污泥余热干化技术及其经济性分析

邢瑜，谢武明，刘敬勇，赵素莹，黄蓉，李斌，王玉洁，杨佐毅

（1.广东工业大学环境科学与工程学院，广东广州 510006；

2.中国环保科技（香港）有限公司，中国香港 999077；

3.广东工业大学管理学院，广东广州 510006；

4.东莞超盈纺织有限公司，广东东莞 523147）

污泥余热干化技术及其经济性分析

邢瑜1，谢武明1，刘敬勇1，赵素莹2，黄蓉3，李斌4，王玉洁1，杨佐毅1

（1.广东工业大学环境科学与工程学院，广东广州 510006；

2.中国环保科技（香港）有限公司，中国香港 999077；

3.广东工业大学管理学院，广东广州 510006；

4.东莞超盈纺织有限公司，广东东莞 523147）

我国污水处理厂每年都会产生大量的污泥，其复杂的成分及高含水率制约污泥的有效利用，如何降低污泥的含水率是其资源化利用的关键。首先调研了污泥产生及成分，从污泥干化的典型工艺及设备、干化过程的环境污染与控制、污泥干化过程的尾气处理和污泥干化经济性分析4个方面对污泥干化技术进行阐述，指出污泥余热干化是污泥实现节能、经济及环保的有效处置方式。

污泥干化技术；干化的污染控制；经济性分析

污泥资源化或能源化利用出路多，然而实际应用中存在两个主要障碍：一是污泥含水率高，严重限制了污泥资源/能源化利用，甚至简单填埋的有效进行，污泥脱水困难，通过添加絮凝剂脱水而成的脱水污泥（城市污水厂排放污泥的主要形式）的含水量一般高达75%～80%，导致污泥产量庞大，加大了运输成本，而且限制下游资源化技术的发展。例如，高的污泥含水率，提高污泥干燥、焚烧或热解制油等热处理技术的成本，因此，提高污泥的脱水性能，使污泥减容减量化是污泥处置的关键。二是污泥具有显著恶臭，并且含有各种有害物质（如重金属、病原体与有机污泥物），这些都制约了污泥资源化的发展。

因此，城市污泥资源/能源化利用必须以高效干化（减容减量）或脱毒（污染控制）为前提。在能源短缺、资源紧张的全球大背景以及正在实施的国家节能减排政策下，需要重新审视传统的城市污泥处理处置方式。由于污泥干燥深度脱水逐渐显现出其去除污泥水分的优势，可以有效解决污泥处理处置所遇到的关键问题，干燥工艺的应用日益受到重视并逐渐成为一个主要的污泥处理手段。

污泥干化是利用热能将污泥烘干，干化后的污泥呈颗粒或粉末状，体积仅为原来的1/4～1/5[1]，而且由于含水率在10%以下，微生物活性受到完全抑制，避免了产品因微生物作用而发霉发臭，有利于储藏和运输。热干化过程的高温灭菌很彻底，热干化使污泥性能全面改善，产品应用广泛，可作替代能源，也可土地利用[2]。污泥干化使污泥达到减量化、稳定化、无害化、资源化[3-4]。

1 污泥干化工艺及应用

1.1 直接加热转鼓干化技术

直接热干燥技术又称为对流热干燥技术[5]，其工艺流程见图1。在操作过程中，热介质（热空气、燃气或蒸汽等）与污泥直接接触，热介质低速渡过污泥，并吸收带走污泥水分，处理后的干污泥与热介质在分离器与热介质进行分离，排出的废气一部分通过热量回收系统回到原系统中再循环利用，剩余部分经无害化处理后排放。此技术热传输效率及蒸发速率较高，可使污泥的含固率从25%左右提高至92%以上，干化污泥呈颗粒状，粒径大小可以控制。但是，热介质与干污泥需加以分离，给操作和管理带来麻烦。闪蒸式干燥器、转筒式干燥器、带式干燥器、喷淋式干燥器、螺环式干燥器和多效蒸发器等都属于直接热干燥装置类型[6]。左武等[7]用锅炉烟气作为热源，采用旋转喷动式干燥机，将污泥的含水率从80%降至30%，且干化污泥与原煤掺混焚烧可充分利用其热值，此外，污泥干化过程是在密闭状态下进行，不会产生异味。螺环式干燥器[8]采用喷射粉碎原理，是一种利用高速热气驱动污泥的输送、干燥及碰撞粉碎而完成污泥干燥处理的技术，在美国华盛顿的BluePlains污水处理厂和宾夕法尼亚污水处理厂都得到应用。

图1 直接加热转鼓干化系统流程图

1.2 间接加热转鼓干化技术

间接加热转鼓干化技术与直接热干燥技术的主要区别在于热量通过热交换器传递从而使污泥中的水分蒸发。这种干燥技术减少了热气体带走的热损失，能量利用率高，投资成本和运行费用较低，对于同样的干燥产量，间接干燥所需热量是直接干燥机的1/2～1/3；热介质也不会受到污泥的污染，省却了后续的热介质与干污泥分离过程，但热传输效率及蒸发速率均不如直接干燥技术，生产能力受到限制。间接加热转鼓干化系统的工艺流程见图2。

图2 间接加热转鼓干化系统流程图

该系统要在严格的惰性环境下操作，由于内部的温度和热量分配不均衡，易导致小环境中的粉尘积聚、过热，会造成很大的危险隐患。该系统的特点是：流程简单，污泥的干度可控，干化器终端产物为粉末状。

桨叶式干燥机属于间接干燥技术的一种。国外已采用其研究污泥的干燥特性，并在浆叶式干燥机中分区建立了数学模型[9]。国内也有将其应用于制革污泥和造纸污泥的干燥处理研究中[10-11]，并分析指出桨叶式干燥机具有设备结构紧凑、装置占地面积小、热量利用率高、有自净能力的特点，适宜进行污泥热干燥处理[12]。

1.3 间接多盘式干燥技术

间接多盘式干燥机是一种新型、高效、节能的传导型连续干燥设备。德国、美国、日本等国家都有专门公司或厂家进行研制与生产。它具有热效率高、干燥时间段短、能耗低、可调控性好、干燥物质不易破损、环境污泥控制成本低、操作环境整洁、无振动、低噪音、运转平稳等优点，但物料在干燥机易产生粘结现象，可通过“干料”返混或其他工艺方式改进[13-14]。如Seghers公司开发的新一代间接多盘式干燥工艺的流程，又称为珍珠工艺，其核心设备是涂层机和多盘式干燥机，其流程图见图3。其中间接多盘式干燥机也叫造粒机，立式布置多级分布，间接加热，干燥后污泥颗粒呈圆形，坚实、无灰尘且颗粒均匀，具有较高热值，可作为燃料[15]。但是此工艺存在干化、运行成本高，且长期运行出现腐蚀等问题[16]。

图3“珍珠工艺”流程图

1.4 其他干燥技术

其他干燥技术包括离心干化技术、流化床干化技术和带式干燥机等技术。

离心干化技术，即脱水干化一体技术，是利用离心力对污泥在离心机内进行脱水，高热空气以适当的方式引入到离心干化机的内部，遇到细粉状的污泥并以最短的时间将其干化到含固率80%左右，在旋流分离器与湿废气分离。污泥进入系统后不久干化污泥颗粒就可从排料阀排出，与循环气体混在一起的燃料废气和低氧含量的干燥废气则通过洗涤塔排气立管排出。离心干化技术的特点是：流程简单，省去了污泥脱水机及脱水机至干化器的存贮、输送、运输装置。

在流化床干化技术中，污泥不需要预处理，直接送往流化床干燥器。无返料系统，间接加热，干燥机本身无动部件，故不需维修，因污泥的成分决定其流化特性，该处理系统对污泥的成分变化非常敏感，常导致流化床内的热交换不能顺利进行，流化床及管道的磨损很严重，系统的能耗也较高。由于流化床污泥干燥工艺对技术要求很高，较难实现，特别是我国污泥流化床干燥技术还处于试验探索阶段，目前还未见自主知识产权的流化床污泥干燥工艺应用于实际工程的报道。

带式干燥机由若干个独立的单元段组成。每个单元段包括循环风机、加热装置、单独或公用的新鲜空气抽入系统和尾气排出系统，能够保证带式干燥机的可靠性和操作条件的优化。同时，带式干燥机对污泥没有分散作用，因此出料一般呈条块状。该设备适合处理颗粒状物料，且对物料没有破碎和分散作用，需要干燥时间长，其缺点是一次性投资较高，占地面积较大。

2 污泥干化过程环境污染与控制

2.1 污泥干化过程的环境风险

污水处理过程和污泥处理过程都会挥发出污染气体，尤其是恶臭气体，主要包括硫化物（硫化氢、甲硫醇、甲基硫醚等），氮化物（如氨、二甲胺）、碳、氢或碳、氢、氧组成的化合物（低级醇、醛、脂肪酸），这些物质在极低浓度仍可引起极大的社会与环境问题，是世界公认的七大污泥之一（大气污染、水质污泥、土壤污泥、噪声、振动、土地下沉、恶臭）。

污泥处理过程（调理、浓缩以及机械脱水等）较污水处理过程（初沉、生化处理等）的臭气气味值高很多，其中污泥脱滤液和热处理污泥的臭气释放量较其他污泥处理步骤高。虽然污泥干燥能有效地为后续的资源化利用做准备，且从目前的技术经济上分析其应用于污泥干燥是可行的，但干燥过程存在环境风险，可能会挥发出大量的污染物，造成二次污泥，这已成为污泥干燥技术推广应用中必须面对和解决的技术难题，也引起了很多学者的关注。对于污泥的污染控制主要在两方面：一是过程控制，力求从源头上最大限度减少污泥干燥过程中污染成分的挥发量；二是干燥尾气的净化处理。

2.2 污泥干化尾气污染物

污泥干燥时，在去除水分的同时，不可避免地使污泥中某些易挥发及不稳定物质分解进入干燥尾气。干燥尾气成分一般包括载气、水蒸汽、粉尘和气态污染物。其中气态污染物主要包括：

（1）载气引入的气态污染物。如采用锅炉烟气作为直接干燥热源，烟气中的SO2和NOx就会进入干燥尾气。

（2）污泥挥发物和分解物。污泥开始干燥时，氨、硫化氢、苯系物、醛类和脂类等沸点较低、蒸气压较高的污染物便随着水分的挥发进入尾气，污泥中某些易分解产物也会进入干燥尾气中，如碳酸氢铵分解为氨；污泥加热时间过长，干燥过度后污泥温度不断上升，挥发物和分解物继续大量进入尾气中，如氨、硫化氢、水、一氧化碳等无机物及烃灰、甲醇、乙醛等有机物。

（3）污泥挥发物或分解物可能与载气成分发生反应，生成二次产物混合在尾气中，或者载气中污染物与污泥直接接触，并与污泥中某些成分反应结合，使载气中污染物固定下来，使得干燥尾气污染物浓度得到降低。

2.3 关于污泥干化尾气处理的研究

污泥干化能有效实现减容减量，但干化过程中产生各种污染物，若无相应的处理措施，将造成二次污染，如何有效控制污泥干化过程中污染物的释放及有效地净化废气，是污泥干化技术安全和广泛推广使用所必需解决的关键问题。

张鹏等[17]以氧化钙为吸收剂开展其抑制污泥释放H2S，NH3等臭气的研究，发现与纯污泥干化相比，掺加10wt%CaO的污泥，在特定温度下，污泥H2S，NH3的释放量分别减少94%和86.1%；同时发现，污泥中加入CaO，挥发性成分最大减少77.8%，与纯污泥干化相比，干化速率可提高19.6%。翁焕新等[18]研究表明干化温度决定了污泥氨释放的强度，可通过控制污泥在低温下完成干化过程抑制污泥氨的释放强度，通过多级湿式除尘除气，可去除污泥干化时释放的绝大部分氨和其他有害气体（如硫化氢），且几乎可去除全部烟尘。安德里兹（Andritz）开发的新一代密闭式、带返料的直接加热转鼓式干燥系统，采用了气体循环回用设计减少了尾气的排放和处理成本，而带污染的恶臭气体则被送到生物过滤器处理，以达到符合环保要求的排放标准[15]。Seghers公司开发的间接式多盘干燥工艺尾气经冷凝、水洗后送回燃烧炉，将产生臭味的化合物彻底分解，尾气能满足很严格的排放标准[15]。

3 余热干化经济性分析

以某废水站的污泥日产量为800 m3为例，每日产泥量为150 t（含水率80%），污泥外运处理费用为1 600元/t。

若有一废水站日处理废水3 000m3，月产泥量为900 t（含水率80%）。有一25 t重油锅炉，其尾气产量为30 000m3/h，尾气温度为200～240℃。污泥烘干设备总功率为44 kW,运行功率为26 kW，该污泥烘干设备日处理量为50 t，污泥烘干后含水率为20%，且污泥烘干不受天气影响。

（1）污泥直接外运的处理费是1 728万元/a。

（2）污泥采用”晒干”方式经济分析（按3 000 m3废水站计算）。

由于天气影响，每年可供污泥晒干时间为220天，晒干后污泥含水率为30%，其余140天的时间污泥不能晒干，未晒干污泥含水率为80%，晒干后每年的污泥质量为4 388 t，每年的污泥处理费为702.08万元。

故采用”晒干”方式降低污泥含水率后每年污泥处理费为702.08万元，与污泥脱水后直接外运相比可节省1 025.92万元/年。

（3）污泥采用”烘干”方式经济分析（按3 000 m3废水站计算）。

污泥烘干系统总投资估算：污泥烘干系统的热源可采用25 t重油锅炉的尾气，30 000 m3/h的尾气量已能满足烘干要求，不需另加热源，可节省能源。关于硫腐蚀的问题，若筒体及料风出口部分用不锈钢材料，价格将在500万元左右，若采用普通钢材，可以保证至少3年的正常使用期。更换筒体及料风出口的费用（制造及安装费）大约在80万元，所以建议采用普通钢材。

表1 污泥干化投资估算

烘干后污泥的含水率为20%，未烘干污泥含水率为80%，且烘干污泥不受天气影响，所有污泥可烘干后再外运。烘干后每年污泥产量为2 700 t，每年污泥处理费为432万元。污泥烘干系统的日处理量为50 t，每年运行时间为54天，每年所需电费为2.36万元。若每3年更换一次筒体及料风出口，费用约为80万元，平均每年所需维修费为26.67万元。

因此，采用”烘干”方式降低污泥含水率后每年处理污泥的费用为461.03万元。与污泥脱水后直接外运相比，每年可节省1 266.97万元，与采用”晒干”方式相比，可节省241.05万元。

4 结论

随着设备性能的提高以及其他处置方式社会矛盾的突出，污泥干化装置高效、灵活、安全、稳定的优势逐渐为人们所认同。由于海洋处置已被禁止，填埋标准越来越严格，堆肥等其他处理处置方式尚在试验研究阶段，人们更多地考虑采用污泥热干化技术作为污泥处理处置的一个环节。污泥干化后产品的资源化利用途径广泛，为污泥管理体系提供更多的灵活性和可操作性。污泥热干化技术在整个污泥管理体系中越来越显示出它的重要性和发展优势。总之，污泥热干化是污泥最终处置和利用前的重要而关键的一步[19]。上述例子也说明，污泥干化技术是一项长远盈利的投资，相比于其他处置方式，污泥干化技术节约成本，且为后续资源化利用提供保证。污泥干化技术的革新与完善，直接推动污泥处置手段的发展，拓展了污泥处置手段的选择范围，使之在安全性、可靠性、可持续性等方面得到越来越可靠的保证[20]。

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Econom ic analysis on sludge heat drying techniques

XING Yu1,XIEWuming1,LIU Jingyong1,ZHAOSuying2,HUANG Rong3,LIBin4,WANGYujie1,YANG Zuoyi1
（1.School of Environmental Science and Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China；

2.China Environment Technology（HK）Limited,HK 999077,China;
3.School ofManagement，Guangdong University of Technology,Guangzhou 510520,China；
4.Dongguan Chao Ying Textile Co.,Ltd.,Dongguan 523147,China）

A large quantity of sludge is produced during the treatm ent of w aste w ater in China annually,w hose com p licated com position and high m oisture content restrict its effective utilization.So the decreasing m oisture content of sludge is a key to its development and utilization.The paper analyzed the sludge heat drying techniques and its econom ic feasibility,and elaborated four aspects including the typical of sludge drying process and equipm ent,environm ental pollution and control of the drying process,the tail gas treatm ent of sludge drying and sludge drying efficiency.The sludge heat drying technology and its process w ere analyzed.The results indicated that the sludge heat drying w as an effective treatm ent to achieve econom ic and environm entalbenefits.

SlSludge drying;pollution control;econom ic analysis

2014－03－30）

X703

A

1674-0912（2014）05-0034-05基金项目：广东省科技计划（省国际合作）项目“城市污泥干化关键技术研究及软件支撑系统研发”资助（2012B050300023）

邢瑜（1990-），男，广东揭阳人，硕士研究生，研究方向为固体废弃物处理处置及其环境污染控制。