電廠焚燒用污泥的深度脫水技術(shù)選擇與應(yīng)用

黃 飛

( 中國(guó)葛洲壩集團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430073)

0 引言

廣東深圳某污水處理廠日平均污水處理量5 萬t，由于沒有設(shè)計(jì)污泥處理單元和二次沉淀池，產(chǎn)生的污泥交給某污泥處理中心進(jìn)行深度脫水處理，折合含水率80%的污泥量約35 t/d。但污泥處理中心處理時(shí)間和產(chǎn)能嚴(yán)重受限，進(jìn)而造成該污水處理廠生化池內(nèi)污泥濃度居高不下，活性降低，影響污水處理效率和穩(wěn)定性。另外，污泥處理中心收取的處理處置費(fèi)用增加了該污水處理廠的生產(chǎn)成本，因此，單獨(dú)建立污泥處理處置路線具有必要性。

確定污泥的脫水處理路線，首先要確定污泥的消納處置方式。對(duì)于污泥無害化與資源化處理處置，國(guó)務(wù)院、住建部、生態(tài)環(huán)境部和發(fā)改委等國(guó)家機(jī)構(gòu)先后發(fā)布文件，指出實(shí)施要求。《深圳市2020 年水污染治理鞏固提升年工作指引》提出：全面推行“廠內(nèi)深度脫水+焚燒摻燒”技術(shù)路線，積極推廣應(yīng)用新工藝、新技術(shù)，將出廠污泥含水率降至40%以下，加快推進(jìn)廣東某電廠污泥摻燒項(xiàng)目建設(shè)。

將污泥燃料化，單獨(dú)焚燒或進(jìn)入熱電廠、垃圾焚燒電廠等進(jìn)行協(xié)同焚燒，成為我國(guó)今后污泥處理處置的重要方向[1]。廣東某電廠已經(jīng)于2020 年投入使用，深圳市大部分污泥深度脫水后運(yùn)輸至此進(jìn)行最終協(xié)同焚燒處置。該項(xiàng)目實(shí)施前已經(jīng)確定采用焚燒作為污泥最終處置路線。

1 焚燒污泥的相關(guān)要求

污泥進(jìn)入電廠焚燒處置，首先要確定鍋爐對(duì)污泥質(zhì)量的要求，如惠東縣生活垃圾焚燒發(fā)電廠可接受污泥焚燒，其入爐物料的設(shè)計(jì)低位發(fā)熱量為4 186 kJ/kg，對(duì)應(yīng)污泥含水率要求≤40%。污泥發(fā)熱量與污泥的有機(jī)質(zhì)含量正相關(guān)，與水、無機(jī)質(zhì)的含量呈負(fù)相關(guān)[2-3]。但降低污泥無機(jī)質(zhì)含量難度大，降低污泥的含水率就是提高發(fā)熱量的最直接方式，因此，污泥脫水技術(shù)會(huì)對(duì)后續(xù)污泥焚燒造成顯著影響，電廠接受污泥也常以含水率為主要指標(biāo)要求。

由于污泥含水率影響發(fā)熱量，是進(jìn)行協(xié)同焚燒的重要指標(biāo)。污水處理廠的地理位置、入料性質(zhì)、處理方式、季節(jié)溫度不同，則產(chǎn)生市政污泥揮發(fā)分、灰分、水分等的含量也有差異，實(shí)際污泥的發(fā)熱量需要通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)進(jìn)行確定。在初步估算時(shí)，參考我國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 313—2009《生活垃圾采樣和分析方法》[4]的“附錄B 生活垃圾熱值的計(jì)算”，預(yù)估污泥低位發(fā)熱量，見表1 所列。

表1 不同含水率污泥低位發(fā)熱量

因此，一般污水處理廠產(chǎn)生的污泥的發(fā)熱量極低，不宜直接入爐焚燒，需降低含水率提高低位發(fā)熱量。入爐前需進(jìn)行深度脫水，使污泥含水率降低到如40%以下，直到滿足鍋爐需求。

2 國(guó)內(nèi)常見脫水干化技術(shù)

目前，我國(guó)的脫水干化技術(shù)主要包括常規(guī)機(jī)械壓力脫水、熱力脫水、加固體粉末改性+板框壓濾機(jī)壓濾技術(shù)、熱力和機(jī)械壓力一體化污泥脫水、單獨(dú)采用高壓板框壓濾機(jī)壓濾脫水、污泥熱水解+板框壓濾、化學(xué)調(diào)理調(diào)質(zhì)污泥破壁+高壓板框壓濾機(jī)壓榨、其它調(diào)理方式配合高壓板框壓濾等技術(shù)，總結(jié)各種技術(shù)的特點(diǎn)，見表2 所列。

表2 國(guó)內(nèi)常見的脫水干化技術(shù)特點(diǎn)

現(xiàn)階段最常用的污泥焚燒預(yù)處理技術(shù)是“污泥常規(guī)調(diào)理+機(jī)械壓力脫水+熱力脫水”技術(shù)，但是水在蒸發(fā)相變過程中所需的蒸發(fā)焓占能耗較多，限制條件較多，運(yùn)營(yíng)成本較高，需要進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。本次考慮采用化學(xué)調(diào)理調(diào)質(zhì)污泥破壁+高壓板框壓濾機(jī)壓榨技術(shù)。

3 深度脫水技術(shù)選擇和應(yīng)用

3.1 技術(shù)選擇

深圳某污水處理廠現(xiàn)狀為：廠區(qū)面積小，基本上沒有擴(kuò)建用地，難以建設(shè)大面積的建(構(gòu))筑物，附近也沒有熱源；廣東某電廠距離污水處理廠運(yùn)輸距離大于150 km，處理后泥餅運(yùn)輸+消納費(fèi)用合計(jì)550 元/t，運(yùn)輸費(fèi)用占比高，減量后此費(fèi)用降低明顯；且需要盡快完成建設(shè)，避免影響生產(chǎn)。

根據(jù)上述分析和該項(xiàng)目非常多的限制條件，比較不同的脫水干化技術(shù)，具體如下：

1)運(yùn)輸費(fèi)用占比高，因此，常規(guī)機(jī)械壓力脫水、加固體粉末改性+板框壓濾機(jī)壓濾技術(shù)等減量化效果不佳，運(yùn)輸成本高，不推薦；

2)周邊無熱源，熱力脫水、熱力和機(jī)械壓力一體化污泥脫水等技術(shù)，不推薦；

3)特高壓壓濾機(jī)，如10 MPa 以上的壓濾機(jī)，尚處于探索階段，設(shè)備可靠性需要時(shí)間驗(yàn)證，不推薦；

4)污泥熱水解+板框壓濾雖然可以自身熱平衡，成品質(zhì)量也滿足要求，但由于流程較長(zhǎng)、設(shè)備較多，現(xiàn)場(chǎng)沒有足夠的建設(shè)場(chǎng)地，投資也相對(duì)較高，因此不推薦；

5)其他調(diào)理方式，應(yīng)用案例有限，需進(jìn)一步探索其成熟程度，因此暫不推薦；

6)化學(xué)調(diào)理調(diào)質(zhì)污泥破壁+高壓板框壓濾機(jī)壓榨技術(shù)流程短、產(chǎn)能高、占地面積小、投資省、成本低，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可行性，設(shè)備也都是常見設(shè)備，該技術(shù)能夠滿足本項(xiàng)目的所有需求。

3.2 前期實(shí)驗(yàn)

為確定主要設(shè)備壓濾機(jī)和輔助設(shè)備的主要工作參數(shù)，采用6 m2小型板框壓濾機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和半工業(yè)實(shí)驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3 所列。

表3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷，進(jìn)一步提高壓榨壓力可以滿足產(chǎn)品含水率要求，而3.0 MPa 高壓板框機(jī)設(shè)備經(jīng)過多年市場(chǎng)考驗(yàn)，較為成熟可靠，可以作為主要設(shè)備。

3.3 系統(tǒng)組成和工藝流程

1)芬頓反應(yīng)系統(tǒng)

芬頓反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)置于深度脫水系統(tǒng)前端，主要為芬頓反應(yīng)罐，罐上設(shè)有攪拌裝置，并添加藥劑，亞鐵離子和強(qiáng)氧化劑同時(shí)作用于污泥中，發(fā)生芬頓反應(yīng)，污泥性質(zhì)得以調(diào)理。芬頓反應(yīng)罐設(shè)有足夠的體積以保證反應(yīng)時(shí)間。

2)污泥深度脫水系統(tǒng)

泥漿池的污泥通過入料泵打入高壓板框壓濾機(jī)中進(jìn)行深度脫水。經(jīng)過芬頓改性，污泥的脫水性能得到改善，在3.0 MPa 及以上的壓榨壓力作用下，泥餅含水率降低至40%以下，壓濾尾水進(jìn)入到污水管網(wǎng)進(jìn)行處理。

3)運(yùn)輸系統(tǒng)

脫水后的泥餅通過螺旋輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備輸送到料倉內(nèi)，再由貨車外運(yùn)到電廠進(jìn)行最終處置。相較80%含水率的污泥，40%含水率污泥體積減少至1/3 之后，能夠大幅度降低運(yùn)輸費(fèi)用。

另外，本項(xiàng)目原計(jì)劃后期增加除臭系統(tǒng)，實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)異味物質(zhì)已經(jīng)被反應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)自然通風(fēng)可滿足要求，因此，暫未設(shè)置除臭。工藝流程圖，如圖1 所示。

圖1 某污水處理廠深度脫水工藝流程圖

3.4 主要設(shè)備配置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為滿足產(chǎn)能要求，壓濾機(jī)循環(huán)時(shí)間需設(shè)置為2 h，才能滿足產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)性要求，以此確定污水處理廠深度脫水主要設(shè)備配置，見表4 所列。

表4 某污水處理廠深度脫水主要設(shè)備配置表

3.5 應(yīng)用效果

該脫水系統(tǒng)投資382 萬元，主要設(shè)置濃縮和壓濾2 個(gè)車間，車間面積合計(jì)約200 m2，于2021 年5 月開始施工，2021 年7 月建成并一次調(diào)試成功。壓濾機(jī)循環(huán)時(shí)間≤2 h，調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)取樣污泥泥餅水分為38%，小于40%，滿足廣東某電廠對(duì)污泥含水率的摻燒要求，污泥深度脫水泥餅效果如圖2 所示。電廠對(duì)進(jìn)廠污泥熱值未有明文限制，脫水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)未測(cè)量發(fā)熱量，預(yù)估低位發(fā)熱量約為4 000 kJ/kg，含折舊的脫水處理直至運(yùn)輸消納處置整體成本測(cè)算為522 元/t，各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

圖2 污泥深度脫水泥餅效果

脫水系統(tǒng)投入使用時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)主要面臨2 個(gè)問題：1)生化池污泥濃度過高、污泥腐敗，造成水處理產(chǎn)能降低；2) 7 月、8 月污水高峰期帶來的產(chǎn)能壓力。在此壓力下，系統(tǒng)調(diào)試即達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)，并將工作制度改為3 班24 h 連續(xù)生產(chǎn)，折合處理含水率80%的污泥≥50 t/d，體現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。持續(xù)處理污泥2 個(gè)月，污水處理廠最大處理生活污水＞6.5 萬m3/d，生化池內(nèi)污泥濃度混合液懸浮固體(mixed liquor suspended solid，MLSS)持續(xù)穩(wěn)定降低，由峰值的9 000 mg/L 逐步降低到5 000 ～6 000 mg/L，生化池內(nèi)污泥顏色也由暗灰色轉(zhuǎn)變?yōu)檎｜S褐色，異味降低至消失；經(jīng)處理后的排水各項(xiàng)工藝指標(biāo)得以穩(wěn)定，尤其氨氮指標(biāo)穩(wěn)定在0.8 mg/L以下，總磷穩(wěn)定在0.1 ～0.2 mg/L，系統(tǒng)與設(shè)備也在連續(xù)生產(chǎn)中經(jīng)受住考驗(yàn)，達(dá)到了立項(xiàng)時(shí)要求穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。

脫水系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定生產(chǎn)2 a，穩(wěn)定處理含水率80%的污泥30 ～40 t/d，并運(yùn)輸至電廠焚燒。

4 結(jié)論

本文分析國(guó)內(nèi)常見的幾種脫水干化技術(shù)，根據(jù)技術(shù)成熟度現(xiàn)場(chǎng)情況選擇和應(yīng)用化學(xué)調(diào)理調(diào)質(zhì)污泥破壁+高壓板框壓濾機(jī)壓榨技術(shù)，得到以下結(jié)論：

1)該技術(shù)能夠滿足當(dāng)?shù)仉姀S摻燒需要含水率40%以下污泥的要求，通過降低含水率明顯提高了污泥的發(fā)熱量；

2)該技術(shù)在研發(fā)和半工業(yè)化實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上投入實(shí)際使用，投資僅382 萬元，主車間占地面積僅200 m2，含折舊費(fèi)的處理處置成本為522 元/t，最大處理含水率80%的污泥≥50 t/d，處理后含水率≤40%，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期要求，具有投資省、占地面積小和系統(tǒng)可靠等特點(diǎn)；

3)深度脫水后，污泥體積降低至1/3，運(yùn)輸、消納這兩種成本與體積相關(guān)的費(fèi)用大幅降低。