摘要:城市污水處理廠產(chǎn)生的污泥 ,越來越受到廣大給水排水工作者的重視。結(jié)合上海市石洞口城市污水處理廠選擇的污泥干化焚燒工藝 ,介紹了一般城市污水處理廠污泥的性質(zhì)、污泥干化焚燒的工藝流程和控制參數(shù) ,同時(shí)簡要給出了投資及運(yùn)行費(fèi)用方面的情況。

關(guān)鍵詞:污水處理廠.污泥,干化,焚燒,上海市

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 ,工業(yè)廢水、生活污水的排放量日益增加 ,為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境 ,保護(hù)人民的身體健康 ,提高水環(huán)境質(zhì)量 ,污水必須經(jīng)過凈化處理達(dá)標(biāo)后才能排放。污水在處理過程中 ,會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的有機(jī)污泥 ,這些廢棄物含水率高 ,有機(jī)物含量高 ,容易腐爛發(fā)臭 ,如果得不到有效處置 ,會(huì)嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)丨h(huán)境質(zhì)量 ,造成二次污染。

如何妥善處理處置這些廢棄物 ,已成為建設(shè)完整城市污水處理廠 ,提高技術(shù)水平和管理水平的重要因素。上海市石洞口城市污水處理廠從立項(xiàng)之初 ,就充分考慮污泥處理處置工程的建設(shè)。為此 ,我們對(duì)國內(nèi)外已有的污泥處理處置工藝進(jìn)行了充分的研究 ,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合上海市石洞口污水處理廠的特點(diǎn) ,推薦干化焚燒處理工藝 ,使污泥得到最終處置。

1 　污泥量
石洞口城市污水處理廠設(shè)計(jì)水量為40 萬m3/ d。采用具有除磷脫氮功能的一體化活性污泥法作為污水處理工藝,處理對(duì)象為城市污水(含有大量以化工、制藥、印染廢水為主的工業(yè)廢水) ,產(chǎn)生的污泥量為64 t/ d 干泥,經(jīng)脫水后含水率為70 % ,污泥體積為213 m3/ d。
根據(jù)現(xiàn)狀水質(zhì)水量的特點(diǎn),石洞口城市污水處理廠運(yùn)行初期,由于水量在30 萬m3/ d 左右,產(chǎn)生的污泥量將低于設(shè)計(jì)規(guī)模。隨著收集系統(tǒng)的不斷完善,雨污分流現(xiàn)象的逐步改善,水量將逐年增加,水質(zhì)會(huì)不斷提高,最終將達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷。
2 　污泥特性
對(duì)于不同的污泥處理處置工藝需要了解污泥各方面的特性。石洞口城市污水處理廠各階段的污泥含水率見表1 。

采用不同的脫水工藝其脫水污泥的含水率是不同的,大致范圍是65 %～85 %。對(duì)于后續(xù)干化焚燒處理工藝,脫水污泥的含水率直接影響到后續(xù)處理構(gòu)筑物的規(guī)模以及干化焚燒的熱量平衡,理論上越低越好,但是機(jī)械脫水程度越高,設(shè)備投資會(huì)增加,加藥量也會(huì)增加,處理成本隨之提高,因此合理選擇設(shè)計(jì)含水率很重要。
污泥的元素分析和工業(yè)分析數(shù)據(jù)與污泥焚燒系統(tǒng)的計(jì)算關(guān)系密切。根據(jù)有關(guān)資料和本工程針對(duì)性試驗(yàn)測試資料,石洞口城市污水處理廠污泥元素分析見表2 ,污泥工業(yè)分析見表3 ,低位發(fā)熱量測定值見表4 ,污泥成分測定見表5 。

根據(jù)已經(jīng)進(jìn)行的污泥特性試驗(yàn),污泥(干態(tài)) 分析基在物理性質(zhì)、元素分析、工業(yè)分析和低位發(fā)熱量等方面與褐煤有許多相似之處,尤其灰分和低位發(fā)熱量相近,固定碳的含量則低得多,所以可充當(dāng)?shù)蜋n燃料使用。
同時(shí),污泥的焚燒特性與煤又有一定的差異,它有較低的分解溫度、起燃溫度和燃盡溫度,燃燒完全所需的時(shí)間也較少。產(chǎn)生這種差別的主要原因是由于它們具有不同的組成和結(jié)構(gòu),污泥主要由低級(jí)的有機(jī)物組成,如氨基酸、腐殖酸、細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物、多環(huán)芳烴、雜環(huán)類化合物、有機(jī)硫化物、揮發(fā)性異臭物、有機(jī)氟化物等,其結(jié)構(gòu)比較簡單,并且已經(jīng)過二級(jí)生物氧化,受到不同程度的分解破壞,易于高溫分解;而煤主要由多環(huán)芳烴網(wǎng)狀物組成,結(jié)構(gòu)致密,含碳量高,受高溫不易分解,分解所需時(shí)間長。
此外,污泥中SO2 ,NOx 的釋放溫度均低于煤。一般地,污泥中的硫以有機(jī)硫的形式存在(80 %以上) ,硫鐵礦硫及硫酸鹽硫含量很少,而煤中的有機(jī)硫含量較低,硫鐵礦硫及硫酸鹽硫占多數(shù),有機(jī)硫在高溫下易于分解、揮發(fā),而硫鐵礦硫結(jié)合較牢固,分解需要一個(gè)過程,因此污泥易于釋放SO2 。試驗(yàn)表明,在含硫量相同的條件下,污泥釋放的SO2 比煤高出4 倍。類似地,污泥中的氮主要以有機(jī)氮的形式存在(蛋白質(zhì)氮、低級(jí)脂肪胺等) ,有機(jī)氮在高溫下容易揮發(fā);煤中的氮主要以雜環(huán)型氮的形式存在,雜環(huán)形氮的分解需要一個(gè)過程,這種結(jié)構(gòu)形式的差異決定了氮分解溫度的不同。
從以上分析可以看出,干態(tài)污泥比煤容易燃燒。但是脫水污泥因含有70 %～80 %水分,燃燒工
況完全不同(脫水污泥的低位發(fā)熱量僅為2 713～971 kJ / kg) ,為了使脫水污泥能在鍋爐中直接燃燒,一般都需添加適量輔助燃料(煤或油) 穩(wěn)燃。
理論上脫水污泥含水率在70 %時(shí),可以不加輔助燃料,實(shí)現(xiàn)直接燃燒,但是由于污泥中的水分在高溫下蒸發(fā)(850 ℃以上) ,會(huì)損失大量熱能,所以必須通過高效的高溫空氣預(yù)熱器回收這些熱量,并將助燃空氣預(yù)熱到600 ℃以上。就目前的工程技術(shù)水平而言較難實(shí)現(xiàn)。采用目前相對(duì)較成熟的低溫干化工藝,使污泥中水分在較低的溫度下蒸發(fā),以較少的熱量降低含水率,提高系統(tǒng)的熱效率,使整個(gè)系統(tǒng)的熱量處于平衡狀態(tài)。
3 　方案選擇
污泥處置方案多種多樣,但最終目的都是要達(dá)到無害化、減量化、資源化的目標(biāo)。
目前已有的主要污泥處理處置工藝包括:填埋、消化、堆肥、干化、焚燒、濕式氧化、凍結(jié)熔融法、高溫?zé)�結(jié)法等等。選用何種工藝必須與當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況相適應(yīng)。
國內(nèi)大多數(shù)污水處理廠的污泥處置以外運(yùn)填埋為主,主要有:
(1) 脫水后(含水率70 %～80 %左右) 的污泥直接外運(yùn)。有些是運(yùn)至生活垃圾填埋場合并處理,由于含水率太高,導(dǎo)致填埋場作業(yè)困難,并且也會(huì)大量占用填埋場庫容;有些是隨處傾倒,導(dǎo)致二次污染;也有些作為農(nóng)肥直接施入農(nóng)田。由于直接脫水的污泥未經(jīng)高溫處理,其中含有大量病原菌,會(huì)影響人民的身體健康�？傊�,單獨(dú)的脫水外運(yùn)工藝還不能稱其為合格的污泥處理、處置工藝。
(2) 消化穩(wěn)定后脫水處理再外運(yùn)。該工藝相對(duì)有所改進(jìn),由于污泥經(jīng)過消化處理,殺滅了絕大多數(shù)__病原菌,并且還能產(chǎn)生沼氣供生產(chǎn)、生活使用,基本做到了無害化,并且也有一定的資源化意義。但是,該工藝仍待解決處置高含水率脫水污泥的問題。
(3) 直接焚燒脫水污泥。該工藝雖然理論計(jì)算
可行,并在一些小型的污水廠已有采用,但實(shí)際運(yùn)行效果欠佳,主要原因是設(shè)備不成熟,運(yùn)行管理難度大,需要添加大量的輔助燃料,運(yùn)行成本高。
 (4) 干化后的污泥作為農(nóng)肥使用。采用熱工方法烘干脫水污泥,在上海金山石化總廠污水處理廠已經(jīng)采用,運(yùn)行情況尚可。由于干化工藝需要大量使用熱量,而金山石化總廠有熱能(蒸汽) 資源供使用,可以大大降低造價(jià)和運(yùn)行成本,這是它成功的關(guān)鍵。但是對(duì)于大多數(shù)污水處理廠而言缺乏這樣的條件。在總結(jié)已有工程和現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)石洞口城市污水處理廠特點(diǎn)采取對(duì)脫水污泥進(jìn)行低溫干化高溫焚燒聯(lián)合處理的工藝方案。同時(shí)污泥焚燒裝置能兼顧焚燒干化污泥和替代燃料。當(dāng)污泥可以作為綠化基質(zhì)土或其他用途時(shí),使用替代燃料焚燒,產(chǎn)生的熱量干化污泥,干化污泥綜合利用,當(dāng)污泥重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)或污泥出路困難時(shí),直接焚燒干化污泥產(chǎn)生的熱量提供干化使用。
4 　方案介紹
污泥處理處置工藝的推薦流程見圖1 。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

干化焚燒聯(lián)合處理工藝主要采用低溫干化和高溫焚燒二套系統(tǒng)串聯(lián)運(yùn)行。通過招標(biāo),確定采用流化床干化工藝,可將脫水污泥含水率從70 %左右降至10 %左右(最低可至5 %) 。焚燒采用循環(huán)流化床焚燒爐,通過焚燒干化污泥,以導(dǎo)熱油(或蒸汽) 形式回收煙氣中熱量,并將回收的熱量用于干化系統(tǒng)。該聯(lián)合工藝可以達(dá)到能量的自平衡。設(shè)計(jì)時(shí),考慮到污泥參數(shù)可能產(chǎn)生波動(dòng),我們對(duì)系統(tǒng)的整體熱能平衡條件進(jìn)行了反復(fù)校核,得到兩種最低限度的平衡條件:
(1) 脫水污泥含水率為75 %時(shí),污泥熱值必須
大于12 560 kJ / kg 干固體,否則添加燃煤輔助燃燒。
(2) 脫水污泥含水率為70 %時(shí),污泥熱值必須
大于10 258 kJ / kg 干固體,否則添加燃煤輔助燃燒。本工程設(shè)計(jì)污泥參數(shù):脫水污泥含水率70 % ,污泥燃燒熱值11 304～15 491 kJ / kg 干固體,從計(jì)算結(jié)果分析,該系統(tǒng)抗負(fù)荷波動(dòng)的能力是相當(dāng)強(qiáng)的。
4．1 　干化工藝
干化工藝是本系統(tǒng)的核心工藝。由于干化污泥具有易燃、易分解的特點(diǎn),為保證安全和衛(wèi)生,干化系統(tǒng)內(nèi)必須保證低溫、低氧狀態(tài)。同時(shí)由于污泥在40 %～60 %含水率時(shí)具有易粘結(jié)的特性,因此選用設(shè)備必須防止污泥粘結(jié)在換熱面,從而降低熱效率,甚至影響運(yùn)行。經(jīng)過多次方案比較和設(shè)備招標(biāo),最終選用了進(jìn)口流化床低溫干化系統(tǒng)。該系統(tǒng)干化溫度為85 ℃,系統(tǒng)內(nèi)控制含氧量< 4 %。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用流化床干化機(jī)。干化過程在流化床內(nèi)進(jìn)行,流化床底部布置蒸汽盤管�？諝鈴拇驳捉�(jīng)過盤管加熱后進(jìn)入床身,熱空氣一方面使床身中的污泥處于流動(dòng)化,防止污泥粘結(jié),另一方面也與污泥進(jìn)行充分換熱,蒸發(fā)其中的水分,蒸發(fā)出來的水分和空氣一起被引入洗滌冷卻塔內(nèi),經(jīng)噴淋后,水分被去除,余下的干空氣則循環(huán)使用。經(jīng)干化后的污泥含水率降為5 %～10 %。干化系統(tǒng)每蒸發(fā)1 t水分,消耗熱能為2 800 kJ 。
4．2 　焚燒工藝
經(jīng)干化系統(tǒng)處理后的污泥儲(chǔ)存在干污泥料倉中,通過輸料機(jī)送入焚燒爐,在投加污泥的同時(shí),可以投加生石灰(用于脫硫) 。投加的干污泥經(jīng)爐內(nèi)預(yù)置的床砂加熱后迅速升溫,并開始著火燃燒,經(jīng)燃燒后的污泥被循環(huán)流化床床身內(nèi)的高速氣流帶出,通過熱旋風(fēng)分離器,將其中比重較大的未燃盡顆粒收集下來,然后重新送入焚燒爐焚燒,燃盡后的輕小顆粒和高溫?zé)煔庖黄疬M(jìn)入后續(xù)煙道。煙道內(nèi)布置余熱鍋爐、空氣預(yù)熱器用于回收熱量。煙氣排出前通過半干法脫硫和布袋除塵器除塵,參照《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》( GB18485 -2001) 的排放標(biāo)準(zhǔn)排放由于干化污泥燃燒特性接近褐煤,經(jīng)過循環(huán)流化床焚燒爐現(xiàn)場試驗(yàn),其焚燒特性良好,因此許多國內(nèi)廠家均有能力配套,技術(shù)也相當(dāng)成熟,采用國產(chǎn)的流化床焚燒爐。
5 　投資及運(yùn)行費(fèi)
本工程預(yù)計(jì)投資8 000萬元(含干化和焚燒設(shè)備、土建、自控及輔助設(shè)施) ,運(yùn)行費(fèi)用160 元/ t 濕污泥(含水率為70 % ,并包含電費(fèi)、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)、維修費(fèi)等) 。
6 　結(jié)語
采用干化焚燒聯(lián)合工藝處理污泥,做到了對(duì)城市污水處理廠固體廢棄物的無害化、減量化,并有一定的資源化意義。其運(yùn)行費(fèi)用雖有所增加,但是低于垃圾焚燒的運(yùn)行費(fèi)用。
聯(lián)合處理工藝尤其適宜于土地資源緊張、環(huán)境要求較高、經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的城市選用。