（浙江浙能电力股份有限公司台州发电厂 浙江省台州市 318016）
摘要：为探索台州某公司湿污泥处理的可行性，通过对该污泥理化特性、干化特性、燃烧特性及处置过程中污染物排放特性进行研究，通过实验获得污泥干化与焚烧特性，为处置工艺的设计提供依据。结果表明，该脱水污泥的灰分较高、发热量较低、灰熔点低于一般煤种、需要干化后才能实现稳定燃烧；污泥干化粘滞区的位置是含水率43%~65%区间，并随污泥干化的进行而逐渐降低；干化过程产生的常规污染气体中氨气浓度最高，可达110ppm，污泥干化冷凝水的COD高达330mg/L。污泥干化系统的设计需要充分考虑污泥热干化过程中气体和液体污染物的排放，设置相应的处理设施。污泥焚烧时需要关注烟气中气体污染物的控制。
关键词：污泥；干化；焚烧；污染
Experimental study on sludge drying and incineration
GU Yongping
( Taizhou Power Plant of Zhejiang Zheneng Electric Power Co.,Ltd.，Taizhou 318016，China)
Abstract: In order to explore the feasibility of wet sludge treatment in a company in Taizhou City, the physicochemical characteristics, drying characteristics, combustion characteristics and pollutant emission characteristics in the treatment process of the sludge were studied, and the drying and incineration characteristics of the sludge were mastered through experiments, so as to provide the basis for the design of the treatment process. The results showed that the ash content of the dewatered sludge was higher, the calorific value was lower, the ash melting point was lower than that of ordinary coal, and stable combustion could be achieved only after drying; The viscous zone of sludge drying was located in the range of 43% ~ 65% moisture content, and gradually decreased with the process of sludge drying; the concentration of ammonia in the conventional pollution gas produced during the drying process was the highest, up to 110ppm, and the sludge dried and condensed The COD of water was up to 330mg / L. The design of sludge drying system needed to fully consider the discharge of gas and liquid pollutants in the process of sludge thermal drying, and set up corresponding treatment facilities. It was necessary to pay attention to the control of gas pollutants in flue gas during sludge incineration.
Key words: sludge; drying; incineration; pollution
0 引言
随着我国社会经济和城镇化程度的快速发展，污水产量日益增加。污水处理过程中会出现大量的固体沉淀物，即污泥，污泥含有有毒有机物、致病微生物和重金属，如果不能有效、及时处理，将会对环境造成危害[1]。污泥的处理技术主要包括污泥干化、浓缩脱水、厌氧消化、好氧发酵等，污泥的处置方式主要包括填埋、土地利用、建材利用、焚烧等[2]。污泥焚烧一般是指将污泥脱水或者干燥后，送入焚烧炉进行焚烧。直接焚烧要求污泥满足一定的含水率、低位发热量、酸碱度、可燃有机物含量等。鉴于此，通常将直接焚烧技术应用于污泥处置时，需要先将污泥进行一定程度的干燥处理[3-4]。焚烧法与其他方法相比，具有减量化、资源化，处理速度快等优点。然而，由于污泥组成复杂、热值低，燃烧困难。为了保持污泥的稳定燃烧，需要添加一些高热量密度的辅助燃料，如煤等[4]。混合燃烧设备不需要配套的干燥系统，只需要额外建立污泥与燃料的混合输送系统即可，系统简单，操作方便，运行成本也大大降低[6]。
由于我国并未制定专门的燃煤电厂协同处置污泥的技术规范及泥质标准，燃煤电厂掺烧污泥前，必须对进行掺烧的污泥泥质进行研究，针对污泥进行化验，确保泥质合格且有害成分可接受[7]。
原始污泥综合含水率一般较高，要进行焚烧处理，必须先降低其含水率，提高污泥热值，以节省焚烧处理的费用，并达到更优的焚烧效果。干化是进一步降低脱水污泥含水率的有效手段。干化后的污泥体积大幅度减小，且形状成为颗粒，有利于进一步的焚烧处理[8]。
国内现已开展了大量的污泥干化焚烧或掺烧技术研究和工程实践，以解决当地的污泥处理处置难题。在技术研究和工程实践中，应重点关注污泥干化焚烧或者掺烧过程中各种污染物排放的问题[8-18]。
为探索台州市某水处理公司湿污泥处理的可行性，通过对该污泥理化特性、干化特性、燃烧特性及处置过程中污染物排放特性进行研究，通过实验掌握污泥干化与焚烧特性，为后续的处置工艺设计提供依据。
1.实验原料和方法
1.1 污泥来源和检测方法
计划处置的污泥主要来源为台州市某水处理公司，对于污泥的检测，目前还没有标准方法，参考《煤中全水分的测定方法》（GB/T211-2017）、《煤的元素分析方法》（GB/T 476-2001）、《煤的工业分析方法》（GB/T 212-2008）、《煤的发热量测定方法》（GB/T 213-2008）、《煤灰成分分析方法》（GB/T 1574-2007）、《煤中氯的测定方法》（GB/T 3558-2014）、《煤灰熔融性的测定方法》（GB/T 219-2008）、《感耦等离子体原子发射光谱方法通则》（JY/T015-1996）、《危险废物鉴别标准 腐蚀性鉴别》（GB 5085.1-2007）等检测方法对污泥的理化特性进行分析，包括污泥的工业分析、元素分析和发热量分析、灰成分分析、灰熔点分析、污泥重金属分析和污泥腐蚀性测试。
1.2 污泥热干化及污染物排放特性实验
实验装置使用间接式换热式污泥干化机[8-11]，以通过电加热加热至160℃的导热油为热源，对污泥进行干化，干化机搅拌速率设定在10rpm，每批次处理量为700g，污泥干化至含水率40%左右，试验装置如图1所示。
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图1 小型桨叶式污泥干化机试验系统
用真空泵为干化机提供载气，并维持干化机内部负压运行。污泥干化产生的水蒸气随载气进入冷凝器冷凝后收集，并根据在线实时记录的冷凝液重量变化数据，计算污泥干化速率。
污泥干化过程产生的污染性气体采用GASMET-DX4000烟气分析仪进行在线成分和浓度分析，污泥干化过程污染性气体主要检测目标为：HCl、HF、HCN、NH3、甲酸、乙酸、甲烷、丙烷，检测点位置设置在冷凝系统之后。
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图2 小型流化床焚烧实验台装置
1.3 污泥焚烧及污染物排放特性试验
实验装置采用小型流化床污泥焚烧试验台[8-11]，如图2所示，炉膛由刚玉陶瓷管制成，炉膛内径为60mm，炉膛分为三段，并且采用三组电阻丝分段加热，炉膛高度1100mm，炉膛内部加热段高度为745mm，炉膛外部设置保温层从而降低散热损失并且保障实验过程的安全，炉膛的底部设置空气预热器，炉膛和空气预热器的内部共布置了五只测温热电偶，采用智能温控仪保证炉膛内温度稳定。由于悬浮区、密相区和空预器各自独立地采用电阻丝加热，能够单独地控制悬浮区、密相区和一次风的温度。污泥由螺旋给料机送入炉膛，螺旋给料机通过可调速电磁电动机进行驱动，螺旋臂加安装有冷却循环水套以避免干污泥在进入炉膛的过程中受热，在距离布风板高度为350mm处将污泥送入炉膛。一次风通过空预器预热后通入炉膛，二次风通过二次风口从炉膛切面通入炉膛。
污泥焚烧过程中产生的污染性气体采用GASMET-DX4000烟气分析仪进行在线成分和浓度分析，HCl、SO2、NOx、CO、CO2、HCN和HF等污染性气体的排放浓度进行检测。
2 实验结果与讨论
2.1 污泥的燃料特性
污泥在某水处理公司脱水后的含水率为69.05%甚至更高，污泥含水率偏高，污泥脱水装置的运行情况需要进行改善。污泥的元素分析、工业分析和发热量实验结果如表1所示，可见灰分含量较高，碳含量较低，低位发热量较低。
表1 污泥元素分析、工业分析和发热量（空气干燥基）
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污泥灰渣熔点的实验结果如表2所示，该污泥飞灰中金属氧化物与一般煤灰的成分相类似，但是污泥灰熔点温度相对偏低。
表2 污泥灰渣成分和灰熔点
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2.2 污泥的重金属和腐蚀特性
污泥重金属元素含量分析结果如表3所示，污泥中的重金属元素镉、汞、铅、镍、铜、锌、砷均超出了国标《农用污泥污染物控制标准》（GB 4284-2018）和《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》（CJ/T309-2009）B级（园地、牧草地、不种植食用农作物的耕地）限值，污泥不能直接进行农用。此外，污泥腐蚀性测试参照《危险废物鉴别标准 腐蚀性鉴别》（GB 5085.1-2007），腐蚀性测试结果显示污泥pH值为6.97，接近中性。
表3 污泥中重金属元素的含量
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2.3 污泥干化区
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图3 污水处理公司污泥（初始含水率73.48%）
将干化机预热至160摄氏度，取700g污泥样品置于小型空心间接式干化机中，打开冷凝水，收集冷凝液，并实时记录数据，污泥干化速率曲线如图3所示。污泥在间接干化机内呈现出四个干化区[18]，分别是升温区、粘滞区（第一降速区）、结团区（第二降速区）和颗粒区。
冷态的机械脱水污泥外形呈块状，进入干化机后其温度不断升高，干化速率逐渐加快，该区域称为升温区。随着污泥的受热升温及空心桨叶的搅动，污泥中水分减少，污泥呈现为粘稠状。初始含水率70%的脱水污泥进入干化机后其温度迅速升高，与换热面接触良好，水分蒸发快，干化速率迅速加快，高达7.5g/min，此区域称为升温区；干化至含水率65%左右时，覆盖在换热面表面的污泥已表现出明显的塑性，污泥已难以随着叶片的转动而产生搅拌效果，干化速率降幅逐渐变缓，进入粘滞区。所谓粘滞区是指污泥在这一阶段变得十分粘稠，粘附在空心热轴上，污泥不能随空心热轴的转动而搅拌，随着干化的进行，干化速率呈急剧下降趋势。当污泥的含水率降至45%左右时，污泥在空心热轴的表面结成硬块，污泥不能随空心热轴的转动而搅拌，污泥中的水分通过传质作用向外蒸发，蒸发速率较慢，进入结团区（第二降速区）；当污泥含水率降至30%以下时，成团状的污泥从空心热轴上脱离，并随着搅拌进一步被挤压、破碎成颗粒。污泥脱落时，干化速率有短暂的跃升，随着污泥含水率大幅降低，干化速率最终降接近零。根据上述分析，污泥粘滞区的位置是含水率43%~65%这一区间。
2.4 污泥干化产生的气体污染物
采用GASMET-DX4000烟气分析仪对干化过程产生的HCl、HF、HCN、NH3、甲酸、乙酸、甲烷、丙烷等污染性气体进行检测，检测点位置安装在干化机内，实验结果见图5。由图5可知，污泥在干化过程中产生最多的气体是氨气（NH3），多达110ppm，氨气具有恶臭气味，是污泥干化过程中臭味的主要来源。污泥干化过程中产生的污染性气体的浓度较高，可以通过污泥干化尾气处理装置进行处理。
2.5 污泥干化冷凝液
化学需氧量（COD）和pH是污泥干化冷凝液水质的两个重要指标，根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）规定，污水水质的pH排放标准为6～9；最高允许排放浓度（日均值）COD浓度二级处理标准为100mg/L，一级处理标准为50～60mg/L。
根据实验结果，污泥在160℃干化时，其蒸发冷却液pH值为9.05呈弱碱性，COD浓度为330mg/L。蒸发冷却液不能直接排放，必须经过处理符合标准后方可外排。
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图4污泥干化形态（从左到右含水率分别为73.48%，69.77%，61.54%，38%）
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图5 污泥样品在工况160℃下干化的气体污染物排放检测结果
2.6 污泥焚烧产生的气体污染物
污泥采用流化床工艺进行焚烧处理时，焚烧炉的炉温一般都设计在850℃左右。对干化后的污泥（含水率20%）检测焚烧过程中HCl、SO2、NOx、CO、CO2、HCN和HF等污染性气体的排放浓度，结果如表4所示。根据《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB 18485-2014），污泥焚烧时SO2、NOx和CO排放浓度均超标，尤其是SO2的浓度非常高。但是上述结果均为未经过尾部烟气处理系统的原始排放浓度值，主要目的是为实际工程中尾部烟气处理系统的设计提供初始值。在进行污泥焚烧处理时应考虑合理设置尾气处理装置，以保证污泥焚烧尾气达标排放。
表4 污泥焚烧产生的气体污染物排放浓度均值（mg/Nm3，氧量11%干烟气） .png)
采用美国环保局标准“USEPA-23”和“USEPA-1613”方法进行二噁英采样和分析， 污泥焚烧后产生的尾气中，经折算至11%的含氧量，二噁英的原始排放浓度为0.217830ng I-TEQ /Nm3。《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB 18485-2018）”中规定的焚烧二噁英排放限值为1.0ng I-TEQ/m3，欧盟标准为0.1ng/Nm3。而在实际运行过程中，如果对污泥进行掺烧，则二噁英浓度将进一步降低，经过电除尘装置的过滤和吸附作用，大量的飞灰被捕集，二噁英的排放浓度还会大幅度的下降。
3 结论
根据对台州市某水处理公司污泥理化特性、干化和焚烧处理过程中污染物排放特性的实验研究，可得到以下结论：
（1）污泥重金属含量超限，不能直接农用。污泥含水量大，应提高脱水设备能力。低位发热量较低，焚烧处理前必须进行干化。污泥灰熔点低于一般煤种。
（2）污泥干化粘滞区处于含水率43%~65%区间。干化产生尾气中氨气浓度较高，在工艺设计时应设置尾气处理装置，避免污泥干化后臭气的散播，干化水蒸气冷凝液也应处理后达标排放。
（3）污泥焚烧产生的烟气中污染物SO2、NOx和CO浓度较高，均已超出国标规定的限值，焚烧烟气中二噁英排放量未超出国标规定的限值。
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作者简介：顾永平（1971-07），男，汉族，籍贯：浙江仙居，当前职务：浙能台州发电厂总工，当前职称：工程师，学历：本科，研究方向：发电厂生产、技术管理