北方典型城市污水处理厂污泥焚烧处置可行性分析

1北方典型城市污水处理厂污泥焚烧处置可行性分析刘红姝，宋君，穆东雪，李克勋，刘东方（南开大学环境科学与工程学院，天津，300071，[e-mail]）摘要：随着城市污水处理率的不断提高，作为污水处理伴生产物的污泥的处置问题日益突出。目前国内采取的污泥处置方式普遍无法达到污泥的无害化、减量化、资源化，而焚烧则是一种比较彻底的污泥处置方式，具有推广的价值。因此，以四座北方典型城市污水处理厂为例，探讨污泥焚烧处置的可行性。通过对剩余污泥的泥质、处置方式的技术经济可行性等的分析，表明这四座污水处理厂的剩余污泥由于挥发份偏低均不适于单独焚烧和与生活垃圾混烧，但可以利用工业锅炉或送火力发电厂焚烧。关键词：城市污水处理厂；剩余污泥；焚烧TheFeasibilityAnalysisofSewageSludgeIncinerationfortheTypicalMunicipalWastewaterTreatmentPlantsinNorthChinaLiuDongfang,LiKexun,LiuHongshu，SongJun，MuDongxue(TheCollegeofEnvironmentalscienceandengineering,NankaiUniversity,Tianjin,300017,[e-mail])Abstract:Therateofthesewagetreatmentisrising,astheby-productofthesewagetreatmentthequantityofsludgeisbiggerandbigger.Thedisposalofthesludgeisbecomingmoreconcerned.Thesludgedisposalshouldbesafe-treated,minimizedandrecycled,andincinerationisapromisingwaytodisposesludge.Throughthefeasibilityanalysisofthesludgecontentanddisposalmethods,it’snotsuitabletoincineratesolelyorwithothersolidwasteforthewastewatertreatmentplants,howeveritcanbeincineratedinindustrialboilersorthermalpowerplantscombinedwithfules.Keywords:municipalwastewatertreatmentplant；excesssludge；incineration1．前言污泥是污水处理过程中产生的固体废物，除了含有大量水分外，还含有难降解的有机物、重金属和盐类，以及少量病原微生物和寄生虫卵等[1]，如不妥善处置会造成对环境的二次污染。2005年，全国城市污水处理产生脱水污泥1113万t(以含水率80%计)[2]，随着我国城市污水处理率的进一步提高，污泥产量将逐渐增大。但我国的污泥的处理处置相对滞后，城市污泥的处理处置问题十分突出。我国污泥的处置方式包括土地利用、填埋、建筑材料利用和焚烧等，目前，主要以土地利用和填埋的处置方式为主。土地利用不仅使污泥得到昀终处置，而且可以利用污泥中的营养物质，用以农田绿地施肥，土壤结构改造等，是污泥资源化的有效途径，但如果污泥施用前未经过适当的无害化处理，易造成二次污染，致使土壤板结、盐化，农作物富集重金属并通过食物链影响人体健康等。污泥填埋具有经济、简便的显著特点，但需大面积的场地和大量运输费用，而且如果地基防渗处理不当，易造成土壤和地下水的污染。污泥的建筑材料利用体现污泥的资源性，但目前相关技术尚不成熟，产品价格偏高，实际应用性不强。中国城镇水网污泥的焚烧处置相对于前述处置方式，具有以下突出优点：污泥显著减量化，有的焚烧灰还可进一步利用，如可制备水处理药剂[3]；处置彻底，有机物全部碳化，有效杀死病原体；处置时间短，不需长时间储存；处置占地面积较小，且可就地处置，不需长距离运输；焚烧系统产生的能量可回收用于发电和供热等。目前，我国污泥处置中焚烧所占比例很少的原因主要在于焚烧过程可能产生的剧毒物质二噁英的监测技术尚不成熟，以及污泥焚烧成套技术由国外掌握，国内自主开发能力有限，全套使用国外设备投资较高等因素。近年来，固体废弃物焚烧的二噁英控制技术的研究应用有较大进展，通过一定的技术设备一般均可达到相应的环境标准，而且若采用热电厂混烧的方式可有效解决成本问题，污泥焚烧处置在我国的可行性逐渐提高。鉴于我国土地资源紧张、土壤、地下水污染严重的现状，推广污泥的焚烧处置也是十分必要的。因此，本文拟对北方典型城市污水处理厂污泥的焚烧处置进行可行性分析，以寻求我国污水处理厂污泥焚烧处置的适宜途径。2．污水处理厂污泥焚烧处置可行性分析本文以北方四座典型城市污水处理厂剩余污泥为例，分析污水处理厂污泥焚烧处置的可行性。2.1污泥泥质目前，四座污水处理厂的污泥处理工艺均为经过中温厌氧消化后进行机械脱水处理至含水率为75％～80％左右的污泥，污泥的具体理化指标的数据见表1。表1污泥焚烧理化指标Table1PhysicalandChemicalIndexesofsludgeincineration类别/指标（CJ/T290－2008）pH含水率（％）低位热值（kJ/kg）挥发份（％）直接自持焚烧5～1250500070直接助燃焚烧5～1280350070单独焚烧干燥焚烧5～1280350070污水处理厂I7.3474.281021642.43污水处理厂II7.3377.451022940.28污水处理厂III7.4172.75875836.82污水处理厂IV7.4678.11979840.16可见，四座污水处理厂的pH、含水率和低位热值均可满足《城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质》（CJ／T290－2008）中的直接助燃焚烧和干燥燃烧。但是这四座污水处理厂的污泥的挥发分为35%~45%，含量偏低，无法满足单独焚烧处置的要求。因此，四座污水处理厂的污泥均不适于单独焚烧处置，可考虑与垃圾混合焚烧、利用工业锅炉焚烧或送火力发电厂焚烧。1.2技术可行性分析鉴于四座污水处理厂的污泥均不满足污泥单独焚烧处置的标准，而且，单独建设污泥焚烧系统的投资巨大，不符合我国的经济发展现状。下面就三种混烧方式分析其处置的可行性。1.2.1与垃圾混合焚烧目前，与垃圾混合焚烧的污泥处置方式国外的实际应用比较多。早期欧洲、日本等国处理市政污泥的方式是把市政污泥运到垃圾焚烧厂按10％左右的比例与垃圾直接掺烧（德国中国城镇水网～30%），可以解决一定量的市政污泥。据调查，现在日本含水率80%的市政污泥依旧是分散到各垃圾焚烧厂掺烧处置，炉型包括机械炉排炉和流化床炉。如日本长野县垃圾焚烧厂，处理量为180吨/日，掺烧脱水污泥量为5％～10％[4]。我国污泥、垃圾混合焚烧的工程应用实例还比较有限，主要是由于技术难度比较大。例如，垃圾热值受天气、季节、垃圾成分、垃圾来源等诸多因素的影响，污泥与垃圾混合及焚烧工况需要根据上述影响进行调整，这不仅要求一定的技术支持，还要求运行人员经验丰富。并且污泥与垃圾混烧还存在降低垃圾低位热值、减少锅炉蒸发量、影响垃圾焚烧发电厂效益和对烟气净化系统影响尚不明确等问题。因此，虽然四座污水处理厂污泥的低位热值均满足4000kJ/kg左右[5]的垃圾焚烧要求，但是由于技术尚有待完善，其污泥处置暂不适合采用污泥与垃圾混合焚烧的处置方式。1.2.2利用工业锅炉焚烧目前，利用工业锅炉焚烧污泥主要是利用水泥制造厂的焚烧炉。水泥窑炉具有燃烧炉温高和处理物料量大等特点，且水泥厂均配备有大量的环保设施，环境自净能力强。城市生污泥的化学特性与水泥生产所用的原料基本相似。利用污泥和污泥焚烧灰制造出的水泥，与普通硅酸盐水泥相比，在颗粒度、相对密度等方面基本相似，而在稳固性、膨胀密度、固化时间方面较好。利用水泥回转窑处理城市污泥，不仅具有焚烧法的减容、减量化特征，且燃烧后的残渣成为水泥熟料的一部分，不需要对焚烧灰进行填埋处置[6]，是一种具有很高环境效益的水泥生产途径。胡芝娟，沈序辉等[7]设计了污泥在水泥窑上焚烧的处置系统（见图1、2），并进行了半工业试验。该系统污泥全部送入焚烧分解炉中煅烧，其干燥、煅烧全部在密闭的分解炉中进行。进入流态化焚烧分解炉中的水泥生料温度高达700℃以上，分解炉中又有三次风引入，完全能保证污泥的水分蒸发及燃烧。流态化焚烧分解炉的燃烧区温度850~900℃，气体停留时间≥5.3s，同时在悬浮态下进行能够保证气体中的有害物燃尽。焚烧后的物料随气流进入旋风筒，经旋风筒分离后进入水泥生产系统，不存在残渣排放问题，系统简单、安全。因生料CaCO3能及时吸收污泥中的SO3，系统可不必设置脱硫装置。同时污泥可替代部分燃料及原料，既可减少污染又可节约能源。该工艺废气中的SO2、NOx、HCl及残渣中的重金属均可达到国家标准。但是，其焚烧后的废气温度为300~400℃，处于二噁英低温合成区（200~500℃）的范围内，无法严格控制二噁英的再次生成。因此，若采用此种污泥处置方式，需改进系统废气的二噁英控制技术。煤粉或其它高热值燃料输送泵缓冲仓煤粉计量秤去流态化焚烧分解炉双轴搅拌机布料器污泥进入燃烧系统布袋除尘器图1污泥处理工艺流程Figure1Diagramofthesludgetreatmentprocess中国城镇水网送火力发电厂焚烧近年来，在国际上利用火力发电厂循环流化床锅炉将污泥与煤混烧已逐渐成为重要的污泥处置方式，其典型工艺流程见图3。含水率80%左右的污泥经喷嘴喷入炉膛，迅速与大量炽热床料混合后干燥燃烧，随烟气流出炉膛的床料在旋风分离器中与烟气分离，分离出来的颗粒再次送回炉膛循环利用，炉膛内传热和传质过程得到强化。炉膛内温度能均匀地保持在850℃左右，由旋风分离器分离出的烟气引入锅炉尾部烟道，对布置在尾部烟道中的过热器、省煤器和空气预热器中的工质进行加热，从空气预热器出口流出的烟气经除尘净化后，由引风机排入烟囱，排向大气[8]。图3典型燃煤电厂掺烧工艺流程Figure3Diagramoftypicalcoal-firedpowerplantfueledwithblendingsludge目前，国际上运用此方式处置污泥的工程应用实例比较多，如德国巴斯夫股份有限公司的煤粉污泥混烧系统[9]。国内也有一些应用实例，比较具有代表性的是常州热电公司广源热电厂污泥焚烧工程[10]。2005年11月，该厂三台75吨/小时循环流化床锅炉焚烧污泥正式投入运行，该市5座城市污水处理厂的脱水污泥全部送往电厂焚烧，实现了常州城市污水处理厂污泥全量焚烧。该系统投入运行至今，锅炉燃烧工况稳定，烟尘排放指标符合环保要求，污泥中重金属也固结在灰渣中并以稳定形态存在。但是，这种处理处置方式也存在诸多争议：1）污泥含水率越高，热值越低，含水率80%的污泥对发电的热贡献率很低，为保证良好的掺烧效果，其掺烧的量有限。2）污泥焚烧处中国城镇水网理所需的过剩空气系数大于燃煤，因此污泥掺烧会导致电厂烟气排量大，热损失大，锅炉热效率降低。3）掺烧工况下烟气流速会增大，对烟气系统造成磨损，烟气流速的上升会导致燃烧颗粒炉内停留时间缩短，可能产生停留时间2s的工况,不符合避免二噁英产生的基本条件。4）无法严格合理地界定并控制排入大气的污染物浓度。针对以上问题，国内外进行了诸多研