污泥热处理技术
摘要: 污水厂除了污水处理以外，还要考虑污泥的处理技术，使得污泥出路问题能长期地得到解决，污泥处理还要考虑经济实用，保护环境。机械脱水后污泥的热烘干是污泥处理与利用的一个关键性工艺。
关键词: 污泥,热处理,热烘干技术
1 序言
处理废料，德国和欧洲政策的共同方针是：首先尽量避免产生废料；其次废料的回收利用；最后作为垃圾处理。
污水处理厂是市政工程的重要组成部分，污水处理中产生污泥是不可避免的，所以污泥回收利用就很重要了。污泥作为垃圾的处理（例如填埋处理），在这里不作深入描述，因为填埋技术已逐渐失去其重要性，这与污泥的含水高，易流性，有机含量高，而且往往有害物（重金属）含量高相关。德国法定从2005.06.01起对于废料剩余有机含碳量最高5%。这就是说，碳元素的无机化（从有机碳到无机碳的转化）应该在95%以上。污泥不经焚烧是达不到这一标准的。
如果要利用污泥，就要事先进行污泥的分析，特别是含水量、污泥干物质中有机物含量、有害物质的浓度（重金属、PCDD-、PCDF 等等）。
另外还有其他相关因素是臭味、卫生问题，要考虑到病菌对人和动物传染的预防。
综上所述，污水厂除了污水处理以外，还要考虑污泥的处理技术，使得污泥出路问题能长期地得到解决，污泥处理还要考虑经济实用，保护环境。
机械脱水后污泥的热烘干是污泥处理与利用的一个关键性工艺。
2、污泥热烘干技术
在讨论各种烘干技术之前，让我们先简要的分析一下污泥干化过程中污泥性质的变化。
污泥里的含水是这样分布的：间隙水，处于污泥团块之间的水；外部水分为粘附水，吸附水，空隙虹吸水，虹吸水，毛细虹吸水；内部水，细胞液（水合作用含水，内部虹吸水）。
在机械脱水、热烘干、焚烧几个处理阶段所能达到的干化程度不同。
在此强调污泥烘干的一大特点，随着干燥过程的进行，污泥会进入一个胶状阶段，也称为所谓的“粘稠阶段”，至此阶段，污泥干物质含量为45～65%。这时，污泥会粘在干燥机的壁上，从而导致干化效率的降低，甚至损坏设备。通过相应的技术措施和设计可以解决这个问题。 被普遍采用的一种方法是所谓的回混法。就是将机械脱水后的污泥（干物质20～35%）和已全干化的污泥（干物质90～95%）相混合，使进入干燥机的污泥干物质达到65～75%，这样还可以使进泥颗粒化，结构化，这无论对于哪一种烘干机都有利。
3 各种烘干机工艺
污泥烘干分为接触式烘干和对流式烘干。在接触式烘干机中，存在一个固定不变的接触面，热量就通过这个面和导热介质（蒸汽或热油）传向污泥。对流式烘干的导热介质（热风）直接在污泥小颗粒上流动传热，从而产生热对流。
一般烘干过程可以分为两个阶段，即：半干化，最多至粘稠状态，一般大约达到45%干物质；全干化，至少达到90%干物质。
但是剩余含水量（或者干物质含量）并不是唯一的评价干燥效果好坏的标准。不同的烘干技术，能耗大大不同。最终的利用，要求也不同。农用往往要求一个颗粒化的产品。同时烘干也要注意避免含氧过高粉尘化及其比例，因为它会引起自燃，甚至爆炸。根据以上分类，有许多不同的干化技术，下面将全面地对各种烘干机作简单介绍。
3.1 接触式干燥机
3.1.1 流化床干燥机
这种类型干燥机主要应用于化学工业，食品以及饲料工业。最近几年流化床干燥机还被应用于褐煤干燥，用于火力发电。这种干化工艺有两个特点，一是物质（风，尘，沙）流量特别高，二是用高压蒸汽加热干燥机。流化层通过蒸汽的再循环起作用，它对流化物（在这里就是污泥）的颗粒变化非常敏感，较难控制。流化床干燥机不是完全的接触式干燥机，因为热量的一部分也通过热蒸汽的再循环，以对流的形式传递。流化床干燥机不适用于污泥半干化处理工艺，只适用于污泥全干化。
3.1.2多层台阶式干燥机
多层台阶式干燥机原应用于化学工业，食品以及饲料工业，也被称为真空盘式干燥机。在真空下或负压下运行。传热系统通过导热油实现，导热油作为唯一可选用的传热介质在一个封闭的回路中被循环加热。在涉及导热油系统的操作中，一定要注意，不要漏油到地上或污染干燥产品，因为加温温度高（260～280°C），对导热油的质量要求较高，对这种特殊油要保证足够量的仓储。因为这种干燥机单位填充量（每平方米传热面积充泥量）比较小，所以不适用于少量污泥的干燥。这种多层台阶式干燥机也不适用于污泥半干化处理工艺，仅用于污泥全干化。
3.1.3 转盘式干燥机
转盘式干燥机在几十年前就已经应用于化学工业，食品工业以及饲料工业。特别是混合溶剂的干燥。它与污泥干燥一样，要求设备防漏，以保证正常运行。如果该设备出现故障，因为干燥温度较低，再加上惰性气体保护措施，不会有着火和爆炸的危险。此型干燥机既可以用导热油传热，也可以用蒸气传热。大多数情况下用低过压蒸汽加热，以防油污染。特别值得一提的是这种转盘式干燥机的机动灵活性，它既可以作为半干化机，也可以作为全干化机使用烘干污泥。这样一来就可以设计不同的更适合用户需要的干燥焚烧工艺，满足当前与未来污泥处理的要求。
3.2 对流式干燥机
3.2.1高流速干燥机
这种类型的干燥机是为了干燥煤而设计的，后来也被用于干燥化学产品和食品。要干燥的物料被抛送入热气流里，并通过此热气流从进料口被输送到出料口。进料口之前往往有一个冲击式轮磨机，它将物料先碾碎，再抛送入热气流干燥过程，这样一来，物料在热汽流中逗留很短的时间，就可以达到预订的干燥度。如果用于干燥污泥，高流速干燥机一般要与垃圾焚烧炉或者是火力发电厂锅炉配套使用。近几年，这种干燥机不再应用于污泥干化了。该干燥机不适用于污泥半干化工艺，只能用于污泥全干化。
3.2.2 带式干燥机
带式干燥机主要应用于精密化学以及食品工业。它通过交叉或者是反向的热气流来实现间接热传导。热气是经过内置或外置的热交换器传热产生的，热交换器的传热媒介可以是导热油，也可以是蒸汽。带式干燥机结构复杂，其中输送带的设计是一个棘手的问题。另外，热气流会携带一些灰尘，这些灰尘大都堆积在气流转向的地方，并会导致运行故障。带式干燥机不能用于污泥的半干化工艺，仅适用于污泥全干化。
3.2.3 筒式干燥机
筒式干燥机适用于几乎所有领域，例如化学工业，基础工业，食品和饲料工业的各种产品。筒式干燥机的加热既可以通过热空气，也可以通过烟气。因为风量大，所以除尘器体积也很大。热空气是由外置的热交换器加热的，烟气是燃料焚烧产生的废气。进料以及内部输送片的构成，是由干化物料特性决定的。热气温度的高低，以及气流方向的选择，也同样由物料特性决定。污泥筒式干燥机都用是直流电驱动旋转。热空气进入时的温度大致在450～650°C。因为相对来说,这种筒式干燥机的结构不封闭，容易发生自燃或爆炸，所以在污泥的干化过程中，要特别注意安全保障。这个包括两方面，一是安全保护设备投资，另外对于运行安全性的在线监控，也需要大量的费用与人员。这种干燥机不能用于污泥半干化工艺，只能用于污泥全干化。
3.3 接触干化与对流干化的比较
在下面的表格里，对于不同的接触式干燥机（表3.1）和对流式干燥机（表3.2）进行了性能的总结。接下来的表3.3，对两种干燥机的特性作了一下比较。
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表3.1 不同接触式干燥机的比较
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表 3.2 不同对流式干燥机的比较
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表3.3 接触式干化和对流式干化的特性比较
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4 干化后污泥的应用及其对于干化工艺的要求
污泥处理与利用，分为：机械脱水、热干化、物质利用（用作土壤，肥料）、能量利用（焚烧产热，发电）。都是费用很大的。对每一个阶段在计划与优化之前，必须对于污泥的最终回收利用有一个战略性的决策。比如说，干化后的污泥要利用热能用于燃烧，那就不应该在机械脱水时加用石灰，加用石灰灼烧时，同样会消耗热能。以下，简要地介绍一下污泥的几种不同的应用可能性。为了对不同应用可能性作分析，下面的表4.1列出的一般污泥的主要成份。
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表4.1城市污水厂污泥分析
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4.1 农业利用
从污泥分析数据可以看到，污泥中含有不少的氮，钙，磷，钾可用作高肥土壤。当然，这其中也含有一些有毒物质，象重金属和有机污染物。这很大程度上影响着它是否可作为土壤（肥料）使用。一个常用的改良污泥的办法，就是先烘干，再混入无机肥（氮磷钾），就可作肥料了。
下面的两种可能性可供参考：
（1）将干物质含量90%的已烘干污泥与氮，磷，钾成份相混合。这种混合有一个缺点，就是物质混合后，或早或晚又会重新分离（比如在仓储或是使用期间）。
（2）利用造粒技术，将细小的干污泥颗粒和氮磷钾合成颗粒。
造粒技术有一个优点，就是它的最终产品是固体颗粒状，这可以直接应用于机械化的农业。这种化肥持久耐用，无污染，因为所有的有机病毒都在干化过程中被杀死了，只需监测污泥中重金属含量是否超标。
4.2 土壤改良
一个常用方法，就是将机械脱水后的污泥（干物质含量约20～30%）加入添加剂，使干物质含量至少40%，然后用于土壤改良。常用添加剂为石灰，沙子与粘土。
这个技术有一些缺点，比如：加入添加剂，使运输量提高了；含水量仍较高和存储量也提高。
针对以上问题，可以将其改进，就是将机械预脱水的污泥混入几乎全干的污泥（干物质含量90%），使混合后污泥干物质含量达到70～80%，也可以达到同样作用，同时：不需添加剂；水的输送量和存储量也不高；存储性明显好转。
4.3 焚烧／灰化
从污泥成分分析中可以看出，污泥的焚烧／灰化是唯一可以实现大大减少污泥量的技术。在焚烧污泥技术中，污泥的热值是一个重要的影响因素。
不管是半干化至干物质含量45%，还是全干化至干物质含量90%，污泥干化工艺对每种焚烧技术都有决定性的影响。干化后污泥的焚烧工艺，将在下面的章节叙述。
4.3.1流化床焚烧炉
流化床焚烧技术是利用污泥热能的最常用技术，适用于大处理量。焚烧温度通常为850～950°C，这样一来可以将有毒气体（特别是NOX和CO）量降到最低。这种焚烧工艺最大的优点就是节省能量，不管什么污泥来源，污泥烘干，只需干物质含量达到45%（半干化），不需要额外的热能就可以自己燃烧，到达热平衡，而且焚烧产生的热量足够满足半干化干燥机。
4.3.2 利用现有垃圾焚烧炉
现有垃圾焚烧炉大都采用了先进的技术，配有完善的尾气处理装置，一般可以在垃圾中混入30%的污泥一起焚烧。
主要利用沥青和水泥制造厂的焚烧炉，焚烧干燥后的污泥。甚至是污泥的无机部分（灰渣）也几乎可以完全地被利用于产品之中。
●通过高温焚烧至2000°C，污泥中有机物有害物质被完全分解；
●在焚烧中产生的细小水泥悬浮颗粒，会高效吸附有毒物质；
●污泥灰粉和用于示踪元素一并熔入水泥的产品之中。
应该用的限制在于污泥中的水银含量。只有水银含量低的污泥（小于3 Hg／Kg干物质）才允许焚烧。一般来讲，加入的干污泥量一般占正常燃料（煤）的15%。
4.3.4在火力烧煤发电厂焚烧污泥
经过长期对于发电厂焚烧污泥研究证明，污泥占耗煤总量的10～15%以内，对于尾气净化以及发电站的正常运转没有不利影响。在某些发电站，特别是烧褐煤发电站，污泥只经过机械脱水，就被混入未磨干的褐煤里。煤泥混合物一起干化后，再送入焚烧。这个工艺的趋势还是更倾向于用干化后的污泥。主要优点为：臭味，卫生，传染等问题得以解决；便于装车运输；无论是在烘干站，还是在火电站，都利于仓储，与未磨碎煤的混合性及其燃烧性都得以改善。
5 总结
不少文献对于各种干化工艺以及干化后污泥的应用进行了比较和评价，同时也兼顾了各污水厂污泥本身组成的变化。虽然各种烘干工艺的从减少水份，物料平衡上来比较是类似的，但更重要的是适应各项目的特殊需求，所以就有很多不同点要加以分析。
当然，这些比较与参考数据很大程度上要受到污泥处置系统周围环境的影响。比如：污泥干燥机就设在污水处理厂边，那么就不必有一个特别齐备的装卸系统，特别是节省了大容量的接收和仓储设备。另一个优点可将干燥产生的废汽冷凝水，马上就地送入污水处理池，其中含有的热能也能部分地被回收利用。
另一方面集中性的污泥处理站也有优点，因为处理量大，这样建造和运行的费用低于许多建在各污水厂的分散的小站。这里列举一个半移动式干燥机，这个干燥机的水蒸发功率达1000 Kg／h。它的核心，一个转盘式干燥机，转盘式干燥机结构最紧凑，运行安全，因此比较合适。
污泥干燥机直接配套焚烧炉，非常经济有效，干化污泥所需蒸汽可以很便宜的从焚烧炉尾气处理后得到。另外干燥后的污泥可以不经过仓储和运输而直接送入焚烧。干化产生的有臭味的尾汽可以送入焚烧炉加温除臭。
近几年，在欧盟建造了许多污泥干燥机配焚烧炉，并投入了运行。经验和结果表明，间接烘干工艺成为主流，运用最多。
正是因为这个大趋势的影响，许多供货商都积极地提供不同的接触式热交换面的设计，从可加热的夹层滚筒到蒸汽或导热油加热的热交换器，丰富多彩。关于这些小型干燥机的详细的运行经验，到现在为止发表文章很少。总的来看，前面介绍过的转盘式干燥机由于其应用范围广，同时适合于污泥的半干化和全干化工艺，越来越多地被使用推广。明显的优点在于半干化结合流化床焚烧的能量自给自足。
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