顾杨
(上海市城市排水有限公司，上海200233)
摘要：截止2013年底，我国重点流域及沿海地区污泥年产量达到550万t，各地区污泥处理处置要求迫切。污泥干化焚烧技术在我国起步较晚，应用范嗣主要集巾在经济发达的长三角地区。根据上海市中心城区污泥处理处置条件及规划，详细介绍市政污泥干化焚烧关键技术和设备，并对比国内、外的应用及发展。最后指出焚烧技术将是未来大型污泥处理厂及土地紧缺地区污泥处置的主要方式。
关键词：污泥；干化；焚烧；烟气处理
中图分类号：X703文章编号：1004-4655( 2016) 03-0045-04
1概述
2013年全国废水排量为695.4亿t，比2012年增加1.5%，其中工业废水排放量为209.8亿t，城镇生活污水排放量485.1亿t，集中式污染治理设施废水（不含城镇污水处理厂）排放量0.5亿t。据统计，截止至2013年底，我国重点流域及沿海地区共建成污水厂4 408座，污水处理厂日处理能力达到14 820万t，全年处理污水量达407.7亿t，假设污泥产率按1.5 t干泥（含水率10010）每万t污水计，则污泥年产量达到550万t。随着我国城市污水处理率逐年提高，污泥作为污水处理过程中的副产物，其产量也急剧增加。
市政污泥的最终安全消纳包括处理和处置2个阶段，处理阶段一般为污泥稳定化、减量化和无害化阶段，主要包括浓缩（调理）、脱水、厌氧消化、好氧消化、石灰稳定、堆肥、干化和焚烧等。处置阶段一般为污泥处理后的消纳阶段，一般包括土地利用、填埋、建筑材料利用等。
目前，上海针对中心城区的污泥处理处置方式以独立焚烧为主，本文将着重介绍市政污泥干化后的单独焚烧技术。
2污泥干化技术
2.1机理
污泥干化是通过蒸发及扩散2个过程去除水分，2个过程持续、交替进行，基本上反映干化机理，但是污泥中大多数水分为结合水和细胞水，其蒸发和扩散速率受到污泥性质的影响，应根据设备构造、污泥特征和干化要求，慎重配置干化机能力。
2.2常用设备类型
污泥热干化按照热工质与污泥的接触方式，分为以下3种工艺类型：直接传热式（热对流式）、间接传热式（热传导式）、直接一间接联合加热式。其中，直接式干化设备有喷雾干化机、带式干化机、箱式干化机等；间接式干化设备有桨叶式干化机、圆盘式干化机、薄层干化机、转鼓式干化机等；直接一间接联合加热式设备有混合带式污泥干化机、流化床污泥干化机等。除上述传统干化流派外，一些新兴技术也被逐渐应用于工程中，如太阳能温室污泥干化（国外代表产商：德国Huber公司）、污泥电渗析深度脱水（国外代表产商：加拿大Cinetik公司）、污泥热水解+脱水干化（国外代表产商：德国Pondus公司）等。近几年我国污泥处理处置表现出跨越式发展，但干化焚烧技术仍受场地、规模、热源、污泥特性、经济性、干化程度及效率等条件的制约，传统热干化技术仍是主流。
2.3粉尘和恶臭气体
污泥在干化过程中产生粉尘及恶臭气味，其中气体污染物主要包含硫化氢、氯化氢、二氧化硫、甲烷、氨及挥发性有机酸等，为防止其污染，应单元配备相应的处理装置，即在冷凝后通过吸附、焚烧或生物手段进行吸附降解。以竹园污泥焚烧干化工程为例，干化系统处理的尾气在正常情况下进入焚烧炉焚烧，在大修或故障状态时，则通过臭气处理系统处理后排放。
3污泥焚烧技术
3.1污泥焚烧技术定义及影响因素
污泥焚烧是在一定温度、气相充分有氧的条件下，使污泥中的有机质发生燃烧反应，转化成CO2、H2O、N，等相应的气相物质。
对于污泥焚烧，在不考虑辅助燃料的情况下，焚烧炉所能达到炉温等运行情况决定人炉污泥的泥质特性，特别是人炉污泥含水率、污泥的热值及灰分等。污泥的热值越大，其发挥和固定碳所占比例越高，灰分也越少，在焚烧过程中产生的能量越多，灰渣量越少，排渣能量损失也越少。入炉污泥含水率越低，进入焚烧炉的水分越少，水分汽化在炉内吸收的热量越少，由水蒸气造成的排烟能量损失也越少。除此之外还应重视焚烧的“3T+E”原则(3T分别指温度、时间、湍流度，E指过量空气)以保证污泥的稳定化燃烧。
3.2污泥焚烧工艺介绍
污泥焚烧技术可分为污泥单独焚烧及混烧2种方式。
3.2.1单独焚烧
污泥单独焚烧主要有2种工艺，一是将经过污水处理厂压滤后的污泥（含水率80%~90%）直接投入焚烧炉中进行焚烧，此时污泥热值很小甚至为负值，必须加入辅助燃料进行燃烧；二是将干化后的污泥（含水率< 50%）投入焚烧炉进行焚烧，使其维持自持燃烧。考虑到污泥颗粒燃烧效率、污泥焚烧后产生的炯气量及经济性等因素，在我国干化焚烧已成为主流技术路线。
3.2.2混合焚烧
污泥混烧是指污泥与煤、生活垃圾或水泥原料粉等进行混合焚烧，达到彻底处置的目的。污泥混烧一般是利用现有的燃烧设备和技术就近焚烧污泥，节省大量费用，运行成本低，在国内、外已有部分工程应用。但是污泥的含水率和掺混率对焚烧锅炉的热效率、尾气排放、水泥产品质量等带来较大影响，尤其在我国污泥含砂率较高且热值波动较大，使其应用范围受到限制。
3.3炉型和设备选择
污泥焚烧炉型主要包括立式多段炉、回转式焚烧炉以及流化床焚烧炉。
3.3.1立式多段炉
立式多段炉是最早应用于污泥焚烧的炉型，是一个垂直的圆柱形耐火衬里钢制设备，内部由水平耐火材料构成的炉膛，自上而下布置水平绝热炉膛，一层层叠加。按照各段功能，炉体分为3个操作区：最上部干燥区( 300~5000C)，中部焚烧区( 750～1 0000C)，最下部灰渣冷却区。最初多段炉由美国NiChols公司制造，目前多段炉已逐渐被流化床所取代。
3.3.2回转窑。
回转窑常用水泥和石灰烧制，其结构采用卧式圆筒状，外壳一般用钢板卷制成，衬耐火材料（可以为砖结构，也可为高温耐火混凝土预制）。窑体的一端以螺旋加料器或其他方式进行加料，另一端将燃尽的灰烬排出炉外。其操作弹性大，能处理多种混合固废，长期连续运转。但热效率较低，且排气中常携带污泥中的有害有臭气体，故必须进行二次焚烧处理。
3.3.3流化床
流化床焚烧炉主体设备是1个圆形塔体，下部设有分配气体的分配板，塔内壁衬耐火材料，装有一定的耐热粒状载体。流化床焚烧技术是利用污泥热能的最常用技术，焚烧温度通常为815～8500C，适用于大处理量要求。流化床焚烧炉的优势在于大面积燃烧、强烈的湍流强度和较长的停留时间。如对于平均粒径为0.13 mm的床料，流化床全接触面积可达1 420m2。连续加料、出料，自动调节，能有效控制NO x及CO污染物，但流化床动力消耗大，排出粉尘量大，需要较复杂的除尘装置。
4污泥焚烧工艺在国内外的应用
污泥焚烧在世界上已有70多年的发展历史。1934年，美国密西根Dearborn安装有记录的第一台污泥焚烧炉，1962年，德国率先建设并开始运行欧洲第一座污泥焚烧厂。如今在日本，污泥焚烧处理已经占污泥处理总量的60%以上，欧盟也在10%以上。
在美国，每年产生的干污泥总量约700万t，其中15%~22%的进入同步焚烧系统进行无害化处理。值得一提的是美国几乎所有的污泥焚烧系统都建在污水厂内，污泥无需转运。全美计划污泥焚烧系统将污泥脱水后直接焚烧处理。
在欧洲，由于污泥填埋标准提高，部分国家已禁止填埋或用于农业，污泥焚烧比例较高。其中2010年~ 2011年污泥焚烧比例超过50%的国家有荷兰(99%)、比利时( 86%)、瑞士(59%)、
斯洛文尼亚( 58%)、德国(55%)。欧洲焚烧工艺路线与国内相同，均采用干化后焚烧，2010年污泥干化厂已超过450座。
在日本，焚烧法处置污泥发展迅速，规模较大的污水处理厂大都采用焚烧法处理污泥，截止至2009年焚烧炉使用台数已达707台，以回转式（408台）及流化床（253台）为主。据统计，2011年日本全国污水处理厂污泥产生量为222万t（以干固计算），其中污泥焚烧比例高达66.9%。
在我国，污泥干化焚烧比例较低，以2012年为例，焚烧污泥比例仅为5.6%，且大多数污泥焚烧厂集中建设于长三角地区，焚烧炉类型也以回转式焚烧炉与流化床为主。上海石洞口污泥干化焚烧项目是我国运行较早的工程，该项目处理量为180 t/d，采用流化床干化系统和流化床焚烧系统相结合的工艺流程。随后浙江部分地区陆续新建污泥单独焚烧工程，主要采用雾化干燥联合回转式焚烧炉的方法，其处理量在300~600 t/d不等。
上海市污水厂污泥处理仍以脱水后填埋为主，但受各种因素制约，老港填埋场空间已经接近极限，难以满足污水厂污泥填埋需求。因此在“十三五”期间，上海市中心城三大片区（竹园、石洞口、白龙港）污泥处理处置以干化焚烧后制成建材为主，原有污泥深度脱水过渡设施逐步转为应急备用。
上海市竹园污泥处理工程采用污泥半干化焚烧处理工艺（见图1），以建筑材料综合利用为处置方式，该项目用地面积5.83hm2(其中一期占用4.00hm2)。在本项目未建成时，竹园片区的污泥均采用污泥浓缩、脱水的方法处理后运输到老港固体废弃物处置场进行填埋，不仅在运输过程中造成二次污染并增加交通压力，而且会给填埋场及周边环境带来污染隐患。为使污泥达到规范要求的减量化、稳定化、无害化，根据全市污泥处理处置总体布局“中心城区以焚烧后建材利用为主，兼顾土地利用及卫生填埋”的原则，上海市竹园污泥处理工程主要针对竹园第一、竹园第二、曲阳和泗塘4座污水处理厂的脱水污泥，近期建设规模为150 tDS/d。
竹园污泥处理污泥半干化焚烧是将污泥干化后含固率控制在90%以下，然后再送入焚烧炉进行焚烧。工程主要包括污泥接受、储存、输送和干化系统、焚烧和余热锅炉系统、烟气净化系统、水蒸汽循环系统、灰渣处理系统以及其他辅助系统等，其中，干化系统、焚烧和余热锅炉系统是整个系统的核心部分。2015年10月此工程已通过3个月的性能考核，其日处理能力、运行成本、烟气排放、臭气排放、噪声排放等均表现优异，其中烟气排放已达到欧盟2000/76/EC标准。
5结语
因地制宜是污泥处理处置方案比选决策的前提，虽然我国污泥焚烧处理起步较晚，且焚烧比例较低，但经过近十几年的不断发展已取得较大程度的进步，针对已建设的上海市竹园污泥处理工程，定性分析干化焚烧在减量化、稳定化、无害化方面表现优异。期待污泥干化焚烧在今后政策、法规、产业联盟、技术、装备等多方面支持下，结合城市建筑垃圾资源化，使灰渣最终实现资源循环。
