趙發(fā)敏 李興杰 馮 楠 仇云飛

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的主要產(chǎn)物，是一種由有機(jī)質(zhì)、微生物菌體、原生動(dòng)物蟲卵、無機(jī)顆粒和膠體等組成的極其復(fù)雜的非均勻體，含水率超過80%。污泥有機(jī)物含量高，容易腐化發(fā)臭，如果不經(jīng)過處理處置，會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。污泥中也含有植物生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如氮、磷、鉀等，能夠改善土壤，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

隨著污水處理技術(shù)的快速發(fā)展，污泥的產(chǎn)生量也逐漸增多，“十四五”期間，預(yù)計(jì)2025年污泥產(chǎn)生量將達(dá)到7 538萬t。如果污泥得不到規(guī)范化的處理處置，會(huì)造成環(huán)境二次污染，威脅生態(tài)環(huán)境和人類生活健康。污泥的處理處置已經(jīng)刻不容緩。

《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中明確提出城市污泥無害化處置率需要達(dá)到90%。預(yù)計(jì)到 “十四五”期間污泥處理處置市場(chǎng)空間將達(dá)到922億元[1]。

本文闡述了污泥處理處置技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，著重分析污泥焚燒處置技術(shù)中主要焚燒爐型的優(yōu)缺點(diǎn)，為污泥焚燒處置爐型選擇提供參考。

1 污泥處理處置技術(shù)

1.1 污泥處理技術(shù)

污泥處理是對(duì)污泥進(jìn)行濃縮、調(diào)治、脫水、穩(wěn)定和干化的加工過程，其中污泥處理工藝主要包括污泥濃縮、污泥脫水、污泥消化、污泥熱解和污泥干化等。

1.1.1 污泥濃縮

污泥濃縮主要是通過重力濃縮、氣浮濃縮和離心濃縮三種方式去除污泥顆粒間的水分，濃縮后的污泥含水率為95%左右，仍保持流體的特性。

1.1.2 污泥脫水

污泥脫水主要是采用機(jī)械方法去除污泥顆粒間細(xì)小的水珠。經(jīng)處理后，污泥含水量可降至74%左右[2]。污泥脫水可進(jìn)一步降低污泥含水率，減少污泥體積。主要脫水方式有離心脫水、真空過濾脫水、板框壓濾脫水和帶式壓濾脫水等。

1.1.3 污泥消化

污泥消化分為好氧消化和厭氧消化，目的是去除或者轉(zhuǎn)化污泥中的有機(jī)物。其中厭氧消化工藝占50%以上，好氧消化工藝僅占18%左右[3]。污泥厭氧消化可實(shí)現(xiàn)污泥減量化和無害化，同時(shí)可以回收甲烷。我國(guó)一般采用中溫污泥厭氧消化技術(shù)，在無氧條件下污泥有機(jī)成分被降解、消化，同時(shí)產(chǎn)生大量的熱。污泥中的各種病原菌和寄生蟲因?yàn)橄a(chǎn)生的熱量而被殺滅去除。

1.1.4 污泥熱解

污泥熱解是一種回收污泥中資源的處理技術(shù)和再生利用技術(shù)，是污泥資源化、無害化和減量化的有效途徑，將成為未來污泥處理處置技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。有研究表明[4]，熱解后的市政污泥殘?jiān)鼉H含0.01%固定碳，且富含硅鋁鈣氧化物，適用于制備基礎(chǔ)建筑材料，但是污泥熱解需要較高的溫度，能耗高，投資較大。催化熱解可以降低相應(yīng)所需的熱解溫度，所以研究提高污泥熱解效率的催化劑越來越受到重視。與污泥的單獨(dú)焚燒相比，污泥熱解技術(shù)將污泥中的大分子有機(jī)物分解成小分子有機(jī)物，不會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣，且熱解后的固體殘?jiān)梢杂糜谥苽浠A(chǔ)建材材料，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和較好的應(yīng)用前景。

1.1.5 污泥干化

污泥干化是利用熱能將污泥表面和內(nèi)部的水分烘干，同時(shí)殺死污泥中的病原菌和寄生蟲的過程。污泥干化的優(yōu)點(diǎn)是適用性廣，干化后的污泥含水率可降至40%以下，體積可減少2/3。完全干化的污泥含水率可降至10%以下，體積大幅減少，方便存儲(chǔ)，無病原菌及寄生蟲。

常用的干化設(shè)備主要有圓盤式干燥機(jī)、槳葉式干燥機(jī)和帶式干燥機(jī)等。圓盤干燥機(jī)主要由夾套、單軸轉(zhuǎn)子和傳動(dòng)裝置組成，污泥通過夾套、空心軸和軸上焊接的空心盤片的熱傳導(dǎo)間接加熱干化。圓盤干燥機(jī)的盤片對(duì)污泥沒有切割作用，而是通過盤片邊緣的推進(jìn)攪拌器，對(duì)污泥進(jìn)行攪拌并不斷更新干燥面，從而實(shí)現(xiàn)干燥的目。槳葉式干燥機(jī)主要是由夾套、雙軸(或四軸)楔形葉片和傳動(dòng)裝置組成。污泥通過夾套、空心軸和軸上焊接的空心葉片的熱傳導(dǎo)被間接加熱干化，楔形葉片對(duì)污泥切割攪拌，不斷更新干燥面，從而實(shí)現(xiàn)干燥的目的[5]。

1.2 污泥處置技術(shù)

目前，我國(guó)污泥處置方式主要有：衛(wèi)生填埋、土地利用、建材利用及焚燒等[6]。

1.2.1 衛(wèi)生填埋

衛(wèi)生填埋起源于20世紀(jì)60年代，是采用特殊的方法將處理后的污泥運(yùn)送到指定地點(diǎn)進(jìn)行人工填埋的一種處置技術(shù)。衛(wèi)生填埋需要占用大量的土地資源，適用于填埋場(chǎng)場(chǎng)地容易選取，有覆蓋土且距污泥產(chǎn)生點(diǎn)較近、污泥量相對(duì)較小的地方。衛(wèi)生填埋要求污泥含水率不得超過60%，因?yàn)楹蔬^高會(huì)產(chǎn)生大量滲濾液，產(chǎn)生臭味，容易造成二次污染。衛(wèi)生填埋只是污泥處置的初級(jí)階段，隨著填埋場(chǎng)容量的日益枯竭，污泥衛(wèi)生填埋已經(jīng)不能滿足污泥無害化處置的需要，污泥處置也從最初的衛(wèi)生填埋向焚燒轉(zhuǎn)移。

1.2.2 土地利用

污泥中含有大量植物生長(zhǎng)所需要的微量元素。土地利用是將污泥采用堆肥工藝處理后，將污泥作為輔助材料施加到土壤中，利用污泥中豐富的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素改善土壤，增強(qiáng)土壤肥力，促進(jìn)植物生長(zhǎng)的處置技術(shù)。污泥土壤利用可以在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、市政園林綠化和土壤修復(fù)方面中創(chuàng)造更多的價(jià)值。污泥的農(nóng)業(yè)利用是合理處置污泥的有效途徑，但是在污水處理過程中80%左右的重金屬元素會(huì)被吸附或沉淀到污泥中，給污泥的土地利用造成了一定的限制。重金屬元素溶解度小，性質(zhì)穩(wěn)定，很難去除，容易在動(dòng)物和人體內(nèi)積累，進(jìn)而對(duì)健康產(chǎn)生危害[7]。因此在污泥土地利用之前，一定要經(jīng)過預(yù)處理過程，殺滅污泥中的病原細(xì)菌及寄生蟲，去除污泥中的過多重金屬等，以降低污泥中有害物質(zhì)含量，減少或者避免其對(duì)土地造成的二次污染及公共衛(wèi)生問題。

1.2.3 建材利用

建材利用是利用污泥作為建筑材料原材料使用的過程。污泥含有大量的硅鋁鈣等無機(jī)物，與建筑材料物質(zhì)組成相似。污泥的建材利用可填補(bǔ)我國(guó)目前建材原材料匱乏造成的缺口，也為合理處置污泥找到了解決辦法。污泥建材利用首先向污泥中加入黏土等輔助材料，經(jīng)無害化預(yù)處理后才可制成建筑材料。污泥制磚包括污泥焚燒殘?jiān)拼u和污泥干化制磚；污泥制水泥是利用水泥窯協(xié)同處理污泥，以污泥代替部分水泥原材料。

生活污水處理和工業(yè)廢水處理產(chǎn)生的污泥成分相差較大，具有成分復(fù)雜多變等特點(diǎn)。因此，利用污泥制磚和生產(chǎn)水泥，應(yīng)對(duì)污泥的性狀進(jìn)行檢測(cè)[8]。只有當(dāng)污泥符合制磚和生產(chǎn)水泥性狀，且重金屬含量不超標(biāo)時(shí)，才可以考慮利用污泥制磚和生產(chǎn)水泥。熱干化污泥或濕污泥在制磚燒制過程中會(huì)釋放甲院，產(chǎn)生二噁英等有害物質(zhì)[7]，所以直接用熱干化污泥或濕污泥制磚在環(huán)保要求上不可行。污泥建材化處理處置雖然在理論上可行，但由于我國(guó)污泥處理與處置技術(shù)、設(shè)備比較落后，污泥建材化處理處置方式并未有效地應(yīng)用于實(shí)踐中。

1.2.4 污泥焚燒

污泥焚燒解決了污泥難分解和填埋可能造成地下水源污染的問題，可從根本上減少污泥最終填埋量，徹底殺滅病菌、病原體等有害有機(jī)物，是一種徹底的、完全的污泥處置方式，在國(guó)內(nèi)外大中型工程中有較多應(yīng)用。焚燒后的污泥產(chǎn)物已經(jīng)無害化，可以二次利用，制成有用的成品。此外，污泥焚燒過程產(chǎn)生的熱量回收后可以完全滿足污泥干化的需要，也可用于供熱或者發(fā)電。

污泥焚燒可分為直接焚燒和協(xié)同焚燒兩種方式。污泥直接焚燒是利用污泥焚燒爐，添加少量助燃燃料進(jìn)行焚燒的方式。協(xié)同焚燒主要是在垃圾焚燒發(fā)電廠、燃煤熱電廠和水泥窯中摻入少量污泥，對(duì)其進(jìn)行協(xié)同處置的方式。目前，國(guó)內(nèi)不論摻燒還是單獨(dú)焚燒，都是將污泥干化后進(jìn)行，焚燒產(chǎn)生的余熱可以直接用于污泥干化過程。

直接焚燒多采用流化床焚燒爐，焚燒裝置要求建設(shè)在其他熱源廠附近，所需投資較大，運(yùn)行成本較高，焚燒產(chǎn)生的灰渣還需要尋找處理途徑，因此需要企業(yè)正規(guī)運(yùn)行及有關(guān)部門的有效監(jiān)管。

污泥協(xié)同焚燒主要有垃圾發(fā)電廠、燃煤電廠和水泥窯等協(xié)同處置方式。污泥協(xié)同焚燒分為直接協(xié)同焚燒和干化后協(xié)同焚燒方式。劉濤[9]研究了不同含水率污泥協(xié)同焚燒對(duì)垃圾發(fā)電量的影響，含水率80%的污泥直接摻燒對(duì)垃圾發(fā)電量的影響十分顯著，摻燒量建議不超過3%；對(duì)于經(jīng)干化后含水率40%的污泥，摻燒量建議不超過10%?！度济厚詈衔勰嚯姀S大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/1291—2021)規(guī)定了污泥的摻燒率：含水率60%的污泥摻燒率不超過燃煤質(zhì)量的5%。

垃圾發(fā)電廠和燃煤電廠摻燒污泥對(duì)后續(xù)煙氣處理設(shè)施產(chǎn)生影響。垃圾發(fā)電廠摻燒污泥后，一方面煙氣中粉塵和二噁英含量增加，易出現(xiàn)粉塵和二噁英超標(biāo)的問題；另一方面爐渣熱灼減率上升，爐渣中重金屬含量增加[10]。燃煤電廠摻燒污泥同樣對(duì)煙氣中的煙塵、二氧化硫、氮氧化物、二噁英等物質(zhì)含量造成影響。污泥含水率對(duì)燃煤電廠煙氣中二氧化硫濃度影響較大；摻燒污泥后，氮氧化物的排放量比單純?nèi)紵禾扛遊11]。水泥窯協(xié)同焚燒污泥使得污泥在水泥窯的高溫作用下碳化成活性炭，吸附煙氣中的二氧化硫、氮氧化物，污染物的減排效果明顯，但是如果摻燒超量的污泥，其中的微量元素也會(huì)造成水泥熟料強(qiáng)度下降[12]。

2 污泥直接焚燒處置設(shè)備

在污泥焚燒設(shè)備中，應(yīng)用比較廣泛的爐型有鼓泡式流化床、多膛焚燒爐和回轉(zhuǎn)窯焚燒爐，其他爐型有旋風(fēng)爐和不同形式的熔煉爐。

2.1 流化床焚燒處置技術(shù)

鼓泡式流化床焚燒爐一般設(shè)計(jì)成上部直徑略大于下部直徑的圓柱形反應(yīng)器，下部設(shè)置布風(fēng)風(fēng)箱、布風(fēng)板等；中部設(shè)有污泥投料口、燃燒器接口；上半部設(shè)置二次風(fēng)進(jìn)口，以保證污泥焚燒煙氣充分燃燒(圖1)。鼓泡式流化床投料口設(shè)置在二次焚燒區(qū)位置，污泥進(jìn)入流化床內(nèi)時(shí)，污泥焚燒過程中產(chǎn)生的熱量直接作用于污泥，滿足污泥水分的蒸發(fā)、揮發(fā)分的熱解與燃燒的需要，不再需要附加其他燃燒室。鼓泡式流化床焚燒爐具有燃燒速度快、污泥停留時(shí)間短、焚燒熱量可直接利用、效率高、適用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小和事故率低等優(yōu)點(diǎn)，但是存在動(dòng)力消耗較大、飛灰量大等缺點(diǎn)。

圖1 鼓泡流化床焚燒爐結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 多膛爐焚燒處置技術(shù)

多膛式焚燒爐是一種帶機(jī)械傳動(dòng)裝置的立式多段焚燒爐，是一個(gè)垂直的圓柱形耐火襯里鋼制設(shè)備，內(nèi)部設(shè)置多層爐膛、耙動(dòng)裝置、進(jìn)料口、排料孔及煙氣出口(圖2)。污泥靠耙動(dòng)裝置的翻動(dòng)依次進(jìn)入焚燒爐每段爐膛。多膛爐以逆流方式運(yùn)行，加熱表面積和換熱表面積大，燃料消耗量少。但是多膛爐機(jī)械設(shè)備較多，易出現(xiàn)機(jī)械故障，需要經(jīng)常維修與保養(yǎng)。目前多膛爐多用于活性炭生產(chǎn)、再生，及作為冶金爐使用。

圖2 多膛爐焚燒爐結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 回轉(zhuǎn)窯焚燒處置技術(shù)

回轉(zhuǎn)窯焚燒爐為臥式圓筒狀，具有一定的傾斜角度(圖3)。回轉(zhuǎn)窯焚燒爐多用于危險(xiǎn)廢物焚燒處理，具有強(qiáng)大的廢物焚燒處理能力，可以同時(shí)處理固體、液體及氣體廢物，廢物在焚燒爐內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)?；剞D(zhuǎn)窯焚燒爐分為順流式焚燒爐和逆流式焚燒爐。順流式回轉(zhuǎn)窯焚燒爐為一端進(jìn)料，另一端排出焚燒殘?jiān)蜔煔獾姆贌隣t，目前國(guó)內(nèi)危險(xiǎn)廢物回轉(zhuǎn)窯焚燒多為順流式回轉(zhuǎn)窯焚燒爐。逆流式回轉(zhuǎn)窯焚燒爐的煙氣出口和進(jìn)料口在同一端，焚燒殘?jiān)诹硪欢伺懦?。逆流回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)方向與煙氣方向相反，傳熱效率高，但是煙氣出口與進(jìn)料口在同一端，煙氣未經(jīng)完全燃燒就排出，所以逆流式回轉(zhuǎn)窯焚燒爐需設(shè)置二次燃燒室。

1-窯尾密封裝置； 2-帶擋輪支承裝置； 3-大齒圈裝置； 4-傳動(dòng)裝置； 5-窯筒體部分； 6-支承裝置； 7-窯頭密封裝置； 8-窯頭罩

在實(shí)際應(yīng)用過程中，回轉(zhuǎn)窯按照一定的傾斜角度安裝，且有一定的旋轉(zhuǎn)速度，在回轉(zhuǎn)窯的一端加入需要處理的污泥，在另一端排出處理后的灰渣。回轉(zhuǎn)窯焚燒爐適用性強(qiáng)，可處理廢物的范圍廣，操作穩(wěn)定、焚燒安全，但多用于危險(xiǎn)廢物的焚燒處置。

3 結(jié)束語

人們?cè)陉P(guān)注污水處理廠污水處理的效果時(shí)，往往忽視了污水處理產(chǎn)生的污泥帶來的環(huán)境問題，因此污泥處理處置越來越受到國(guó)家的重視，國(guó)家將在“十四五”期間進(jìn)一步提升加大污泥的處理與處置規(guī)模。污泥處理處置技術(shù)的選擇要充分考慮各處理處置技術(shù)的優(yōu)劣，又要結(jié)合實(shí)際情況。當(dāng)然污泥的最佳處理處置方式是資源化再利用，然而受到污泥成分多變的影響，資源化利用受到一定的限制。污泥焚燒處置技術(shù)是一種最直接、最徹底的處理工藝，污泥焚燒分為直接焚燒和協(xié)同焚燒，無論哪一種焚燒方式，都需要進(jìn)一步改進(jìn)、創(chuàng)新、優(yōu)化和完善，提升污泥處理效率。