污泥干化和焚燒技術(shù)的發(fā)展研究

孫湘君

摘要：隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，市政污水處理量日益增多，作為污水處理重要副產(chǎn)物的污泥處置是城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的重要組成部分。污泥具有含水率高、體積龐大、氣味惡臭、含有大量病菌、寄生蟲卵等特點。如果未經(jīng)處置的污泥隨意堆放，將會直接危害人類身體健康。污泥處理處置應(yīng)遵循源頭削減和全過程控制原則，加強(qiáng)對有毒有害物質(zhì)的源頭控制，根據(jù)污泥最終安全處置要求和污泥特性，選擇適宜的污泥處理工藝。污泥處理處置的目標(biāo)是實現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化和無害化;鼓勵回收和利用污泥中的能源和資源。堅持在安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的前提下實現(xiàn)污泥的處理處置和綜合利用，達(dá)到節(jié)能減排和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的目的。

關(guān)鍵詞：污泥處理工藝;污泥干化焚燒

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展以及社會對環(huán)保的要求越來越高，伴隨著越來越多的城市污水處理廠投入運(yùn)行，污水處理廠污泥的處理處置問題越發(fā)引起關(guān)注。污水處理廠是城市發(fā)展必不可少的設(shè)施，可稱為“社會之腎”[1]。隨著我國污水處理率和排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，污泥是污水廠處理過程中的副產(chǎn)物，污泥產(chǎn)量呈現(xiàn)逐年快速增長趨勢。住建部2020年12月發(fā)布的《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》表明，2019年全國城市及縣城污水廠產(chǎn)生的污泥量已突破6，512萬噸（以含水率80%計）。據(jù)E20環(huán)境平臺預(yù)測，我國城市及縣城污水廠產(chǎn)生的污泥產(chǎn)量將以每年10%至15%的速度增長。

污泥中富含由污水中吸附、吸收等多種途徑獲取的有機(jī)物、重金屬、病原體等有毒有害物質(zhì)，污泥中含有的有機(jī)污染物不易降解、毒性殘留時間長，這些有毒有害物質(zhì)進(jìn)入水體與土壤中將造成環(huán)境污染。而污泥中病原體對人類或動物的污染途徑包括直接與污泥接觸、水源被病原體污染、病原體先污染土壤后污染水體。如不進(jìn)行處理會對環(huán)境造成二次污染[2]。

面臨越來越多的污水排放問題以及在污水處理過程中伴隨產(chǎn)生的污泥量也越來越大，其處理處置對各地相關(guān)部門的安全生產(chǎn)管理帶來了挑戰(zhàn) [3]。目前，國內(nèi)城市污水處理廠處置污泥的主要手段有衛(wèi)生填埋[4]、土地利用[5]、焚燒[6-7]以及建材利用[8-9]等。

污泥干化，指的是對污泥進(jìn)行加熱處理，使其含有的水分有效蒸發(fā)，繼而使得污泥含水量大幅減少。在污泥中，其水分分為細(xì)胞水和結(jié)合水兩種，其蒸發(fā)和擴(kuò)散速率與污泥本身特性有很大的關(guān)聯(lián)。

污泥焚燒主要有4種方法。① 單獨焚燒;② 利用現(xiàn)有工業(yè)用焚燒爐焚燒;③ 利用現(xiàn)有火力發(fā)電廠焚燒;④利用現(xiàn)有的生活垃圾焚燒爐焚燒。

2020年7月，國家發(fā)展改革委與住房城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合印發(fā)了《城鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施補(bǔ)短板強(qiáng)弱項實施方案》，提出要加快推進(jìn)污泥無害化處置和資源化利用。也明確提出要推進(jìn)污泥無害化資源化處理處置。在土地資源緊缺的大中型城市鼓勵采用“生物質(zhì)利用+焚燒”的處置模式。將垃圾焚燒發(fā)電廠、燃煤電廠、水泥窯等協(xié)同處置方式作為污泥處置的補(bǔ)充。

現(xiàn)有的垃圾焚燒廠大都采用了先進(jìn)的焚燒技術(shù)，配有完善的尾氣處理裝置，可以在垃圾中混入適當(dāng)?shù)奈勰嘁黄鸱贌Ｒ虼耍谶M(jìn)行城市污水污泥和生活垃圾混合焚燒時應(yīng)合理的組織污泥的摻混比例，污泥摻燒量應(yīng)控制在20%以下可以達(dá)到設(shè)計的混合焚燒模式。

本篇論文也是針對如何對污泥控飛灰、控結(jié)焦的可行性進(jìn)行研究。

1 污泥干化、污泥焚燒的方式及基本原理

污泥處理先后經(jīng)過濃縮、機(jī)械脫水等步驟進(jìn)行減量后含水率仍然在70%以上，需要通過干化進(jìn)一步減小體積以實現(xiàn)污泥深度脫水的目標(biāo)[10]。

1.1污泥干化

基于接觸方式可將污泥千化分為三種：直接傳熱式、間接傳熱式、直接-間接聯(lián)合傳熱式。干化處理后的污泥含水率明顯降低，通常保持在5%-40%之間，能夠通過焚燒處置等相關(guān)方法實現(xiàn)對污泥的資源化利用[11]。

目前，污泥焚燒基本上有兩大類方法，一種是污泥的單獨焚燒，另一種是和其他物質(zhì)混合焚燒。從研究與實踐情況看，污泥焚燒可歸納為4種方式，即，污泥單獨焚燒、利用水泥爐窯焚燒、火電廠摻燒、垃圾摻燒等。污泥單獨焚燒的處理對象一般含水率為75-80%的脫水污泥，由于含水率這么高的污泥其低位熱值通常很低，為了保證污泥的穩(wěn)定燃燒，污泥焚燒前需進(jìn)行干化處理，對于熱值過低的污泥，還需要在焚燒爐中摻入一定量的燃料（煤或油）以供輔助燃燒。污泥單獨焚燒需要單獨建爐，初期的投資較高。單獨焚燒廠建設(shè)投資大、運(yùn)行費(fèi)用高，因此，住建部不鼓勵地方上發(fā)展污泥單獨焚燒技術(shù)，希望各地把污泥焚燒技術(shù)的發(fā)展重點放在污泥摻燒技術(shù)上。可見，我國污泥處置行業(yè)未來的發(fā)展方向便是干化-焚燒聯(lián)合處理技術(shù)。

然而，從近年來實踐情況看，污泥與垃圾共焚燒時，會導(dǎo)致焚燒廠飛灰數(shù)量劇增，并出現(xiàn)了爐膛底部結(jié)焦頻繁的問題。這些新問題的出現(xiàn)，不僅帶來了飛灰處置費(fèi)用大幅提高的問題，而且還導(dǎo)致了爐膛檢修頻次的明顯增加和檢修時間延長，從而給焚燒企業(yè)帶來了運(yùn)行操作上的困難[12]。

1.2污泥焚燒

污泥焚燒是指在高溫下充分燃燒，分解成為氣體、焦油及飛灰等殘渣。焚燒法具有將污泥穩(wěn)定化、減量化效果明顯，無害化比較徹底、處理速度快，經(jīng)過預(yù)處理后的污泥燃燒工作基礎(chǔ)熱值相當(dāng)于劣質(zhì)煤，可以用于發(fā)電和供熱等優(yōu)點。

污泥焚燒作為一種近年來快速發(fā)展的處置方式，在我國具有很大的潛力。住建部在2009年發(fā)布的“城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策（試行） 建城〔2009〕23號”中提出污泥熱干化和污泥焚燒的概念，并指出經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的大中城市，可采用污泥焚燒工藝。該技術(shù)政策提出可以采用干化焚燒的聯(lián)用方式，提高污泥的熱能利用效率;鼓勵污泥焚燒廠與垃圾焚燒廠合建;在有條件的地區(qū)，鼓勵污泥作為低質(zhì)燃料在火力發(fā)電廠焚燒爐、水泥窯或磚窯中混合焚燒。

目前，污泥焚燒主要有4種方法。

① 單獨焚燒

直接焚燒工藝一般是指焚燒含水率為75-80%的脫水污泥。由于含水率這么高的污泥的低位熱值通常很低，為了保證污泥的穩(wěn)定燃燒，并對污泥含水率的波動具有一定的適應(yīng)性，一般都需要在焚燒爐中摻入一定量的燃料（煤或油）以供輔助燃燒，直接焚燒工藝的燃燒效率和熱效率一般較低。

② 利用現(xiàn)有工業(yè)用焚燒爐焚燒

主要是利用水泥等工業(yè)的焚燒爐，焚燒干化的污泥，甚至污泥中的無機(jī)部分也幾乎可以完全地被利用于產(chǎn)品之中。

③ 利用現(xiàn)有火力發(fā)電廠焚燒

經(jīng)過發(fā)電廠焚燒污泥研究證明，污泥占耗煤總量的10%以內(nèi)，對于尾氣凈化以及發(fā)電廠的正常運(yùn)轉(zhuǎn)沒有不利影響。德國的Berrenroth電廠和Weisweiler電廠將污泥混入到循環(huán)流化床鍋爐中混合焚燒，煤與污泥混合比例為3：1，脫水污泥的含水率為70%，燃燒各項指標(biāo)符合德國標(biāo)準(zhǔn)。

④利用現(xiàn)有的生活垃圾焚燒爐焚燒

現(xiàn)有的垃圾焚燒廠大都采用了先進(jìn)的技術(shù)，配有完善的尾氣處理裝置，可以在垃圾中混入適當(dāng)?shù)奈勰嘁黄鸱贌?/p>

2 污泥干化+焚燒處置的優(yōu)勢

污泥干化+ 焚燒，可將脫水污泥有機(jī)物、有害物徹底分解，實現(xiàn)重金屬離子的高溫?zé)Y(jié)固化，真正實現(xiàn)污泥減容、 減量、無害化，且排放煙氣滿足國家環(huán)保要求[13]。

焚燒技術(shù)是目前污泥處置的較好方法，有幾個突出的優(yōu)點：①焚燒可以大量減小污泥的體積和重量，焚燒灰還可以綜合利用，因而最終需要處理的物質(zhì)很少。②焚燒還可以殺死一切細(xì)菌和病原體，一切有機(jī)物在燃燒過程中都會最大程度的被分解，病原體和細(xì)菌也不例外。通過高溫處理，在燃燒殘渣內(nèi)幾乎沒有細(xì)菌和病原體存在。③經(jīng)過脫水后的污泥的熱值相當(dāng)于褐煤的水平，因此在一定條件下污泥可以自燃而不需要添加額外的輔助燃料，可以回收能量用于發(fā)電和供熱，這樣可以在一定程度上減輕污泥焚燒的費(fèi)用。此外由于污泥處理速度快，不需長期儲存，焚燒過程可以解決污泥的惡臭問題。

3 污泥干化-污泥焚燒聯(lián)合技術(shù)研究

由于城市污水廠污泥的可燃物質(zhì)復(fù)雜，城市生活垃圾更是種類繁多、成分復(fù)雜、大小各異既有無機(jī)物又有有機(jī)物。同時，污泥含水率對污泥焚燒影響較大，如果污泥摻入生活垃圾中的比例過多，會引起混合試樣的熱值降低，單位重量的發(fā)電量降低，混合比例過高，甚至?xí)l(fā)生不能夠著火，影響混合燃燒運(yùn)行。城市污水廠污泥和生活垃圾混合焚燒的特點如下：①燃燒的過程大致可以分為4個階段：1）水分的揮發(fā)階段;2） 揮發(fā)份的析出及燃燒階段;3） 固定碳燃燒;4） 燃燼階段。②垃圾及污泥的著火溫度都很低，對于城市污水廠污泥和生活垃圾混合焚燒，隨著城市污水廠污泥比例的增加，混合試樣的著火溫度上升，當(dāng)污泥摻燒量僅為10%～20%時，其著火溫度相差不大，但當(dāng)污泥摻燒量達(dá)到30%、40%時，混合試樣的著火溫度明顯上升。③隨著試樣中城市污水廠污泥比例的增加，混合試樣的最大失重速率和平均失重速率有下降的趨勢，混合試樣的DTG峰變寬，說明混燒后燃燒在時間上表現(xiàn)的更加均勻，但燃燒的劇烈程度下降。④ 污泥摻入垃圾混燒后，隨著試樣中污泥比例的增多，可燃性指數(shù)C值和燃燒特性指數(shù)S值均變小，尤其是當(dāng)污泥的混合比例超過30%后，C和S值明顯下降，說明其綜合燃燒的性能變差。

對于城市污水廠污泥和生活垃圾混燒，應(yīng)該合理的控制污泥摻燒量，最好污泥摻燒量應(yīng)控制在20%以下。總之，城市污水廠污泥和生活垃圾混合燃燒，表現(xiàn)出和單獨生活垃圾燃燒不同的特性，隨著試樣中城市污水廠污泥所占比例的增加，著火溫度推遲，燃燼溫度提前，但綜合燃燒的性能下降，尤其是混合比例超過30%后，C和S值下降更加明顯。因此，在進(jìn)行城市污水污泥和生活垃圾混合焚燒時應(yīng)合理的組織污泥的摻混比例，污泥摻燒量應(yīng)控制在20%以下。

3.1污泥摻燒中控飛灰、控結(jié)焦問題的發(fā)現(xiàn)及原理性認(rèn)識

污泥干化-焚燒聯(lián)合技術(shù)雖然能夠使污泥體積最小化，有效殺滅病菌，但是其能耗較高，并且具有一定危險性。所以，依托現(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)污泥干化和焚燒工藝、嚴(yán)格控制能耗、消除安全隱患不僅是污泥處理的未來發(fā)展趨勢，亦符合國家提出的可持續(xù)發(fā)展理念。

為解決當(dāng)前污泥與垃圾共焚燒中焚燒飛灰過多、爐膛底部易于結(jié)焦的行業(yè)問題，污泥干化-焚燒聯(lián)合技術(shù)需要更深入的研究污泥與垃圾混合比例、污泥含水率、污泥顆粒度及顆粒硬度等運(yùn)行參數(shù)對爐膛結(jié)焦、飛灰產(chǎn)生量的影響，并且將污泥干化處理后制備成污泥棒狀顆粒后與垃圾一同焚燒。

城市污水處理廠污泥主要由初沉池污泥和二沉池剩余污泥組成[14]，剩余污泥本質(zhì)上是微生物的聚集體。微生物細(xì)胞顆粒細(xì)小，比重小，在含水率低于40%以下，由于胞外聚合物的粘性遭到破壞，污泥粘度迅速降低[15]。在焚燒酌減過程中，污泥失水后，污泥團(tuán)塊在爐內(nèi)攪動、爐膛風(fēng)壓等的作用下發(fā)生解體，焚燒后形成大量輕質(zhì)灰分，隨煙氣逸出，因此，污泥焚燒后，殘留灰渣量小，但從煙氣中捕集到的飛灰量大[16]。污水廠污泥中含有大量的鉀、鈣、鎂、硫、鐵等元素，在進(jìn)行脫水時，這些金屬元素的化合物熔點較低，在焚燒溫度超過1000℃的爐膛中易發(fā)生熔化，熔化的金屬化合物易在爐膛壁上冷卻凝固，從而引起爐膛結(jié)焦。可見，污泥焚燒過程中由于機(jī)械攪動、氣體攪動而引起的飛灰揚(yáng)起，即是爐壁結(jié)焦的主因[17，18]，利用垃圾焚燒廠處理處置的污泥，需要滿足一定的條件，主要體現(xiàn)在污泥含水率以及污泥熱值上。其他的污泥在含水率為80%左右時，污泥干化預(yù)處理的目的除了控制污泥含水率外，還要克服污泥焚燒過程中大量飛灰隨煙氣逃逸及焚燒爐壁頻繁發(fā)生結(jié)焦的問題。從上海環(huán)境集團(tuán)摸索的經(jīng)驗看，但污泥含水率降低到20-30%時，可將污泥制備成密實度高、抗壓與抗折的污泥顆粒，可見，污泥含水率的控制非常重要。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明相比較于未添加任何藥劑的污泥的干基含水率明顯低于污泥中添加不同含量的成型藥劑后的含水率。說明成型藥劑的添加可以顯著改善污泥的含水率，達(dá)到污泥干化預(yù)處理的目的。基于污泥干化速率指標(biāo)分析，當(dāng)成型劑添加量為6%時，與未添加藥劑相比，污泥干化速率可提高20%以上， 藥劑添加后可以明顯改善污泥干化速率與效果

成型藥劑的添加可以實現(xiàn)污泥在較高的含水率情況下，達(dá)到造粒要求的同時也可以保證造粒后的污泥擁有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度，最終確定了“加入成型劑-混合-快速干化-造粒”的污泥控飛灰、控結(jié)焦的高效處理方案。可以滿足污泥焚燒的要求和節(jié)能的要求。

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