城市汙水處理廠汙泥幹燥焚燒處理的可行性研究

一、概述

在城市汙水處理過程中，不可避免的將產生含有大量有機物、豐富的氮、磷以及重金屬物質，含水率很高的汙泥。隨著汙水處理率及處理程度的提高，汙泥產量不可避免的會隨之愈來愈大，致使汙泥的處置問題日益嚴重。汙泥是城市汙水處理廠的必然副產物，汙泥的共同特點是水份很高，一般可達25～98%，體積龐大，不易處理。汙泥對環境的危害主要包括使水源水質惡化，汙染土壤和農作物等。隨著人們生活水平的提高和生產規模的擴大，汙泥這種汙染物質的危害性也日益明顯。汙泥的適用處理技術應使汙泥減容、穩定化和無害化。

二、國內外汙泥處理技術及其發展趨勢

1、歐盟國家汙泥處理技術發展趨勢

目前國外廣泛采用的汙泥處置技術可以歸納為三大類：① 土地處置，包括汙泥農用和應用於森林或園藝;② 單獨或者與生活垃圾等共同填埋;③ 熱處置。

由於可使用土地麵積、處理成本、越來越嚴格的環境標準以及資源回收政策的普及等因素，歐盟國家普遍認識到汙泥的填埋處置不是一種可持續的發展方法，許多成員國對填埋汙泥的物理性質有了正式或實驗性的限製，這種限製是基於促進汙泥有機物質的利用以及減少填埋場甲烷氣體和滲濾液的考慮而製定的。也有觀點認為汙泥的熱幹燥是克服這種限製的一種解決辦法，但是在對填埋汙泥有機物總量進行限製的國家，這僅僅是一種短期的補救辦法，故在不久的將來，德國、法國、丹麥以及其它國家，可能僅有汙泥焚燒灰是適宜於填埋的汙泥形式。

2、石洞口汙泥幹化焚燒係統

上海市石洞口汙泥幹化焚燒廠是國內第一家汙泥焚燒處理的工程實例，日焚燒幹汙泥220噸，采用汙泥濃縮-機械脫水-流化床幹化-流化床焚燒的工藝路線，設備主要以進口設備為主，2004年底正式投入運行，開辟了國內汙泥處理處置的新路線。

上海石洞口汙水處理廠采用活性汙泥法，汙水量大、產泥量也大，如果采用填埋法處置汙泥，在石洞口附近合適區域會麵臨占地麵積較大而難以尋找處置場的問題，二級汙水處理廠汙泥有較高的熱值，在一定的含水率以下，具有自身持續燃燒的可能，因此石洞水汙水處理廠汙泥采用焚燒法處置。由於汙泥幹化和汙泥焚燒相結合比單汙泥焚燒一次性投資少，處理成本低，故汙泥幹化往往是焚燒的前處理。汙泥幹化可使汙泥含水率控製在10%～40%，減少了汙泥的體積和重量，降低了運輸費和填埋費，而且汙泥的臭味大為減少。

上海市石洞口汙泥幹化焚燒廠汙泥處理係統主要由流化床汙泥幹化裝置、流化床汙泥焚燒爐和煙氣淨化裝置等組成。汙泥幹化所需熱量由幹化後的汙泥焚燒餘熱提供，不用輔助燃料，係統可實現熱量自平衡。從汙泥無害化和減量化看，焚燒方案有明顯的優點。焚燒後少量的泥灰可用於混凝土、磚瓦製品、路基路麵的骨料和工程建設的回填土。

三、汙泥焚燒特性分析

根據已經進行的汙泥特性試驗，汙泥(幹態)分析基在物理性質、元素分析、工業分析和低位發熱量等方麵與褐煤有許多相似之處，尤其灰分和低位發熱量相近，固定碳的含量則低得多，所以可充當低檔燃料使用。

同時，汙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，燃燒完全所需的時間也較少。產生這種差別的主要原因是由於它們具有不同的組成和結構，汙泥主要由低級的有機物組成，如氨基酸、腐殖酸、細菌及其代謝產物、多環芳烴、雜環類化合物、有機硫化物、揮發性異臭物、有機氟化物等，其結構比較簡單，並且已經過二級生物氧化，受到不同程度的分解破壞，易於高溫分解;而煤主要由多環芳烴網狀物組成，結構致密，含碳量高，受高溫不易分解，分解所需時間長。

此外，汙泥中SO2、NOx的釋放溫度均低於煤。一般汙泥中的硫以有機硫的形式存在，硫鐵礦硫及硫酸鹽硫含量很少，而煤中的有機硫含量較低，硫鐵礦硫及硫酸鹽硫占多數，有機硫在高溫下易於分解、揮發，而硫鐵礦硫結合較牢固，分解需要一個過程，因此汙泥易於釋放SO2。試驗表明，在含硫量相同的條件下，汙泥釋放的SO2比煤高出4倍。類似地，汙泥中的氮主要以有機氮的形式存在(蛋白質氮、低級脂肪胺等)，有機氮在高溫下容易揮發;煤中的氮主要以雜環型氮的形式存在，雜環形氮的分解需要一個過程，這種結構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，幹態汙泥比煤容易燃燒。但是脫水汙泥因含有70 %～80 %水分，燃燒工況完全不同(脫水汙泥的低位發熱量僅為2,713～971 kJ / kg)，為了使脫水汙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)穩燃，但這樣需要消耗大量煤或油及其它能源。

四、汙水廠汙泥幹燥焚燒循環係統設計方案

1、方案選擇

汙泥處置方案多種多樣，但最終目的都是要達到無害化、減量化、資源化的目標。

目前已有的主要汙泥處理處置工藝包括：填埋、消化、堆肥、幹化、焚燒、濕式氧化、凍結熔融法、高溫燒結法等等。選用何種工藝必須與當地的實際情況相適應。

國內大多數汙水處理廠的汙泥處置以外運填埋為主，主要有：

(1)脫水後(含水率70 %～80 %左右)的汙泥直接外運。

有些是運至生活垃圾填埋場合並處理，由於含水率太高，導致填埋場作業困難，並且也會大量占用填埋場庫容;有些是隨處傾倒，導致二次汙染;也有些作為農肥直接施入農田。由於直接脫水的汙泥未經高溫處理，其中含有大量病原菌，會影響人民的身體健康。總之，單獨的脫水外運工藝還不能稱其為合格的汙泥處理、處置工藝。

(2)消化穩定後脫水處理再外運。

該工藝相對有所改進，由於汙泥經過消化處理，殺滅了絕大多數病原菌，並且還能產生沼氣供生產、生活使用，基本做到了無害化，並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汙泥的問題。

(3)直接焚燒脫水汙泥。

該工藝雖然理論計算可行，並在一些小型的汙水廠已有采用，但實際運行效果欠佳，主要原因是設備不成熟，運行管理難度大，需要添加大量的輔助燃料,運行成本高。

(4)幹化後的汙泥作為農肥使用。

采用熱工方法烘幹脫水汙泥，在有些汙水處理廠已經采用，運行情況尚可。由於幹化工藝需要大量使用熱量，有比較高的運行成本。

2、汙水廠汙泥幹化焚燒是目前可行和合理的方案

無論是從經濟因素，還是從肥效利用因素出發，汙泥的土地利用特別是汙泥的農用都是一種符合我國國情的處置方法。但由於汙水廠汙泥中部分重金屬含量接近或者超過了我國農用汙泥中汙染物控製標準，這就部分限製了汙水廠汙泥的農業應用。因此，在考慮采用汙泥農用部分汙泥的同時，必須尋找其它適合的汙泥處置方法。

汙水廠汙泥幹化焚燒是近年來國內外研究的重要課題，熱幹化按加熱方式可分為直接和間接加熱，直接加熱方式熱效率較高，其幹化過程一般通過回轉圓筒式幹燥機、帶式流化床等來實現。

熱幹化是利用熱能將汙泥烘幹，幹化後的汙泥呈顆粒或粉末狀，體積僅為原來的1/5～1/4，而且由於含水率在10%以下微生物活性完全受到抑製而避免了產品發黴發臭，其高溫滅菌較為徹底。

汙泥焚燒可利用汙泥中豐富的生物能將其作為幹化汙泥的燃燒熱源，甚為便簡。焚燒過程中所有的病菌、病源體均被徹底殺滅、有毒有害的有機殘餘物被氧化分解。

采用焚燒法處理汙泥與其它處理方法相比,有以下突出的優點：

(1)汙泥的處理速度快,不需要長期儲存;

(2)汙泥可就地焚燒，不需要長距離運輸。

流化床燃燒技術具有燃燒效率高，負荷調節範圍寬，汙染物排放低，爐內燃燒強度高，適合燃用低熱值燃料等優點。

因此，根據石洞口汙水處理廠采取對脫水汙泥進行低溫幹化高溫焚燒聯合處理的成功經驗，采用目前相對較成熟的流化床幹化工藝，使汙泥中水分在較低的溫度下蒸發，以較少的熱量降低含水率。焚燒采用循環流化床焚燒爐，通過焚燒幹化汙泥，以導熱油(或蒸汽)形式回收煙氣中熱量，並將回收的熱量用於幹化係統，提高係統的熱效率，使整個係統的熱量處於平衡狀態，這是目前可行和合理的方案。

3、汙泥幹燥焚燒循環係統及其設計方案

為了徹底改變汙泥處理進口設備投資大、運行成本高的現實問題，在總結已有工程和現有技術的基礎上，根據石洞口汙水處理廠采取對脫水汙泥進行低溫幹化高溫焚燒聯合處理的成功經驗並經過國產化改進，總結自身長期從事鍋爐和幹燥設備的優勢，並借鑒國外汙泥處理的經驗，采取“以廢治廢”和“量身定做”的務實原則，開發了適合中國國情的汙泥資源化利用裝置，獲得國家專利(ZL2004 2 0054749.6)，並且經過多個汙泥處理項目實際應用和通過了國家環保測試，被確定為國家級重點推廣的汙泥處理技術之一。

處理對象：印染汙泥、造紙汙泥、化纖汙泥、城市汙水處理廠汙泥、生物發酵菌渣、製革汙泥、石化汙泥等。

單台設備汙泥處理量：50～150噸/天;

處理前汙泥平均水分：80～85%

常用的汙泥幹燥熱源：煙道排放廢氣(電廠鍋爐、工業鍋爐、導熱油鍋爐、窯爐、化工設施)或焚燒煙氣(幹汙泥循環燃燒、發酵沼氣、工業廢渣、生物質垃圾)。

常用的幹汙泥利用方式：作為能源焚燒利用、送到磚廠生產輕型磚、送到水泥廠生產水泥、作為慢速釋放肥料、作為土壤改良劑。

汙泥處理的目的：完全無害化，不需要長途運輸，內在熱量充分利用產生效益，大幅度減容(95%以上)，真正做到了無害化、減量化、穩定化、資源化、低成本化的處理，沒有環保後顧之憂。

設計原則

a.各種汙染物排放嚴格達到國家相關環保排放要求;

b.采用最先進的汙泥流化床幹燥專利技術，保證設備長期連續穩定運行;

c.采用幹汙泥循環焚燒利用工藝，“以廢治廢”，降低汙泥處理成本;

d.保證達到設計汙泥處理量，並考慮一定的餘量;

e.盡量減少汙泥處理係統的占地麵積，根據企業場地情況靈活布置。

設計參數

a.汙泥設計處理量：100噸/天(示範案例取值);

b.汙泥進料平均水份：80～85%(用戶提供);

c.汙泥幹燥後水份控製範圍：20～30%(運行測試數據);

d.幹汙泥低位燃燒熱值：2000～2500kcal/kg(測試平均值);

e.輔助煤設計燃燒熱值：4500～5500kcal/kg(市場普通燃料煤)。

係統介紹(汙泥幹燥焚燒處理流程圖)

a.汙泥上料係統(2套)：由汙泥皮帶輸送機、汙泥料槽、汙泥專用給料機等組成。汙泥輸送機和給料機采用遠程無級調速控製;

b.汙泥幹燥係統(2套)：由汙泥幹燥室、機械破碎裝置、強化傳熱裝置等組成。汙泥首先進入帶有強化傳熱裝置和強化混合裝置的汙泥幹燥室，熱煙氣與濕汙泥兩相接觸傳熱幹化，幹燥後的汙泥自動進入收集係統;

c.汙泥收集和輸送係統(2套)：幹燥後的汙泥幹粉經過高效細粉收集係統收集，由自動排出閥連續排出進入中間倉，由幹汙泥輸送裝置送到焚燒爐進料口，利用一次風送入焚燒爐焚燒利用;

d.汙泥焚燒爐和二次燃燒調溫室(1套)：采用最先進的“淺床式流化床技術”(SFBC)，使汙泥幹粉和灼熱的底料在流化床內顆粒呈沸騰狀態，完全混合，在短時間內可使汙泥迅速焚化，形成自持穩定燃燒，燃燒效率很高。二次燃燒風和混合風高速旋流射入二次燃燒調溫室，產生強烈的擾動，形成了強烈的二次燃燒，進一步提高燃燒效率。

e.輔助煤上料係統(1套)：主要用於係統啟動初期和底料循環補充，由垂直式提升裝置、料鬥、螺旋給料機等組成。用小車將輔助煤和循環底料倒入提升鬥，由垂直式提升裝置將物料送入料鬥，給料機給料量由控製台遠程控製。

f.平衡通風係統(1套)：由焚燒爐鼓風機、一二次供風係統、引風機、煙囪等組成。幹燥裝置、細粉捕集器、引風機、煙囪之間均配有全密封金屬煙道，高溫煙道外部配有保溫材料，低溫煙道內外防腐處理。

g.電氣儀表係統(1套)：汙泥料槽上方設有電視監視器，運行人員可以根據料槽內汙泥料位高低啟動輸送機。汙泥焚燒室(3處)、二次燃燒調溫室、幹燥室(3處)內均設有溫度測點，對汙泥焚燒和幹燥情況進行實時監控。焚燒室、幹燥室內設有壓力監控裝置，保證係統負壓運行。引風機降壓啟動，所有電動設備均采用控製台集中控製。

h.煙氣淨化洗滌係統(1套)：含塵煙氣經過汙泥幹燥器和細粉捕集器後，粉塵含量已經很低，為了適應日益提高的環保排放標準，在引風機前設置了煙氣洗滌裝置，抽取澄清廢水對煙氣進行濕法洗滌脫硫除塵，將微小顆粒粉塵進一步除去，進一步提高除塵效率，同時調節廢水中的堿性可以與煙氣中的SO2反應，達到脫酸脫臭除塵三重效果，保證煙氣達標排放。