生活污水厂污泥处理处置方法及应用

生活污水厂污泥处理处置方法及应用摘要：污泥已成为影响城市发展的重要环境问题之一。为达到减量化、稳定化、无害化、资源化的目标，对于大量污泥来说，干化焚烧兼具彻底稳定化和减量化双重功能。污泥处理工艺主要由干化系统、焚烧系统和烟气净化系统组成。着重介绍了污泥处理处置方法及污泥干化焚烧工艺中的设计要点。关键词：污泥干化；污泥焚烧；污泥处置；引言近年来，随着我国城镇化进程不断加快，城市人口的增加，城市工业废水与生活污水的排放量日益增多，进而污泥产量激增。我国现有污水处理厂有很大一部分污泥处理设施没有有效运行，污泥没有得到妥善处理，致使城市污水处理的最终问题落到了污泥处理处置上，如何安全、有效地进行污泥的处理处置，已成为了亟待解决的问题。本文通过对污泥处理处置方法的探讨，并根据使某污水处理厂污泥通过干化焚烧处理，使得排放污泥含水率达到20%，介绍了污泥干化焚烧工艺中的设计要点。一、污泥处置方法主要有填埋、土地利用和焚烧等3种方法。填埋优点是投资少、容量大、见效快，但对污泥的土力学性质要求较高，需要场地面积大，地基须做防渗处理，以免污染地下水。土地利用具有能耗低，可回收利用污泥中养分（氮、磷、钾）等优点【1-3】，但存在病原菌扩散和重金属污染的危险。焚烧主要优点是使焚烧物质变成无害物和最大限度地减少容积，并尽量减少二次污染。污泥焚烧技术要求高，如污泥干基热值较低，为维持整个系统正常运行需耗能大，长期运行成本高。综上所述，各种污泥处理手段各有利弊，但焚烧具有减量化、无害化、稳定化和资源化等显著优点，可从根本上减少污泥填埋量；彻底杀灭病菌、病原体；氧化分解有毒有害的有机物，提高重金属稳定性。因此，污泥焚烧作为一种有效的污泥处置方法越来越受到关注，并已运用到部分实际工程中去。二、污泥处理方法2.1污泥干化污泥干化主要是利用热能进一步去除脱水污泥中的水分，是污泥与热媒之间的传热过程。在干化过程中，污泥逐渐失去水分而形成颗粒状。当污泥逐步形成颗粒时，表面比内部干燥，内部水的蒸发越发困难。随着含水率的降低，蒸发率也逐渐降低。干化分为全干化（含固率＞90％）和半干化（含固率＜90％）。污泥全干化后热值较高、易产生粉尘，存在自燃自爆的危险。为防止该情况发生，系统要求处于完全密闭的惰性环境，且要控制含氧量、温度、粉尘浓度等一系列因素。全干化系统在安全运行上要求高。污泥半干化只需降低污泥含水率满足在焚烧时无需添加辅助燃料即可。通过回收污泥焚烧产生的热能供给干化机，干化热量不足部分使用外加能源。由于半干化污泥含水分，没有爆炸的风险，运输储存较安全。综合考虑，污泥半干化是经济、安全、低能耗的处理方法【4-5】。根据污泥与热媒之间的传热方式，污泥干化分为对流式、传导式和热辐射式。现今运行实例中多采用对流式、传导式、或者两者相结合的方式。热媒一般采用热空气、水蒸气、导热油等。对流式的干化机由于热媒与污泥直接接触，热媒将受到污染，所以排出的废水和水蒸气须经过处理后才能排放。由于热媒与蒸发的水汽、副产气一同排出，排出气量大，所以增加了后续处理负担。传导式的干化机是通过热交换器将热传递给湿污泥，使污泥中的水分得以蒸发同时热介质不会受到污染，省却了这部分的处理量。市场上的污泥干燥设备主要有：三通式回转圆通干燥机（即转鼓干燥机）、间接加热式回转圆通干燥机、带粉碎装置的回转圆通干燥机、流化床干燥机、蝶式干燥机、浆叶式干燥机、盘式干燥机、带式干燥机、太阳能污泥干燥房等。2.2污泥焚烧方法污泥焚烧是利用焚烧炉在有氧条件下高温氧化污泥中的有机物，使污泥完全矿化为少量灰烬的处置方式。以焚烧技术为核心的污泥处理方法是最彻底的处理方式，在发达国家开始普遍采用。20世纪60年代，用作污泥焚烧的主要是多膛式焚烧炉。由于辅助燃料成本上升和更加严格的气体排放标准，故多膛炉逐渐失去竞争力，而流化床焚烧炉成为较受欢迎的污泥焚烧装置。现国内已运行的污泥焚烧炉多为流化床焚烧炉。流化床焚烧炉的工作原理是燃料和物料在炉膛内流化空气的作用下呈流化状态，燃料在流化状态下燃烧。流化床焚烧炉具有很大的热容量和良好的物料混合，对燃料的适应性强床内强烈的湍流和物料循环，增加燃烧的停留时间，因此燃料燃烧充分、彻底，燃烧效率高。污泥焚烧流化床通常为圆柱形反应器，反应器的下部设计成圆锥形，由带喷嘴的底盘封闭。圆锥内充满可被空气流化的砂。空气通过安装于底盘的喷嘴喷入。喷嘴盘下面的风室提供均匀的空气使污泥充分燃烧。燃烧室内加入稍过量的空气作为二次补风。干化污泥进入焚烧炉，通过分配装置将污泥均匀分配到流化床上。流化床上部空间被称为燃烧室。燃烧室设计成有足够的容积以保证污泥有足够的停留时间，使烟气温度明显高于最低温度且不高于使灰分熔化的最高温度。温度和停留时间是实现污泥完全燃烧的保证。流化床焚烧炉配有常规的燃料燃烧器，用于炉体启动时的加热，使炉体达到要求的焚烧温度。污泥被连续送入反应器，焚烧过程中在深度混合的流化砂床内被分解。灰分被废气带走，废气从焚烧炉顶部排出，送往热交换器和烟道废气处理系烟尘、SO2、氮氧化物统。2.3烟气净化系统由于污泥的成分及燃烧过程本身的作用，所以污泥焚烧中必然会产生一定的二次污染，如不加以控制就可能导致严重的环境问题。焚烧产生的二次污染物主要以炉顶排出的烟气形式进入环境。烟气的净化从某种意义上就是对氮氧化物（NOx）、颗粒物、酸性气体（HCl、HF、SOx、HF）、有机物（包括二噁英）及重金属等进行控制，保护环境。控制手段有：1）控制好烟气温度和炉内含氧量，避免氮氧化物（NOx）的产生。2）采用高效除尘系统（静电除尘器可捕捉颗粒物，布袋除尘器内喷洒活性炭可去除重金属）。3）采用二级洗涤塔去除酸性气体。4）应用急冷技术，避免250～400℃这一生成二噁英的温度范围；通过活性炭等吸附剂的吸附作用，去除烟气中的二噁英。三、污泥处理案例3.1案例背景根据资料显示，某生活污水处理厂A，排出含水率80%的脱水污泥，需要对此生活污泥设计干化方案，处理能力达2吨/天，处理后含水率达40%以下。3.2工艺选择本项目使用的生活污泥处理装置主要由干化、焚烧以及烟气处理三部分工艺组成。生活污泥运进厂，含水率约为80%，首先投入烘干机烘干水分。烘干机采用高温烟气烘干污泥水分，高温烟气来自燃煤燃烧室，烟气进入烘干机内的温度为300～900℃，当污泥水分含量降至约20%，由皮带输送至制砖机制砖，再送入焚烧炉内。燃烧炉燃煤产生的煤渣和烘干机布袋除尘器收集的粉煤灰及粉尘主要成分是轻质的硅酸盐类无机物，不属于危险废物，可以用作建筑辅材使用，直接送水泥厂作为水泥生产的辅助原料使用。烘干机出口烟气与焚烧炉尾气集中处理，最后经高烟囱排入大气，烟气中污染物排放浓度能够达到《大气污染物排放限值》（DB44/27-2001）第二时段二级标准和《工业炉窑大气污染物排放标准》（GB9078-1996）的要求。重力沉降室和布袋除尘器收集的集尘灰回用至制砖机器作原料，进行焚烧，不外排。噪音炉渣干化污泥图3.1工艺流程图3.3工艺系统单元及设备组成3.3.1污泥干燥系统本项目要求湿污泥在干燥机中干燥至水分含量为40%以下，此工艺可达到排放污泥含水率达20%，干燥机的选型按干燥率进行选择，选用燃煤烟气作为热介质，选择回转式干燥机，干化后输送至焚烧炉。并有燃烧系统一套，以提供干燥烟气。回转式烘干机的生产流程如图所示，其主要附属设备有烘干机燃烧室，输送带与烟气处理装备等。污泥由皮带机2送至喂料端锻，经下料溜子进入烘干机5。回转式烘干机筒体转速一般为2r/min～5r/min,倾斜度一般为3%～6%.物料在筒体回转时,由高端向低端运动,从低烟囱（33m）、、布袋除尘器U形冷却器重力沉降室焚烧炉烘干机污泥制砖机粉煤灰煤渣噪音送水泥厂综合利用用作建筑材料燃烧室煤焦炭、端落入出料罩,经翻板阀卸出,再由皮带机运走.而热气体由燃烧室3进入烘干机筒体,与物料进行热交换,使物料强烈脱水,气体温度下降.废气经处理后由烟囱8排至大气[7]。.图3.2回转烘干机流程示意图1-料仓2-皮带输送机3-燃烧室4-鼓风机5-烘干机6-除尘器7-烟囱回转烘干机的规格是以筒体的直径和长度表示，目前我国常用的几种规格的烘干机及设备参数如下表所示：表33几种规格的烘干机设备参数干燥物料的种类石灰石矿渣粘土烟煤无烟煤进烘干机热气温度（℃）800-1000700-800600-800400—70500-700出烘干机废气温度（℃）100-150100-15080-11090-12090-120出烘干机物料温度（℃）100-12080-10080-10060-9060-90烘干机出口气体流速（m/s）1.5-3.01.5-3.01.5-3.01.5-3.01.5-3.0表3.4回转烘干机的操作控制参数根据污泥焚烧工艺要求：初水分80%，终水分20%，一天作业24小时处理原料2吨，经计算出成品料1.6吨，待处理水分1.2吨，出品料即：每小时处理水分为0.05吨，故选用Ф1.5×14米回转式烘干机。常压下1kg水蒸发需要吸热2675.9KJ，每小时需蒸发的水分为0.05T，即50kg，需要消耗的热量即为1.3×1054KJ，相当于4.61kg/h的标准煤。燃烧1kg的煤所需要的理论空气量：L煤=8.89C+26.7(H-O/8)+3.3S=7.143m3式中C、H、O和S表示1kg高硫煤中各种元素的质量含量,具体值见表。样品C/%H/%O/%N/%S/%Hv/Kj·kg-1污泥（干基）28.786.0520.447.30.5711.000煤（收到基）70.943.745.51—0.6529.000表3.5染料（煤与污泥）的元素分析数据燃烧1kg的煤在过量空气α=1.3系数下，所需要的理论烟气量以及其中各种烟气成分含量。g煤CO2=C÷12×22.4=1.3242m3g煤H2O=(H×9)÷18×22.4=0.4189m3g煤N2=α×0.79×L煤=7.3357m3g煤O2=(α-1)×0.21×L煤=0.4500m3g污泥干烟气=g污泥CO2+g污泥H2O+g污泥N2+g污泥O2=9.5288m3出口烟气量为（9.5288+5.3524）×4.61kg/h=68.60m3/h，记为70m3/h。3.3.2污泥焚烧系统焚烧工艺应根据实际情况选用合适的炉型，本项目选择而流化床焚烧炉。工艺设计主要包括：焚烧炉的设计、空气量的计算、烟气量的计算等步骤。型号\参数炉体外形尺寸(长×宽×高)mm焚烧量(Kg/h)功率(W)燃料耗量(Kg/h)重量(kg)备注AB-301800×1000×140030100051100手动上料AB-502100×1150×150050140081500手动上料AB-1002500×1400×20001201500122000自动上料和余热回用可根据用户要求配套AB-2003000×1600×25002003000153300自动上料和余热回用可根据用户要求配套表3.6焚烧炉主要技术参数选用型号为AB-300焚烧炉。根据污泥焚烧工艺要求：初水分80%，终水分20%，一天作业24小时处理原料2吨，经计算出成品料1.6吨，待处理水分1.2吨，出品料即：每小时处理水分为0.05吨.干化处理量：设计蒸发水0.05吨/h，出料0.015吨/h焚烧量：0.015吨/h（120kg/h水，30kg/h干污泥）燃烧烟气量：燃烧干基含量为1kg、含水率w2=20%的污泥,在过量空气系数α=1.3下所产生的理论干烟气量以及其中各种烟气成分含量。g污泥CO2=C÷12×22.4=0.5372m3g污泥H2O=(w2/(1-w2)+H×9)÷18×22.4=0.9887m3g污泥N2=α×0.79×L污=3.6053m3g污泥N2=(α-1)×0.21×L污=0.2212m3g污泥干烟气=g污泥CO2+g污泥H2O+g污泥N2+g污泥O2=5.3524m3燃烧1kg的焦炭所需要的理论空气量L焦炭=8.89C+26.7(H-O/8)+3.3S=8.3m3式中C、H、O和S表示1kg焦炭中各种元素的质量含量,