置路線及質量要求

基本上，干化污泥的最終處置路線和機械脫水污泥的處置出路一致，主要如下：填埋（未熱處理）；焚燒（能量回收/利用或熱處理后填埋）；（養分回收/利用或堆肥）；農業利用；高溫熱解/氣化（能量回收/利用或填埋）。其中，能量回收/利用方向占優勢地位。

污泥處置路線分析表明，通過污泥的干化可使目前的污泥處理處置得到拓展或改善。

污泥干化的技術安全性不僅要在污泥干化過程中考慮，同時還要在后續的運輸、儲存、利用等環節中考慮。

技術安全預防措施決定于干化污泥的特征，尤其是粉塵量。從處置路線的技術安全性及技術操作因素分析，針對回用路線的污泥干化原則必須首先盡可能地減少干化粉塵量。

土地利用時，為提高磷的可利用率，希望顆粒粒徑小些，但這將導致流化粉塵，因此，一般顆粒粒徑控制在2～6mm。另外，希望顆粒粒徑均勻，從而實現均勻。對于污泥儲存和運輸，高的堆積密度、好的松散性和耐磨性是十分重要的。

干化污泥常見的利用/處置出路是焚燒干化污泥在火力發電廠的協同焚燒是熱處置出路的一種，其中一般將干化后的污泥送入電廠。用石灰調理的污泥是不適合的，因為其熱值被降低。

污泥在的焚燒要求由類型決定。對于爐排爐上焚燒，污泥需要壓成塊狀，污泥可經過簡單的壓制設備壓制成各種形狀和尺寸的團塊。個別情況下，焚燒前需要造粒，如與垃圾聯合焚燒。

干化污泥在制磚工業的利用是可能的。值得一提的是，干化污泥也可以進入水泥工業。污泥可制造熔融產品，其中用石灰調理的污泥特別適合。

如果考慮污泥干化，首先應研究比較干化費用與其它當地處置出路的費用，選擇經濟性最優的解決方案，同時考慮未來污泥利用/處置的最高安全性措施。污泥熱干化工藝降低了污泥成分中的衛生學問題，產物的可接受性將大大提高。

5 污泥干化工藝技術安全措施

完全干化的污泥由于其相對高的有機物含量，與褐煤、焦煤等物質相似燃料，因此其危險可燃。為了安全地處理這種完全干化的污泥，特別是稍大容積的粉塵，必須具有對這種危害性的全面知識。為了確保設備的安全運行，需采取防止火災及粉塵爆炸的預防措施。

5.1 采取防止爆炸與火災的預防性措施

需要避免以下問題：易爆炸的粉塵與空氣的混合灼熱點形成；高的物料溫度；過長時間的大體積；發生塵化現象。

同時，應根據干化系統需要，避免灼熱點的形成，做到火災早期預警，有必要監測污泥干化系統中的污泥溫度、二氧化碳濃度及粉塵濃度。

5.2 采用防止爆炸及火災的結構性保護措施

需提供滅火措施；采用應對最大爆炸壓力的防爆結構；為降低最大爆炸壓力，采用結合爆炸壓力釋放的防爆結構；為降低最大爆炸壓力，采用結合隔爆的防爆結構；采取工藝消爆措施。

必須特別注意脫水污泥以及部分干化污泥在料倉中的中間堆置可能釋放出沼氣。由于產生殘留氣體，基于技術安全原因，在任何情況下必須注意有足夠的通風和沼氣監測措施。