“兩段法”污泥干化工藝的應用探討
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》（GB/T 23485-2009）、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 農用泥質》（CJ/T 309-2009）、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 單獨焚燒用泥質》（CJ/T 290-2008）等標準，機械脫水污泥水分過高（污泥含水率達80%），無法滿足上述處理方法的泥質要求。
為了滿足污泥進入環(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)境產生有害的影響。2013年1月，國務院辦公廳發(fā)布《近期土壤環(huán)境保護和綜合治理工作安排》，文件明確要求，應禁止在農業(yè)生產中使用含重金屬、難降解有機污染物的污水以及未經檢驗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格限制污水、污泥用于農業(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。污泥經干化后體積和質量大幅降低，細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，可以進一步進行填埋、堆肥、焚燒以及園林綠化等后續(xù)處置。
1 污泥干化技術的特點及發(fā)展
20世紀末，由于脫水污泥在農用、填埋、投海時存在突出的不利因素，也由于污泥熱干化技術在歐美等國家的成功應用，使污泥干化技術在西方國家很快得到推廣。國內污泥熱干化技術起步較晚，目前仍以引進國外技術和設備為主，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。而污泥熱干化技術的適應性、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)強度的要求，故需使用人工熱源。干化對污泥的處理效應，不僅是深度脫水，還具有熱處理效應；另外，污泥干化處理的產物，其含水率可控制在30%以下，即達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改變污泥的物理、化學和生物特性。具體而言，污泥干化操作的溫度效應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到較徹底的衛(wèi)生學無害化水平，同時干化污泥還具有相當高水平的“表觀”生物穩(wěn)定性（干化污泥如磨細后，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，為標準煤的60%左右），不僅可能達到自持燃燒的水平，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。目前應用廣泛也成熟的是熱干化技術。根據(jù)熱介質與污泥的接觸方式可將熱干化技術分為直接干化法、間接干化法和直接-間接聯(lián)合干化法。
早在20世紀40年代，日本和歐美就已經用直接加熱鼓式干燥器來干燥污泥。經過幾十年的發(fā)展，污泥干化技術的優(yōu)點正逐漸顯現(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)定產品，污泥性狀大大改善。
③產品無臭無病原體，減輕了有關的負面效應，使處理后的污泥更易被接受。
④干化后產品具有多種用途，如作土壤改良劑、替代能源等。
由于污泥干化技術所具有的這種改變污泥物性的能力，因此污泥干化技術不僅可在污泥焚燒和熱化學轉化等工藝體系中作為預處理技術單元應用，也可以直接將干化污泥產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備爆炸等安全事故時有發(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《潛在爆炸危險安全標準》[ATEX95(94/9/EC)和ATEX137(1999/92/EC)]，并于2003年起在歐盟強制實施。污泥干化安全性問題存在于整個干化過程，其安全要素主要有粉塵濃度、含氧量、點燃能量及含濕量。污水處理廠干化污泥是一種高有機質物質，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分別體現(xiàn)在粉塵濃度、含氧量以及點火能量等方面。
②能耗。能耗是直接影響干化項目運行費用的主要指標，好的干化工藝可盡量減少其不必要的能量損耗。
③設備價格。污泥處理項目屬于市政基礎設施，本身盈利能力不強甚至不具備。因此工藝選擇需嚴格控制設備價格，避免污泥處理費大幅上升。
④抗波動能力。進料污泥含水率可能因為脫水運行情況而出現(xiàn)波動，干化設備在保證出泥品質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。
⑤處理附著性污泥能力。含水率為40%～60%的污泥具有很強的粘滯性，附著在干化設備上會增加能耗，嚴重時甚至會引起爆炸事故，因此處理附著性污泥的能力越強越好。
⑥占地面積。土地是寶貴的資源，因此要求在相同處理條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，理想的干化工藝應能根據(jù)干污泥顆粒的不同用途而自由方便地調節(jié)其含水率。
2 關于“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和帶式干化機技術。一級處理階段多余的能量部分轉換成熱量，經過熱能回收系統(tǒng)提供給二級干化處理階段。
2.1 工藝設計組成
工藝設計分為間接干化和直接干化兩個階段，通過中間造粒階段可有效避免污泥干化過程中所產生大量粉塵的問題，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現(xiàn)熱能梯度利用，可實現(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，采用直接干化方式干化污泥，采用循環(huán)風設計，內部設計為負壓，可有效控制干化過程中的氣味擴散，帶機內部與污泥直接接觸溫度一般不高于105℃，整個過程為低溫干化，可有效保持污泥中的有機成分，干化后的污泥顆粒長度小于5cm，含固率可在80%～95%范圍內調節(jié)，熱值可高達3000kcal/kg（1kcal≈4.2kj，以下均按此值換算）以上，可以作為生物質能替代燃煤進行焚燒發(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)器的旋轉葉片將污泥涂成薄層緊貼在中空的殼體內壁，充分利用來自熱電廠的過熱蒸汽，轉換為飽和蒸汽后，作為干化系統(tǒng)的熱源。
熱干化時，污泥進入薄層蒸發(fā)器內筒，蒸汽則進入外殼夾套中，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格柵，被擠壓成面條狀，經回轉式輸送機送入帶式干燥機。
（2）第二段：帶式干燥機
帶式干燥機共分三層，風機持續(xù)向上、中層送入循環(huán)熱風。形成的污泥顆粒通過一個回轉輸送裝置在整個寬度范圍內均勻配送，然后送到帶式輸送機的傳送帶上。傳送帶以一定的速度前進，保證污泥顆粒不會移動，也不產生摩擦。傳送帶上帶有一些小孔，有利于熱空氣的循環(huán)。傳送帶沿線設置有一定數(shù)量的入口，通過入口觀測窗可檢查運送的過程。干化機在低溫負壓下運行，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)要求對帶式干化機運行條件進行調整，以適應出泥不同含固率的要求。
2.2 “兩段法”污泥干化工藝的特點及優(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到40%～50%，隨后二級干化處理后污泥干度可達到80%～95%），使得污泥在第一處理階段具有可塑性時已經形成顆粒，然后在第二階段進行進一步的干化處理。
（1）安全性高
污泥在可塑性階段形成顆粒以及帶式干化機的獨特設計確保了該工藝無塵，其設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)爆炸的風險。同時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（＜5%）。
（2）節(jié)能低耗
間接加熱方式在污泥含水率高時干化效率較高，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)對一段產生的廢熱進行回收，用于二段干化，通過此項設計可節(jié)約綜合能耗達30%以上。
（3）出泥干度調整范圍寬
通過在第二處理階段進行適當調整，可產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的范圍內進行調整。
2.3 經濟性及安全性綜合比較
不同污泥干化技術經濟性及安全性比較如下：
項目 | 帶式 | 兩段式 | 槳葉式 |
加熱形式 | 直接 | 間接+直接 | 間接 |
設備安全性 | 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℃），干化機內設噴淋系統(tǒng)，因此是安全的 | 第一階段薄層干化機工作溫度約85～95℃，溫度低，出料含固率為40%～50%，仍處于塑性階段，沒有粉塵產生。在第二階段污泥幾乎全靜止，粉塵產量極低，污泥溫度約90℃，因此是安全的 | 無需空氣循環(huán)，設備內部含氧量低。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。干化機內設置噴淋系統(tǒng)，高溫時即進行噴淋，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，污泥不需要任何機械處理，可以容易地經過“粘糊區(qū)”，不會產生結塊附著問題 | 采用創(chuàng)新性的兩級干化工藝（一級處理后污泥干度達到40%～50%，隨后二級干化處理后污泥干化可達到80%～95%） | 采用了特制的楔形槳葉設計，并采用雙槳葉結構，徹底杜絕了污泥附著現(xiàn)象 |
系統(tǒng)復雜性 | 系統(tǒng)包括上料、供熱、干化、濕分冷凝、空氣循環(huán)，構成簡單 | 工藝所需設備量少，安裝、操作和維護簡單 | 系統(tǒng)包括上料、供熱、干化、濕分冷凝、顆粒冷卻，構成簡單 |
設備占地面積 | 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行的業(yè)績，對主要技術關鍵點，各自均有特點。從安全性而言，采用“兩段法”干化工藝系統(tǒng)內物料粉塵濃度低（≤50g/Nm3），系統(tǒng)氧濃度在安全濃度極限范圍內（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)耗熱量理論計算雖與實際情況有一定的差別，但干化機設備凈熱耗基本在650～850kcal/kgH2O。其中“兩段式”干化工藝設計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，具有很好的經濟性。
3 應用與展望
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，使其在國內已經得到廣泛的應用，已建成投運的如重慶、天津濱海、蘇州園區(qū)等污泥干化項目，在當?shù)禺a生了巨大的社會經濟與環(huán)境效益。以蘇州工業(yè)園區(qū)污泥干化項目為例，一期設計規(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)定生產近5年來已累計處理濕污泥約42×104t。
隨著我國城鎮(zhèn)污水處理率的不斷提高，城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產量也急劇增加，而目前我國的污泥處置以填埋為主。堆肥、復合肥研究不少，但生產規(guī)模很小。國內污泥綜合利用實例不多，大規(guī)模污泥的處置問題必將提上日程。在2013年，國務院辦公廳發(fā)文提出未來將嚴格限制污水、污泥使用于農業(yè)用途，也意味著傳統(tǒng)的填埋和農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)污泥熱干化技術的適應性特點合理選擇干化技術類型，優(yōu)化干化工藝，發(fā)展適合中國國情、適應中國市場的干化技術是未來亟需解決的首要問題。“兩段式”污泥干化技術因其適應性強的特點，并從擴大處理規(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際項目運營業(yè)績以及適應中國泥質特點的“兩段式”污泥干化工藝也具有廣闊的應用前景。
