深度脱水低温干化焚烧发电的污泥处置工艺可行性研究

2014-10-16周圣庆王占磊张翼翔

环境卫生工程 2014年3期

关键词：热值污泥含水率

周圣庆，王占磊，陈竹，李军，张翼翔

（江苏天楹环保能源股份有限公司，江苏南通 226600）

城市污水处理厂产生的污泥含有较多的水分，其平均值在80%左右，大量水分的存在，给后续减容填埋或焚烧带来了较大的难度。笔者提出的工艺路线：污泥调理+深度脱水减容+低温干化+结合生活垃圾焚烧发电+灰渣填埋，旨在研究一种污泥综合处理工艺。

1 污泥特性与脱水减容

1.1 污泥基本特性

污泥的主要成分是生物腐殖物和水分，其中水分占了较大的比重。

依据污水处理各个阶段产生的不同污泥，可将污泥分为5类：①生污泥：沉淀池中泥水分离后产生的沉淀物的总称。含固率1%～3%。②消化污泥即生污泥：通过厌氧产气后得到污泥。含固率3%～5%。③浓缩污泥剩余污泥：经过污泥浓缩设备浓缩后得到的污泥。含固率为5%～20%。④脱水干化污泥：经过物理、化学手段干化后的污泥。含固率为20%～100%。⑤干燥污泥：通过各种干燥手段处理后的污泥。含固率为60%～100%。

初步脱水后的污泥中主要水分组成为毛细结合水、内部水和附着水、自由水。

1.2 污泥处置主要方法

目前污泥的处置主要方法有：海洋投弃、土地填埋、焚烧以及综合利用等。

污泥海洋投弃处置已经明确地被禁止；污泥填埋并不能最终避免环境污染，只是延缓了环境污染产生的时间，填埋行为面临着越来越严格的环境标准，这使得仅仅反映直接建设投资及运行成本的填埋处置方式的投资及运营费用趋于大幅度增加，许多国家已经开始禁止污泥的土地填埋。焚烧以及综合利用是将来处置趋势。

1.3 生活污泥脱水减容关键难点

由于分子间的亲和力大小不同，污泥中各种水需要用不同的工艺手段去除。毛细结合水可依靠浓缩和机械脱水去除；内部水和附着水依靠细胞破壁、特殊机械脱水或热力干化去除；自由水依靠沉淀池去除。

污泥中含有大量微生物细胞和有机胶体物质，机械脱水困难。污泥含水率是制约污泥处置和利用关键。

因此污泥处置的技术难点是：如何破坏污泥胶体，降低持水性，而后选择何种工艺进行深度脱水快速提高污泥含固率。

1.4 污泥调理与污泥药剂

为了有效去除污泥中的各种水分，需要使用污泥调理技术，此类技术关键点是依据不同的阶段添加不同的药剂。常用药剂有：絮凝剂、助凝剂、调理剂、破乳剂、消泡剂、pH调整剂、氧化还原剂、消毒剂。

在压滤方式下用的较多的是无机调理剂，它适用于真空过滤和板框压滤。一般有以下3种：

1）铁盐：常和石灰联用。在pH>12时，可采用Ca（OH）2絮凝体、FeCl3·6H2O、Fe2（SO4）·4H2O、FeSO4·7H2O、聚合硫酸铁（PFS）。

2）铝盐： Al2（SO4）3·18H2O、 AlCl3、 Al（OH）2Cl、聚合氯化铝（PAC）。

3）镁盐：MgO－CaO－SiO2组合系列。

高分子调理剂：脱水阳离子聚丙烯酰胺、乳液型聚丙烯酰胺等。它适用于污泥的离心脱水和带式压滤。

1.5 污泥脱水减容的4个阶段

采用了污泥调理技术，污泥脱水将能实现40%～60%的减容率。

由于污泥含水率与其抗压强度呈一定的关系，工业处理中常将污泥脱水分为几个重要阶段。

第一个阶段：浓缩，主要用以去除液体部分，产生浓缩污泥。多数污泥浓缩装置能达到5%～10%的固体浓度。该阶段主要在污水处理厂进行。

第二个阶段：机械压滤。工业中常用的具体脱水设备有板框压滤机、带式压滤机、卧式螺旋卸料离心过滤机、转鼓真空过滤机和圆盘真空过滤机。该阶段通常在污水处理厂完成。

第三阶段：深度脱水。该阶段可将污泥含固率从20%提高至40%。在添加药剂破壁的情况下，污泥含固率甚至可达到45%。此阶段可和第二阶段合并。

第四阶段：污泥热干化，是利用热能、使脱水污泥的水分进一步降低的措施。处理工艺基本集中在电厂烟气尾气高温干化、高温蒸汽热干化、太阳能等新能源低温干化、水泥窑尾气高温干化。

2 污泥的干化处理

2.1 污泥的干化机理

蒸发和扩散过程

蒸发过程：环境水蒸气分压＞污泥表面水蒸气分压；

扩散过程：污泥内部湿度＞污泥表面湿度。

蒸发过程吸热：即水分从常温升至沸点需要吸收的热量，每公斤水吸热335 kJ。

扩散过程吸热：即水分由液相转变为气相需吸收的热量，每公斤水吸热2 261 kJ。

基本热能代价：蒸发过程和扩散过程吸收的热量之和，每公斤水吸热2 596 kJ。

2.2 污泥热干化的形式

表1中2种工艺均为高温热源干燥，考虑经济节能，笔者选用了低温直接干燥的工艺。

表1 直接干燥和间接干燥的比较

2.3 热干化含水率的确定原则

以减量化和资源化为干燥的目的，建议半干，控制污泥含水率在30%左右。

理论上，将污泥干燥到该处置环境下的平衡稳定湿度是最经济合理的。

根据污泥物理化学分析，将污泥干燥到能够达到生活垃圾热值，在焚烧炉中单独燃烧是一个较合理点。

2.4 低温自然干化试验及工艺需热计算

根据污泥的持水性表明：污泥具有很强的持水性，泥饼含水率降低到65%的过程较慢，当小于65%，污泥越过胶粘状态，含水率下降非常快。从含水率60%降到40%只需24 h，若改善温度、空气湿度等条件，干化时间会大大降低，最好效果是降低到4 h。图1为上海同臣环保有限公司关于城市生活污泥和工业污泥低温干化实验数据。

温室需热量计算（以100 t40%含固率污泥处理量为例）如下。

水分蒸发需热：100×（60%－40%）×57.7÷24=201×104kJ/h=560 kW；

采暖负荷：5 000×100÷1 000=500 kW=180×104kJ/h；

污泥加热：100× （30－5）÷10÷24=462×104kJ/h=122.5kW；

循环风量：100× （60%－40%）×106÷ （37.7×60%－9）÷24=7.63×104m3；

加热空气热量：7.63×104× （30－5）×1.3×0.26=214×104kJ/h=595 kW；

温室系统总制热量：560+122.5+595=1 277.5 kW，在采用溴化锂热泵技术情况下，按照COP=1.7 的情况下，需消耗蒸汽约 1.1 t（0.8MPa，252℃）

温室加热系统电设备能耗受到厂房材质、导热系数、密封性能影响，约65 kW。

3 污泥焚烧

污泥的低位热值随着污泥含固率的提高而提高，当污泥的含固率在40%～60%时，污泥的低位热值4 317～7 608 kJ/kg，相当于我国城市生活垃圾焚烧低位热值范围。如将污泥焚烧，应具有很可观的热值回收利用价值［1］。

污泥干化后进行焚烧的焚烧炉设备也是污泥焚烧处置的主要设备，国内已有部分厂家生产专门焚烧污泥的焚烧炉，基本达到稳定燃烧。结合垃圾焚烧处理工艺，工业炉排炉则是最好的选择之一。

3.1 主要污泥焚烧处置工艺

一种是将生活污泥脱水至80%含水率，再送至焚烧厂焚烧，该法处置工艺环节少，流程简单，目前主要应用在循环流化床锅炉或水泥窑炉。但这种处理方法由于含水率较高，无法达到能量平衡，需添加大量的燃料，处理成本很高，且产生的大量水蒸气导致焚烧设备腐蚀严重、磨损快，维护费用较高，另外原生污泥体积大，含水率高，运输过程中的跑冒滴漏也影响了环境，运输费用也较高，2012年以前，较多的循环流化床锅炉、大型燃煤电厂、水泥窑炉仅仅看到了短期效益，直接掺烧原生污泥，带来的后果不言而喻。目前已很少采用此种技术。

另一种是脱水污泥经过干化或者半干化处理再焚烧。李军等曾进行理论计算和试验验证，含水率38%的市政污泥可单独焚烧［2］。因此，在前一种处置工艺的基础上逐步衍生出二次脱水技术，即经过机械深度脱水后（60%以下含水率），通过干化技术或直接热源干燥处理单独焚烧。由于含水率的降低，在单独焚烧过程中可实现无外来助燃物。顺推式垃圾焚烧炉排炉垃圾适用范围广，无需添加任何燃料，对于掺烧污泥具有得天独厚的便利条件，在实际应用中，其处理流程可与污泥处置流程完美对接，使用效果优于循环流化床锅炉。

3.2 与生活垃圾掺烧的可行性分析

由表2可以看出，生活污泥与城市生活垃圾在元素分析上基本接近，热值稍高于垃圾热值，完全可以达到生活垃圾焚烧炉的正常燃烧条件。值得注意的是，城市污泥含N量和含S量稍高于生活垃圾，但也在可控范围内，加上国家有关环保标准对生活污泥的掺烧比例有指导性要求，污泥掺烧量基本只占垃圾量的10%左右，可忽略不计。如在新建掺烧污泥的生活垃圾焚烧厂设计中需考虑好脱硫和脱硝系统的容量。在现有的焚烧炉中，由于初期设计余量较大，在保证足够的脱硫脱硝剂的情况下，能保证烟气排放达标。