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(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與城市建設(shè)的加快，市政管網(wǎng)的通溝污泥產(chǎn)生量日趨增加，妥善處置通溝污泥成為目前城市水環(huán)境安全管理的重點(diǎn)之一。上海市某污泥焚燒廠根據(jù)現(xiàn)有工藝對(duì)通溝污泥清洗砂進(jìn)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(yàn)表明，投加清洗砂對(duì)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(duì)砂床壓差的增量相當(dāng)于投加0.7 t石英砂的增壓效果。通溝污泥替代焚燒爐內(nèi)部分床料，未對(duì)排放指標(biāo)產(chǎn)生額外的負(fù)荷。實(shí)踐表明，市政管網(wǎng)的通溝污泥實(shí)現(xiàn)資源化利用，這進(jìn)一步驗(yàn)證通溝污泥資源化、減量化和無(wú)害化處置的可行性。

關(guān)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(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)的推進(jìn)，城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)日趨完善，截至2022年底，全國(guó)管網(wǎng)已達(dá)91.4萬(wàn)km，其中上海市管網(wǎng)長(zhǎng)度約為2.3萬(wàn)km[1]。根據(jù)預(yù)估結(jié)果，全國(guó)通溝污泥年產(chǎn)生量為1 046萬(wàn)t。目前，全國(guó)通溝污泥處理方式以填埋為主，但可用容量已達(dá)到極限[2]。通溝污泥分散性強(qiáng)，具有“小散亂”的特征，建有通溝污泥處理設(shè)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(jù)《上海市污水處理系統(tǒng)及污泥處理規(guī)劃（2017—2035年）》和《上海市城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)實(shí)施方案（2019—2021年）》，通溝污泥處理設(shè)施建設(shè)應(yīng)堅(jiān)持相應(yīng)原則，即中心城區(qū)的通溝污泥處理站保持一區(qū)一站點(diǎn)，郊區(qū)的通溝污泥處理站應(yīng)不少于2個(gè)站點(diǎn)[3]。截至2022年底，上海市每個(gè)區(qū)都至少有1座通溝污泥處理站，其中浦東新區(qū)已建造運(yùn)行3座，總計(jì)16座通溝污泥處理站，總處理規(guī)模為1 067 t/d。

1 通溝污泥處理現(xiàn)狀

國(guó)外主要基于通溝污泥的特性對(duì)其進(jìn)行水洗、篩分等處理[4]。發(fā)達(dá)國(guó)家大多先對(duì)通溝污泥進(jìn)行淘洗等綜合處理，再對(duì)其進(jìn)行填埋處置或者資源化利用[5]。日本在1997年開(kāi)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(chǎn)化肥的原料[7]。通溝污泥的特點(diǎn)取決于排水管網(wǎng)體制、地形、氣候及居民生活習(xí)慣等[8]，共性體現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)含量低、沉降性能較好[9]?；谕衔勰嗵匦?，國(guó)內(nèi)主要通過(guò)預(yù)處理降低污泥含水率，固相進(jìn)行衛(wèi)生填埋，液體重新納管進(jìn)入污水處理廠。根據(jù)國(guó)內(nèi)目前的處理方式，預(yù)處理后的污泥大多經(jīng)粒徑篩分后進(jìn)行填埋或焚燒處置，僅少量進(jìn)行資源化利用[10]。上海市寶山區(qū)從產(chǎn)城融合角度出發(fā)，基于中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司基地的產(chǎn)業(yè)及技術(shù)對(duì)通溝污泥尾砂進(jìn)行資源化利用，使其經(jīng)過(guò)預(yù)處理后生產(chǎn)水泥鐵質(zhì)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(zhì)相近，因此試驗(yàn)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(zhì)

管道沉積大量無(wú)機(jī)物質(zhì)，進(jìn)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(wǎng)暢通，要定期疏通管網(wǎng)，清撈這些混合物。目前，對(duì)于通溝污泥，國(guó)內(nèi)通常按照粒徑分選相應(yīng)的固相物質(zhì)進(jìn)行填埋，污水重新納管進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行處理[14-16]。試驗(yàn)對(duì)象為通溝污泥清洗砂，通溝污泥經(jīng)水力淘洗后分選較大組分，其主要成分為二氧化硅[17-19]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析，通溝污泥清洗砂的理化性質(zhì)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(duì)通溝污泥進(jìn)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(duì)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(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)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(shù)，其核心工藝設(shè)備為水滴型焚燒爐。焚燒爐內(nèi)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(nèi)的上部稀相區(qū)，溫度在850 ℃左右，使市政污泥中的有機(jī)物得到充分燃燒分解。輔助燃燒段是焚燒爐內(nèi)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(tài)。水滴型設(shè)計(jì)讓焚燒爐內(nèi)部空間上寬下窄，有助于石英砂與高溫?zé)煔夥蛛x，同時(shí)使石英砂的損耗達(dá)到最小，如圖1所示。

通溝污泥清洗砂通過(guò)人工投料形式向焚燒爐內(nèi)投加。在保證半干污泥進(jìn)泥量穩(wěn)定的前提下，砂床壓差穩(wěn)定保持在11～13 kPa。在保證進(jìn)泥量和空氣量相等的條件下，設(shè)計(jì)6個(gè)不同投砂速率的情景進(jìn)行試驗(yàn)，如表3所示。

3.2 試驗(yàn)原理

焚燒期間，焚燒爐床料的石英砂處于流化狀態(tài)，使得上下砂床產(chǎn)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(jī)物得到充分分解，如圖2所示。市政污泥焚燒時(shí)，焚燒爐內(nèi)流化床的床料會(huì)有所損失，所以要對(duì)焚燒爐內(nèi)的砂床進(jìn)行定期補(bǔ)砂，維持爐內(nèi)床壓的穩(wěn)定。試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果

4.1 壓差影響

由試驗(yàn)結(jié)果可知，投加通溝污泥清洗砂對(duì)焚燒爐內(nèi)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(nèi)的壓差呈正相關(guān)，加砂量越大，壓差的增幅越大。砂床壓差的增幅系數(shù)采用式（1）進(jìn)行計(jì)算。

（1）

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

4.2 替代效果

在正常焚燒市政污泥時(shí)，鼓泡式流化床焚燒爐內(nèi)的砂層會(huì)有所損耗，根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)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(duì)焚燒爐砂床壓差的作用，可按照式（2）核算其替代效果。根據(jù)試驗(yàn)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(dá)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(yàn)期間市政污泥焚燒總量，取737.3 t；K為1 t石英砂所對(duì)應(yīng)的砂床壓差，0.485 kPa/t；P為試驗(yàn)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(biāo)的影響

通溝污泥清洗砂的試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)》（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(duì)該污泥焚燒廠未產(chǎn)生額外的排放負(fù)荷。

5 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)合工程實(shí)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(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。試驗(yàn)結(jié)果顯示，按水力淘洗分選出的通溝污泥清洗砂粒徑與實(shí)際石英砂相比偏小，清洗砂粒徑應(yīng)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(duì)焚燒爐內(nèi)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(dāng)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(yàn)期間，各煙氣污染物（SO2、NOx、HCl、PM和CO）排放正常，未對(duì)污泥焚燒廠產(chǎn)生額外的排放負(fù)荷。在環(huán)境效益上，通溝污泥清洗砂作為床料進(jìn)行焚燒處置，相比傳統(tǒng)的衛(wèi)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(huán)境問(wèn)題。在社會(huì)效益上，通溝污泥清洗砂與市政污泥摻和焚燒不僅實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處置，焚燒后的產(chǎn)物進(jìn)行建材回用，而且佐證資源循環(huán)、變廢為寶的綠色環(huán)保新思路的可行性。在經(jīng)濟(jì)效益上，通溝污泥清洗砂替代部分石英砂床料，在生產(chǎn)運(yùn)行的原材料上可降低成本。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化投料而非人工投料的情境下，根據(jù)該污泥焚燒廠的遠(yuǎn)期處置規(guī)模，可估算出年處置規(guī)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(lái)泥處置量、生產(chǎn)線啟動(dòng)數(shù)量、砂床壓差工況的設(shè)定息息相關(guān)。若對(duì)通溝污泥清洗砂進(jìn)行大規(guī)模焚燒處置，則需要進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間、更全面、全方位的測(cè)試。針對(duì)上海市通溝污泥處置現(xiàn)狀，政府部門應(yīng)協(xié)同監(jiān)管政策，避免分散監(jiān)管、政出多門，提高綜合管理效率。多區(qū)之間可進(jìn)行區(qū)域協(xié)同消納，解決分散性大的處理難題。通過(guò)積極的環(huán)保宣傳，避免鄰避效應(yīng)，提升城市氣質(zhì)，增加群眾幸福感。通過(guò)上下游的協(xié)同利用，推進(jìn)資源循環(huán)利用，共促綠色經(jīng)濟(jì)循環(huán)。

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作者簡(jiǎn)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(jié)能。