污泥干化技術(shù)綜述及方案選擇

李洪國(guó)，鄒君峰，李 政，關(guān) 浩，林 卓

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污泥干化技術(shù)綜述及方案選擇

李洪國(guó)1，鄒君峰1，李 政2，關(guān) 浩1，林 卓1

（1. 中國(guó)石油 撫順石化分公司，遼寧 撫順 113000； 2. 遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113000）

由于日益規(guī)?；鬯幚韽S的污泥產(chǎn)量大、含水率高，體積巨大，帶來(lái)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等方面難題，污泥干化減量是污泥有效處置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。詳細(xì)介紹了污泥電干化、熱水干化等干化技術(shù)原理、工藝流程、優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，給出了廠礦企業(yè)在污泥干化方案選擇的適用條件，以期為技術(shù)方案選擇、新設(shè)備、新工藝開(kāi)發(fā)提供參考。

污泥；污泥干化；污泥減量；含水率

由于日益規(guī)?；奈鬯幚韽S污泥產(chǎn)量高、含水率高、體積巨大，在貯存、運(yùn)輸、裝卸等過(guò)程中既不方便，還存在很高的潛在環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患。一些發(fā)達(dá)國(guó)家的污泥處置成本占污水處理廠總成本40%~60%，有的甚至達(dá)65%，歐洲國(guó)家處置加運(yùn)輸費(fèi)平均每噸約為470±280歐元［1-4］。我國(guó)2016年企業(yè)污泥平均每噸處置成本基本在1 500~6 000元（其中運(yùn)輸費(fèi)用約占5%~15%），依舊面臨價(jià)格上漲巨大壓力。根據(jù)資料顯示，2015年我國(guó)污泥年產(chǎn)量為3 359萬(wàn)t（含水率為80%）［5］。鑒于污水生化處理技術(shù)成熟、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前世界上90%污水處理場(chǎng)都采用活性污泥法［6-8］，污泥產(chǎn)量每年還在快速增長(zhǎng)。

初始污泥含水率一般為96%~99.8%［9］，經(jīng)過(guò)機(jī)械脫水后含水率降到80%左右，進(jìn)一步脫除水以求減質(zhì)減量比較困難，這就需要進(jìn)行污泥干化處理。污泥干化一般采用熱能蒸發(fā)使含水率降到較低水平。

1 污泥來(lái)源及性質(zhì)

污水處理廠污泥主要由初沉池（沉砂池）及隔油池底泥、氣浮機(jī)浮渣、剩余活性污泥以及其他工藝單元的化學(xué)污泥組成。

污泥是一種固體廢物，若具有急性毒性、易燃性、反應(yīng)性、腐蝕性、浸出毒性和疾病傳染性等特征中的一項(xiàng)就是危險(xiǎn)廢物。根據(jù)環(huán)境保護(hù)法保護(hù)環(huán)境優(yōu)先條款，廠礦企業(yè)產(chǎn)生的固廢沒(méi)有認(rèn)定之前以危險(xiǎn)廢物對(duì)待處理，而我國(guó)廠礦企業(yè)污泥因含各種毒害性化學(xué)物質(zhì)或重金屬等基本均屬于危險(xiǎn)廢物。

2 污泥的干化主要指標(biāo)

污泥通常由有機(jī)質(zhì)、無(wú)機(jī)質(zhì)、水分三部分組成。其中水分主要有四種，間隙水（約占70%）、毛細(xì)結(jié)合水（約占20%）、表面吸附水和內(nèi)部結(jié)合水（約占10%）。脫水主要脫的是間隙水和部分毛細(xì)結(jié)合水。

污泥干化就是蒸發(fā)水分。水從20 ℃（假設(shè)環(huán)境溫度）升溫100 ℃蒸發(fā)脫水，每升水蒸發(fā)最少約需620 kcal的熱量［10］，隨含水率降低、污泥比阻驟升，脫水也越來(lái)越難。根據(jù)理論計(jì)算式，污泥體積（）、質(zhì)量（）和含水率（）存在如下關(guān)系［9,11］。

式中：11含水率為1時(shí)的體積（m3）和質(zhì)量（kg）；

22含水率為2時(shí)的體積（m3）和質(zhì)量（kg）。

由公式可知，干化后污泥體積和質(zhì)量會(huì)驟減。

3 污泥干化的安全性

污泥干化存在燃燒爆炸危險(xiǎn)性。污泥干化系統(tǒng)在裝置開(kāi)停工時(shí)受污泥種類、組分、熱源類型等眾多因素影響，干泥表面溫度容易飛升，過(guò)熱污泥瞬間會(huì)形成大量粉塵團(tuán)，導(dǎo)致爆炸發(fā)生，造成災(zāi)難性后果。

根據(jù)最終目標(biāo)含水率的不同，分為“半干化”和“全干化”，半干化污泥含水率在30%~50%，全干化含水率在30%以下［12］。干化系統(tǒng)的安全性取決于目標(biāo)含水率，這是污泥干化工藝的先決條件，所以污泥越干越危險(xiǎn)，為了達(dá)到去水減量和生產(chǎn)安全雙重目的，現(xiàn)在經(jīng)常采用半干化、低溫干化、氮?dú)獗Ｗo(hù)、溫度及氧含量?jī)x表連鎖控制等技術(shù)措施來(lái)提高污泥干化裝置的安全性。

4 污泥干化技術(shù)

4.1 電能污泥干化法

電能污泥干化法，就是將電能轉(zhuǎn)化為熱能或微波等形式的能，加熱濕污泥使之水分蒸發(fā)，污泥得到干化，通常采用電加熱爐間接烘干的干化方式進(jìn)行污泥干化。干化系統(tǒng)由污泥存儲(chǔ)單元、輸送計(jì)量單元、電加熱干化（電能污泥烘干機(jī)）單元、輸出單元及暫存單元構(gòu)成。由于能耗較高，不適合用電緊張、產(chǎn)泥量大的污水處理廠，適合產(chǎn)泥量少、電能豐富、價(jià)格便宜地區(qū)，因而廠礦企業(yè)的工業(yè)應(yīng)用很少，見(jiàn)圖1。

圖1 電干化工藝流程

4.2 熱水干化法

熱水干化法就是利用高溫?zé)崴臒崮?，?jīng)過(guò)換熱器進(jìn)行熱交換，蒸發(fā)污泥中的水分使得污泥干化。這種熱源進(jìn)行污泥干化一般為間接干化方式，對(duì)換熱器要求較高一些。由于廠礦企業(yè)好多都有加熱爐或以蒸汽為動(dòng)力的裝置，產(chǎn)生蒸汽凝液（高溫?zé)崴┗蚋邷乩鋮s水等副產(chǎn)品，如熱電廠、冶煉廠或石油煉化廠。因而這種熱源可以就地取材、容易獲得、且物美價(jià)廉（不足蒸汽價(jià)格的1/3），還可實(shí)現(xiàn)綜合循環(huán)利用，是非常理想的熱源。因而近年來(lái)發(fā)展快速，德國(guó)開(kāi)發(fā)的“板框壓濾-熱水真空干化技術(shù)”就是熱水干化技術(shù)的典型代表［13,14］。目前在南京勝科水務(wù)有限公司、上海嘉定新城污水處理公司等成功應(yīng)用，效果很好，見(jiàn)圖2。

圖2 熱水干化工藝流程

4.3 蒸汽干化法

蒸汽干化法是利用蒸汽熱能，經(jīng)過(guò)換熱器殼層進(jìn)行熱交換，蒸發(fā)污泥中的水分使之干化。蒸汽為熱源的污泥干化機(jī)根據(jù)構(gòu)造或內(nèi)部構(gòu)件不同又分為盤式干化機(jī)、槳葉式干化機(jī)、渦輪式干化機(jī)等不同形式。廠礦企業(yè)蒸汽使用廣泛、容易獲得、公用工程條件寬松便捷，特別是熱電廠、冶煉廠或石油煉化廠等，因而這種熱源可以就地取材，還可實(shí)現(xiàn)綜合循環(huán)利用，是非常理想的清潔熱源。一般使用1.0 MPa、160～230 ℃左右的低壓蒸汽，因蒸汽干化效率高、操作彈性大、易于控制、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，加上新型蒸汽污泥干化機(jī)效率高、能耗較低，進(jìn)口成套設(shè)備儀表可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守連續(xù)作業(yè)（進(jìn)口設(shè)備價(jià)格也高出國(guó)產(chǎn)的3倍以上），因而目前應(yīng)用很多，見(jiàn)圖3。

圖3 蒸汽干化工藝流程

4.4 太陽(yáng)能污泥干化法

太陽(yáng)能污泥干化法指的是利用太陽(yáng)能為主要能源對(duì)污水處理廠污泥進(jìn)行干化和穩(wěn)定化的污泥處理技術(shù)。該技術(shù)利用太陽(yáng)能,借助傳統(tǒng)溫室干燥工藝,具有低溫干化、運(yùn)行費(fèi)用低廉、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。其驅(qū)動(dòng)力為污泥中水分含量與和空氣中水蒸汽分壓之間的水蒸氣壓力差?？紤]氣候、季節(jié)、天氣影響，太陽(yáng)能干化過(guò)程是在一個(gè)配置翻泥機(jī)的大型暖房?jī)?nèi)進(jìn)行，濕污泥從一端輸入，干污泥從另一端輸出。

太陽(yáng)能干化裝置主要由地面結(jié)構(gòu)、暖房、翻泥機(jī)三部分構(gòu)成。地面結(jié)構(gòu)類似于混凝土馬路，翻泥機(jī)安裝在兩側(cè)導(dǎo)軌上、進(jìn)行前后上下移動(dòng)作業(yè)，起到攤鋪污泥、反轉(zhuǎn)晾曬、輸送污泥作用。有的還配熱風(fēng)機(jī)以加速水分蒸發(fā)裝置，有的建成更為先進(jìn)的太陽(yáng)能溫室系統(tǒng)［15,16］。在條件下允許時(shí)最為經(jīng)濟(jì)。

4.5 天然氣干化法

天然氣（煤氣）干化法就是利用天然氣（煤氣）為燃料燃燒提供熱源，在干化設(shè)備里將污泥干化。為了防止燃燒爆炸通常設(shè)有氮?dú)獗Ｗo(hù)、氧氣濃度連鎖、溫度連鎖以及污泥返混等安保措施，以提高設(shè)備運(yùn)行的安全性。系統(tǒng)由進(jìn)料單元、干化機(jī)、出料單元、尾氣處理單元、返混單元、儀控系統(tǒng)等構(gòu)成。通常作為污泥熱解法［17］處理的預(yù)處理單元。澳大利亞Andritz公司開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)鼓干化機(jī)就是利用天然氣等燃料形成650 ℃左右的熱空氣直接干化污泥的成套設(shè)備。

在日本、美國(guó)應(yīng)用較多，天然氣作為清潔能源，在污泥熱解處理時(shí)因?yàn)槲矚獠淮嬖诜贌óa(chǎn)生二噁英等問(wèn)題，因而代表了污泥無(wú)害化的一種發(fā)展趨勢(shì)，見(jiàn)圖4。

4.6 爐窯煙氣余熱污泥干化法

爐窯煙氣溫度一般在120~200 ℃之間，蘊(yùn)藏有巨大的熱能，是污泥低溫干化的理想熱源[9]。利用煙氣干化污泥有直接利用煙氣加熱干化和間接加熱干化兩種形式。為保證污泥在低溫下能夠自然形成顆粒，一般采用二段式干化工藝，一段干化使污泥含水率從80%左右降到60%左右，二段干化造粒使含水率降到40%以下，形成2～8 mm顆粒污泥便于資源化［18,19］。

圖4 天然氣干化工藝流程

干化系統(tǒng)主要由污泥儲(chǔ)存輸送單元、一段造粒單元、二段干化單元、干化污泥料倉(cāng)、煙氣引風(fēng)單元、尾氣凈化單元等構(gòu)成，見(jiàn)圖5。

圖5 爐窯煙氣余熱污泥干化工藝流程

5 污泥干化設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)及方案選擇

污泥熱干化設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 污泥熱干化設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

通過(guò)以上污泥干化技術(shù)的敘述和對(duì)比分析，筆者以某大型石化企業(yè)實(shí)際情況為例，分析污泥干化技術(shù)方案選擇時(shí)應(yīng)注意的生產(chǎn)技術(shù)要素。

某大型石化企業(yè)地處東北，污泥以生化剩余污泥和芬頓催化氧化化學(xué)污泥為主，日產(chǎn)含水率80%的污泥大約18 t，生化有機(jī)污泥約占25%，化學(xué)無(wú)機(jī)污泥約占70%，其它污泥約占5%，含油量很低。企業(yè)內(nèi)部有低壓蒸汽和熱水（95 ℃左右蒸汽凝液），高溫蒸汽凝液因無(wú)它用，做伴熱采暖之用，廠區(qū)用地較為緊張，生產(chǎn)裝置布置緊促，污水處理廠污泥脫水設(shè)備能力略有不足、故障率較高。

根據(jù)以上條件，污水處理廠污泥產(chǎn)量較大，由于用地緊張，地處東北，氣溫較低，不宜用太陽(yáng)能干化技術(shù)方案；從節(jié)能降耗和運(yùn)行成本考慮，不宜電干化和天然氣干化技術(shù)方案；遠(yuǎn)離熱電廠、煙氣引氣非常困難，考慮除塵、脫硫脫硝裝置生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)，以及一次投資較高，不宜采用煙氣余熱干化技術(shù)方案；比較適宜采用蒸汽和熱水污泥干化技術(shù)方案。

蒸汽和熱水污泥干化方案具有安全性好、干化效率高、運(yùn)行成本低、技術(shù)成熟度高、簡(jiǎn)單緊促占地面積小、熱源易得、操作簡(jiǎn)便、生產(chǎn)平穩(wěn)等共同優(yōu)點(diǎn)。同等規(guī)模蒸汽干化技術(shù)方案在生產(chǎn)連續(xù)性、干化效率和操作環(huán)境上更好一些。對(duì)于某化工企業(yè)，采用蒸汽干化方案，需要配置好污泥脫水設(shè)備（脫水至含水率80%），兩個(gè)污泥脫水點(diǎn)在干化時(shí)存在二次倒運(yùn)；而相對(duì)序批式壓濾熱水干化技術(shù)方案而言，壓濾干化一體設(shè)備無(wú)粉塵產(chǎn)生，安全性更高一些，無(wú)需機(jī)械脫水設(shè)備，污泥濃縮直接壓濾干化處理（進(jìn)泥含水率97%），節(jié)省投資，方便輸送、無(wú)二次倒運(yùn)，熱源更廉價(jià)易得（余熱綜合利用率高）、運(yùn)行成本更低。

6 結(jié)論

通過(guò)污泥干化技術(shù)對(duì)比分析，筆者認(rèn)為污泥干化技術(shù)方案選擇和新設(shè)備新技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)考慮以下三個(gè)方面。

（1）廠礦企業(yè)在做污泥干化項(xiàng)目方案選擇時(shí)，必須結(jié)合企業(yè)自身特點(diǎn)統(tǒng)一考慮。

首先，干化工藝宜采用目標(biāo)含水率為30%-50%的半干化處理技術(shù)，技術(shù)安全可靠是項(xiàng)目落成的前提。其次，設(shè)備簡(jiǎn)單占地面積小、裝置改造少、操作簡(jiǎn)便、熱源易得。第三，污泥干化運(yùn)行成本主要是熱能消耗、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用及人工費(fèi)，低運(yùn)行成本才有污泥減量效益、挖潛增效價(jià)值。

（2）開(kāi)發(fā)系統(tǒng)性的新設(shè)備、新技術(shù)。污泥干化機(jī)是污泥干化的核心設(shè)備，研發(fā)更加安全可靠、節(jié)能高效的干化設(shè)備，是未來(lái)污泥干化市場(chǎng)的主流。污泥干化技術(shù)是環(huán)保、熱工、設(shè)備、自控、安全等專業(yè)高度融合的一門新技術(shù)，國(guó)產(chǎn)設(shè)備價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，但存在的穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度不高等問(wèn)題，需要系統(tǒng)性研究和優(yōu)化配置。

（3）加強(qiáng)污泥干化廢氣的綜合治理。將污泥干化項(xiàng)目尾氣治理與企業(yè)的VOCs治理項(xiàng)目、鍋爐煙氣綜合利用聯(lián)合統(tǒng)籌考慮，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，將更加有利于企業(yè)挖潛增效、健康環(huán)保、持續(xù)發(fā)展。

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Review of Sludge Drying Technologies and Scheme Selection

1，1，2，1，1

(1. PetroChina Fushun Petrochemical Company, LiaoningFushun 113001, China;2. College of Chemistry, Chemical Engineering and Environmental Engineering, Liaoning Shihua University, LiaoningFushun 113001, China)

Sewage treatment plants produce a great deal of sludge with high water content and large volume, which brings environmental, economic, technical and other problems. Sludge drying reduction is the key link in the process of sludge treatment. In this paper, the principles, technological processes, advantages, disadvantages and application conditions of sludge drying technologies including electric drying and hot water drying were introduced. How to select suitable sludge drying scheme in the factories and mines was discussed.

Sludge; Sludge drying; Sludge reduction; Moisture content

TE 99

A

1671-0460（2017）06-1186-04

2017-04-10

李洪國(guó)（1967-），男，遼寧省撫順市人，高級(jí)工程師，工程碩士，畢業(yè)于大連理工大學(xué)，研究方向：從事石油化工及環(huán)保技術(shù)研究。E-mail：fs-lhg@petrochina.com.cn。

鄒君峰（1976-），男，工程師，研究方向：石油化工水處理及固廢技術(shù)研究。E-mail：zhoujunfeng@petrochina.com.cn。