我國(guó)市政污泥干化焚燒技術(shù)及應(yīng)用
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顧楊
(上海市城市排水有限公司，上海200233)
摘要：截止2013年底，我國(guó)重點(diǎn)流域及沿海地區(qū)污泥年產(chǎn)量達(dá)到550萬(wàn)t，各地區(qū)污泥處理處置要求迫切。污泥干化焚燒技術(shù)在我國(guó)起步較晚，應(yīng)用范嗣主要集巾在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長(zhǎng)三角地區(qū)。根據(jù)上海市中心城區(qū)污泥處理處置條件及規(guī)劃，詳細(xì)介紹市政污泥干化焚燒關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，并對(duì)比國(guó)內(nèi)、外的應(yīng)用及發(fā)展。最后指出焚燒技術(shù)將是未來(lái)大型污泥處理廠及土地緊缺地區(qū)污泥處置的主要方式。
關(guān)鍵詞：污泥；干化；焚燒；煙氣處理
中圖分類號(hào)：X703文章編號(hào)：1004-4655( 2016) 03-0045-04
1概述
2013年全國(guó)廢水排量為695.4億t，比2012年增加1.5%，其中工業(yè)廢水排放量為209.8億t，城鎮(zhèn)生活污水排放量485.1億t，集中式污染治理設(shè)施廢水（不含城鎮(zhèn)污水處理廠）排放量0.5億t。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止至2013年底，我國(guó)重點(diǎn)流域及沿海地區(qū)共建成污水廠4 408座，污水處理廠日處理能力達(dá)到14 820萬(wàn)t，全年處理污水量達(dá)407.7億t，假設(shè)污泥產(chǎn)率按1.5 t干泥（含水率10010）每萬(wàn)t污水計(jì)，則污泥年產(chǎn)量達(dá)到550萬(wàn)t。隨著我國(guó)城市污水處理率逐年提高，污泥作為污水處理過(guò)程中的副產(chǎn)物，其產(chǎn)量也急劇增加。
市政污泥的最終安全消納包括處理和處置2個(gè)階段，處理階段一般為污泥穩(wěn)定化、減量化和無(wú)害化階段，主要包括濃縮（調(diào)理）、脫水、厭氧消化、好氧消化、石灰穩(wěn)定、堆肥、干化和焚燒等。處置階段一般為污泥處理后的消納階段，一般包括土地利用、填埋、建筑材料利用等。
目前，上海針對(duì)中心城區(qū)的污泥處理處置方式以獨(dú)立焚燒為主，本文將著重介紹市政污泥干化后的單獨(dú)焚燒技術(shù)。
2污泥干化技術(shù)
2.1機(jī)理
污泥干化是通過(guò)蒸發(fā)及擴(kuò)散2個(gè)過(guò)程去除水分，2個(gè)過(guò)程持續(xù)、交替進(jìn)行，基本上反映干化機(jī)理，但是污泥中大多數(shù)水分為結(jié)合水和細(xì)胞水，其蒸發(fā)和擴(kuò)散速率受到污泥性質(zhì)的影響，應(yīng)根據(jù)設(shè)備構(gòu)造、污泥特征和干化要求，慎重配置干化機(jī)能力。
2.2常用設(shè)備類型
污泥熱干化按照熱工質(zhì)與污泥的接觸方式，分為以下3種工藝類型：直接傳熱式（熱對(duì)流式）、間接傳熱式（熱傳導(dǎo)式）、直接一間接聯(lián)合加熱式。其中，直接式干化設(shè)備有噴霧干化機(jī)、帶式干化機(jī)、箱式干化機(jī)等；間接式干化設(shè)備有槳葉式干化機(jī)、圓盤式干化機(jī)、薄層干化機(jī)、轉(zhuǎn)鼓式干化機(jī)等；直接一間接聯(lián)合加熱式設(shè)備有混合帶式污泥干化機(jī)、流化床污泥干化機(jī)等。除上述傳統(tǒng)干化流派外，一些新興技術(shù)也被逐漸應(yīng)用于工程中，如太陽(yáng)能溫室污泥干化（國(guó)外代表產(chǎn)商：德國(guó)Huber公司）、污泥電滲析深度脫水（國(guó)外代表產(chǎn)商：加拿大Cinetik公司）、污泥熱水解+脫水干化（國(guó)外代表產(chǎn)商：德國(guó)Pondus公司）等。近幾年我國(guó)污泥處理處置表現(xiàn)出跨越式發(fā)展，但干化焚燒技術(shù)仍受場(chǎng)地、規(guī)模、熱源、污泥特性、經(jīng)濟(jì)性、干化程度及效率等條件的制約，傳統(tǒng)熱干化技術(shù)仍是主流。
2.3粉塵和惡臭氣體
污泥在干化過(guò)程中產(chǎn)生粉塵及惡臭氣味，其中氣體污染物主要包含硫化氫、氯化氫、二氧化硫、甲烷、氨及揮發(fā)性有機(jī)酸等，為防止其污染，應(yīng)單元配備相應(yīng)的處理裝置，即在冷凝后通過(guò)吸附、焚燒或生物手段進(jìn)行吸附降解。以竹園污泥焚燒干化工程為例，干化系統(tǒng)處理的尾氣在正常情況下進(jìn)入焚燒爐焚燒，在大修或故障狀態(tài)時(shí)，則通過(guò)臭氣處理系統(tǒng)處理后排放。
3污泥焚燒技術(shù)
3.1污泥焚燒技術(shù)定義及影響因素
污泥焚燒是在一定溫度、氣相充分有氧的條件下，使污泥中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生燃燒反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成CO2、H2O、N，等相應(yīng)的氣相物質(zhì)。
對(duì)于污泥焚燒，在不考慮輔助燃料的情況下，焚燒爐所能達(dá)到爐溫等運(yùn)行情況決定人爐污泥的泥質(zhì)特性，特別是人爐污泥含水率、污泥的熱值及灰分等。污泥的熱值越大，其發(fā)揮和固定碳所占比例越高，灰分也越少，在焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的能量越多，灰渣量越少，排渣能量損失也越少。入爐污泥含水率越低，進(jìn)入焚燒爐的水分越少，水分汽化在爐內(nèi)吸收的熱量越少，由水蒸氣造成的排煙能量損失也越少。除此之外還應(yīng)重視焚燒的“3T+E”原則(3T分別指溫度、時(shí)間、湍流度，E指過(guò)量空氣)以保證污泥的穩(wěn)定化燃燒。
3.2污泥焚燒工藝介紹
污泥焚燒技術(shù)可分為污泥單獨(dú)焚燒及混燒2種方式。
3.2.1單獨(dú)焚燒
污泥單獨(dú)焚燒主要有2種工藝，一是將經(jīng)過(guò)污水處理廠壓濾后的污泥（含水率80%~90%）直接投入焚燒爐中進(jìn)行焚燒，此時(shí)污泥熱值很小甚至為負(fù)值，必須加入輔助燃料進(jìn)行燃燒；二是將干化后的污泥（含水率< 50%）投入焚燒爐進(jìn)行焚燒，使其維持自持燃燒�？紤]到污泥顆粒燃燒效率、污泥焚燒后產(chǎn)生的炯?xì)饬考敖?jīng)濟(jì)性等因素，在我國(guó)干化焚燒已成為主流技術(shù)路線。
3.2.2混合焚燒
污泥混燒是指污泥與煤、生活垃圾或水泥原料粉等進(jìn)行混合焚燒，達(dá)到徹底處置的目的。污泥混燒一般是利用現(xiàn)有的燃燒設(shè)備和技術(shù)就近焚燒污泥，節(jié)省大量費(fèi)用，運(yùn)行成本低，在國(guó)內(nèi)、外已有部分工程應(yīng)用。但是污泥的含水率和摻混率對(duì)焚燒鍋爐的熱效率、尾氣排放、水泥產(chǎn)品質(zhì)量等帶來(lái)較大影響，尤其在我國(guó)污泥含砂率較高且熱值波動(dòng)較大，使其應(yīng)用范圍受到限制。
3.3爐型和設(shè)備選擇
污泥焚燒爐型主要包括立式多段爐、回轉(zhuǎn)式焚燒爐以及流化床焚燒爐。
3.3.1立式多段爐
立式多段爐是最早應(yīng)用于污泥焚燒的爐型，是一個(gè)垂直的圓柱形耐火襯里鋼制設(shè)備，內(nèi)部由水平耐火材料構(gòu)成的爐膛，自上而下布置水平絕熱爐膛，一層層疊加。按照各段功能，爐體分為3個(gè)操作區(qū)：最上部干燥區(qū)( 300~5000C)，中部焚燒區(qū)( 750～1 0000C)，最下部灰渣冷卻區(qū)。最初多段爐由美國(guó)NiChols公司制造，目前多段爐已逐漸被流化床所取代。
3.3.2回轉(zhuǎn)窯。
回轉(zhuǎn)窯常用水泥和石灰燒制，其結(jié)構(gòu)采用臥式圓筒狀，外殼一般用鋼板卷制成，襯耐火材料（可以為磚結(jié)構(gòu)，也可為高溫耐火混凝土預(yù)制）。窯體的一端以螺旋加料器或其他方式進(jìn)行加料，另一端將燃盡的灰燼排出爐外。其操作彈性大，能處理多種混合固廢，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。但熱效率較低，且排氣中常攜帶污泥中的有害有臭氣體，故必須進(jìn)行二次焚燒處理。
3.3.3流化床
流化床焚燒爐主體設(shè)備是1個(gè)圓形塔體，下部設(shè)有分配氣體的分配板，塔內(nèi)壁襯耐火材料，裝有一定的耐熱粒狀載體。流化床焚燒技術(shù)是利用污泥熱能的最常用技術(shù)，焚燒溫度通常為815～8500C，適用于大處理量要求。流化床焚燒爐的優(yōu)勢(shì)在于大面積燃燒、強(qiáng)烈的湍流強(qiáng)度和較長(zhǎng)的停留時(shí)間。如對(duì)于平均粒徑為0.13 mm的床料，流化床全接觸面積可達(dá)1 420m2。連續(xù)加料、出料，自動(dòng)調(diào)節(jié)，能有效控制NO x及CO污染物，但流化床動(dòng)力消耗大，排出粉塵量大，需要較復(fù)雜的除塵裝置。
4污泥焚燒工藝在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用
污泥焚燒在世界上已有70多年的發(fā)展歷史。1934年，美國(guó)密西根Dearborn安裝有記錄的第一臺(tái)污泥焚燒爐，1962年，德國(guó)率先建設(shè)并開(kāi)始運(yùn)行歐洲第一座污泥焚燒廠。如今在日本，污泥焚燒處理已經(jīng)占污泥處理總量的60%以上，歐盟也在10%以上。
在美國(guó)，每年產(chǎn)生的干污泥總量約700萬(wàn)t，其中15%~22%的進(jìn)入同步焚燒系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)害化處理。值得一提的是美國(guó)幾乎所有的污泥焚燒系統(tǒng)都建在污水廠內(nèi)，污泥無(wú)需轉(zhuǎn)運(yùn)。全美計(jì)劃污泥焚燒系統(tǒng)將污泥脫水后直接焚燒處理。
在歐洲，由于污泥填埋標(biāo)準(zhǔn)提高，部分國(guó)家已禁止填埋或用于農(nóng)業(yè)，污泥焚燒比例較高。其中2010年~ 2011年污泥焚燒比例超過(guò)50%的國(guó)家有荷蘭(99%)、比利時(shí)( 86%)、瑞士(59%)、
斯洛文尼亞( 58%)、德國(guó)(55%)。歐洲焚燒工藝路線與國(guó)內(nèi)相同，均采用干化后焚燒，2010年污泥干化廠已超過(guò)450座。
在日本，焚燒法處置污泥發(fā)展迅速，規(guī)模較大的污水處理廠大都采用焚燒法處理污泥，截止至2009年焚燒爐使用臺(tái)數(shù)已達(dá)707臺(tái)，以回轉(zhuǎn)式（408臺(tái)）及流化床（253臺(tái)）為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年日本全國(guó)污水處理廠污泥產(chǎn)生量為222萬(wàn)t（以干固計(jì)算），其中污泥焚燒比例高達(dá)66.9%。
在我國(guó)，污泥干化焚燒比例較低，以2012年為例，焚燒污泥比例僅為5.6%，且大多數(shù)污泥焚燒廠集中建設(shè)于長(zhǎng)三角地區(qū)，焚燒爐類型也以回轉(zhuǎn)式焚燒爐與流化床為主。上海石洞口污泥干化焚燒項(xiàng)目是我國(guó)運(yùn)行較早的工程，該項(xiàng)目處理量為180 t/d，采用流化床干化系統(tǒng)和流化床焚燒系統(tǒng)相結(jié)合的工藝流程。隨后浙江部分地區(qū)陸續(xù)新建污泥單獨(dú)焚燒工程，主要采用霧化干燥聯(lián)合回轉(zhuǎn)式焚燒爐的方法，其處理量在300~600 t/d不等。
上海市污水廠污泥處理仍以脫水后填埋為主，但受各種因素制約，老港填埋場(chǎng)空間已經(jīng)接近極限，難以滿足污水廠污泥填埋需求。因此在“十三五”期間，上海市中心城三大片區(qū)（竹園、石洞口、白龍港）污泥處理處置以干化焚燒后制成建材為主，原有污泥深度脫水過(guò)渡設(shè)施逐步轉(zhuǎn)為應(yīng)急備用。
上海市竹園污泥處理工程采用污泥半干化焚燒處理工藝（見(jiàn)圖1），以建筑材料綜合利用為處置方式，該項(xiàng)目用地面積5.83hm2(其中一期占用4.00hm2)。在本項(xiàng)目未建成時(shí)，竹園片區(qū)的污泥均采用污泥濃縮、脫水的方法處理后運(yùn)輸?shù)嚼细酃腆w廢棄物處置場(chǎng)進(jìn)行填埋，不僅在運(yùn)輸過(guò)程中造成二次污染并增加交通壓力，而且會(huì)給填埋場(chǎng)及周邊環(huán)境帶來(lái)污染隱患。為使污泥達(dá)到規(guī)范要求的減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化，根據(jù)全市污泥處理處置總體布局“中心城區(qū)以焚燒后建材利用為主，兼顧土地利用及衛(wèi)生填埋”的原則，上海市竹園污泥處理工程主要針對(duì)竹園第一、竹園第二、曲陽(yáng)和泗塘4座污水處理廠的脫水污泥，近期建設(shè)規(guī)模為150 tDS/d。
竹園污泥處理污泥半干化焚燒是將污泥干化后含固率控制在90%以下，然后再送入焚燒爐進(jìn)行焚燒。工程主要包括污泥接受、儲(chǔ)存、輸送和干化系統(tǒng)、焚燒和余熱鍋爐系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、水蒸汽循環(huán)系統(tǒng)、灰渣處理系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)等，其中，干化系統(tǒng)、焚燒和余熱鍋爐系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。2015年10月此工程已通過(guò)3個(gè)月的性能考核，其日處理能力、運(yùn)行成本、煙氣排放、臭氣排放、噪聲排放等均表現(xiàn)優(yōu)異，其中煙氣排放已達(dá)到歐盟2000/76/EC標(biāo)準(zhǔn)。
5結(jié)語(yǔ)
因地制宜是污泥處理處置方案比選決策的前提，雖然我國(guó)污泥焚燒處理起步較晚，且焚燒比例較低，但經(jīng)過(guò)近十幾年的不斷發(fā)展已取得較大程度的進(jìn)步，針對(duì)已建設(shè)的上海市竹園污泥處理工程，定性分析干化焚燒在減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化方面表現(xiàn)優(yōu)異。期待污泥干化焚燒在今后政策、法規(guī)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、技術(shù)、裝備等多方面支持下，結(jié)合城市建筑垃圾資源化，使灰渣最終實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)。
