深度脫水低溫干化焚燒發(fā)電的污泥處置工藝可行性研究

周圣慶，王占磊，陳 竹，李 軍，張翼翔

（江蘇天楹環(huán)保能源股份有限公司，江蘇 南通 226600）

城市污水處理廠產(chǎn)生的污泥含有較多的水分，其平均值在80%左右，大量水分的存在，給后續(xù)減容填埋或焚燒帶來(lái)了較大的難度。筆者提出的工藝路線：污泥調(diào)理+深度脫水減容+低溫干化+結(jié)合生活垃圾焚燒發(fā)電+灰渣填埋，旨在研究一種污泥綜合處理工藝。

1 污泥特性與脫水減容

1.1 污泥基本特性

污泥的主要成分是生物腐殖物和水分，其中水分占了較大的比重。

依據(jù)污水處理各個(gè)階段產(chǎn)生的不同污泥，可將污泥分為5類：①生污泥：沉淀池中泥水分離后產(chǎn)生的沉淀物的總稱。含固率1%～3%。②消化污泥即生污泥：通過(guò)厭氧產(chǎn)氣后得到污泥。含固率3%～5%。③濃縮污泥剩余污泥：經(jīng)過(guò)污泥濃縮設(shè)備濃縮后得到的污泥。含固率為5%～20%。④脫水干化污泥：經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)手段干化后的污泥。含固率為20%～100%。⑤干燥污泥：通過(guò)各種干燥手段處理后的污泥。含固率為60%～100%。

初步脫水后的污泥中主要水分組成為毛細(xì)結(jié)合水、內(nèi)部水和附著水、自由水。

1.2 污泥處置主要方法

目前污泥的處置主要方法有：海洋投棄、土地填埋、焚燒以及綜合利用等。

污泥海洋投棄處置已經(jīng)明確地被禁止；污泥填埋并不能最終避免環(huán)境污染，只是延緩了環(huán)境污染產(chǎn)生的時(shí)間，填埋行為面臨著越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，這使得僅僅反映直接建設(shè)投資及運(yùn)行成本的填埋處置方式的投資及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用趨于大幅度增加，許多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始禁止污泥的土地填埋。焚燒以及綜合利用是將來(lái)處置趨勢(shì)。

1.3 生活污泥脫水減容關(guān)鍵難點(diǎn)

由于分子間的親和力大小不同，污泥中各種水需要用不同的工藝手段去除。毛細(xì)結(jié)合水可依靠濃縮和機(jī)械脫水去除；內(nèi)部水和附著水依靠細(xì)胞破壁、特殊機(jī)械脫水或熱力干化去除；自由水依靠沉淀池去除。

污泥中含有大量微生物細(xì)胞和有機(jī)膠體物質(zhì)，機(jī)械脫水困難。污泥含水率是制約污泥處置和利用關(guān)鍵。

因此污泥處置的技術(shù)難點(diǎn)是：如何破壞污泥膠體，降低持水性，而后選擇何種工藝進(jìn)行深度脫水快速提高污泥含固率。

1.4 污泥調(diào)理與污泥藥劑

為了有效去除污泥中的各種水分，需要使用污泥調(diào)理技術(shù)，此類技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)是依據(jù)不同的階段添加不同的藥劑。常用藥劑有：絮凝劑、助凝劑、調(diào)理劑、破乳劑、消泡劑、pH調(diào)整劑、氧化還原劑、消毒劑。

在壓濾方式下用的較多的是無(wú)機(jī)調(diào)理劑，它適用于真空過(guò)濾和板框壓濾。一般有以下3種：

1）鐵鹽：常和石灰聯(lián)用。在pH>12時(shí)，可采用Ca（OH）2絮凝體、FeCl3·6H2O、Fe2（SO4）·4H2O、FeSO4·7H2O、聚合硫酸鐵 （PFS）。

2）鋁 鹽 ： Al2（SO4）3·18H2O、 AlCl3、 Al（OH）2Cl、聚合氯化鋁 （PAC）。

3）鎂鹽：MgO－CaO－SiO2組合系列。

高分子調(diào)理劑：脫水陽(yáng)離子聚丙烯酰胺、乳液型聚丙烯酰胺等。它適用于污泥的離心脫水和帶式壓濾。

1.5 污泥脫水減容的4個(gè)階段

采用了污泥調(diào)理技術(shù)，污泥脫水將能實(shí)現(xiàn)40%～60%的減容率。

由于污泥含水率與其抗壓強(qiáng)度呈一定的關(guān)系，工業(yè)處理中常將污泥脫水分為幾個(gè)重要階段。

第一個(gè)階段：濃縮，主要用以去除液體部分，產(chǎn)生濃縮污泥。多數(shù)污泥濃縮裝置能達(dá)到5%～10%的固體濃度。該階段主要在污水處理廠進(jìn)行。

第二個(gè)階段：機(jī)械壓濾。工業(yè)中常用的具體脫水設(shè)備有板框壓濾機(jī)、帶式壓濾機(jī)、臥式螺旋卸料離心過(guò)濾機(jī)、轉(zhuǎn)鼓真空過(guò)濾機(jī)和圓盤真空過(guò)濾機(jī)。該階段通常在污水處理廠完成。

第三階段：深度脫水。該階段可將污泥含固率從20%提高至40%。在添加藥劑破壁的情況下，污泥含固率甚至可達(dá)到45%。此階段可和第二階段合并。

第四階段：污泥熱干化，是利用熱能、使脫水污泥的水分進(jìn)一步降低的措施。處理工藝基本集中在電廠煙氣尾氣高溫干化、高溫蒸汽熱干化、太陽(yáng)能等新能源低溫干化、水泥窯尾氣高溫干化。

2 污泥的干化處理

2.1 污泥的干化機(jī)理

蒸發(fā)和擴(kuò)散過(guò)程

蒸發(fā)過(guò)程：環(huán)境水蒸氣分壓＞污泥表面水蒸氣分壓；

擴(kuò)散過(guò)程：污泥內(nèi)部濕度＞污泥表面濕度。

蒸發(fā)過(guò)程吸熱：即水分從常溫升至沸點(diǎn)需要吸收的熱量，每公斤水吸熱335 kJ。

擴(kuò)散過(guò)程吸熱：即水分由液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嘈栉盏臒崃?，每公斤水吸? 261 kJ。

基本熱能代價(jià)：蒸發(fā)過(guò)程和擴(kuò)散過(guò)程吸收的熱量之和，每公斤水吸熱2 596 kJ。

2.2 污泥熱干化的形式

表1中2種工藝均為高溫?zé)嵩锤稍?，考慮經(jīng)濟(jì)節(jié)能，筆者選用了低溫直接干燥的工藝。

表1 直接干燥和間接干燥的比較

2.3 熱干化含水率的確定原則

以減量化和資源化為干燥的目的，建議半干，控制污泥含水率在30%左右。

理論上，將污泥干燥到該處置環(huán)境下的平衡穩(wěn)定濕度是最經(jīng)濟(jì)合理的。

根據(jù)污泥物理化學(xué)分析，將污泥干燥到能夠達(dá)到生活垃圾熱值，在焚燒爐中單獨(dú)燃燒是一個(gè)較合理點(diǎn)。

2.4 低溫自然干化試驗(yàn)及工藝需熱計(jì)算

根據(jù)污泥的持水性表明：污泥具有很強(qiáng)的持水性，泥餅含水率降低到65%的過(guò)程較慢，當(dāng)小于65%，污泥越過(guò)膠粘狀態(tài)，含水率下降非?？臁暮?0%降到40%只需24 h，若改善溫度、空氣濕度等條件，干化時(shí)間會(huì)大大降低，最好效果是降低到4 h。圖1為上海同臣環(huán)保有限公司關(guān)于城市生活污泥和工業(yè)污泥低溫干化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

溫室需熱量計(jì)算（以100 t40%含固率污泥處理量為例）如下。

水分蒸發(fā)需熱：100×（60%－40%）×57.7÷24=201×104kJ/h=560 kW；

采暖負(fù)荷：5 000×100÷1 000=500 kW=180×104kJ/h；

污泥加熱：100× （30－5）÷10÷24=462×104kJ/h=122.5kW；

循環(huán)風(fēng)量：100× （60%－40%）×106÷ （37.7×60%－9）÷24=7.63×104m3；

加熱空氣熱量：7.63×104× （30－5）×1.3×0.26=214×104kJ/h=595 kW；

溫室系統(tǒng)總制熱量：560+122.5+595=1 277.5 kW，在采用溴化鋰熱泵技術(shù)情況下，按照COP=1.7 的情況下，需消耗蒸汽約 1.1 t（0.8MPa，252℃）

溫室加熱系統(tǒng)電設(shè)備能耗受到廠房材質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)、密封性能影響，約65 kW。

3 污泥焚燒

污泥的低位熱值隨著污泥含固率的提高而提高，當(dāng)污泥的含固率在40%～60%時(shí)，污泥的低位熱值4 317～7 608 kJ/kg，相當(dāng)于我國(guó)城市生活垃圾焚燒低位熱值范圍。如將污泥焚燒，應(yīng)具有很可觀的熱值回收利用價(jià)值［1］。

污泥干化后進(jìn)行焚燒的焚燒爐設(shè)備也是污泥焚燒處置的主要設(shè)備，國(guó)內(nèi)已有部分廠家生產(chǎn)專門焚燒污泥的焚燒爐，基本達(dá)到穩(wěn)定燃燒。結(jié)合垃圾焚燒處理工藝，工業(yè)爐排爐則是最好的選擇之一。

3.1 主要污泥焚燒處置工藝

一種是將生活污泥脫水至80%含水率，再送至焚燒廠焚燒，該法處置工藝環(huán)節(jié)少，流程簡(jiǎn)單，目前主要應(yīng)用在循環(huán)流化床鍋爐或水泥窯爐。但這種處理方法由于含水率較高，無(wú)法達(dá)到能量平衡，需添加大量的燃料，處理成本很高，且產(chǎn)生的大量水蒸氣導(dǎo)致焚燒設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、磨損快，維護(hù)費(fèi)用較高，另外原生污泥體積大，含水率高，運(yùn)輸過(guò)程中的跑冒滴漏也影響了環(huán)境，運(yùn)輸費(fèi)用也較高，2012年以前，較多的循環(huán)流化床鍋爐、大型燃煤電廠、水泥窯爐僅僅看到了短期效益，直接摻燒原生污泥，帶來(lái)的后果不言而喻。目前已很少采用此種技術(shù)。

另一種是脫水污泥經(jīng)過(guò)干化或者半干化處理再焚燒。李軍等曾進(jìn)行理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，含水率38%的市政污泥可單獨(dú)焚燒［2］。因此，在前一種處置工藝的基礎(chǔ)上逐步衍生出二次脫水技術(shù)，即經(jīng)過(guò)機(jī)械深度脫水后（60%以下含水率），通過(guò)干化技術(shù)或直接熱源干燥處理單獨(dú)焚燒。由于含水率的降低，在單獨(dú)焚燒過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)無(wú)外來(lái)助燃物。順推式垃圾焚燒爐排爐垃圾適用范圍廣，無(wú)需添加任何燃料，對(duì)于摻燒污泥具有得天獨(dú)厚的便利條件，在實(shí)際應(yīng)用中，其處理流程可與污泥處置流程完美對(duì)接，使用效果優(yōu)于循環(huán)流化床鍋爐。

3.2 與生活垃圾摻燒的可行性分析

由表2可以看出，生活污泥與城市生活垃圾在元素分析上基本接近，熱值稍高于垃圾熱值，完全可以達(dá)到生活垃圾焚燒爐的正常燃燒條件。值得注意的是，城市污泥含N量和含S量稍高于生活垃圾，但也在可控范圍內(nèi)，加上國(guó)家有關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生活污泥的摻燒比例有指導(dǎo)性要求，污泥摻燒量基本只占垃圾量的10%左右，可忽略不計(jì)。如在新建摻燒污泥的生活垃圾焚燒廠設(shè)計(jì)中需考慮好脫硫和脫硝系統(tǒng)的容量。在現(xiàn)有的焚燒爐中，由于初期設(shè)計(jì)余量較大，在保證足夠的脫硫脫硝劑的情況下，能保證煙氣排放達(dá)標(biāo)。

表2 市政污泥與生活垃圾（干基）各種典型元素分析

由于污泥中C、H、O、S含量均高于生活垃圾，所需理論空氣量和產(chǎn)生的煙氣量均高于普通生活垃圾發(fā)電廠。在設(shè)計(jì)新廠時(shí)，需要增加送引風(fēng)機(jī)容量。

3.3 污泥處理結(jié)合爐排爐技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

采用效率最高的溴化鋰熱泵技術(shù)進(jìn)行余熱利用，配合垃圾發(fā)酵加熱需要，充分降低了循環(huán)水溫度，將廠房?jī)?nèi)各類廢熱回收利用于污泥低溫干化加熱，熱量利用效率高。

低溫干化過(guò)程中，可利用廠房地暖及射流風(fēng)加熱技術(shù)，有效提高污泥加熱效果。廠房尾氣余熱，回抽至垃圾坑加熱垃圾，再由除臭風(fēng)機(jī)返回爐排爐供風(fēng)系統(tǒng)，既提高了燃燒風(fēng)溫，又使污泥中揮發(fā)的有害氣體、可燃?xì)怏w得到熱解處理。同時(shí)又提高了垃圾池垃圾發(fā)酵溫度，垃圾熱值得到一定的提高。

焚燒工藝中，爐排爐多通道，多梯度供風(fēng)系統(tǒng)可有效提高污泥的燃燒效果。迂回設(shè)計(jì)的底部供風(fēng)系統(tǒng)徹底解決了灰渣堵塞風(fēng)口，灰渣熱灼減率極低。

垃圾在爐排爐中時(shí)間長(zhǎng)，垃圾熱解效果好，污泥與垃圾混合燃燒無(wú)需添加任何助燃物（啟動(dòng)及停爐除外），爐排爐的二惡英控制效果好，結(jié)合后序處理工藝，二惡英排放數(shù)據(jù)可達(dá)到歐盟標(biāo)準(zhǔn)。

垃圾焚燒發(fā)電廠中的除塵系統(tǒng)，可有效保證污泥焚燒過(guò)程中的粉塵排放。

4 結(jié)論

脫水污泥中含有較高的熱量，若采用污泥調(diào)理+深度脫水+低溫干化+污泥垃圾混合焚燒發(fā)電污泥處置工藝，完全可達(dá)到節(jié)能減排、減量化、資源化利用的目標(biāo)。

［1］吳學(xué)昌，靳云輝.深圳污泥干化焚燒處置技術(shù)的可行性分析［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（16）：95

［2］李軍，陳竹.生活垃圾滲濾液處理產(chǎn)生污泥的混燒研究［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2011，19（6）：34-36.