城市污泥焚燒技術(shù)研究進(jìn)展

李 赟

(西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司，陜西 西安 710075)

2021年，全國(guó)含水率80%的城市污泥產(chǎn)生量超6 000萬噸，預(yù)計(jì)2025年將突破9 000萬噸.污泥作為城市污水常規(guī)處理的副產(chǎn)物，成分復(fù)雜，大多由多種微生物形成的菌膠團(tuán)與其吸附的有機(jī)物和無機(jī)物組成，含有難降解的有機(jī)物、重金屬、無機(jī)鹽及少量病源微生物和寄生蟲等.污泥隨意排放或填埋處理會(huì)使其中的有害物質(zhì)經(jīng)雨水滲漏進(jìn)入土壤或地下水，對(duì)人類健康及生態(tài)發(fā)展帶來巨大危害.城市污泥的無害化處理處置已經(jīng)成為影響生態(tài)環(huán)境安全的突出問題[1].我國(guó)高度關(guān)注污泥處置問題，《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》明確要求：到2025年城市污泥無害化處置率達(dá)到90%以上，相較于2020年提高15個(gè)百分點(diǎn)，2035年全面實(shí)現(xiàn)污泥無害化處置.利用焚燒爐可將可將污泥中有機(jī)物質(zhì)焚燒產(chǎn)生熱能，去除污泥中的水分和有機(jī)雜質(zhì)，殺滅病原體，最大限度達(dá)到污泥減量化、無害化及資源化處置的目的，因此焚燒已成為我國(guó)污泥處理處置的重要技術(shù)路線[2].我國(guó)《污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策》也明確鼓勵(lì)污泥焚燒工藝，積極促進(jìn)污泥焚燒項(xiàng)目的規(guī)劃與建設(shè).

焚燒可以高效地實(shí)現(xiàn)污泥的減量化及毒性處理，短時(shí)間內(nèi)可將污泥減量90%以上.然而，污泥焚燒污染物產(chǎn)生量大，盡管通過多種技術(shù)或輔助設(shè)備可以控制污染物的排放，但這增大了污泥處置難度及成本投入[3].高含水率的污泥直接焚燒會(huì)消耗大量的輔助燃料，尾氣含有大量水蒸氣，需要配套大型煙氣處理設(shè)備[4].因此焚燒處理污染物控制及成本降低都需要進(jìn)一步深入探究.隨著我國(guó)對(duì)污泥處置“資源化”的日益重視，焚燒處置面臨更高的要求和挑戰(zhàn).研究者在焚燒方法、設(shè)備、工藝等方面不斷優(yōu)化，出現(xiàn)了不同改進(jìn)技術(shù)和系統(tǒng)方案[5，6]，有廣泛前景的協(xié)同焚燒技術(shù)也得到長(zhǎng)足發(fā)展，污泥焚燒處理后灰渣也進(jìn)行了再利用研究.

為此，本文針對(duì)污泥焚燒技術(shù)最新研究進(jìn)展進(jìn)行了分析總結(jié)，深入闡述了污泥單獨(dú)焚燒、協(xié)同焚燒的特征及優(yōu)化方法，并提出了未來發(fā)展趨勢(shì)和研究方向.這些信息對(duì)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化污泥焚燒處置具有重要的指導(dǎo)價(jià)值.

1 單獨(dú)焚燒

1.1 污泥單獨(dú)焚燒

1.1.1 高含水污泥直接焚燒技術(shù)

單獨(dú)焚燒作為一項(xiàng)相對(duì)成熟的技術(shù)，是許多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市進(jìn)行汚泥處理的優(yōu)選路線.它可在最大程度實(shí)現(xiàn)污泥減量化的同時(shí)有效控制各類污染物排放.污泥焚燒處理技術(shù)通常是利用焚燒爐將脫水污泥加溫干燥后，進(jìn)行高溫氧化，使污泥中的有機(jī)物分解，最終獲得少量灰渣的過程.污泥經(jīng)過濃縮、機(jī)械脫水等步驟后水分含量仍高達(dá)80%～85%，這種濕污泥的直接燃燒需要借助輔助燃料(如煤、重油、柴油等)來提供熱源，因此會(huì)消耗大量能量.污泥高的濕度也使焚燒后產(chǎn)生大量尾氣，需要增加龐大尾氣處理設(shè)備.這些情況都使直接焚燒的處理難度及投入成本大大提高.

1.1.2 高含水污泥干化-焚燒技術(shù)

為避免直接焚燒的高能量消耗，利用熱干化技術(shù)首先將污泥水分含量降至10%～30%[7]，隨后對(duì)干污泥進(jìn)行焚燒成為合適的方式.基于接觸方式可將熱干化技術(shù)分為直接接觸式、間接接觸式、直接-間接聯(lián)合傳熱式.將干化技術(shù)與焚燒系統(tǒng)聯(lián)用使污泥運(yùn)輸、儲(chǔ)存和處理更加靈活，焚燒后煙氣也可返回干燥系統(tǒng)，充分利用污泥自身熱值，實(shí)現(xiàn)汚泥處理的能量自給，是一種高效處理技術(shù).然而，目前干化-焚燒技術(shù)的顯著劣勢(shì)在于干化階段需要在高溫(175 ℃～230 ℃)和高壓(1 000 kPa～2000 kPa)下進(jìn)行[8]，需要巨大的能量消耗.因此，如何降低干燥能耗并提高干燥效率是污泥干化-焚燒技術(shù)的重要研究方向.

我國(guó)干化-焚燒處理技術(shù)已較為成熟，在上海、成都等地都有許多示范項(xiàng)目，2004年建成投運(yùn)的上海市石洞口污泥處理工程是國(guó)內(nèi)第一座污泥干化-焚燒工程，采用流化床干化焚燒工藝，處理能力為213 t/d；上海市竹園污泥處理工程采用干化-焚燒處理污泥(處理能力為700 t/d)，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)余熱利用和凈化處理后滿足歐盟2000標(biāo)準(zhǔn)，可以達(dá)標(biāo)排放.成都市第一城市污泥處理廠采用薄層干化機(jī)+鼓泡焚燒爐處理技術(shù)，系統(tǒng)總處理能力為400 t/d.北京順義區(qū)污泥處理工程處理能力為400 t/d，采用“熱干化+焚燒”工藝[9]，如圖1所示，煙氣凈化系統(tǒng)采用“選擇性非催化還原+半干脫酸塔+活性炭吸附+袋式除塵器+濕法脫酸塔+濕式靜電除塵器+防白煙”工藝，運(yùn)行數(shù)據(jù)表明煙氣滿足排放要求，無臭氣排出.杭州市污泥焚燒項(xiàng)目中采用鼓泡流化床干燥器和循環(huán)流化床焚燒爐結(jié)合，處理能力達(dá)到100 t/d濕污泥[10]，表現(xiàn)出高的燃燒效率.

圖1 順義區(qū)污泥處理工程干化焚燒系統(tǒng)流程[9]

國(guó)外污泥焚燒處理發(fā)展時(shí)間久，技術(shù)更為成熟，有記錄的第一臺(tái)污泥焚燒爐于1934年在美國(guó)密西根安裝.1962年，德國(guó)率先建設(shè)并開始運(yùn)行歐洲第一座污泥焚燒廠.日本由于高的污泥減量化需求焚燒技術(shù)普及程度高，擁有一套成熟的污泥焚燒廠設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行及商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)模式，焚燒處理已經(jīng)占其污泥處理總量的60%以上.法國(guó)威立雅水務(wù)集團(tuán)是全球著名的污泥處理公司，其焚燒技術(shù)主體工藝采用鼓泡式流化床焚燒爐，負(fù)責(zé)運(yùn)行著全球最大污泥焚燒處理廠(T·PARK)，處理規(guī)模達(dá)到2 000 t/d，實(shí)現(xiàn)了將焚燒過程產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為蒸汽，并通過渦輪機(jī)最終轉(zhuǎn)為電力為該廠日常運(yùn)行提供電力，剩余電力并入公共電網(wǎng)供給周圍4 000戶居民.位于荷蘭的Slibver-werking Noord Brabant污泥焚燒處理廠，處理規(guī)模約為300 t/d(干污泥)，處理后尾氣經(jīng)在線監(jiān)測(cè)后排放，處理廢水可達(dá)到下水道排放標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)設(shè)施完善，能達(dá)到清潔處理的目的.

總體來說，焚燒技術(shù)是歐盟、日本等國(guó)家和地區(qū)污泥處理的主流技術(shù)之一.經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，焚燒工藝、爐型及后續(xù)煙氣處理等技術(shù)都已標(biāo)準(zhǔn)化，突出的特點(diǎn)是其處理后清潔化、資源化程度更高.而我國(guó)污泥焚燒處理起步晚，主要采用流化床為主，需要進(jìn)一步向技術(shù)多樣化及清潔化的方向努力.

1.1.3 單獨(dú)焚燒污染物排放

污泥焚燒產(chǎn)生的酸性氣體、重金屬二噁英等會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，必須加強(qiáng)對(duì)廢氣排放的管理.不同焚燒爐內(nèi)污泥焚燒后污染氣體排放情況及與國(guó)標(biāo)(城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)規(guī)范GBT24602-2009)的比較如圖2所示.顯然，大部分研究的污染氣體(SO2、NOx、HCl)排放量都無法直接達(dá)標(biāo)，尤其是SO2的排放量最高超過限值的582%.總體上看，水平管式爐中進(jìn)行污泥焚燒，SO2和HCl的排放較高，而NOx的排放較低.污染氣體中的硫化物及氮化物可通過脫硫及脫硝處理.在燃燒中添加石灰石或生石灰被證明有助于降低燃燒溫度且能夠有效降低煙氣中二氧化硫及二氧化氮的排放.

圖2 污泥在不同焚燒爐內(nèi)焚燒后污染氣體排放情況

污水處理后約有一半的重金屬會(huì)轉(zhuǎn)移至污泥中，其中包括：Cu、Pb、Cd、Zn、Hg、Cr、Ni和As等，重金屬揮發(fā)取決于金屬與其它元素或化合物的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng).這受到許多因素的影響，例如燃燒溫度、停留時(shí)間和原料的化學(xué)成分等.一般來說，經(jīng)過焚燒處理后耐高溫的 Cr、Ni、Mn 和 Cu等更多地固定在灰渣顆粒中，而As、Hg、Cd 和 Pb 等沸點(diǎn)較低的重金屬更多地分布在煙氣和飛灰中被帶入后續(xù)處理系統(tǒng).常用的處理方式是采用飛灰再燃降低重金屬含量，無機(jī)吸附、化學(xué)制劑等方式也被采用.例如添加高嶺土可以將燃煤后Cd的保留率從40.2%提高到74.2%[11].

二噁英是污泥中苯類物質(zhì)在一定溫度及燃燒效率條件下形成的多氯聯(lián)苯類物質(zhì)的統(tǒng)稱，具體種類超70種.研究人員發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)含N化合物、硫化合物的添加對(duì)污泥中PCDD/Fs有一定抑制作用，例如氨在加熱過程中釋放NHi和CN等自由基，這些自由基可以通過取代官能團(tuán)與邊緣的碳原子發(fā)生反應(yīng)取代Cl-或H形成含氮有機(jī)氯化物，從而抑制PCDD/Fs的形成.然而這種方法可能會(huì)導(dǎo)致更多含氯及含氮污染氣體的產(chǎn)生.也有研究發(fā)現(xiàn)尿素的添加在抑制二噁英的同時(shí)并無含氮?dú)怏w排放的明顯增加.近年來，對(duì)單獨(dú)焚燒的研究著重于提高能源利用率、廢氣治理及灰渣的再利用等.

1.2 單獨(dú)焚燒優(yōu)化

1.2.1 干化/預(yù)處理優(yōu)化技術(shù)

污泥干化/預(yù)處理的目的是將污泥縮小體積、降低水分、提高熱值[18].合適的干化工藝需要考慮到穩(wěn)定性(黏著、結(jié)塊)系統(tǒng)能耗、干化效率、與后續(xù)燃燒設(shè)備的匹配等[19].生物干燥是較為綠色的干燥方法[20]，它利用污泥中好氧微生物對(duì)有機(jī)物進(jìn)行降解產(chǎn)生的代謝熱除去水分.圖3顯示污泥生物干燥過程和效果，可以看出90%的水分去除發(fā)生在第二和第三階段如圖3(a)所示，20天的生物干燥可將污泥水分含量從62.3%降低到39.2%，揮發(fā)性固體含量從79.5%降低到73.1%如圖3(b)所示，干燥后的污泥為多孔分層結(jié)構(gòu)如圖3(c)[21]所示.生物干燥時(shí)污泥中粘性成分的分解會(huì)形成污泥顆粒中的不規(guī)則孔道，這些孔隙有利于后續(xù)焚燒過程中空氣的傳遞[22，23].因此，生物干燥不但可以有效降低污泥水分含量，而且能夠改善污泥熱值及燃燒特性，在改變其化學(xué)成分及有機(jī)物含量方面表現(xiàn)出良好的效果[24，25].然而，這些干化工藝尚且停留在實(shí)驗(yàn)研究或示范階段，尚未工業(yè)化應(yīng)用.

圖3 污泥生物干燥過程和效果[21]

1.2.2 系統(tǒng)優(yōu)化

Eom等[26]提出了干燥系統(tǒng)的一種優(yōu)化方案，將初級(jí)冷沖洗干燥系統(tǒng)和填充有加熱材料的二級(jí)微波干燥系統(tǒng)耦合.通過系統(tǒng)運(yùn)行，最終干污泥平均含水率降低到15.8%，能耗為711.6 kcal/kg.該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗的高效污泥干燥，并且可以根據(jù)不同污泥特點(diǎn)設(shè)置運(yùn)行參數(shù).如圖4顯示了污泥焚燒裝置流程示意圖.可以看出，常規(guī)污泥焚燒系統(tǒng)主要包括給料機(jī)、送風(fēng)機(jī)、空氣預(yù)熱器、鼓泡流化床燃燒室、煙氣預(yù)熱器、冷卻器、袋式過濾器、洗滌塔、送風(fēng)機(jī)、煙囪.Murakami等[27]提出一種新型污泥焚燒示范系統(tǒng)如圖4(b)所示，該系統(tǒng)的焚燒爐耦合了鼓泡流化床和渦輪增壓器，增壓器由煙氣驅(qū)動(dòng)，在有效利用煙氣的同時(shí)能夠節(jié)省輔助燃料.與常規(guī)污泥燃燒系統(tǒng)相比，該示范系統(tǒng)只排放不到一半的CO和NOx.當(dāng)處理量低于100 t/d時(shí)，系統(tǒng)能節(jié)省50%的輔助設(shè)備電能消耗.

圖4 污泥焚燒系統(tǒng)流程示意圖[27]

1.2.3 污染物控制技術(shù)

對(duì)污泥焚燒后污染氣體的控制主要有兩種途徑.第一種是煙氣處理技術(shù)，去除煙氣中已形成的污染物，包括應(yīng)用廣泛的選擇性催化還原和選擇性非催化還原技術(shù)，NOx去除率可達(dá)90%[28].第二種是通過燃燒室內(nèi)抑制污染氣體形成，通過改進(jìn)燃燒技術(shù)從根本上控制污染物的生成量.例如，煙氣再循環(huán)技術(shù)，通過在空氣預(yù)熱器前抽取一部分低溫?zé)煔庵苯铀腿霠t內(nèi)，與一次風(fēng)或二次風(fēng)混合后送入燃燒室內(nèi)可以降低NOx排放量.分級(jí)燃燒技術(shù)被證明通過初級(jí)過量空氣比的控制，可以將污泥燃燒中NOx排放降低50%～80%[29].低氧稀釋燃燒技術(shù)也是污染氣體控制的有效方法[30]，但在實(shí)際燃燒爐中的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)燃燒器配置和運(yùn)行條件顯著影響著燃燒的穩(wěn)定，立式燃燒器可能更適合污泥的焚燒[31，32].雖然從根本上抑制煙氣的形成更利于工藝簡(jiǎn)化及符合清潔化的處置需求，但這些方法都被發(fā)現(xiàn)對(duì)燃燒產(chǎn)生一定的干擾(如影響燃燒效率).因此還需在控制污染氣體的同時(shí)降低對(duì)燃燒的不利影響.

研究證明揮發(fā)性金屬可以被無機(jī)吸附劑有效捕獲，因而氣相重金屬的原位固定是減少金屬排放的有前途的技術(shù)之一.通過添加多種FeCl3/CaO調(diào)理劑，底灰中Pb、Zn和Cu的濃度降低，Cu和Cr的揮發(fā)性得到改善[33].另外，氯的存在會(huì)影響重金屬的揮發(fā)性，氯化物在高溫下與CaO 反應(yīng)生成 CaCl2，生成其它低熔點(diǎn)氯化物，減少重金屬的揮發(fā).CaCO3的比表面積和孔隙率對(duì)重金屬的捕獲有積極作用，Ca2+是重金屬吸附的活性位點(diǎn).

對(duì)于二噁英排放的研究，研究人員發(fā)現(xiàn)二噁英形成主要發(fā)生在焚燒爐的后燃燒區(qū).因此，后燃燒區(qū)的快速冷卻對(duì)減少二噁英的形成十分關(guān)鍵.Fangmark等[34]研究表明燃燒后區(qū)溫度和停留時(shí)間是影響氯化芳烴化合物含量的最重要參數(shù).此外，一些輔助方法也可以有效控制二噁英的排放.例如，飛灰分離、添加抑制劑或袋式過濾器等.袋式過濾器對(duì)煙氣中二噁英的去除效率高達(dá)90%[35]，但是這些輔助設(shè)備的添加不利于工業(yè)成本的控制.基于清潔生產(chǎn)的要求，需在燃燒過程中減少或抑制二噁英排放.這主要通過控制燃燒溫度高于900 ℃，煙氣在爐膛及二次燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間大于2 s，燃燒室內(nèi)氧氣濃度大于6%，這些操作需要更高性能的燃燒爐及更多熱量的供給.

1.2.4 焚燒灰資源化

目前污泥焚燒灰渣的普遍處理方式是堆肥和填埋，但隨著污泥處理量的增加灰渣數(shù)量也更加可觀，將其制成建筑材料再利用可有效避免大量土地的占用，并使污泥焚燒處理更加徹底體現(xiàn)資源化.污泥焚燒后的化學(xué)成分主要為SiO2，這與黏土化學(xué)成分類似，使污泥焚燒灰渣制造建材變得可能.然而，灰渣成分可能會(huì)隨著污泥的來源發(fā)生顯著變化，包括其中的硅含量.基于建筑材料環(huán)保性的要求，污泥焚燒中的重金屬需要特別考慮.日本在灰渣制磚領(lǐng)域走在世界前列，在需添加劑的情況下可利用15 t灰渣制得5 500塊磚，經(jīng)檢測(cè)磚塊中無重金屬滲出，制得的磚塊已用于基礎(chǔ)公共設(shè)施建設(shè)[36].焚燒灰渣也可制成陶粒[37]，但污泥焚燒灰渣中硅含量較低，制作陶粒時(shí)需要添加一定量的添加劑.有效的做法是將干化污泥與污泥焚燒灰渣混合，通過物料配比可以制取不同應(yīng)用需求的陶粒產(chǎn)品.

污泥焚燒灰渣中的磷回收近年也被廣泛關(guān)注[38].磷是化工產(chǎn)品的重要原料及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)性化肥，但其不可再生性致使全球面臨磷資源枯竭的危機(jī).污泥灰渣中磷是以與鋁、鐵、鈣或鋁硅酸鹽結(jié)構(gòu)相結(jié)合的磷酸鹽形態(tài)存在.通常采用化學(xué)溶劑處理，獲得富磷提取液，但這種方法同時(shí)提取出了其中的重金屬，需要進(jìn)一步使用離子交換、添加化學(xué)試劑或通過調(diào)整pH值進(jìn)行額外分離.

2 協(xié)同焚燒

2.1 污泥協(xié)同焚燒

污泥高的含水量及灰分含量使其單獨(dú)焚燒發(fā)熱量低，燃燒不完全[39]，高的污染物排放也使其面臨挑戰(zhàn).而將其與其它物質(zhì)協(xié)同焚燒可提高燃料的綜合性質(zhì)，共同處理?xiàng)壷梦铮⒗矛F(xiàn)有燃燒爐不用新建設(shè)施，是一種兼具節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性的處置方式.一些污泥協(xié)同焚燒實(shí)例如表1所示.可以看出，污泥摻混到燃煤鍋爐、水泥窯、磚窯具有良好的發(fā)展前景.污泥摻燒比例在很大程度上取決于污泥和摻燒物的特性及熱值，污泥的比例一般不宜高于10%.過多的污泥摻入會(huì)降低燃燒的穩(wěn)定性，污泥帶來的灰分含量、重金屬元素會(huì)增加燃燒爐的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，污泥中的堿金屬也會(huì)帶來一定程度上的結(jié)渣問題，然而摻燒比例過低難以滿足污泥處置需求，因此合理控制污泥的摻混比例至關(guān)重要.

表1 污泥協(xié)同焚燒實(shí)例

整體上，煤燃燒技術(shù)較為成熟可靠[49]，污泥與煤協(xié)同焚燒得到了廣泛研究和應(yīng)用.煤的高熱值可有效提高混合燃料的燃燒性能，煤也可以增強(qiáng)高溫區(qū)的活性，改善結(jié)渣特性[50]，污泥可以提高點(diǎn)火性能.Fu等[51]發(fā)現(xiàn)30%以下的污泥比例與煤協(xié)同焚燒時(shí)具有較高的熱值(8 083 kJ/kg～16 124 kJ/kg).然而，污泥與煤混合后煙氣排放特性變得復(fù)雜，污泥中有機(jī)硫與無機(jī)硫分解受溫度、停留時(shí)間等因素影響，協(xié)同焚燒后SO2排放降低，而污泥中的氮以氨的化合物形式存在，協(xié)同焚燒后NOx增加.

污泥和城市生活垃圾都具有高水分、高灰分、低熱值的共同特點(diǎn)，可以構(gòu)建一體化的處理處置工藝.城市垃圾焚燒爐由于環(huán)保的要求大都配備完善的污染物處理裝置，也有利于污泥的清潔處置.歐洲、日本等地普遍使用10%左右的污泥與城市生活垃圾在流化床焚燒爐中進(jìn)行協(xié)同焚燒.在我國(guó)自主研發(fā)的825 t/d垃圾焚燒發(fā)電爐排爐中污泥與垃圾協(xié)同焚燒流程[52]如圖5所示.污泥經(jīng)過輸送、干化、造粒等環(huán)節(jié)，利用螺旋輸送機(jī)、斗式提升機(jī)和刮板式輸送機(jī)將污泥顆粒輸送至垃圾焚燒爐進(jìn)料斗入口處，實(shí)現(xiàn)與垃圾的均勻混合燃燒.學(xué)者設(shè)計(jì)出的每天處理1 200 t城市固體垃圾和300 t污泥的協(xié)同焚燒系統(tǒng)[53]，表現(xiàn)出良好的焚燒性能和經(jīng)濟(jì)收益.浙江長(zhǎng)興電廠燃煤耦合污泥發(fā)電工程是國(guó)家級(jí)燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點(diǎn)工程，使用蒸汽干化污泥后耦合發(fā)電，并利用超低排放裝置進(jìn)行氣體凈化，達(dá)到源頭削減和全過程控制，污泥處理能力達(dá)到200 t/d.嘉興熱電協(xié)同污泥處置工程[54]，最大污泥處理能力約為1 500 t/d，項(xiàng)目整體新增年發(fā)電量約3億kw·h，節(jié)約標(biāo)煤約10萬t/y.煙臺(tái)污泥干化協(xié)同生活垃圾焚燒廠的污泥摻燒比可達(dá)到11%，運(yùn)行穩(wěn)定，其它同類型項(xiàng)目摻燒比一般只能達(dá)到7%.

圖5 污泥在垃圾焚燒爐內(nèi)協(xié)同焚燒工藝流程[52]

此外，污泥中生物質(zhì)含量高，其灰分與水泥生料成分相似，適合用作水泥生料替代原料在水泥窯中焚燒[55].污水處理廠常采用石灰干燥進(jìn)行預(yù)處理污泥，而石灰中的鈣是生產(chǎn)水泥的潛在原料，這也為污泥在水泥窯內(nèi)協(xié)同處理提供了可行性[56].水泥窯中的焚燒溫度較高，普遍在1 350 ℃～1 650 ℃之間，有利于污泥中有機(jī)物的徹底分解，且這個(gè)溫度可將二噁英完全分解.水泥工業(yè)的余熱還能用于污泥的干化，提高系統(tǒng)的能量利用率[57].

總體而言，利用燒煤發(fā)電廠、垃圾焚燒爐或水泥窯等協(xié)同焚燒處置污泥，不僅能夠解決污泥含水量高無法維持自燃的問題，還可降低或有效處理燃燒產(chǎn)生的污染排放.污泥與煤(煤渣、煤泥及煤粉)及生物質(zhì)焚燒協(xié)同污染氣體排放情況的對(duì)比如圖6所示.顯然，污泥與煤粉協(xié)同焚燒污染氣體(SO2、NOx、HCl)排放量較低，特別是在13%～14%的污泥含量時(shí).而與煤泥協(xié)同焚燒時(shí)上述污染氣體排放量較高.但是與生物質(zhì)(稻殼、花生殼及松木屑)協(xié)同焚燒時(shí)，20%的污泥比例導(dǎo)致較低的SO2排放，較高的NOx排放.總體上，燃煤爐成熟的設(shè)備及煙氣處理工藝有助于實(shí)現(xiàn)協(xié)同焚燒時(shí)污染氣體排放達(dá)標(biāo).然而，污泥的添加可能會(huì)影響原焚燒爐的燃燒狀況，所以污泥在協(xié)同焚燒過程中的燃燒行為需要進(jìn)一步分析研究.此外，污泥中的有害物質(zhì)也可能影響原焚燒設(shè)備的煙氣排放，尚需深入研究其排放特性，建立相應(yīng)的煙氣處理設(shè)施，保證煙氣的達(dá)標(biāo)排放.

圖6 污泥與煤及生物質(zhì)協(xié)同焚燒污染氣體排放情況

2.2 協(xié)同焚燒優(yōu)化

協(xié)同焚燒重要的優(yōu)化方向是尋找更優(yōu)的混合原料及比例，從現(xiàn)有研究來看，對(duì)污泥協(xié)同燃燒的最佳配比還沒有共識(shí).僅就燃燒效率來看，麥秸-污泥的協(xié)同燃燒中，50%的污泥添加對(duì)燃燒效率表現(xiàn)出最強(qiáng)的協(xié)同效果[59].10%污泥在和油頁巖的協(xié)同燃燒中起到促進(jìn)作用[60].然而，除了燃燒效率以外，最佳混合比例還需綜合考慮腐蝕結(jié)渣、氣體排放等因素.Lee等[61]對(duì)中試規(guī)模污泥-煤混合物的共燃特性研究表明，當(dāng)污泥含量高于20%時(shí)，煙氣排放難以滿足要求.同時(shí)考慮燃燒特性和經(jīng)濟(jì)影響，污泥與城市生活垃圾的協(xié)同焚燒中，10% 的污泥(含水率為 40%～56%)添加比例是最佳的.綜合比較燃燒和排放特性，80%生物質(zhì)與20%污泥的混合燃料可以促進(jìn)燃燒，減少排放[62].在污泥協(xié)同焚燒的大多研究中，研究者在30%以內(nèi)污泥添加量條件下發(fā)現(xiàn)一些積極的結(jié)果，這是由于協(xié)同焚燒主要選擇熱值高或更為清潔的原料來彌補(bǔ)污泥熱值低、有害物質(zhì)多的缺點(diǎn).在污泥添加量超過50% 時(shí)，燃燒系統(tǒng)的效率、煙氣處理都遇到挑戰(zhàn).但就目前污泥處置的大量需求及長(zhǎng)遠(yuǎn)前景而言，在協(xié)同焚燒中增加污泥的摻混比例是未來重要的發(fā)展趨勢(shì).

此外，當(dāng)混合燃料中污泥摻燒比過高時(shí)，出現(xiàn)的爐膛結(jié)焦和鍋爐積灰現(xiàn)象需要技術(shù)優(yōu)化.污水廠處理流程中常用的深度脫水調(diào)理劑中Ca、Fe含量較高，不利于結(jié)焦控制.從協(xié)同焚燒角度考慮，亟需開發(fā)新型脫水調(diào)理劑，要求藥劑既能增強(qiáng)脫水效果，又能保持較高的灰熔點(diǎn).目前研究認(rèn)為Al、Si元素有利于提高灰熔點(diǎn).Sofia等[63]發(fā)現(xiàn)污泥與生物質(zhì)廢物在循環(huán)流化床焚燒爐中協(xié)同焚燒后氣體中存在的堿金屬氯化物具有腐蝕性.現(xiàn)有技術(shù)選擇經(jīng)過硝化和反硝化去除磷后的消化污泥進(jìn)行協(xié)同焚燒，這不僅能夠降低磷酸鹽的生成，而且大量堿金屬氧化物與污泥中硫及硅酸鋁反應(yīng)，進(jìn)而降低對(duì)反應(yīng)器的腐蝕[64].多種耐氫氟酸防腐涂料、無機(jī)防腐涂料及煙氣防腐涂料等也被研究可解決腐蝕問題.現(xiàn)有的協(xié)同焚燒項(xiàng)目長(zhǎng)期運(yùn)行表現(xiàn)出爐內(nèi)襯耐火材料損害現(xiàn)象，大多選擇對(duì)耐火材料重新噴涂.如圖7所示，白龍港污水處理廠污泥處理處置二期工程利用噴漿機(jī)對(duì)爐內(nèi)耐火材料進(jìn)行重新噴涂，隨后檢驗(yàn)表明新的噴涂耐火層符合設(shè)計(jì)要求[65].然而，重新噴涂工藝參數(shù)要求高，不同部位需要不同性質(zhì)的噴涂料和澆注料，因此需要重點(diǎn)開發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)，降低協(xié)同焚燒階段對(duì)耐火材料的損害.

圖7 焚燒爐內(nèi)耐火材料噴涂[65]

3 發(fā)展趨勢(shì)

生態(tài)文明建設(shè)對(duì)污泥處置的清潔化及資源化要求提高，研究者在減少污染物體排放，改善焚燒技術(shù)方面已經(jīng)做了大量的工作，取得了顯著進(jìn)步，具體表現(xiàn)在：(1)干燥技術(shù).生物干燥、添加調(diào)理劑等處理方法可以在改善污泥脫水性能的同時(shí)避免二次污染；(2)焚燒系統(tǒng).預(yù)處理、化學(xué)循環(huán)等優(yōu)化能夠從根本上提高焚燒效率并降低污染物排放；系統(tǒng)優(yōu)化有效降低了投資成本；(3)協(xié)同處理.與現(xiàn)有爐體及煙氣處理設(shè)備共用提高經(jīng)濟(jì)性；通過優(yōu)化燃料特性，改善能耗及污染物排放；焚燒灰實(shí)現(xiàn)資源化利用.

為實(shí)現(xiàn)更為清潔更加可持續(xù)的污泥處置技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用，未來污泥焚燒技術(shù)的研究方向需要集中于：

(1)生物干化技術(shù)表現(xiàn)出清潔與高效性，但尚需工業(yè)化檢驗(yàn)，而現(xiàn)有調(diào)理劑含有的Ca、Fe等元素危害反應(yīng)器的安全高效運(yùn)行，需要研發(fā)新一代調(diào)理劑.

(2)基于可持續(xù)發(fā)展的要求，需深入研究污泥焚燒過程反應(yīng)機(jī)理，從預(yù)處理、參數(shù)調(diào)整等源頭上控制污染物的生成.

(3)協(xié)同焚燒不能對(duì)原有設(shè)備性能與排放造成明顯的不利影響.污泥摻燒比例的提高是后續(xù)工作的必然趨勢(shì)，但其帶來的氣體排放增加、設(shè)備與技術(shù)兼容性問題需要繼續(xù)關(guān)注.

(4)焚燒灰渣的資源利用更符合污泥處理穩(wěn)定化、減量化、無害化、資源化的發(fā)展方向，但現(xiàn)階段還需提高灰渣制品的安全性，關(guān)注重金屬的浸出毒性問題.

4 結(jié) 語

我國(guó)城市化的快速發(fā)展導(dǎo)致大量的城市污泥產(chǎn)生，亟需發(fā)展高效、低成本、環(huán)境友好的污泥處理處置技術(shù).焚燒處置具有減量程度高、占地面積小、處理快速等優(yōu)勢(shì)，符合我國(guó)污泥處置需求及導(dǎo)向，對(duì)其深入研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.基于目前污泥處理處置政策的要求，焚燒后二次污染的控制是需要持續(xù)關(guān)注的研究方向.協(xié)同焚燒及灰分的再次利用可改善焚燒技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)性，成為關(guān)注的熱點(diǎn).