“兩段法”污泥干化工藝的應(yīng)用探討
行業(yè)動態(tài)
目前，污泥處理處置主要有填埋、土地利用、堆肥、焚燒等方法，但根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)》（GB/T 23485-2009）、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 農(nóng)用泥質(zhì)》（CJ/T 309-2009）、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)》（CJ/T 290-2008）等標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)械脫水污泥水分過高（污泥含水率達(dá)80%），無法滿足上述處理方法的泥質(zhì)要求。
為了滿足污泥進(jìn)入環(huán)境消納的要求而需采取必要措施，以使污泥在處置過程中不會對環(huán)境產(chǎn)生有害的影響。2013年1月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布《近期土壤環(huán)境保護(hù)和綜合治理工作安排》，文件明確要求，應(yīng)禁止在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用含重金屬、難降解有機(jī)污染物的污水以及未經(jīng)檢驗(yàn)和安全處理的污水處理廠污泥、清淤底泥等，這也是首次公開提出未來將嚴(yán)格限制污水、污泥用于農(nóng)業(yè)用途。
污泥的處理方法主要取決于污泥處置的方式和要求，主要包括污泥深度脫水、污泥穩(wěn)定、污泥干化等方法。污泥經(jīng)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(shí)營養(yǎng)成分和熱值得以保持，可以進(jìn)一步進(jìn)行填埋、堆肥、焚燒以及園林綠化等后續(xù)處置。
1 污泥干化技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展
20世紀(jì)末，由于脫水污泥在農(nóng)用、填埋、投海時(shí)存在突出的不利因素，也由于污泥熱干化技術(shù)在歐美等國家的成功應(yīng)用，使污泥干化技術(shù)在西方國家很快得到推廣。國內(nèi)污泥熱干化技術(shù)起步較晚，目前仍以引進(jìn)國外技術(shù)和設(shè)備為主，其干化工藝類型眾多，安全性、穩(wěn)定性以及能耗成本問題突出，因此選擇合理的干化工藝，安全、穩(wěn)定、低成本和大規(guī)模地處理污泥，是目前污泥干化亟需解決的問題。而污泥熱干化技術(shù)的適應(yīng)性、即能耗、安全性、環(huán)境友好性、靈活性，成為合理選擇干化技術(shù)類型、優(yōu)化干化工藝的重要依據(jù)。
污泥干化由于有提高水分蒸發(fā)強(qiáng)度的要求，故需使用人工熱源。干化對污泥的處理效應(yīng)，不僅是深度脫水，還具有熱處理效應(yīng)；另外，污泥干化處理的產(chǎn)物，其含水率可控制在30%以下，即達(dá)到抑制污泥中的微生物活動水平，因此污泥干化處理可同時(shí)改變污泥的物理、化學(xué)和生物特性。具體而言，污泥干化操作的溫度效應(yīng)可以殺滅污泥中的寄生蟲卵、致病菌、病毒等病原微生物和其他非病原生物。與干化后污泥的低含水條件相配合，污泥干化可使污泥達(dá)到較徹底的衛(wèi)生學(xué)無害化水平，同時(shí)干化污泥還具有相當(dāng)高水平的“表觀”生物穩(wěn)定性（干化污泥如磨細(xì)后，重新加水漿化，再接種微生物，則其生物穩(wěn)定性特征會失去，故稱其為“表觀”）。
另外，干化污泥的低含水率，使其重要的熱化學(xué)特性——低位發(fā)熱量大幅上升（含水率為20%的干化城市污水處理廠生污泥，其低位發(fā)熱量約為8～15MJ/kg，為標(biāo)準(zhǔn)煤的60%左右），不僅可能達(dá)到自持燃燒的水平，甚至可作為礦物燃料的替代物使用（污泥衍生燃料）。污泥干化技術(shù)主要有熱干化、太陽能干化、微波加熱干化、超聲波干化以及熱泵干化等。目前應(yīng)用廣泛也成熟的是熱干化技術(shù)。根據(jù)熱介質(zhì)與污泥的接觸方式可將熱干化技術(shù)分為直接干化法、間接干化法和直接-間接聯(lián)合干化法。
早在20世紀(jì)40年代，日本和歐美就已經(jīng)用直接加熱鼓式干燥器來干燥污泥。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，污泥干化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)正逐漸顯現(xiàn)出來：
①污泥顯著減容，體積可減少4～5倍。
②可形成顆?；蚍蹱罘€(wěn)定產(chǎn)品，污泥性狀大大改善。
③產(chǎn)品無臭無病原體，減輕了有關(guān)的負(fù)面效應(yīng)，使處理后的污泥更易被接受。
④干化后產(chǎn)品具有多種用途，如作土壤改良劑、替代能源等。
由于污泥干化技術(shù)所具有的這種改變污泥物性的能力，因此污泥干化技術(shù)不僅可在污泥焚燒和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化等工藝體系中作為預(yù)處理技術(shù)單元應(yīng)用，也可以直接將干化污泥產(chǎn)物出售給園林綠化部門作肥料，或出售給建材制造等工業(yè)部門作輔助燃料。
對于干化工藝選擇的原則，主要體現(xiàn)在以下幾方面：
①安全性。污泥干化過程中污泥自燃和設(shè)備爆炸等安全事故時(shí)有發(fā)生，安全性成為干化重要的問題之一。早在1994年歐盟就頒布了《潛在爆炸危險(xiǎn)安全標(biāo)準(zhǔn)》[ATEX95(94/9/EC)和ATEX137(1999/92/EC)]，并于2003年起在歐盟強(qiáng)制實(shí)施。污泥干化安全性問題存在于整個(gè)干化過程，其安全要素主要有粉塵濃度、含氧量、點(diǎn)燃能量及含濕量。污水處理廠干化污泥是一種高有機(jī)質(zhì)物質(zhì)，在干化過程中可能因自燃或燜燒而發(fā)生爆炸。對工藝安全性具有重要影響的要素及其限制指標(biāo)分別體現(xiàn)在粉塵濃度、含氧量以及點(diǎn)火能量等方面。
②能耗。能耗是直接影響干化項(xiàng)目運(yùn)行費(fèi)用的主要指標(biāo)，好的干化工藝可盡量減少其不必要的能量損耗。
③設(shè)備價(jià)格。污泥處理項(xiàng)目屬于市政基礎(chǔ)設(shè)施，本身盈利能力不強(qiáng)甚至不具備。因此工藝選擇需嚴(yán)格控制設(shè)備價(jià)格，避免污泥處理費(fèi)大幅上升。
④抗波動能力。進(jìn)料污泥含水率可能因?yàn)槊撍\(yùn)行情況而出現(xiàn)波動，干化設(shè)備在保證出泥品質(zhì)的前提下允許這種波動發(fā)生的范圍越寬，則抗波動能力越強(qiáng)。
⑤處理附著性污泥能力。含水率為40%～60%的污泥具有很強(qiáng)的粘滯性，附著在干化設(shè)備上會增加能耗，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸨ㄊ鹿?，因此處理附著性污泥的能力越?qiáng)越好。
⑥占地面積。土地是寶貴的資源，因此要求在相同處理?xiàng)l件下盡可能地少占地。
⑦靈活性。不同的污泥處理方式對污泥的含水率要求不同，理想的干化工藝應(yīng)能根據(jù)干污泥顆粒的不同用途而自由方便地調(diào)節(jié)其含水率。
2 關(guān)于“兩段法”污泥干化工藝
“兩段法”污泥干化工藝包括兩級干化，分別利用薄層干化機(jī)和帶式干化機(jī)技術(shù)。一級處理階段多余的能量部分轉(zhuǎn)換成熱量，經(jīng)過熱能回收系統(tǒng)提供給二級干化處理階段。
2.1 工藝設(shè)計(jì)組成
工藝設(shè)計(jì)分為間接干化和直接干化兩個(gè)階段，通過中間造粒階段可有效避免污泥干化過程中所產(chǎn)生大量粉塵的問題，另外通過熱量回收裝置對一段的廢熱回收用于二段干化實(shí)現(xiàn)熱能梯度利用，可實(shí)現(xiàn)干化整體能耗降低約30%，大大節(jié)省了干化成本。
第一段是薄層蒸發(fā)器，采用間接干化方式干化污泥。第二段是帶式干燥機(jī)，采用直接干化方式干化污泥，采用循環(huán)風(fēng)設(shè)計(jì)，內(nèi)部設(shè)計(jì)為負(fù)壓，可有效控制干化過程中的氣味擴(kuò)散，帶機(jī)內(nèi)部與污泥直接接觸溫度一般不高于105℃，整個(gè)過程為低溫干化，可有效保持污泥中的有機(jī)成分，干化后的污泥顆粒長度小于5cm，含固率可在80%～95%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，熱值可高達(dá)3000kcal/kg（1kcal≈4.2kj，以下均按此值換算）以上，可以作為生物質(zhì)能替代燃煤進(jìn)行焚燒發(fā)電，回收污泥中的能量。
（1）第一段：薄層蒸發(fā)器
在第一階段，脫水污泥由螺桿泵連續(xù)地投入水平薄層蒸發(fā)器中。蒸發(fā)器的旋轉(zhuǎn)葉片將污泥涂成薄層緊貼在中空的殼體內(nèi)壁，充分利用來自熱電廠的過熱蒸汽，轉(zhuǎn)換為飽和蒸汽后，作為干化系統(tǒng)的熱源。
熱干化時(shí)，污泥進(jìn)入薄層蒸發(fā)器內(nèi)筒，蒸汽則進(jìn)入外殼夾套中，通過換熱壁間接干化污泥至其含固率為40%～50%。隨后，半干污泥通過切碎機(jī)格柵，被擠壓成面條狀，經(jīng)回轉(zhuǎn)式輸送機(jī)送入帶式干燥機(jī)。
（2）第二段：帶式干燥機(jī)
帶式干燥機(jī)共分三層，風(fēng)機(jī)持續(xù)向上、中層送入循環(huán)熱風(fēng)。形成的污泥顆粒通過一個(gè)回轉(zhuǎn)輸送裝置在整個(gè)寬度范圍內(nèi)均勻配送，然后送到帶式輸送機(jī)的傳送帶上。傳送帶以一定的速度前進(jìn)，保證污泥顆粒不會移動，也不產(chǎn)生摩擦。傳送帶上帶有一些小孔，有利于熱空氣的循環(huán)。傳送帶沿線設(shè)置有一定數(shù)量的入口，通過入口觀測窗可檢查運(yùn)送的過程。干化機(jī)在低溫負(fù)壓下運(yùn)行，可避免臭氣蔓延的問題，干化后的污泥顆粒在一段傳送帶上冷卻，確保干污泥溫度下降到50℃以下。另外，可根據(jù)要求對帶式干化機(jī)運(yùn)行條件進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)出泥不同含固率的要求。
2.2 “兩段法”污泥干化工藝的特點(diǎn)及優(yōu)勢
采用創(chuàng)新性的兩級干化工藝（一級處理后污泥干度達(dá)到40%～50%，隨后二級干化處理后污泥干度可達(dá)到80%～95%），使得污泥在第一處理階段具有可塑性時(shí)已經(jīng)形成顆粒，然后在第二階段進(jìn)行進(jìn)一步的干化處理。
（1）安全性高
污泥在可塑性階段形成顆粒以及帶式干化機(jī)的獨(dú)特設(shè)計(jì)確保了該工藝無塵，其設(shè)備本身更加安全可靠。低溫操作、不含粉塵以及封閉的環(huán)境都是對安全性的保證。該工藝防止了顆粒燃燒和引發(fā)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)不需要特殊的處理措施，如充入惰性氣體或采取其他限制性程序。系統(tǒng)內(nèi)物料粉塵濃度低（≤50g/Nm3），系統(tǒng)氧濃度在安全濃度極限范圍內(nèi)（＜5%）。
（2）節(jié)能低耗
間接加熱方式在污泥含水率高時(shí)干化效率較高，而將20%～30%水分去除，則比較困難；直接加熱方式對含水率＜50%的污泥干化效率較高。通過兩套不同的能量回收系統(tǒng)對一段產(chǎn)生的廢熱進(jìn)行回收，用于二段干化，通過此項(xiàng)設(shè)計(jì)可節(jié)約綜合能耗達(dá)30%以上。
（3）出泥干度調(diào)整范圍寬
通過在第二處理階段進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，可產(chǎn)生不同干度的干污泥顆粒，干化度范圍為80%～95%。根據(jù)污泥用途不同，污泥顆粒的尺寸也可在10～50mm的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。
2.3 經(jīng)濟(jì)性及安全性綜合比較
不同污泥干化技術(shù)經(jīng)濟(jì)性及安全性比較如下：
項(xiàng)目 | 帶式 | 兩段式 | 槳葉式 |
加熱形式 | 直接 | 間接+直接 | 間接 |
設(shè)備安全性 | 污泥幾乎全靜止，粉塵含量約0.003g/m3，低于臨界濃度；工作溫度較高（110～130℃），干化機(jī)內(nèi)設(shè)噴淋系統(tǒng)，因此是安全的 | 第一階段薄層干化機(jī)工作溫度約85～95℃，溫度低，出料含固率為40%～50%，仍處于塑性階段，沒有粉塵產(chǎn)生。在第二階段污泥幾乎全靜止，粉塵產(chǎn)量極低，污泥溫度約90℃，因此是安全的 | 無需空氣循環(huán)，設(shè)備內(nèi)部含氧量低。工況較平和，工作溫度較低。粉塵和蒸汽一同排出，避免了粉塵的積聚。干化機(jī)內(nèi)設(shè)置噴淋系統(tǒng)，高溫時(shí)即進(jìn)行噴淋，因此是安全的 |
全干化單位能耗/(kcal/kg蒸發(fā)水量) | 760～850 | 560～620 | 750～800 |
粉塵含量 | 低 | 低 | 高 |
含氧量(%) | ＜10 | ＜5 | ＜5 |
處理附著性污泥能力 | 在烘干過程中，污泥不需要任何機(jī)械處理，可以容易地經(jīng)過“粘糊區(qū)”，不會產(chǎn)生結(jié)塊附著問題 | 采用創(chuàng)新性的兩級干化工藝（一級處理后污泥干度達(dá)到40%～50%，隨后二級干化處理后污泥干化可達(dá)到80%～95%） | 采用了特制的楔形槳葉設(shè)計(jì)，并采用雙槳葉結(jié)構(gòu)，徹底杜絕了污泥附著現(xiàn)象 |
系統(tǒng)復(fù)雜性 | 系統(tǒng)包括上料、供熱、干化、濕分冷凝、空氣循環(huán)，構(gòu)成簡單 | 工藝所需設(shè)備量少，安裝、操作和維護(hù)簡單 | 系統(tǒng)包括上料、供熱、干化、濕分冷凝、顆粒冷卻，構(gòu)成簡單 |
設(shè)備占地面積 | 大 | 中 | 中 |
出泥靈活性 | 可半干化，也可全干化 | 可半干化，也可全干化 | 可半干化，也可全干化 |
以上工藝均有成功運(yùn)行的業(yè)績，對主要技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，各自均有特點(diǎn)。從安全性而言，采用“兩段法”干化工藝系統(tǒng)內(nèi)物料粉塵濃度低（≤50g/Nm3），系統(tǒng)氧濃度在安全濃度極限范圍內(nèi)（一般在5%以下），干化過程中接觸溫度低，安全性高；從綜合能耗而言，水蒸發(fā)耗熱量理論計(jì)算雖與實(shí)際情況有一定的差別，但干化機(jī)設(shè)備凈熱耗基本在650～850kcal/kgH2O。其中“兩段式”干化工藝設(shè)計(jì)有兩套熱量回收系統(tǒng)，回收一段干化的廢熱用于二段干化加熱，因此綜合能耗較低，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。
3 應(yīng)用與展望
在眾多的污泥干化工藝中，“兩段式”污泥干化工藝所具有的安全環(huán)保、低溫低塵、節(jié)能低耗等特有優(yōu)勢，使其在國內(nèi)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，已建成投運(yùn)的如重慶、天津?yàn)I海、蘇州園區(qū)等污泥干化項(xiàng)目，在當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生了巨大的社會經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。以蘇州工業(yè)園區(qū)污泥干化項(xiàng)目為例，一期設(shè)計(jì)規(guī)模為300t/d，就近利用熱電廠的蒸汽作為干化熱源，干化并輸送至熱電廠與煤混燒，連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)近5年來已累計(jì)處理濕污泥約42×104t。
隨著我國城鎮(zhèn)污水處理率的不斷提高，城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產(chǎn)量也急劇增加，而目前我國的污泥處置以填埋為主。堆肥、復(fù)合肥研究不少，但生產(chǎn)規(guī)模很小。國內(nèi)污泥綜合利用實(shí)例不多，大規(guī)模污泥的處置問題必將提上日程。在2013年，國務(wù)院辦公廳發(fā)文提出未來將嚴(yán)格限制污水、污泥使用于農(nóng)業(yè)用途，也意味著傳統(tǒng)的填埋和農(nóng)用出路逐步受到限制，而采用熱干化后加焚燒資源化利用的組合處置方式可作為解決大規(guī)模污泥處置問題的有效方案。
根據(jù)污泥熱干化技術(shù)的適應(yīng)性特點(diǎn)合理選擇干化技術(shù)類型，優(yōu)化干化工藝，發(fā)展適合中國國情、適應(yīng)中國市場的干化技術(shù)是未來亟需解決的首要問題。“兩段式”污泥干化技術(shù)因其適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，并從擴(kuò)大處理規(guī)模、優(yōu)化熱源、減少工藝步驟、提高系統(tǒng)安全性，避免二次污染等方面進(jìn)行改良、優(yōu)化，使之更好地滿足我國污泥處理的發(fā)展需求，因此具有眾多良好實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)營業(yè)績以及適應(yīng)中國泥質(zhì)特點(diǎn)的“兩段式”污泥干化工藝也具有廣闊的應(yīng)用前景。
