污泥處理處置技術的應用研究及進展

趙發敏 李興杰 馮 楠 仇云飛

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 前言

污泥是污水處理過程中產生的主要產物，是一種由有機質、微生物菌體、原生動物蟲卵、無機顆粒和膠體等組成的極其復雜的非均勻體，含水率超過80%。污泥有機物含量高，容易腐化發臭，如果不經過處理處置，會對環境造成二次污染。污泥中也含有植物生長所需要的營養物質，如氮、磷、鉀等，能夠改善土壤，促進植物生長。

隨著污水處理技術的快速發展，污泥的產生量也逐漸增多，“十四五”期間，預計2025年污泥產生量將達到7 538萬t。如果污泥得不到規范化的處理處置，會造成環境二次污染，威脅生態環境和人類生活健康。污泥的處理處置已經刻不容緩。

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中明確提出城市污泥無害化處置率需要達到90%。預計到 “十四五”期間污泥處理處置市場空間將達到922億元[1]。

本文闡述了污泥處理處置技術的應用研究現狀及發展趨勢，著重分析污泥焚燒處置技術中主要焚燒爐型的優缺點，為污泥焚燒處置爐型選擇提供參考。

1 污泥處理處置技術

1.1 污泥處理技術

污泥處理是對污泥進行濃縮、調治、脫水、穩定和干化的加工過程，其中污泥處理工藝主要包括污泥濃縮、污泥脫水、污泥消化、污泥熱解和污泥干化等。

1.1.1 污泥濃縮

污泥濃縮主要是通過重力濃縮、氣浮濃縮和離心濃縮三種方式去除污泥顆粒間的水分，濃縮后的污泥含水率為95%左右，仍保持流體的特性。

1.1.2 污泥脫水

污泥脫水主要是采用機械方法去除污泥顆粒間細小的水珠。經處理后，污泥含水量可降至74%左右[2]。污泥脫水可進一步降低污泥含水率，減少污泥體積。主要脫水方式有離心脫水、真空過濾脫水、板框壓濾脫水和帶式壓濾脫水等。

1.1.3 污泥消化

污泥消化分為好氧消化和厭氧消化，目的是去除或者轉化污泥中的有機物。其中厭氧消化工藝占50%以上，好氧消化工藝僅占18%左右[3]。污泥厭氧消化可實現污泥減量化和無害化，同時可以回收甲烷。我國一般采用中溫污泥厭氧消化技術，在無氧條件下污泥有機成分被降解、消化，同時產生大量的熱。污泥中的各種病原菌和寄生蟲因為消化產生的熱量而被殺滅去除。

1.1.4 污泥熱解

污泥熱解是一種回收污泥中資源的處理技術和再生利用技術，是污泥資源化、無害化和減量化的有效途徑，將成為未來污泥處理處置技術的發展趨勢。有研究表明[4]，熱解后的市政污泥殘渣僅含0.01%固定碳，且富含硅鋁鈣氧化物，適用于制備基礎建筑材料，但是污泥熱解需要較高的溫度，能耗高，投資較大。催化熱解可以降低相應所需的熱解溫度，所以研究提高污泥熱解效率的催化劑越來越受到重視。與污泥的單獨焚燒相比，污泥熱解技術將污泥中的大分子有機物分解成小分子有機物，不會產生大量的煙氣，且熱解后的固體殘渣可以用于制備基礎建材材料，具有較高的經濟價值和較好的應用前景。

1.1.5 污泥干化

污泥干化是利用熱能將污泥表面和內部的水分烘干，同時殺死污泥中的病原菌和寄生蟲的過程。污泥干化的優點是適用性廣，干化后的污泥含水率可降至40%以下，體積可減少2/3。完全干化的污泥含水率可降至10%以下，體積大幅減少，方便存儲，無病原菌及寄生蟲。

常用的干化設備主要有圓盤式干燥機、槳葉式干燥機和帶式干燥機等。圓盤干燥機主要由夾套、單軸轉子和傳動裝置組成，污泥通過夾套、空心軸和軸上焊接的空心盤片的熱傳導間接加熱干化。圓盤干燥機的盤片對污泥沒有切割作用，而是通過盤片邊緣的推進攪拌器，對污泥進行攪拌并不斷更新干燥面，從而實現干燥的目。槳葉式干燥機主要是由夾套、雙軸(或四軸)楔形葉片和傳動裝置組成。污泥通過夾套、空心軸和軸上焊接的空心葉片的熱傳導被間接加熱干化，楔形葉片對污泥切割攪拌，不斷更新干燥面，從而實現干燥的目的[5]。

1.2 污泥處置技術

目前，我國污泥處置方式主要有：衛生填埋、土地利用、建材利用及焚燒等[6]。

1.2.1 衛生填埋

衛生填埋起源于20世紀60年代，是采用特殊的方法將處理后的污泥運送到指定地點進行人工填埋的一種處置技術。衛生填埋需要占用大量的土地資源，適用于填埋場場地容易選取，有覆蓋土且距污泥產生點較近、污泥量相對較小的地方。衛生填埋要求污泥含水率不得超過60%，因為含水率過高會產生大量滲濾液，產生臭味，容易造成二次污染。衛生填埋只是污泥處置的初級階段，隨著填埋場容量的日益枯竭，污泥衛生填埋已經不能滿足污泥無害化處置的需要，污泥處置也從最初的衛生填埋向焚燒轉移。

1.2.2 土地利用

污泥中含有大量植物生長所需要的微量元素。土地利用是將污泥采用堆肥工藝處理后，將污泥作為輔助材料施加到土壤中，利用污泥中豐富的氮、磷、鉀等營養元素改善土壤，增強土壤肥力，促進植物生長的處置技術。污泥土壤利用可以在農業、林業、市政園林綠化和土壤修復方面中創造更多的價值。污泥的農業利用是合理處置污泥的有效途徑，但是在污水處理過程中80%左右的重金屬元素會被吸附或沉淀到污泥中，給污泥的土地利用造成了一定的限制。重金屬元素溶解度小，性質穩定，很難去除，容易在動物和人體內積累，進而對健康產生危害[7]。因此在污泥土地利用之前，一定要經過預處理過程，殺滅污泥中的病原細菌及寄生蟲，去除污泥中的過多重金屬等，以降低污泥中有害物質含量，減少或者避免其對土地造成的二次污染及公共衛生問題。

1.2.3 建材利用

建材利用是利用污泥作為建筑材料原材料使用的過程。污泥含有大量的硅鋁鈣等無機物，與建筑材料物質組成相似。污泥的建材利用可填補我國目前建材原材料匱乏造成的缺口，也為合理處置污泥找到了解決辦法。污泥建材利用首先向污泥中加入黏土等輔助材料，經無害化預處理后才可制成建筑材料。污泥制磚包括污泥焚燒殘渣制磚和污泥干化制磚；污泥制水泥是利用水泥窯協同處理污泥，以污泥代替部分水泥原材料。

生活污水處理和工業廢水處理產生的污泥成分相差較大，具有成分復雜多變等特點。因此，利用污泥制磚和生產水泥，應對污泥的性狀進行檢測[8]。只有當污泥符合制磚和生產水泥性狀，且重金屬含量不超標時，才可以考慮利用污泥制磚和生產水泥。熱干化污泥或濕污泥在制磚燒制過程中會釋放甲院，產生二噁英等有害物質[7]，所以直接用熱干化污泥或濕污泥制磚在環保要求上不可行。污泥建材化處理處置雖然在理論上可行，但由于我國污泥處理與處置技術、設備比較落后，污泥建材化處理處置方式并未有效地應用于實踐中。

1.2.4 污泥焚燒

污泥焚燒解決了污泥難分解和填埋可能造成地下水源污染的問題，可從根本上減少污泥最終填埋量，徹底殺滅病菌、病原體等有害有機物，是一種徹底的、完全的污泥處置方式，在國內外大中型工程中有較多應用。焚燒后的污泥產物已經無害化，可以二次利用，制成有用的成品。此外，污泥焚燒過程產生的熱量回收后可以完全滿足污泥干化的需要，也可用于供熱或者發電。

污泥焚燒可分為直接焚燒和協同焚燒兩種方式。污泥直接焚燒是利用污泥焚燒爐，添加少量助燃燃料進行焚燒的方式。協同焚燒主要是在垃圾焚燒發電廠、燃煤熱電廠和水泥窯中摻入少量污泥，對其進行協同處置的方式。目前，國內不論摻燒還是單獨焚燒，都是將污泥干化后進行，焚燒產生的余熱可以直接用于污泥干化過程。

直接焚燒多采用流化床焚燒爐，焚燒裝置要求建設在其他熱源廠附近，所需投資較大，運行成本較高，焚燒產生的灰渣還需要尋找處理途徑，因此需要企業正規運行及有關部門的有效監管。

污泥協同焚燒主要有垃圾發電廠、燃煤電廠和水泥窯等協同處置方式。污泥協同焚燒分為直接協同焚燒和干化后協同焚燒方式。劉濤[9]研究了不同含水率污泥協同焚燒對垃圾發電量的影響，含水率80%的污泥直接摻燒對垃圾發電量的影響十分顯著，摻燒量建議不超過3%；對于經干化后含水率40%的污泥，摻燒量建議不超過10%。《燃煤耦合污泥電廠大氣污染物排放標準》(DB 31/1291—2021)規定了污泥的摻燒率：含水率60%的污泥摻燒率不超過燃煤質量的5%。

垃圾發電廠和燃煤電廠摻燒污泥對后續煙氣處理設施產生影響。垃圾發電廠摻燒污泥后，一方面煙氣中粉塵和二噁英含量增加，易出現粉塵和二噁英超標的問題；另一方面爐渣熱灼減率上升，爐渣中重金屬含量增加[10]。燃煤電廠摻燒污泥同樣對煙氣中的煙塵、二氧化硫、氮氧化物、二噁英等物質含量造成影響。污泥含水率對燃煤電廠煙氣中二氧化硫濃度影響較大；摻燒污泥后，氮氧化物的排放量比單純燃燒煤炭更高[11]。水泥窯協同焚燒污泥使得污泥在水泥窯的高溫作用下碳化成活性炭，吸附煙氣中的二氧化硫、氮氧化物，污染物的減排效果明顯，但是如果摻燒超量的污泥，其中的微量元素也會造成水泥熟料強度下降[12]。

2 污泥直接焚燒處置設備

在污泥焚燒設備中，應用比較廣泛的爐型有鼓泡式流化床、多膛焚燒爐和回轉窯焚燒爐，其他爐型有旋風爐和不同形式的熔煉爐。

2.1 流化床焚燒處置技術

鼓泡式流化床焚燒爐一般設計成上部直徑略大于下部直徑的圓柱形反應器，下部設置布風風箱、布風板等；中部設有污泥投料口、燃燒器接口；上半部設置二次風進口，以保證污泥焚燒煙氣充分燃燒(圖1)。鼓泡式流化床投料口設置在二次焚燒區位置，污泥進入流化床內時，污泥焚燒過程中產生的熱量直接作用于污泥，滿足污泥水分的蒸發、揮發分的熱解與燃燒的需要，不再需要附加其他燃燒室。鼓泡式流化床焚燒爐具有燃燒速度快、污泥停留時間短、焚燒熱量可直接利用、效率高、適用性強、結構緊湊、占地面積小和事故率低等優點，但是存在動力消耗較大、飛灰量大等缺點。

圖1 鼓泡流化床焚燒爐結構示意圖

2.2 多膛爐焚燒處置技術

多膛式焚燒爐是一種帶機械傳動裝置的立式多段焚燒爐，是一個垂直的圓柱形耐火襯里鋼制設備，內部設置多層爐膛、耙動裝置、進料口、排料孔及煙氣出口(圖2)。污泥靠耙動裝置的翻動依次進入焚燒爐每段爐膛。多膛爐以逆流方式運行，加熱表面積和換熱表面積大，燃料消耗量少。但是多膛爐機械設備較多，易出現機械故障，需要經常維修與保養。目前多膛爐多用于活性炭生產、再生，及作為冶金爐使用。

圖2 多膛爐焚燒爐結構示意圖

2.3 回轉窯焚燒處置技術

回轉窯焚燒爐為臥式圓筒狀，具有一定的傾斜角度(圖3)。回轉窯焚燒爐多用于危險廢物焚燒處理，具有強大的廢物焚燒處理能力，可以同時處理固體、液體及氣體廢物，廢物在焚燒爐內停留時間長。回轉窯焚燒爐分為順流式焚燒爐和逆流式焚燒爐。順流式回轉窯焚燒爐為一端進料，另一端排出焚燒殘渣和煙氣的焚燒爐，目前國內危險廢物回轉窯焚燒多為順流式回轉窯焚燒爐。逆流式回轉窯焚燒爐的煙氣出口和進料口在同一端，焚燒殘渣在另一端排出。逆流回轉窯內物料運動方向與煙氣方向相反，傳熱效率高，但是煙氣出口與進料口在同一端，煙氣未經完全燃燒就排出，所以逆流式回轉窯焚燒爐需設置二次燃燒室。

1-窯尾密封裝置； 2-帶擋輪支承裝置； 3-大齒圈裝置； 4-傳動裝置； 5-窯筒體部分； 6-支承裝置； 7-窯頭密封裝置； 8-窯頭罩

在實際應用過程中，回轉窯按照一定的傾斜角度安裝，且有一定的旋轉速度，在回轉窯的一端加入需要處理的污泥，在另一端排出處理后的灰渣。回轉窯焚燒爐適用性強，可處理廢物的范圍廣，操作穩定、焚燒安全，但多用于危險廢物的焚燒處置。

3 結束語

人們在關注污水處理廠污水處理的效果時，往往忽視了污水處理產生的污泥帶來的環境問題，因此污泥處理處置越來越受到國家的重視，國家將在“十四五”期間進一步提升加大污泥的處理與處置規模。污泥處理處置技術的選擇要充分考慮各處理處置技術的優劣，又要結合實際情況。當然污泥的最佳處理處置方式是資源化再利用，然而受到污泥成分多變的影響，資源化利用受到一定的限制。污泥焚燒處置技術是一種最直接、最徹底的處理工藝，污泥焚燒分為直接焚燒和協同焚燒，無論哪一種焚燒方式，都需要進一步改進、創新、優化和完善，提升污泥處理效率。