污泥干化和焚烧技术的发展研究

孙湘君

摘要：随着我国城镇化进程加快，市政污水处理量日益增多，作为污水处理重要副产物的污泥处置是城镇污水处理系统的重要组成部分。污泥具有含水率高、体积庞大、气味恶臭、含有大量病菌、寄生虫卵等特点。如果未经处置的污泥随意堆放，将会直接危害人类身体健康。污泥处理处置应遵循源头削减和全过程控制原则，加强对有毒有害物质的源头控制，根据污泥最终安全处置要求和污泥特性，选择适宜的污泥处理工艺。污泥处理处置的目标是实现污泥的减量化、稳定化和无害化;鼓励回收和利用污泥中的能源和资源。坚持在安全、环保和经济的前提下实现污泥的处理处置和综合利用，达到节能减排和发展循环经济的目的。

关键词：污泥处理工艺;污泥干化焚烧

引言

随着我国经济水平的不断发展以及社会对环保的要求越来越高，伴随着越来越多的城市污水处理厂投入运行，污水处理厂污泥的处理处置问题越发引起关注。污水处理厂是城市发展必不可少的设施，可称为“社会之肾”[1]。随着我国污水处理率和排放标准的不断提高，污泥是污水厂处理过程中的副产物，污泥产量呈现逐年快速增长趋势。住建部2020年12月发布的《中国城乡建设统计年鉴》表明，2019年全国城市及县城污水厂产生的污泥量已突破6，512万吨（以含水率80%计）。据E20环境平台预测，我国城市及县城污水厂产生的污泥产量将以每年10%至15%的速度增长。

污泥中富含由污水中吸附、吸收等多种途径获取的有机物、重金属、病原体等有毒有害物质，污泥中含有的有机污染物不易降解、毒性残留时间长，这些有毒有害物质进入水体与土壤中将造成环境污染。而污泥中病原体对人类或动物的污染途径包括直接与污泥接触、水源被病原体污染、病原体先污染土壤后污染水体。如不进行处理会对环境造成二次污染[2]。

面临越来越多的污水排放问题以及在污水处理过程中伴随产生的污泥量也越来越大，其处理处置对各地相关部门的安全生产管理带来了挑战 [3]。目前，国内城市污水处理厂处置污泥的主要手段有卫生填埋[4]、土地利用[5]、焚烧[6-7]以及建材利用[8-9]等。

污泥干化，指的是对污泥进行加热处理，使其含有的水分有效蒸发，继而使得污泥含水量大幅减少。在污泥中，其水分分为细胞水和结合水两种，其蒸发和扩散速率与污泥本身特性有很大的关联。

污泥焚烧主要有4种方法。① 单独焚烧;② 利用现有工业用焚烧炉焚烧;③ 利用现有火力发电厂焚烧;④利用现有的生活垃圾焚烧炉焚烧。

2020年7月，国家发展改革委与住房城乡建设部联合印发了《城镇生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》，提出要加快推进污泥无害化处置和资源化利用。也明确提出要推进污泥无害化资源化处理处置。在土地资源紧缺的大中型城市鼓励采用“生物质利用+焚烧”的处置模式。将垃圾焚烧发电厂、燃煤电厂、水泥窑等协同处置方式作为污泥处置的补充。

现有的垃圾焚烧厂大都采用了先进的焚烧技术，配有完善的尾气处理装置，可以在垃圾中混入适当的污泥一起焚烧。因此，在进行城市污水污泥和生活垃圾混合焚烧时应合理的组织污泥的掺混比例，污泥掺烧量应控制在20%以下可以达到设计的混合焚烧模式。

本篇論文也是针对如何对污泥控飞灰、控结焦的可行性进行研究。

1 污泥干化、污泥焚烧的方式及基本原理

污泥处理先后经过浓缩、机械脱水等步骤进行减量后含水率仍然在70%以上，需要通过干化进一步减小体积以实现污泥深度脱水的目标[10]。

1.1污泥干化

基于接触方式可将污泥千化分为三种：直接传热式、间接传热式、直接-间接联合传热式。干化处理后的污泥含水率明显降低，通常保持在5%-40%之间，能够通过焚烧处置等相关方法实现对污泥的资源化利用[11]。

目前，污泥焚烧基本上有两大类方法，一种是污泥的单独焚烧，另一种是和其他物质混合焚烧。从研究与实践情况看，污泥焚烧可归纳为4种方式，即，污泥单独焚烧、利用水泥炉窑焚烧、火电厂掺烧、垃圾掺烧等。污泥单独焚烧的处理对象一般含水率为75-80%的脱水污泥，由于含水率这么高的污泥其低位热值通常很低，为了保证污泥的稳定燃烧，污泥焚烧前需进行干化处理，对于热值过低的污泥，还需要在焚烧炉中掺入一定量的燃料（煤或油）以供辅助燃烧。污泥单独焚烧需要单独建炉，初期的投资较高。单独焚烧厂建设投资大、运行费用高，因此，住建部不鼓励地方上发展污泥单独焚烧技术，希望各地把污泥焚烧技术的发展重点放在污泥掺烧技术上。可见，我国污泥处置行业未来的发展方向便是干化-焚烧联合处理技术。

然而，从近年来实践情况看，污泥与垃圾共焚烧时，会导致焚烧厂飞灰数量剧增，并出现了炉膛底部结焦频繁的问题。这些新问题的出现，不仅带来了飞灰处置费用大幅提高的问题，而且还导致了炉膛检修频次的明显增加和检修时间延长，从而给焚烧企业带来了运行操作上的困难[12]。

1.2污泥焚烧

污泥焚烧是指在高温下充分燃烧，分解成为气体、焦油及飞灰等残渣。焚烧法具有将污泥稳定化、减量化效果明显，无害化比较彻底、处理速度快，经过预处理后的污泥燃烧工作基础热值相当于劣质煤，可以用于发电和供热等优点。

污泥焚烧作为一种近年来快速发展的处置方式，在我国具有很大的潜力。住建部在2009年发布的“城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策（试行） 建城〔2009〕23号”中提出污泥热干化和污泥焚烧的概念，并指出经济较为发达的大中城市，可采用污泥焚烧工艺。该技术政策提出可以采用干化焚烧的联用方式，提高污泥的热能利用效率;鼓励污泥焚烧厂与垃圾焚烧厂合建;在有条件的地区，鼓励污泥作为低质燃料在火力发电厂焚烧炉、水泥窑或砖窑中混合焚烧。

目前，污泥焚烧主要有4种方法。

① 单独焚烧

直接焚烧工艺一般是指焚烧含水率为75-80%的脱水污泥。由于含水率这么高的污泥的低位热值通常很低，为了保证污泥的稳定燃烧，并对污泥含水率的波动具有一定的适应性，一般都需要在焚烧炉中掺入一定量的燃料（煤或油）以供辅助燃烧，直接焚烧工艺的燃烧效率和热效率一般较低。

② 利用现有工业用焚烧炉焚烧

主要是利用水泥等工业的焚烧炉，焚烧干化的污泥，甚至污泥中的无机部分也几乎可以完全地被利用于产品之中。

③ 利用现有火力发电厂焚烧

经过发电厂焚烧污泥研究证明，污泥占耗煤总量的10%以内，对于尾气净化以及发电厂的正常运转没有不利影响。德国的Berrenroth电厂和Weisweiler电厂将污泥混入到循环流化床锅炉中混合焚烧，煤与污泥混合比例为3：1，脱水污泥的含水率为70%，燃烧各项指标符合德国标准。

④利用现有的生活垃圾焚烧炉焚烧

现有的垃圾焚烧厂大都采用了先进的技术，配有完善的尾气处理装置，可以在垃圾中混入适当的污泥一起焚烧。

2 污泥干化+焚烧处置的优势

污泥干化+ 焚烧，可将脱水污泥有机物、有害物彻底分解，实现重金属离子的高温烧结固化，真正实现污泥减容、 减量、无害化，且排放烟气满足国家环保要求[13]。

焚烧技术是目前污泥处置的较好方法，有几个突出的优点：①焚烧可以大量减小污泥的体积和重量，焚烧灰还可以综合利用，因而最终需要处理的物质很少。②焚烧还可以杀死一切细菌和病原体，一切有机物在燃烧过程中都会最大程度的被分解，病原体和细菌也不例外。通过高温处理，在燃烧残渣内几乎没有细菌和病原体存在。③经过脱水后的污泥的热值相当于褐煤的水平，因此在一定条件下污泥可以自燃而不需要添加额外的辅助燃料，可以回收能量用于发电和供热，这样可以在一定程度上减轻污泥焚烧的费用。此外由于污泥处理速度快，不需长期储存，焚烧过程可以解决污泥的恶臭问题。

3 污泥干化-污泥焚烧联合技术研究

由于城市污水厂污泥的可燃物质复杂，城市生活垃圾更是种类繁多、成分复杂、大小各异既有无机物又有有机物。同时，污泥含水率对污泥焚烧影响较大，如果污泥掺入生活垃圾中的比例过多，会引起混合试样的热值降低，单位重量的发电量降低，混合比例过高，甚至会发生不能够着火，影响混合燃烧运行。城市污水厂污泥和生活垃圾混合焚烧的特点如下：①燃烧的过程大致可以分为4个阶段：1）水分的挥发阶段;2） 挥发份的析出及燃烧阶段;3） 固定碳燃烧;4） 燃烬阶段。②垃圾及污泥的着火温度都很低，对于城市污水厂污泥和生活垃圾混合焚烧，随着城市污水厂污泥比例的增加，混合试样的着火温度上升，当污泥掺烧量仅为10%～20%时，其着火温度相差不大，但当污泥掺烧量达到30%、40%时，混合试样的着火温度明显上升。③随着试样中城市污水厂污泥比例的增加，混合试样的最大失重速率和平均失重速率有下降的趋势，混合试样的DTG峰变宽，说明混烧后燃烧在时间上表现的更加均匀，但燃烧的剧烈程度下降。④ 污泥掺入垃圾混烧后，随着试样中污泥比例的增多，可燃性指数C值和燃烧特性指数S值均变小，尤其是当污泥的混合比例超过30%后，C和S值明显下降，说明其综合燃烧的性能变差。

对于城市污水厂污泥和生活垃圾混烧，应该合理的控制污泥掺烧量，最好污泥掺烧量应控制在20%以下。总之，城市污水厂污泥和生活垃圾混合燃烧，表现出和单独生活垃圾燃烧不同的特性，隨着试样中城市污水厂污泥所占比例的增加，着火温度推迟，燃烬温度提前，但综合燃烧的性能下降，尤其是混合比例超过30%后，C和S值下降更加明显。因此，在进行城市污水污泥和生活垃圾混合焚烧时应合理的组织污泥的掺混比例，污泥掺烧量应控制在20%以下。

3.1污泥掺烧中控飞灰、控结焦问题的发现及原理性认识

污泥干化-焚烧联合技术虽然能够使污泥体积最小化，有效杀灭病菌，但是其能耗较高，并且具有一定危险性。所以，依托现有技术改进污泥干化和焚烧工艺、严格控制能耗、消除安全隐患不仅是污泥处理的未来发展趋势，亦符合国家提出的可持续发展理念。

为解决当前污泥与垃圾共焚烧中焚烧飞灰过多、炉膛底部易于结焦的行业问题，污泥干化-焚烧联合技术需要更深入的研究污泥与垃圾混合比例、污泥含水率、污泥颗粒度及颗粒硬度等运行参数对炉膛结焦、飞灰产生量的影响，并且将污泥干化处理后制备成污泥棒状颗粒后与垃圾一同焚烧。

城市污水处理厂污泥主要由初沉池污泥和二沉池剩余污泥组成[14]，剩余污泥本质上是微生物的聚集体。微生物细胞颗粒细小，比重小，在含水率低于40%以下，由于胞外聚合物的粘性遭到破坏，污泥粘度迅速降低[15]。在焚烧酌减过程中，污泥失水后，污泥团块在炉内搅动、炉膛风压等的作用下发生解体，焚烧后形成大量轻质灰分，随烟气逸出，因此，污泥焚烧后，残留灰渣量小，但从烟气中捕集到的飞灰量大[16]。污水厂污泥中含有大量的钾、钙、镁、硫、铁等元素，在进行脱水时，这些金属元素的化合物熔点较低，在焚烧温度超过1000℃的炉膛中易发生熔化，熔化的金属化合物易在炉膛壁上冷却凝固，从而引起炉膛结焦。可见，污泥焚烧过程中由于机械搅动、气体搅动而引起的飞灰扬起，即是炉壁结焦的主因[17，18]，利用垃圾焚烧厂处理处置的污泥，需要满足一定的条件，主要体现在污泥含水率以及污泥热值上。其他的污泥在含水率为80%左右时，污泥干化预处理的目的除了控制污泥含水率外，还要克服污泥焚烧过程中大量飞灰随烟气逃逸及焚烧炉壁频繁发生结焦的问题。从上海环境集团摸索的经验看，但污泥含水率降低到20-30%时，可将污泥制备成密实度高、抗压与抗折的污泥颗粒，可见，污泥含水率的控制非常重要。

4 结论

研究结果表明相比较于未添加任何药剂的污泥的干基含水率明显低于污泥中添加不同含量的成型药剂后的含水率。说明成型药剂的添加可以显著改善污泥的含水率，达到污泥干化预处理的目的。基于污泥干化速率指标分析，当成型剂添加量为6%时，与未添加药剂相比，污泥干化速率可提高20%以上， 药剂添加后可以明显改善污泥干化速率与效果

成型药剂的添加可以实现污泥在较高的含水率情况下，达到造粒要求的同时也可以保证造粒后的污泥拥有较强的抗压强度，最终确定了“加入成型剂-混合-快速干化-造粒”的污泥控飞灰、控结焦的高效处理方案。可以满足污泥焚烧的要求和节能的要求。

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