污泥深度脫水干化/焚燒技術(shù)分析及其經(jīng)濟(jì)性評估

李曉瑜，彭子城，梁凱云，黃曉紅，梁超富，龐衍松，劉敬勇

污泥深度脫水干化/焚燒技術(shù)分析及其經(jīng)濟(jì)性評估

李曉瑜，彭子城，梁凱云，黃曉紅，梁超富，龐衍松，劉敬勇

（廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510006）

全面分析了我國污泥的產(chǎn)生現(xiàn)狀，對比分析了目前主要的污泥干化處理處置技術(shù)。污泥干化處理技術(shù)能夠有效對污泥進(jìn)行深度脫水，并且不改變污泥熱值，是一種具有前景的污泥處理工藝。詳細(xì)介紹了該技術(shù)的收集、預(yù)處理、深度干化及返混、焚燒發(fā)電等步驟，分析了其主要污染物及控制技術(shù)。借助示范工程實例中污泥深度脫水干化/焚燒一體化技術(shù)工藝的運(yùn)行狀況，對污泥深度脫水干化/焚燒技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評估。

污泥；深度脫水；污染控制；經(jīng)濟(jì)評估

城市污水處理廠每天產(chǎn)生大量的污泥，其中水分高（達(dá)80%以上）、體積龐大、容易腐化發(fā)臭而導(dǎo)致其難處理［1］。隨著市政污泥及工業(yè)污泥產(chǎn)量逐年遞增，歐盟很多國家已經(jīng)制定并實施了相關(guān)環(huán)境法令，嚴(yán)禁含有可生物降解有機(jī)物的污泥進(jìn)行填埋［2］，鼓勵對其進(jìn)行焚燒處理［3］。我國環(huán)保部出臺的《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置污染防治最佳可行技術(shù)指南（試行）》（2010年）及《污水處理廠污泥處理處置最佳可行技術(shù)導(dǎo)則（征求意見稿）》（2008年）中，明確把污泥焚燒作為我國污泥處理處置最佳可行技術(shù)之一，該方法是一種具有減量化、無害化、資源化及回收能源等優(yōu)點的污泥處置技術(shù)［4］，但目前各類機(jī)械脫水后污泥含水率比較高，導(dǎo)致污泥摻燒實施困難，因此有必要深入分析污泥深度脫水-干化各類技術(shù)，選擇適合污泥處理的技術(shù)路線。

文中對污泥的產(chǎn)生、性質(zhì)、處理及處置進(jìn)行了全面和綜合分析，并通過對其理論、實驗及示范工程多方面對比，論證了污泥無添加深度脫水-干化及摻燒處理方案。

1　我國污泥產(chǎn)生現(xiàn)狀

污泥是污水處理后的附屬品，是一種由有機(jī)殘片、細(xì)菌菌體、無機(jī)顆粒、膠體等組成的極其復(fù)雜的非均質(zhì)體；其中含有大量的可被植物利用的營養(yǎng)成分，并具有較高的熱值。污泥量通常占污水量的0.3%～0.5%（體積）或者約為污水處理量（質(zhì)量）的1%～2%，如果屬于深度處理污泥量會增加0.5～1倍。污泥處理效率的提高，必然導(dǎo)致污泥數(shù)量的增加［5-6］。近20年來，全國年污水處理水量不斷增多，隨之產(chǎn)生的污泥量也持續(xù)增加。2011年，城鎮(zhèn)污水處理廠處理水量為390.79億t，按此數(shù)值估算，全國全年城鎮(zhèn)污水處理廠濕污泥（含水率80%，下同）產(chǎn)生量約2 188萬t，每天約產(chǎn)生濕污泥6萬t；2015年城鎮(zhèn)污水處理廠處理能力達(dá)到2億m3/d，按2011年城鎮(zhèn)污水處理廠平均運(yùn)營負(fù)荷率79%進(jìn)行測算，全年城鎮(zhèn)污水處理廠濕污泥產(chǎn)生量約3 229.52萬t，每天約產(chǎn)生濕污泥8.85萬t［7］。其中，廣東省產(chǎn)生300萬t，日產(chǎn)污泥0.82萬t；廣州市中心城區(qū)產(chǎn)生43.8萬t，日產(chǎn)污泥1 200 t（表1）。

表1　2015年各地區(qū)污泥（含水率80%）產(chǎn)生量

廣東省位于中國大陸南部，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口眾多，生活污水排放量大。而廣州市作為中國一線城市、省會城市，高的生活水平及大的人口流動都將帶來大量的污水排量。因此，該區(qū)域的污泥處置處理問題更加值得重視。

2　污泥干化技術(shù)分析

2.1污泥常規(guī)干化技術(shù)分析

目前，我國污泥的處置處理主要分為：直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域占44.8%，填埋/投海處理占31%，焚燒處理、干化和熱處理及其他占10.5%［8］。通過一系列的調(diào)研、實驗及分析對比工作后發(fā)現(xiàn)，污泥干化后體積和質(zhì)量大幅降低，細(xì)菌和病原體得到有效去除，同時營養(yǎng)成分和熱值得以保持，可以進(jìn)一步填埋、堆肥、焚燒以及土地利用，因此，污泥干化是污泥處理處置及資源化利用的前提［9］。而以焚燒為核心的處理方法是目前污泥處置最徹底、最快捷的方法［10］。故對污泥進(jìn)行干化和熱處理，能夠使得污泥得到資源最大化的利用（表2）。

表2　污泥含水率和質(zhì)量關(guān)系［11］

污泥干化是在機(jī)械脫水后，對污泥進(jìn)行的深度脫水操作［12］。污泥干化和熱處理能使污泥顯著減容，體積可以減少4～5倍，產(chǎn)品穩(wěn)定、無臭且無病原生物，干化處理后的產(chǎn)品用途多，可用作肥料、土壤改良劑、替代能源等［6］。且根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，污泥干化的最佳干燥標(biāo)準(zhǔn)為含水率25%左右，即需對其進(jìn)行深度干化。

由表3可見，含水率在12%～30%是理想的最終處理產(chǎn)品，此產(chǎn)品穩(wěn)定性高，過潮天氣也不會返潮，有利于儲存，儲存時間長，并可以減小運(yùn)輸成本。以含水率25%定為最佳干燥標(biāo)準(zhǔn)，因為此含水率的干泥呈顆粒狀，其體質(zhì)是2～4 mm，縮小率達(dá)75%，均勻堅硬，穩(wěn)定性高，不易反潮。另外，此含水率25%的污泥（以熱值9 211 J計算）經(jīng)點火后可焚燒，不需要加添助燃品，有利于熱能的回收。

表3　不同含水率的污泥性質(zhì)

根據(jù)熱介質(zhì)與污泥的接觸方式，可將熱干化技術(shù)分為三類：直接干化法、間接干化法和直接-間接聯(lián)合干化法。直接干化法是利用燃燒裝置向干化設(shè)備提供干熱風(fēng)和煙氣，與污泥直接接觸，傳輸效率及蒸發(fā)速率較高，但熱介質(zhì)將受到污染且需與污泥分離，操作和管理具有一定困難；間接加熱法是由加熱設(shè)備提供的蒸汽或熱油首先加熱容器，再通過容器表面將熱傳遞給污泥，使污泥中的水分蒸發(fā)，可以有效避開污泥的塑性階段，且污泥有機(jī)物不易破壞，另外其還具有占地少、自動化程度高、易操作等優(yōu)點［12］（表4）。

表4　污泥熱值與含水率關(guān)系［11］

2.2污泥深度干化技術(shù)工藝工序

在干化的實際操作中，不難發(fā)現(xiàn)，對于富含各種有機(jī)質(zhì)形成強(qiáng)力黏性而雙性吸附大量水分的含水率80%左右的濕污泥進(jìn)行深度干化，需破壁把污泥表面強(qiáng)化或破壞才能使其固液分離。我國現(xiàn)沿用的脫水方式除直接加熱蒸發(fā)水分外，其它物理脫水技術(shù)必需加添化學(xué)物凝固和降解污泥細(xì)胞壁，把吸附在污泥細(xì)泡壁外的陽性水分和部分陰性水分脫水，故脫水率只能達(dá)到60%左右，污泥泥餅外層含水率仍然55%左右，泥餅內(nèi)層污泥含水率仍在70%左右，因此這些污泥因含水率較高其無害化和穩(wěn)定化不能被保證。對此，著重介紹具有眾多優(yōu)勢的“無添加”深度干化技術(shù)。

“無添加”深度干化技術(shù)利用“生物降解”作深度干燥的預(yù)處理程序，特選特效污泥降解微生物菌種降解附在污泥細(xì)胞的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物和其他無機(jī)物質(zhì)等固體物，有效把污泥細(xì)胞的表面軟化破壁，加快泥水分離速度，縮短泥水分離的時間。

如圖1所示，污泥深度干化主要工序為：（1）預(yù)處理：添加特效菌種對污泥進(jìn)行生物降解預(yù)處理；（2）“無添加”深度干化：將污泥與專利配方的“物理介子”充分混合，深度脫水至含水率12%～15%的干污泥，其中，“物理介子”可以利用介子干燥器進(jìn)行循環(huán)利用；（3）返混：將含水率12%～15%的干污泥和含水率80%的濕污泥進(jìn)行反混，徹底把粘性極高的改性濕泥解體，同時殺滅細(xì)菌和蟲卵等，按照不同需求得到含水率為12%～25%的污泥，即成品（含水率為25%的污泥）或含水率為12%～15%的干污泥（用于返混）。

圖1　污泥深度干化技術(shù)流程圖

當(dāng)濕物料與干燥介質(zhì)相接觸時，物料表面的水分開始?xì)饣⑾蛑車橘|(zhì)傳遞［13］。其中，“物理介子”是一種催化劑，其以物理反應(yīng)的方式吸附污泥水分，并輔以高溫快速干燥技術(shù)，使固液分離，解決污泥深層“膠體破壁”的瓶頸問題，能夠把污泥的含水率由75%～80%直接降至25%以下，最低含水率可達(dá)12%～15%，具有脫水效率極高的優(yōu)點，且作為一種催化劑，“物理介子”可通過干燥實現(xiàn)再生循環(huán)利用。

此技術(shù)是目前較為先進(jìn)的“無添加”污泥深度脫水技術(shù)，具有“無害化、穩(wěn)定化、減量化”等優(yōu)勢。干燥處理屬于物理變化，無損熱值，故脫水后的污泥可資源化再生利用，作化肥和焚燒之用。機(jī)組一體化，因占地少，操作安全穩(wěn)定，無需改動原處理單位的脫水系統(tǒng)，可配合和適用于污泥脫水后含水率約80%濕泥處理，無二惡英及臭氣排放，較適合鄰近居民區(qū)的污水處理單位采用。

2.3污泥深度干化技術(shù)設(shè)備

（1）污泥存儲罐。主要功能是充分利用污泥存儲停留時間和空氣混合，產(chǎn)生好氧反應(yīng)，對污泥進(jìn)行物理改性。主要由存儲罐體和攪拌鼓風(fēng)裝置組成。

（2）污泥反混機(jī)。主要功能是把含水率12%～15%的干污泥和含水率80%的濕污泥利用特別設(shè)計的攪拌棒和分離刀反混，徹底把粘性極高的改性濕泥解體。

（3）污泥混合機(jī)。主要功能：把25%含水率的污泥和專利配方的介子混合作深度脫水至含水率12%～15%的干粉備用與濕泥混合攪拌（圖2）。

（4）介子干燥器。主要功能：對吸水后的介子以熱風(fēng)全方位風(fēng)干，然后循環(huán)再利用。

圖2　雙層筒體雙螺旋漿葉攪拌機(jī)（污泥混合機(jī)）

3　污泥燃料制備研究

污泥焚燒是最徹底的處理方法，它能將有機(jī)物全部氧化分解，徹底殺死病原體，大大提高重金屬的穩(wěn)定性，污泥焚燒后剩余灰的體積只有機(jī)械脫水污泥體積的10%，并且污泥的處理速度快，不需要長時間儲存，減少占地面積［14］。污泥合成的燃料需要具備一定的熱值和穩(wěn)定性，無明顯刺激性氣味，具有一定的強(qiáng)度，便于儲藏和運(yùn)輸。本技術(shù)采用的具體工藝是：將經(jīng)過預(yù)處理后含水率約為80%的污泥（干基熱值約為10 000 kJ/kg，運(yùn)用“無添加”深度干化技術(shù)，干化至含水率為45%以下，作為與生物質(zhì)及化學(xué)劑混合制備生物質(zhì)炭的原料污泥。其中，添加的生物質(zhì)可以為木屑、稻草、麥稈和梧桐樹落葉等；木屑可取自某木材加工廠，粉末狀，稻桿、麥稈和樹葉分別需用粉碎機(jī)粉碎，篩分后得到長度分別為50，35，20和10（mm）的原材料［15］。在制備污泥合成材料的過程中，取生物質(zhì)的添加比例為干污泥質(zhì)量的10%進(jìn)行混合。而對于工藝中所使用的化學(xué)劑，即相關(guān)的粘合劑、助燃劑及防腐劑等，添加總量應(yīng)控制在干污泥質(zhì)量的13%。將原材料通過充分的混合后，可將其進(jìn)行造粒，常見的形狀有柱狀及蜂窩狀。

本技術(shù)工藝所制備的生物質(zhì)炭燃料，可與普通燃料按照比例在混合焚燒體系中進(jìn)行焚燒發(fā)電?；旌戏贌到y(tǒng)在充分燃燒后所產(chǎn)生的熱能，將利用汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，達(dá)到能源利用。

4　工程實例及經(jīng)濟(jì)評估

4.1污泥深度脫水干化/焚燒一體化技術(shù)工藝簡介

東莞某紡織有限公司經(jīng)批準(zhǔn)建有兩座污水處理系統(tǒng)，批準(zhǔn)的廢水總量為11 545 m3/d；同時，公司配套建有一座日處理6 745 m3/d的中水回用系統(tǒng)，并將其回用于生產(chǎn)各環(huán)節(jié)，外排生產(chǎn)廢水量僅為4 800 m3/d，廢水回用率達(dá)到58%，每天污泥平均產(chǎn)量達(dá)13 t左右。

污泥深度脫水干化/焚燒一體化技術(shù)工藝在東莞某有限紡織公司建立并運(yùn)行后，將產(chǎn)生的含水率約為80%的城市/工業(yè)污泥，通過深度干化-摻燒技術(shù)，使其含水率降至最適的25%左右；并將干化后的污泥制成顆粒狀的成品，聯(lián)合生物質(zhì)將其制成生物炭，用于焚燒發(fā)電并將所發(fā)電能回饋給工廠使用；同時，實現(xiàn)將發(fā)電后產(chǎn)生的煙氣、余熱等進(jìn)一步利用至污泥干化步驟（見圖3），實現(xiàn)“就地減量”，“就地干化”，“就地資源利用”和“就地處理”的無害化循環(huán)工藝及城市污水污泥處理的能源綜合利用。整個系統(tǒng)采用全密封式裝置和全自動一體化控制和監(jiān)控。

圖3　污泥深度脫水干化/焚燒一體化技術(shù)工藝流程

具體工藝步驟為：（1）收集：污水處理過程產(chǎn)生的污泥經(jīng)過初步的離心脫水后，含水率降至70%～80%；（2）預(yù)處理：添加SAP“菌種”，對污泥進(jìn)行生物降解預(yù)處理；（3）“無添加”深度干化及返混（見2.2節(jié)）；（4）焚燒：將通過深度干化及返混步驟后得到含水率25%的污泥聯(lián)合生物質(zhì)制成生物炭，投入焚燒爐中進(jìn)行焚燒，或與生活垃圾、煤等混合摻燒，所產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電；（5）余熱循環(huán)利用：焚燒發(fā)電后產(chǎn)生的電能及蒸汽通過焚燒系統(tǒng)又重新利用至深度干化步驟，作為污泥干化的動力能源。

4.2經(jīng)濟(jì)評估

污泥處置要考慮長期運(yùn)行成本的承受能力，運(yùn)行成本及經(jīng)濟(jì)承受能力是方案選擇的重要因素之一［2］。污泥低溫?zé)崽幚砑夹g(shù)無害化和減量化，其地位已經(jīng)逐漸提高。研究表明：低溫?zé)峤馐悄芰績糨敵鲞^程，成本低于直接焚燒［6］。

以工程實例中的東莞某紡織有限公司為例，其日產(chǎn)13 t含水率80%的剩余污泥，利用雙層筒體雙螺旋漿葉干燥機(jī)進(jìn)行污泥干化處理，基本工藝是用汽輪發(fā)電機(jī)一級抽汽（1 MPa，320℃）經(jīng)汽輪給水泵做功后，壓力、溫度降至0.4 MPa和170℃左右的低壓蒸汽，送到第一級雙層筒體雙螺旋漿葉干燥機(jī)作為干燥熱源；用鍋爐煙道空氣預(yù)熱器的熱風(fēng)（180℃左右）送到第二級雙層筒體雙螺旋漿葉干燥機(jī)作為干燥熱源。經(jīng)雙層筒體雙螺旋漿葉干燥機(jī)干燥后，污泥含水率由80%降至25%，可以直接送入流化床進(jìn)行焚燒。綜上，東莞某紡織有限公司的污泥干燥、焚燒處理生產(chǎn)運(yùn)行情況及成本核算如表5。

表5　不同處理工藝成本對比

該部分污泥作為燃料焚燒，其熱值相當(dāng)于節(jié)約用煤180 t，節(jié)約費(fèi)用約15萬元。項目總利潤為166萬元/a，項目總投資130萬元，成本回收時間不到1年。其中，整個工藝中，相關(guān)“無添加”深度干化技術(shù)工藝與我國目前其他干化處理工藝的成本對比如表6。

表6　不同污泥干化處理工藝成本對比

從表6可以看出，考慮污泥減量及運(yùn)輸成本，“無添加”工藝把污泥含水率從80%降至25%，在能耗方面具有明顯優(yōu)勢。利用“無添加”工藝每處理1 t含水率為80%的污泥至含水率40%，只需成本105元，降至含水率為25%左右的污泥需成本126元，而利用普通的化學(xué)調(diào)理及機(jī)械壓濾工藝，將1 t含水率80%的污泥同樣降至含水率為40%時，則需要120元；且12%～25%含水率污泥便于輸送，在后續(xù)處理方面具有更廣的出路；60%的污泥還要繼續(xù)進(jìn)行熱干化，進(jìn)一步降低含水率才能達(dá)到焚燒要求。

綜上可知，“無添加”深度脫水干化-焚燒技術(shù)運(yùn)行費(fèi)用低，且清潔衛(wèi)生，綜合處理成本低，直接運(yùn)行成本（人工、能耗、藥劑）可降低到常規(guī)機(jī)械脫水+熱干化方式的1/3～1/2。且其具備不依賴熱源、基本無二次污染、銜接性強(qiáng)、占地面積小、適用范圍廣等特點；與熱干化法相比，在投資和運(yùn)行成本上更具競爭優(yōu)勢，并具有脫水效率高、設(shè)備節(jié)能、國產(chǎn)化率高等優(yōu)勢。

表7　污泥干化-焚燒工藝成本

5　結(jié)論

目前城市污水污泥的處理處置已成為一亟待解決的環(huán)境問題，其中干化-焚燒處理具有高度的可行性及良好的發(fā)展前景，而具有“無害化、穩(wěn)定化、減量化”等優(yōu)勢的“無添加”深度脫水干化技術(shù)值得重視和發(fā)展。在污泥焚燒方面，可結(jié)合相關(guān)的技術(shù)對其作進(jìn)一步的資源利用如焚燒發(fā)電等，同時應(yīng)注意其相關(guān)的污染物控制。污泥干化技術(shù)是一項長遠(yuǎn)盈利的投資，相比于其他處置方式，污泥干化技術(shù)節(jié)約成本，且為后續(xù)資源化利用提供保證［16］。而根據(jù)某大型污水處理廠的示范工程看來，“無添加”深度脫水干化及其進(jìn)一步的焚燒發(fā)電技術(shù)在運(yùn)行成本上具有競爭優(yōu)勢，相比于傳統(tǒng)的壓濾干化，對污泥進(jìn)行“無添加”深度干化，將污泥含水率從80%降到40%，可節(jié)省15元/t。所介紹的污泥“無添加”深度脫水干化/焚燒技術(shù)對現(xiàn)有污泥脫水設(shè)施的改建、擴(kuò)建及新建污水廠的污泥脫水，將改變現(xiàn)有的常規(guī)脫水工藝及設(shè)備以及熱干化處理等污泥處理處置市場格局。

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Technical analysis and economic evaluation of sludge deep dehydration drying and incineration

LI Xiaoyu，PENG Zicheng，LIANG Kaiyun，HUANG Xiaohong，LIANG Chaofu，PANG Yansong，LIU Jingyong
（School of Environmental Science and Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

The present situation of sludge production in China was analyzed，and the main treatment technology of sludge drying was compared and analyzed.Sludge drying technology can effectively carry out the depth of the sludge dewatering，and did not change the calorific value of the sludge，which is a promising treatment technology.In this paper，the process of collection，pretreatment，deep drying，back mixing and incineration power generation were introduced in detail，and the main pollutants and control technologies were analyzed.By means of the operation status of the integrated technology of sludge depth dehydration drying and incineration in the example of demonstration project，the economic evaluation of sludge depth dehydration drying and incineration technology was carried out.

sludge；deep dehydration；pollution control；economic evaluation

X703

A

1674-0912（2016）09-0033-05

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（201511845057，201511845128，xj201511845162）；廣州市科技計劃項目（201510010033，2016201604030058）

李曉瑜（1995-），女，廣東惠州人，本科在讀，專業(yè)方向：環(huán)境工程。

（2016-06-14）