通溝污泥清洗砂替代鼓泡式流化床床料的研究

摘要：隨著社會經濟的發展與城市建設的加快，市政管網的通溝污泥產生量日趨增加，妥善處置通溝污泥成為目前城市水環境安全管理的重點之一。上海市某污泥焚燒廠根據現有工藝對通溝污泥清洗砂進行資源化利用，將通溝污泥清洗砂用作鼓泡式流化床的部分床料。試驗表明，投加清洗砂對焚燒爐砂床壓差有積極影響，投加量越多，壓差增幅越顯著。每投加1 t清洗砂對砂床壓差的增量相當于投加0.7 t石英砂的增壓效果。通溝污泥替代焚燒爐內部分床料，未對排放指標產生額外的負荷。實踐表明，市政管網的通溝污泥實現資源化利用，這進一步驗證通溝污泥資源化、減量化和無害化處置的可行性。

關鍵詞：通溝污泥；清洗砂；鼓泡式流化床；床料；替代；石英砂；資源化

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-00-0502

Study on replacement of bed material in bubbling fluidized bed with cleaning sand from sewage sludge

HUANG Ying1， HOU Shuaishuai1， LI Mei2， FU Wenjun3， HE Jian4

（1. Shanghai Pudong Haibin Environmental Protection Sludge Treatment Co.， Ltd.， Shanghai 201302， China;

2. Shanghai Pudong Water （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 201300， China;

3. Shanghai Nanhui Drainage Co.， Ltd.， Shanghai 201399， China;

4. Department of Environmental Science and Engineering， Fudan University， Shanghai 200433， China）

Abstract： With the development of social economy and the acceleration of urban construction， the amount of sewage sludge generated by municipal pipeline networks is increasing day by day， and properly disposing of sewage sludge has become one of the key focuses of urban water environment safety management. A sludge incineration plant in Shanghai city utilizes the existing process to recycle the cleaning sand of the sewage sludge， using it as part of the bed material for a bubbling fluidized bed. The experiment shows that adding cleaning sand has a positive effect on the pressure difference of the incinerator sand bed， and the more added， the more significant the increase in pressure difference. The increase in pressure difference of the sand bed with each addition of 1 t of cleaning sand is equivalent to the pressurization effect of adding 0.7 t of quartz sand. The replacement of part of the bed material in the incinerator with sewage sludge does not generate additional load on the emission indicators. Practice has shown that the sewage sludge in municipal pipelines can be utilized as a resource， which further verifies the feasibility of the resource utilization， reduction， and harmless disposal of sewage sludge.

Keywords： sewage sludge; cleaning sand; bubbling fluidized bed; bed materials; replace; quartz sand; resource utilization

隨著我國經濟的發展和現代化建設的推進，城鎮排水管網日趨完善，截至2022年底，全國管網已達91.4萬km，其中上海市管網長度約為2.3萬km[1]。根據預估結果，全國通溝污泥年產生量為1 046萬t。目前，全國通溝污泥處理方式以填埋為主，但可用容量已達到極限[2]。通溝污泥分散性強，具有“小散亂”的特征，建有通溝污泥處理設施的城市有上海市、北京市、武漢市、蕪湖市、九江市、六安市和昆山市等。根據《上海市污水處理系統及污泥處理規劃（2017—2035年）》和《上海市城鎮污水處理提質增效三年行動實施方案（2019—2021年）》，通溝污泥處理設施建設應堅持相應原則，即中心城區的通溝污泥處理站保持一區一站點，郊區的通溝污泥處理站應不少于2個站點[3]。截至2022年底，上海市每個區都至少有1座通溝污泥處理站，其中浦東新區已建造運行3座，總計16座通溝污泥處理站，總處理規模為1 067 t/d。

1 通溝污泥處理現狀

國外主要基于通溝污泥的特性對其進行水洗、篩分等處理[4]。發達國家大多先對通溝污泥進行淘洗等綜合處理，再對其進行填埋處置或者資源化利用[5]。日本在1997年開始探索通溝污泥資源化利用[6]，主要處置方式為將焚燒后的污泥灰分摻入瀝青混合物中。日本成功從下水道污泥中提取磷，將其作為生產化肥的原料[7]。通溝污泥的特點取決于排水管網體制、地形、氣候及居民生活習慣等[8]，共性體現為有機質含量低、沉降性能較好[9]。基于通溝污泥特性，國內主要通過預處理降低污泥含水率，固相進行衛生填埋，液體重新納管進入污水處理廠。根據國內目前的處理方式，預處理后的污泥大多經粒徑篩分后進行填埋或焚燒處置，僅少量進行資源化利用[10]。上海市寶山區從產城融合角度出發，基于中國寶武鋼鐵集團有限公司基地的產業及技術對通溝污泥尾砂進行資源化利用，使其經過預處理后生產水泥鐵質校正料[11]。污泥干化焚燒工藝流化床床料（石英砂）與通溝污泥主要成分的理化性質相近，因此試驗以部分通溝污泥清洗砂替代流化床床料，為通溝污泥清洗砂資源化利用探尋新渠道。

2 清洗砂與石英砂的特性

2.1 理化性質

管道沉積大量無機物質，進而催生通溝污泥，其組分包括生活垃圾、砂石、砂礫和泥水等混合物[12-13]。

為了使城市排水管網暢通，要定期疏通管網，清撈這些混合物。目前，對于通溝污泥，國內通常按照粒徑分選相應的固相物質進行填埋，污水重新納管進入污水處理廠進行處理[14-16]。試驗對象為通溝污泥清洗砂，通溝污泥經水力淘洗后分選較大組分，其主要成分為二氧化硅[17-19]。經實驗室檢測分析，通溝污泥清洗砂的理化性質如表1所示。

2.2 粒徑分布

通溝污泥處理站采用水力淘洗工藝對通溝污泥進行處理[20-22]，然后分選出清洗砂，上海市某污泥焚燒廠污泥干化焚燒工藝需要使用石英砂，二者的粒徑分布對比如表2所示。與石英砂的粒徑相比，通溝污泥清洗砂的粒徑偏小。

3 試驗方案設計

3.1 試驗情景

該污泥焚燒廠的處理工藝為鼓泡式流化床污泥干化焚燒技術，其核心工藝設備為水滴型焚燒爐。焚燒爐內的燃燒段分為懸浮燃燒段和輔助燃燒段。懸浮燃燒段是焚燒爐內的上部稀相區，溫度在850 ℃左右，使市政污泥中的有機物得到充分燃燒分解。輔助燃燒段是焚燒爐內的下部密相，780 ℃的高溫使得流化床中的惰性砂床處于流化狀態。水滴型設計讓焚燒爐內部空間上寬下窄，有助于石英砂與高溫煙氣分離，同時使石英砂的損耗達到最小，如圖1所示。

通溝污泥清洗砂通過人工投料形式向焚燒爐內投加。在保證半干污泥進泥量穩定的前提下，砂床壓差穩定保持在11～13 kPa。在保證進泥量和空氣量相等的條件下，設計6個不同投砂速率的情景進行試驗，如表3所示。

3.2 試驗原理

焚燒期間，焚燒爐床料的石英砂處于流化狀態，使得上下砂床產生一定高度和壓差，確保市政污泥均勻散布于焚燒爐中從而受熱均勻，使污泥中的有機物得到充分分解，如圖2所示。市政污泥焚燒時，焚燒爐內流化床的床料會有所損失，所以要對焚燒爐內的砂床進行定期補砂，維持爐內床壓的穩定。試驗以通溝污泥清洗砂替代流化床的部分床料，分析通溝污泥清洗砂的替代效果。

4 試驗結果

4.1 壓差影響

由試驗結果可知，投加通溝污泥清洗砂對焚燒爐內砂床的壓差變化起到正向影響。投料梯度越大，壓差增幅越顯著。如表4所示，清洗砂的投加量與焚燒爐內的壓差呈正相關，加砂量越大，壓差的增幅越大。砂床壓差的增幅系數采用式（1）進行計算。

（1）

式中：ki為i投料情景下壓差的增幅系數；?p為i情景下焚燒爐內的壓差增量，kPa；t為所用時間，min。

4.2 替代效果

在正常焚燒市政污泥時，鼓泡式流化床焚燒爐內的砂層會有所損耗，根據實際的運行數據可知，焚燒1 t市政污泥消耗4.1 kg石英砂，每投加1 t石英砂的壓差增量為0.485 kPa。為量化投加清洗砂對焚燒爐砂床壓差的作用，可按照式（2）核算其替代效果。根據試驗前后壓差的增量及焚燒期間壓差的自然損失量，利用式（1）折算出每投加1 t清洗砂可達到0.7 t石英砂的替代效果。

（2）

式中：F為替代率，%；f為石英砂噸泥消耗量，取4.1 kg/t；w為試驗期間市政污泥焚燒總量，取737.3 t；K為1 t石英砂所對應的砂床壓差，0.485 kPa/t；P為試驗期始末的砂床壓差增量，取0.29 kPa；W為通溝污泥清洗砂的投加總量，取5.14 t。

4.3 煙氣指標的影響

通溝污泥清洗砂的試驗期間，大氣顆粒物（Particulate Matter，PM）濃度日均值為1.80 mg/m3，SO2濃度日均值為4.08 mg/m3，氮氧化物（NOx）濃度日均值為20.33 mg/m3，HCl濃度日均值為1.22 mg/m3，CO濃度日均值為0.1 mg/m3，皆低于《生活垃圾焚燒大氣污染物排放標準》（DB 31/768—2013）的限值，如表5所示。因此，以清洗砂替代部分石英砂作為鼓泡式流化床的床料，對該污泥焚燒廠未產生額外的排放負荷。

5 結論

試驗結合工程實例，探究通溝污泥清洗砂替代部分石英砂床料的可行性，分析其環境效益、社會效益和經濟效益。試驗結果顯示，按水力淘洗分選出的通溝污泥清洗砂粒徑與實際石英砂相比偏小，清洗砂粒徑應控制在0.6 mm以上，這樣更為貼合石英砂的粒徑；投加通溝污泥清洗砂對焚燒爐內的砂床壓差有一定的積極影響，投加量越多，壓差增幅越顯著；每投加1 t清洗砂相當于投加0.7 t石英砂的增壓效果；通溝污泥清洗砂替代部分床料的試驗期間，各煙氣污染物（SO2、NOx、HCl、PM和CO）排放正常，未對污泥焚燒廠產生額外的排放負荷。在環境效益上，通溝污泥清洗砂作為床料進行焚燒處置，相比傳統的衛生填埋處置，很大程度上避免占地面積大、后期滲濾液逸出等潛在環境問題。在社會效益上，通溝污泥清洗砂與市政污泥摻和焚燒不僅實現無害化處置，焚燒后的產物進行建材回用，而且佐證資源循環、變廢為寶的綠色環保新思路的可行性。在經濟效益上，通溝污泥清洗砂替代部分石英砂床料，在生產運行的原材料上可降低成本。在實現自動化投料而非人工投料的情境下，根據該污泥焚燒廠的遠期處置規模，可估算出年處置規模為1 428 t通溝污泥清洗砂。石英砂的用量（清洗砂替代量）與來泥處置量、生產線啟動數量、砂床壓差工況的設定息息相關。若對通溝污泥清洗砂進行大規模焚燒處置，則需要進行更長時間、更全面、全方位的測試。針對上海市通溝污泥處置現狀，政府部門應協同監管政策，避免分散監管、政出多門，提高綜合管理效率。多區之間可進行區域協同消納，解決分散性大的處理難題。通過積極的環保宣傳，避免鄰避效應，提升城市氣質，增加群眾幸福感。通過上下游的協同利用，推進資源循環利用，共促綠色經濟循環。

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作者簡介：黃瑩（1995—），女，上海人，碩士，助理工程師。研究方向：市政污泥資源化利用、綠色節能。