污泥熱干化技術(shù)淺析
行業(yè)動(dòng)態(tài)
污泥是污水處理過(guò)程的衍生物，其成分以好氧微生物為主，同時(shí)包含污水中的泥沙、纖維、動(dòng)植物殘?bào)w等，根據(jù)所處理污水性質(zhì)的不同，污泥中還可能包含有害金屬、蟲卵、病菌等對(duì)人體有害的物質(zhì)，如果污泥不經(jīng)妥善處理會(huì)對(duì)環(huán)境以及人體健康造成巨大危害。目前污泥的主要處置方法有填埋、焚燒、堆肥和土地利用，然而污水處理廠產(chǎn)生的污泥含水率高達(dá)80%左右，無(wú)法直接處理，因此污泥干化就成了污泥處置的前提。
污泥熱干化是利用熱能將污泥中的水分進(jìn)行蒸發(fā)從而達(dá)到方便后續(xù)對(duì)污泥處理的一種方法。該技術(shù)早在20世紀(jì)40年代就已有應(yīng)用，20世紀(jì)60年代發(fā)展成熟，但真正成熟地大規(guī)模應(yīng)用于市政污泥處置是在20世紀(jì)90年代。污泥熱干化技術(shù)的特點(diǎn)是集約化、機(jī)械化、減量化、無(wú)害化、穩(wěn)定化、資源化。干化后的污泥產(chǎn)品呈粉末狀或顆粒狀，體積減小到原來(lái)的1/4，含水率降低到10%以下，并且很好地抑制了污泥中所含微生物的活性，因此干化后的污泥產(chǎn)品用途廣泛，并且增加了污泥管理系統(tǒng)的靈活性和可操作性。目前歐美采用的干化工藝以轉(zhuǎn)鼓干化、流化床干化、盤式干化為主，此外還有碟片式、帶式、日光式、閃蒸式等干化工藝，但后面幾種工藝在大型工程中用的很少。
1 熱干化技術(shù)分類
熱干化技術(shù)通常按照傳熱方式的不同進(jìn)行分類。熱干化技術(shù)包括直接干化（熱對(duì)流）、間接干化（熱傳導(dǎo)）和直接-間接干化。
1.1 直接干化
在直接干化過(guò)程中，濕污泥與熱氣體（空氣或水蒸氣）直接接觸，熱氣體為污泥中的水分蒸發(fā)提供熱量，隨后蒸發(fā)的液體被熱氣體帶走。其特點(diǎn)是傳熱效率高，干化效果好。直接干化工藝較具代表性的是歐盟的英國(guó)Bransunds水廠（可蒸發(fā)水量為7×5000kg/h）。國(guó)內(nèi)的大連、秦皇島和徐州等地也對(duì)污泥直接干化工藝進(jìn)行了深入研究。
1.1.1 轉(zhuǎn)鼓干化技術(shù)
早在20世紀(jì)40年代美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已率先應(yīng)用該技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行干化。在該工藝中，脫水污泥進(jìn)入污泥混合器與充分干化后的污泥進(jìn)行混合形成含水率為50%～60%的混合污泥?；旌衔勰嘟?jīng)螺旋傳送機(jī)傳送至轉(zhuǎn)鼓干燥器，同時(shí)轉(zhuǎn)鼓一側(cè)通入溫度700℃，流速1.2～1.3m/s的熱氣。熱氣直接與混合污泥相接觸使污泥受熱，經(jīng)過(guò)25min左右處理后，污泥進(jìn)入分離器，在這里排出的濕熱氣體被集中回收重復(fù)利用，熱介質(zhì)的重復(fù)利用率可達(dá)85%。污泥中的惡臭氣體則被送到生物處理器進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理。經(jīng)過(guò)處理后的污泥干化率可達(dá)到85%～90%，污泥成顆粒狀且粒徑可控（粒徑大約1～4mm）。污泥干化過(guò)程中無(wú)煙塵產(chǎn)生。該工藝中所使用的熱對(duì)流介質(zhì)一般為沼氣、天然氣或熱油等燃料。
1.1.2 閃蒸式干化技術(shù)
閃蒸式干化機(jī)是集干燥、粉碎、篩選功能于一體的干化設(shè)備。熱空氣由通氣入口沿切線方向進(jìn)入干化機(jī)并成螺旋流上升，流速約20～30m/s，反混后的混合污泥由進(jìn)料口進(jìn)入干化機(jī)直接與熱空氣進(jìn)行接觸。較大的污泥顆粒在高速旋轉(zhuǎn)攪拌槳的作用下被打碎，從而加大了與熱空氣的接觸面積；較小的污泥顆粒隨旋轉(zhuǎn)氣流上升并在氣固分離器進(jìn)行分離。整個(gè)干燥過(guò)程中污泥始終呈懸浮狀態(tài)，干化時(shí)間僅為5～8s，污泥中水分蒸發(fā)迅速、徹底，干化后的污泥含水率可降低到8%～10%。早在20世紀(jì)30年代，美國(guó)就已經(jīng)將該技術(shù)應(yīng)用于污泥的干化處理，目前閃蒸式干化機(jī)的代表性生產(chǎn)廠家是美國(guó)ABB Raymond公司。
1.1.3 帶式干化技術(shù)
帶式干化機(jī)的主要工作部件為2條張緊的壓濾帶，污泥脫水時(shí)污泥被平鋪在壓濾帶上，隨著壓濾帶的傳動(dòng)，壓濾帶的張力對(duì)帶上的污泥形成擠壓剪切作用，從而產(chǎn)生含固率較高的泥餅，同時(shí)通以熱空氣進(jìn)行干燥，熱空氣在鼓風(fēng)機(jī)的作用下在干化機(jī)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，充分與泥餅進(jìn)行接觸從而實(shí)現(xiàn)污泥脫水過(guò)程。該設(shè)備的主要生產(chǎn)商為琥珀公司和德利滿公司。帶式干化技術(shù)在我國(guó)污泥處理中應(yīng)用比較普遍，如深圳南山熱電廠采用低溫帶式干化工藝，干化后污泥含水率為10%～40%。該技術(shù)蒸發(fā)強(qiáng)度高、干燥速度快、產(chǎn)品質(zhì)量好，但產(chǎn)品為濾餅狀物料，需要經(jīng)后續(xù)加工方可使用。
1.2 間接干化
間接干化主要利用熱傳導(dǎo)效應(yīng)，污泥不直接與熱源接觸，而是與通入高溫加熱媒介（通常為蒸汽或熱油）的金屬管外壁接觸將污泥中的水分蒸發(fā)掉。間接干化的典型例子為世界上規(guī)模較大的間接加熱污泥干化廠——西班牙巴塞羅那城市污泥干化廠，其每小時(shí)干化污泥量可達(dá)到20000kg。
1.2.1 轉(zhuǎn)盤干化技術(shù)
轉(zhuǎn)盤式干化機(jī)主要由貫穿整體的空心轉(zhuǎn)軸和圓筒形狀的定子組成，轉(zhuǎn)軸上布滿中空轉(zhuǎn)盤，熱介質(zhì)被注入中空轉(zhuǎn)盤，熱量通過(guò)轉(zhuǎn)盤外壁傳遞給圓筒中的污泥，使其受熱，水分蒸發(fā)。轉(zhuǎn)盤采用雙面?zhèn)鳠嵩O(shè)計(jì)，可以在很小的空間內(nèi)形成較大的換熱面積，提高換熱效率，同時(shí)轉(zhuǎn)盤的緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)（轉(zhuǎn)速約為3～5r/min）可以使污泥向指定方向流動(dòng)并起到攪拌的作用。設(shè)備外壁有固定的刮刀，可以將2個(gè)盤面之間的污泥刮去以免造成堵塞。受傳熱影響，從污泥中蒸發(fā)出來(lái)的水蒸氣向轉(zhuǎn)盤上方的穹頂聚集并從通風(fēng)口排出干化機(jī)。該技術(shù)可采用低溫?zé)嵩醇訜幔ā?80℃），熱介質(zhì)可采用蒸汽或熱油，由于所需空氣量少，因此所產(chǎn)生的尾氣量也少，減輕了環(huán)境污染。
轉(zhuǎn)盤干化技術(shù)應(yīng)用較早，具有代表性的工程實(shí)例有：荷蘭SNB污泥干化焚燒站，干化后污泥含水率在50%左右；德國(guó)德雷斯頓污水處理廠，干化后污泥含水率在10%左右。
1.2.2 多盤干化技術(shù)
干化機(jī)內(nèi)分布有大小不同的轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤呈交替垂直排布，通過(guò)循環(huán)熱油加熱。脫水污泥（含固率25%～30%）在涂層機(jī)內(nèi)與濕污泥混合，脫水污泥被濕污泥包裹在中間形成干燥內(nèi)核。隨著圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，污泥顆粒由造粒機(jī)頂部向造粒機(jī)底部移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中污泥顆粒得到干化。由于污泥顆粒在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)直接與加熱表面相接觸并且顆粒逐盤增大，因此多盤工藝也被稱為“珍珠”工藝。該技術(shù)在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)被應(yīng)用到污泥的干化處理當(dāng)中，并且在歐美地區(qū)應(yīng)用較為廣泛。
1.2.3 槳葉式干化技術(shù)
槳葉式干化機(jī)的殼體和槳葉都采用中空設(shè)計(jì)，熱空氣或熱油被注入到殼體和槳葉當(dāng)中使外殼和槳葉得到加熱，污泥進(jìn)入干化機(jī)內(nèi)部與外殼和葉片接觸受熱并得到干化。由于葉片的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)污泥進(jìn)行連續(xù)切割攪拌，使污泥上下翻滾均勻受熱，于此同時(shí)，槳葉的攪拌作用可以推動(dòng)污泥向出料口方向移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于槳葉式干化機(jī)中部沒有固定刮泥刀，因此對(duì)于黏性較大的污泥處理效果不是很好。
該技術(shù)應(yīng)用較為成熟，也是較早傳入我國(guó)的干化技術(shù)之一。目前國(guó)內(nèi)主要代表生產(chǎn)商有三原重工、蘇州自動(dòng)化工等公司。紹興中環(huán)能源有限公司采用該技術(shù)對(duì)日產(chǎn)量500t的污泥進(jìn)行處理，處理后污泥含水率為40%。
直接干化和間接干化各有優(yōu)缺點(diǎn)，其對(duì)比如下：
| 干化類型 | 能耗 | 粉塵量 | 尾氣排放量 | 運(yùn)行成本 | 干化效率 |
直接干化 | 大 | 高 | 高 | 高 | 高 |
間接干化 | 小 | 低 | 低 | 低 | 低 |
1.3 直接-間接干化
1.3.1 流化床干化技術(shù)
流化床干化工藝通過(guò)流化的高溫氣體和通入熱油的加熱管對(duì)污泥進(jìn)行干化，流化床干燥器包括一個(gè)底部多孔的固定立室，熱氣體（通常為空氣或者蒸汽）在立室內(nèi)部流動(dòng)。脫水污泥通過(guò)進(jìn)料器進(jìn)入圓形干燥器。在流化床中，氣體與污泥處于交叉逆流狀態(tài)，氣體作為高效熱交換介質(zhì)，而污泥中的水分則在流體運(yùn)動(dòng)中得以蒸發(fā)，干化后的污泥經(jīng)干污泥斗以顆粒狀排出。廢氣中的小部分粉塵在旋風(fēng)分離器中回收，進(jìn)入污泥進(jìn)料斗。氣體經(jīng)過(guò)濕式洗滌器凈化并部分冷卻后由煙囪排出。
流化床干化工藝所使用的惰性材料一般為石英砂或者礦渣。載熱體溫度為500～600℃，干燥時(shí)間為10～15min，污泥干燥溫度為300～900℃，燃燒室的氣體溫度為800～1100℃。加熱到如此高的溫度需要大量熱量，因此，系統(tǒng)需配備能量回收設(shè)備。
該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是干燥時(shí)間的可控制性和高強(qiáng)度的熱傳遞，流化床干燥器均為固定部件，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是廢氣中的粉塵含量高，大概為0.6～0.7g/m3。目前該流化床干燥器的主要生產(chǎn)商為德國(guó)WABAG公司和安德里茲公司。我國(guó)上海石洞口污水處理廠和北京清河污水處理廠所使用的污泥干化工藝就是流化床干化工藝。
1.3.2 渦輪薄層干化技術(shù)
在干化機(jī)內(nèi)，含水污泥在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的槳葉所形成的漩渦的作用下在反應(yīng)器內(nèi)壁形成物料薄層，該薄層以一定的速度從進(jìn)料口向出料口移動(dòng)，在此過(guò)程中，污泥通過(guò)與被熱介質(zhì)加熱的干化機(jī)襯套及干化機(jī)內(nèi)的熱蒸汽接觸而得到干化。污泥顆粒、蒸發(fā)氣體和其他氣體在氣旋分離器中被分離出去。經(jīng)過(guò)該工藝處理后的污泥含固率在60%左右。該技術(shù)靈活性高，無(wú)污泥反混，換熱效率高，氣體排放量少。
2 污泥熱干化技術(shù)性能分析
2.1 能耗分析
污泥熱干化的能耗主要指熱能消耗和電能消耗，能耗支出占整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化工藝運(yùn)行成本的80%以上，因此能耗分析是熱干化工藝的重點(diǎn)指標(biāo)。
2.1.1 熱能消耗
污泥熱干化工藝中熱能的消耗主要包括污泥升溫和水分蒸發(fā)所需的理論熱能以及系統(tǒng)自身的熱能損失。造成熱能損失的主要因素有：
（1）熱源的類型及污泥運(yùn)輸、存儲(chǔ)和利用條件的不同，熱損失會(huì)不同。無(wú)論是熱傳導(dǎo)還是熱對(duì)流均會(huì)在換熱過(guò)程中產(chǎn)生一定的熱損失，一般熱損失為8%～15%，且這部分熱損失很難再降低。由于污泥的復(fù)雜性，加熱方式采用間接加熱方式，另外污泥運(yùn)輸中管線粗細(xì)、運(yùn)輸距離、運(yùn)輸壓力等均會(huì)對(duì)熱損失產(chǎn)生影響。因此為了減少熱損失應(yīng)該注意熱源和換熱器的選擇與組合，盡量短距離運(yùn)輸并且注意保溫。
（2）污泥顆粒自身性質(zhì)不同，所消耗的熱能不同。進(jìn)料污泥粒度、黏度各不相同且污泥含水率較高，因此常常采用干泥返混工藝對(duì)其進(jìn)行處理，然而在處理過(guò)程中污泥顆粒的反復(fù)加熱和冷凝會(huì)導(dǎo)致大量的熱損失，因此合理降低產(chǎn)品含固率、改善冷凝條件可以有效減少熱損失。
（3）干化工藝不同，熱損失不同。污泥含水率較高時(shí)，間接干化技術(shù)干化效率較高，但是難以將污泥中20%～30%的水分去除。對(duì)于含水率小于50%的污泥，直接干化技術(shù)的干化效率要高于間接干化技術(shù)的干化效率。此外，半干化熱能消耗要低于全干化熱能消耗。因此減少干化工藝步驟，縮短工藝線路可提高干化效率，減少熱損失。
2.1.2 電能消耗
電能消耗主要指干化工藝中干化系統(tǒng)、污泥運(yùn)輸、存儲(chǔ)以及安全控制、照明等系統(tǒng)所消耗的電能，其占干化總成本的20%左右。
2.2 安全性分析
對(duì)干化工藝安全性具有重要影響的因素主要有粉塵含量、工藝允許含氧量、顆粒溫度（點(diǎn)燃能量）和含濕量4個(gè)方面。
2.2.1 粉塵含量
污泥在運(yùn)輸、篩分、存儲(chǔ)等過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，由于這些粉塵粒徑較小、比表面積較大，因此極易燃燒和爆炸。不同干化工藝所產(chǎn)生的粉塵量不同，同一干化工藝在不同的步驟當(dāng)中所產(chǎn)生的粉塵量也不同，一般認(rèn)為粉塵達(dá)到爆炸質(zhì)量濃度的下限為60g/m3（以粒徑小于150um的粉塵顆粒為例。間接干化工藝氣體量較小，粉塵含量低，相對(duì)于直接干化工藝更安全。有效控制干化過(guò)程中的粉塵產(chǎn)生量是安全生產(chǎn)的重要保障。
2.2.2 工藝允許含氧量
由于粉塵顆粒較小且很難進(jìn)一步減少污泥干化過(guò)程中的粉塵產(chǎn)生量，因此在含濕量、溫度及粉塵含量不變的情況下，降低干化系統(tǒng)中的含氧量成為避免安全事故的有效手段。一般要求工藝中氧氣含量不得超過(guò)12%。對(duì)于含氧量較高的工藝常采用惰性氣體對(duì)氧氣進(jìn)行稀釋，常用的惰性氣體主要有水蒸氣、二氧化碳、氮?dú)夂蜔煔狻?/p>
2.2.3 顆粒溫度（點(diǎn)燃能量）
污泥粉塵的點(diǎn)燃能量很低，從幾毫焦到幾百毫焦不等，當(dāng)粉塵含量和含氧量滿足要求時(shí)，任何細(xì)小的火花都有可能造成粉塵的爆炸。通常當(dāng)干化體系溫度為85℃時(shí)，點(diǎn)燃能量在100mJ左右，而且該點(diǎn)燃能量無(wú)法消除。
2.2.4 含濕量
干化系統(tǒng)含濕量越高，氣體惰性化程度越高，則粉塵顆粒的點(diǎn)燃能量和爆炸下限也越高。當(dāng)含濕量達(dá)到一定程度時(shí)，即使粉塵含量及含氧量很高，粉塵也不會(huì)發(fā)生爆炸。所以含濕量是評(píng)價(jià)工藝安全的一個(gè)重要因素。
2.3 環(huán)境友好性分析
污泥中含有許多有毒有害物質(zhì)，其性質(zhì)不穩(wěn)定，易腐爛揮發(fā)，在污泥干化過(guò)程中容易造成二次污染。其中苯及其化合物是污泥干化過(guò)程中所釋放的一類重要污染物質(zhì)。根據(jù)污泥揮發(fā)氣體釋放試驗(yàn)，污泥中具有毒性的苯、酚類化合物的揮發(fā)溫度在200℃以上，值得注意的是，二甲苯的揮發(fā)溫度在150℃左右，且隨著干化溫度的升高，其揮發(fā)量逐漸增加。因此，為了降低有毒氣體的揮發(fā)量，應(yīng)該盡量降低污泥的干化溫度，干化工藝盡量選擇采用閉路循環(huán)設(shè)計(jì)的間接加熱技術(shù)，對(duì)于直接加熱干化工藝盡量采用氣體循環(huán)回用設(shè)計(jì)。盡量減少外排的廢氣量，并且對(duì)外排氣體進(jìn)行必要的處理。
2.4 靈活性分析
污泥熱干化技術(shù)的靈活性指的是熱干化技術(shù)以高效、穩(wěn)定地滿足污泥干化產(chǎn)品為前提，對(duì)原污泥初始含水率的適應(yīng)能力。由于污泥來(lái)源不同，污泥初始含水率、粒徑、顆粒黏度及污泥中有毒有害物質(zhì)各不相同，因此不同污泥干化工藝對(duì)不同的泥質(zhì)有一定的針對(duì)性，比如多盤干化工藝和閃蒸式干化工藝等無(wú)法直接處理含水率較高的初始污泥。因此應(yīng)合理選擇組合工藝對(duì)污泥進(jìn)行處理以達(dá)到高效、穩(wěn)定、長(zhǎng)期的發(fā)展目標(biāo)。
此外，由于污泥產(chǎn)品的用途不同（堆肥、建材利用、焚燒、土地利用等），對(duì)于干化后污泥含水率的要求也不盡相同，因此應(yīng)該充分遵循“以處置定干化”的原則選擇適當(dāng)?shù)奈勰酂岣苫幚砉に噥?lái)對(duì)原污泥進(jìn)行處理。
3 結(jié)語(yǔ)
污泥熱干化技術(shù)作為一種較為成熟的干化技術(shù)，以其處理效果好、處理周期短、處理規(guī)模大、成品安全衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)，成為主流的污泥干化技術(shù)。在進(jìn)行污泥處置的同時(shí)結(jié)合能耗分析、安全性分析、環(huán)境友好性分析和靈活性分析，并結(jié)合中國(guó)國(guó)情合理選擇熱干化工藝，達(dá)到污泥處置的資源化、無(wú)害化、減量化、穩(wěn)定化目標(biāo)，真正實(shí)現(xiàn)變廢為寶。并努力改進(jìn)傳統(tǒng)污泥熱干化技術(shù)，提高處理效率，開發(fā)新技術(shù)，提高傳熱效率。
