城市污水处理厂污泥干燥焚烧处理的可行性研究
一、概述
在城市污水处理过程中，不可避免的将产生含有大量有机物、丰富的氮、磷以及重金属物质，含水率很高的污泥。随着污水处理率及处理程度的提高，污泥产量不可避免的会随之愈来愈大，致使污泥的处置问题日益严重。污泥是城市污水处理厂的必然副产物，污泥的共同特点是水份很高，一般可达25～98％，体积庞大，不易处理。污泥对环境的危害主要包括使水源水质恶化，污染土壤和农作物等。随着人们生活水平的提高和生产规模的扩大，污泥这种污染物质的危害性也日益明显。污泥的适用处理技术应使污泥减容、稳定化和无害化。
二、国内外污泥处理技术及其发展趋势
1、欧盟国家污泥处理技术发展趋势
目前国外广泛采用的污泥处置技术可以归纳为三大类：① 土地处置，包括污泥农用和应用于森林或园艺；② 单独或者与生活垃圾等共同填埋；③ 热处置。
由于可使用土地面积、处理成本、越来越严格的环境标准以及资源回收政策的普及等因素，欧盟国家普遍认识到污泥的填埋处置不是一种可持续的发展方法，许多成员国对填埋污泥的物理性质有了正式或实验性的限制，这种限制是基于促进污泥有机物质的利用以及减少填埋场甲烷气体和渗滤液的考虑而制定的。也有观点认为污泥的热干燥是克服这种限制的一种解决办法，但是在对填埋污泥有机物总量进行限制的国家，这仅仅是一种短期的补救办法，故在不久的将来，德国、法国、丹麦以及其它国家，可能仅有污泥焚烧灰是适宜于填埋的污泥形式。
2、石洞口污泥干化焚烧系统
上海市石洞口污泥干化焚烧厂是国内第一家污泥焚烧处理的工程实例，日焚烧干污泥220吨，采用污泥浓缩-机械脱水-流化床干化-流化床焚烧的工艺路线，设备主要以进口设备为主，2004年底正式投入运行，开辟了国内污泥处理处置的新路线。
上海石洞口污水处理厂采用活性污泥法，污水量大、产泥量也大，如果采用填埋法处置污泥，在石洞口附近合适区域会面临占地面积较大而难以寻找处置场的问题，二级污水处理厂污泥有较高的热值，在一定的含水率以下，具有自身持续燃烧的可能，因此石洞水污水处理厂污泥采用焚烧法处置。
由于污泥干化和污泥焚烧相结合比单污泥焚烧一次性投资少，处理成本低，故污泥干化往往是焚烧的前处理。污泥干化可使污泥含水率控制在10％～40％，减少了污泥的体积和重量，降低了运输费和填埋费，而且污泥的臭味大为减少。
上海市石洞口污泥干化焚烧厂污泥处理系统主要由流化床污泥干化装置、流化床污泥焚烧炉和烟气净化装置等组成。污泥干化所需热量由干化后的污泥焚烧余热提供，不用辅助燃料，系统可实现热量自平衡。从污泥无害化和减量化看，焚烧方案有明显的优点。焚烧后少量的泥灰可用于混凝土、砖瓦制品、路基路面的骨料和工程建设的回填土。
三、污泥焚烧特性分析
根据已经进行的污泥特性试验，污泥（干态）分析基在物理性质、元素分析、工业分析和低位发热量等方面与褐煤有许多相似之处，尤其灰分和低位发热量相近，固定碳的含量则低得多，所以可充当低档燃料使用。
同时，污泥的焚烧特性与煤又有一定的差异，它有较低的分解温度、起燃温度和燃尽温度，燃烧完全所需的时间也较少。产生这种差别的主要原因是由于它们具有不同的组成和结构，污泥主要由低级的有机物组成，如氨基酸、腐殖酸、细菌及其代谢产物、多环芳烃、杂环类化合物、有机硫化物、挥发性异臭物、有机氟化物等，其结构比较简单，并且已经过二级生物氧化，受到不同程度的分解破坏，易于高温分解；而煤主要由多环芳烃网状物组成，结构致密，含碳量高，受高温不易分解，分解所需时间长。
此外，污泥中SO2、NOx 的释放温度均低于煤。一般污泥中的硫以有机硫的形式存在，硫铁矿硫及硫酸盐硫含量很少，而煤中的有机硫含量较低，硫铁矿硫及硫酸盐硫占多数，有机硫在高温下易于分解、挥发，而硫铁矿硫结合较牢固，分解需要一个过程，因此污泥易于释放SO2 。试验表明，在含硫量相同的条件下，污泥释放的SO2 比煤高出4倍。类似地，污泥中的氮主要以有机氮的形式存在（蛋白质氮、低级脂肪胺等），有机氮在高温下容易挥发；煤中的氮主要以杂环型氮的形式存在，杂环形氮的分解需要一个过程，这种结构形式的差异决定了氮分解温度的不同。
从以上分析可以看出，干态污泥比煤容易燃烧。但是脱水污泥因含有70 %～80 %水分，燃烧工况完全不同（脱水污泥的低位发热量仅为2,713～971 kJ / kg），为了使脱水污泥能在锅炉中直接燃烧，一般都需添加适量辅助燃料（煤或油）稳燃，但这样需要消耗大量煤或油及其它能源。
四、污水厂污泥干燥焚烧循环系统设计方案
1、方案选择
污泥处置方案多种多样，但最终目的都是要达到无害化、减量化、资源化的目标。
目前已有的主要污泥处理处置工艺包括：填埋、消化、堆肥、干化、焚烧、湿式氧化、冻结熔融法、高温烧结法等等。选用何种工艺必须与当地的实际情况相适应。
国内大多数污水处理厂的污泥处置以外运填埋为主，主要有：
（1）脱水后（含水率70 %～80 %左右）的污泥直接外运。
有些是运至生活垃圾填埋场合并处理，由于含水率太高，导致填埋场作业困难，并且也会大量占用填埋场库容；有些是随处倾倒，导致二次污染；也有些作为农肥直接施入农田。由于直接脱水的污泥未经高温处理，其中含有大量病原菌，会影响人民的身体健康。总之，单独的脱水外运工艺还不能称其为合格的污泥处理、处置工艺。
（2）消化稳定后脱水处理再外运。
该工艺相对有所改进，由于污泥经过消化处理，杀灭了绝大多数病原菌，并且还能产生沼气供生产、生活使用，基本做到了无害化，并且也有一定的资源化意义。但是，该工艺仍待解决处置高含水率脱水污泥的问题。
（3）直接焚烧脱水污泥。
该工艺虽然理论计算可行，并在一些小型的污水厂已有采用，但实际运行效果欠佳，主要原因是设备不成熟，运行管理难度大，需要添加大量的辅助燃料,运行成本高。
（4）干化后的污泥作为农肥使用。
采用热工方法烘干脱水污泥，在有些污水处理厂已经采用，运行情况尚可。由于干化工艺需要大量使用热量，有比较高的运行成本。
2、污水厂污泥干化焚烧是目前可行和合理的方案
无论是从经济因素，还是从肥效利用因素出发，污泥的土地利用特别是污泥的农用都是一种符合我国国情的处置方法。但由于污水厂污泥中部分重金属含量接近或者超过了我国农用污泥中污染物控制标准，这就部分限制了污水厂污泥的农业应用。因此，在考虑采用污泥农用部分污泥的同时，必须寻找其它适合的污泥处置方法。
污水厂污泥干化焚烧是近年来国内外研究的重要课题，热干化按加热方式可分为直接和间接加热，直接加热方式热效率较高，其干化过程一般通过回转圆筒式干燥机、带式流化床等来实现。
热干化是利用热能将污泥烘干，干化后的污泥呈颗粒或粉末状，体积仅为原来的1/5～1/4，而且由于含水率在10%以下微生物活性完全受到抑制而避免了产品发霉发臭，其高温灭菌较为彻底。
污泥焚烧可利用污泥中丰富的生物能将其作为干化污泥的燃烧热源，甚为便简。焚烧过程中所有的病菌、病源体均被彻底杀灭、有毒有害的有机残余物被氧化分解。
采用焚烧法处理污泥与其它处理方法相比, 有以下突出的优点：
（1）污泥的处理速度快, 不需要长期储存；
（2）污泥可就地焚烧，不需要长距离运输。
流化床燃烧技术具有燃烧效率高，负荷调节范围宽，污染物排放低，炉内燃烧强度高，适合燃用低热值燃料等优点。
因此，根据石洞口污水处理厂采取对脱水污泥进行低温干化高温焚烧联合处理的成功经验，采用目前相对较成熟的流化床干化工艺，使污泥中水分在较低的温度下蒸发，以较少的热量降低含水率。焚烧采用循环流化床焚烧炉，通过焚烧干化污泥，以导热油（或蒸汽）形式回收烟气中热量，并将回收的热量用于干化系统，提高系统的热效率，使整个系统的热量处于平衡状态，这是目前可行和合理的方案。
3、污泥干燥焚烧循环系统及其设计方案
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为了彻底改变污泥处理进口设备投资大、运行成本高的现实问题，在总结已有工程和现有技术的基础上，根据石洞口污水处理厂采取对脱水污泥进行低温干化高温焚烧联合处理的成功经验并经过国产化改进，总结自身长期从事锅炉和干燥设备的优势，并借鉴国外污泥处理的经验，采取“以废治废”和“量身定做”的务实原则，开发了适合中国国情的污泥资源化利用装置，获得国家专利（ZL2004 2 0054749.6），并且经过多个污泥处理项目实际应用和通过了国家环保测试，被确定为国家级重点推广的污泥处理技术之一。
处理对象：印染污泥、造纸污泥、化纤污泥、城市污水处理厂污泥、生物发酵菌渣、制革污泥、石化污泥等。
单台设备污泥处理量：50～150 吨/天；
处理前污泥平均水分：80～85%
常用的污泥干燥热源：烟道排放废气（电厂锅炉、工业锅炉、导热油锅炉、窑炉、化工设施）或焚烧烟气（干污泥循环燃烧、发酵沼气、工业废渣、生物质垃圾）。
常用的干污泥利用方式：作为能源焚烧利用、送到砖厂生产轻型砖、送到水泥厂生产水泥、作为慢速释放肥料、作为土壤改良剂。
污泥处理的目的：完全无害化，不需要长途运输，内在热量充分利用产生效益，大幅度减容（95%以上），真正做到了无害化、减量化、稳定化、资源化、低成本化的处理，没有环保后顾之忧。
设计原则
a.各种污染物排放严格达到国家相关环保排放要求；
b.采用最先进的污泥流化床干燥专利技术，保证设备长期连续稳定运行；
c.采用干污泥循环焚烧利用工艺，“以废治废”，降低污泥处理成本；
d.保证达到设计污泥处理量，并考虑一定的余量；
e.尽量减少污泥处理系统的占地面积，根据企业场地情况灵活布置。
设计参数
a.污泥设计处理量：100吨/天（示范案例取值）；
b.污泥进料平均水份：80～85%（用户提供）；
c.污泥干燥后水份控制范围：20～30%（运行测试数据）；
d.干污泥低位燃烧热值：2000～2500kcal/kg（测试平均值）；
e.辅助煤设计燃烧热值：4500～5500kcal/kg（市场普通燃料煤）。
系统介绍（污泥干燥焚烧处理流程图见附件）
a.污泥上料系统（2套）：由污泥皮带输送机、污泥料槽、污泥专用给料机等组成。污泥输送机和给料机采用远程无级调速控制；
b.污泥干燥系统（2套）：由污泥干燥室、机械破碎装置、强化传热装置等组成。污泥首先进入带有强化传热装置和强化混合装置的污泥干燥室，热烟气与湿污泥两相接触传热干化，干燥后的污泥自动进入收集系统；
c.污泥收集和输送系统（2套）：干燥后的污泥干粉经过高效细粉收集系统收集，由自动排出阀连续排出进入中间仓，由干污泥输送装置送到焚烧炉进料口，利用一次风送入焚烧炉焚烧利用；
d.污泥焚烧炉和二次燃烧调温室（1套）：采用最先进的“浅床式流化床技术”（SFBC），使污泥干粉和灼热的底料在流化床内颗粒呈沸腾状态，完全混合，在短时间内可使污泥迅速焚化，形成自持稳定燃烧，燃烧效率很高。二次燃烧风和混合风高速旋流射入二次燃烧调温室，产生强烈的扰动，形成了强烈的二次燃烧，进一步提高燃烧效率。
e.辅助煤上料系统（1套）：主要用于系统启动初期和底料循环补充，由垂直式提升装置、料斗、螺旋给料机等组成。用小车将辅助煤和循环底料倒入提升斗，由垂直式提升装置将物料送入料斗，给料机给料量由控制台远程控制。
f.平衡通风系统（1套）：由焚烧炉鼓风机、一二次供风系统、引风机、烟囱等组成。干燥装置、细粉捕集器、引风机、烟囱之间均配有全密封金属烟道，高温烟道外部配有保温材料，低温烟道内外防腐处理。
g.电气仪表系统（1套）：污泥料槽上方设有电视监视器，运行人员可以根据料槽内污泥料位高低启动输送机。污泥焚烧室（3处）、二次燃烧调温室、干燥室（3处）内均设有温度测点，对污泥焚烧和干燥情况进行实时监控。焚烧室、干燥室内设有压力监控装置，保证系统负压运行。引风机降压启动，所有电动设备均采用控制台集中控制。
h.烟气净化洗涤系统（1套）：含尘烟气经过污泥干燥器和细粉捕集器后，粉尘含量已经很低，为了适应日益提高的环保排放标准，在引风机前设置了烟气洗涤装置，抽取澄清废水对烟气进行湿法洗涤脱硫除尘，将微小颗粒粉尘进一步除去，进一步提高除尘效率，同时调节废水中的碱性可以与烟气中的SO2反应，达到脱酸脱臭除尘三重效果，保证烟气达标排放。
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