污泥余熱干化技術及其經(jīng)濟性分析

邢瑜，謝武明，劉敬勇，趙素瑩，黃蓉，李斌，王玉潔，楊佐毅

（1.廣東工業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，廣東廣州 510006；

2.中國環(huán)?？萍迹ㄏ愀郏┯邢薰荆袊愀?999077；

3.廣東工業(yè)大學管理學院，廣東廣州 510006；

4.東莞超盈紡織有限公司，廣東東莞 523147）

污泥余熱干化技術及其經(jīng)濟性分析

邢瑜1，謝武明1，劉敬勇1，趙素瑩2，黃蓉3，李斌4，王玉潔1，楊佐毅1

（1.廣東工業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，廣東廣州 510006；

2.中國環(huán)保科技（香港）有限公司，中國香港 999077；

3.廣東工業(yè)大學管理學院，廣東廣州 510006；

4.東莞超盈紡織有限公司，廣東東莞 523147）

我國污水處理廠每年都會產(chǎn)生大量的污泥，其復雜的成分及高含水率制約污泥的有效利用，如何降低污泥的含水率是其資源化利用的關鍵。首先調研了污泥產(chǎn)生及成分，從污泥干化的典型工藝及設備、干化過程的環(huán)境污染與控制、污泥干化過程的尾氣處理和污泥干化經(jīng)濟性分析4個方面對污泥干化技術進行闡述，指出污泥余熱干化是污泥實現(xiàn)節(jié)能、經(jīng)濟及環(huán)保的有效處置方式。

污泥干化技術；干化的污染控制；經(jīng)濟性分析

污泥資源化或能源化利用出路多，然而實際應用中存在兩個主要障礙：一是污泥含水率高，嚴重限制了污泥資源/能源化利用，甚至簡單填埋的有效進行，污泥脫水困難，通過添加絮凝劑脫水而成的脫水污泥（城市污水廠排放污泥的主要形式）的含水量一般高達75%～80%，導致污泥產(chǎn)量龐大，加大了運輸成本，而且限制下游資源化技術的發(fā)展。例如，高的污泥含水率，提高污泥干燥、焚燒或熱解制油等熱處理技術的成本，因此，提高污泥的脫水性能，使污泥減容減量化是污泥處置的關鍵。二是污泥具有顯著惡臭，并且含有各種有害物質（如重金屬、病原體與有機污泥物），這些都制約了污泥資源化的發(fā)展。

因此，城市污泥資源/能源化利用必須以高效干化（減容減量）或脫毒（污染控制）為前提。在能源短缺、資源緊張的全球大背景以及正在實施的國家節(jié)能減排政策下，需要重新審視傳統(tǒng)的城市污泥處理處置方式。由于污泥干燥深度脫水逐漸顯現(xiàn)出其去除污泥水分的優(yōu)勢，可以有效解決污泥處理處置所遇到的關鍵問題，干燥工藝的應用日益受到重視并逐漸成為一個主要的污泥處理手段。

污泥干化是利用熱能將污泥烘干，干化后的污泥呈顆粒或粉末狀，體積僅為原來的1/4～1/5[1]，而且由于含水率在10%以下，微生物活性受到完全抑制，避免了產(chǎn)品因微生物作用而發(fā)霉發(fā)臭，有利于儲藏和運輸。熱干化過程的高溫滅菌很徹底，熱干化使污泥性能全面改善，產(chǎn)品應用廣泛，可作替代能源，也可土地利用[2]。污泥干化使污泥達到減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化[3-4]。

1 污泥干化工藝及應用

1.1 直接加熱轉鼓干化技術

直接熱干燥技術又稱為對流熱干燥技術[5]，其工藝流程見圖1。在操作過程中，熱介質（熱空氣、燃氣或蒸汽等）與污泥直接接觸，熱介質低速渡過污泥，并吸收帶走污泥水分，處理后的干污泥與熱介質在分離器與熱介質進行分離，排出的廢氣一部分通過熱量回收系統(tǒng)回到原系統(tǒng)中再循環(huán)利用，剩余部分經(jīng)無害化處理后排放。此技術熱傳輸效率及蒸發(fā)速率較高，可使污泥的含固率從25%左右提高至92%以上，干化污泥呈顆粒狀，粒徑大小可以控制。但是，熱介質與干污泥需加以分離，給操作和管理帶來麻煩。閃蒸式干燥器、轉筒式干燥器、帶式干燥器、噴淋式干燥器、螺環(huán)式干燥器和多效蒸發(fā)器等都屬于直接熱干燥裝置類型[6]。左武等[7]用鍋爐煙氣作為熱源，采用旋轉噴動式干燥機，將污泥的含水率從80%降至30%，且干化污泥與原煤摻混焚燒可充分利用其熱值，此外，污泥干化過程是在密閉狀態(tài)下進行，不會產(chǎn)生異味。螺環(huán)式干燥器[8]采用噴射粉碎原理，是一種利用高速熱氣驅動污泥的輸送、干燥及碰撞粉碎而完成污泥干燥處理的技術，在美國華盛頓的BluePlains污水處理廠和賓夕法尼亞污水處理廠都得到應用。

圖1 直接加熱轉鼓干化系統(tǒng)流程圖

1.2 間接加熱轉鼓干化技術

間接加熱轉鼓干化技術與直接熱干燥技術的主要區(qū)別在于熱量通過熱交換器傳遞從而使污泥中的水分蒸發(fā)。這種干燥技術減少了熱氣體帶走的熱損失，能量利用率高，投資成本和運行費用較低，對于同樣的干燥產(chǎn)量，間接干燥所需熱量是直接干燥機的1/2～1/3；熱介質也不會受到污泥的污染，省卻了后續(xù)的熱介質與干污泥分離過程，但熱傳輸效率及蒸發(fā)速率均不如直接干燥技術，生產(chǎn)能力受到限制。間接加熱轉鼓干化系統(tǒng)的工藝流程見圖2。

圖2 間接加熱轉鼓干化系統(tǒng)流程圖

該系統(tǒng)要在嚴格的惰性環(huán)境下操作，由于內(nèi)部的溫度和熱量分配不均衡，易導致小環(huán)境中的粉塵積聚、過熱，會造成很大的危險隱患。該系統(tǒng)的特點是：流程簡單，污泥的干度可控，干化器終端產(chǎn)物為粉末狀。

槳葉式干燥機屬于間接干燥技術的一種。國外已采用其研究污泥的干燥特性，并在漿葉式干燥機中分區(qū)建立了數(shù)學模型[9]。國內(nèi)也有將其應用于制革污泥和造紙污泥的干燥處理研究中[10-11]，并分析指出槳葉式干燥機具有設備結構緊湊、裝置占地面積小、熱量利用率高、有自凈能力的特點，適宜進行污泥熱干燥處理[12]。

1.3 間接多盤式干燥技術

間接多盤式干燥機是一種新型、高效、節(jié)能的傳導型連續(xù)干燥設備。德國、美國、日本等國家都有專門公司或廠家進行研制與生產(chǎn)。它具有熱效率高、干燥時間段短、能耗低、可調控性好、干燥物質不易破損、環(huán)境污泥控制成本低、操作環(huán)境整潔、無振動、低噪音、運轉平穩(wěn)等優(yōu)點，但物料在干燥機易產(chǎn)生粘結現(xiàn)象，可通過“干料”返混或其他工藝方式改進[13-14]。如Seghers公司開發(fā)的新一代間接多盤式干燥工藝的流程，又稱為珍珠工藝，其核心設備是涂層機和多盤式干燥機，其流程圖見圖3。其中間接多盤式干燥機也叫造粒機，立式布置多級分布，間接加熱，干燥后污泥顆粒呈圓形，堅實、無灰塵且顆粒均勻，具有較高熱值，可作為燃料[15]。但是此工藝存在干化、運行成本高，且長期運行出現(xiàn)腐蝕等問題[16]。

圖3“珍珠工藝”流程圖

1.4 其他干燥技術

其他干燥技術包括離心干化技術、流化床干化技術和帶式干燥機等技術。

離心干化技術，即脫水干化一體技術，是利用離心力對污泥在離心機內(nèi)進行脫水，高熱空氣以適當?shù)姆绞揭氲诫x心干化機的內(nèi)部，遇到細粉狀的污泥并以最短的時間將其干化到含固率80%左右，在旋流分離器與濕廢氣分離。污泥進入系統(tǒng)后不久干化污泥顆粒就可從排料閥排出，與循環(huán)氣體混在一起的燃料廢氣和低氧含量的干燥廢氣則通過洗滌塔排氣立管排出。離心干化技術的特點是：流程簡單，省去了污泥脫水機及脫水機至干化器的存貯、輸送、運輸裝置。

在流化床干化技術中，污泥不需要預處理，直接送往流化床干燥器。無返料系統(tǒng)，間接加熱，干燥機本身無動部件，故不需維修，因污泥的成分決定其流化特性，該處理系統(tǒng)對污泥的成分變化非常敏感，常導致流化床內(nèi)的熱交換不能順利進行，流化床及管道的磨損很嚴重，系統(tǒng)的能耗也較高。由于流化床污泥干燥工藝對技術要求很高，較難實現(xiàn)，特別是我國污泥流化床干燥技術還處于試驗探索階段，目前還未見自主知識產(chǎn)權的流化床污泥干燥工藝應用于實際工程的報道。

帶式干燥機由若干個獨立的單元段組成。每個單元段包括循環(huán)風機、加熱裝置、單獨或公用的新鮮空氣抽入系統(tǒng)和尾氣排出系統(tǒng)，能夠保證帶式干燥機的可靠性和操作條件的優(yōu)化。同時，帶式干燥機對污泥沒有分散作用，因此出料一般呈條塊狀。該設備適合處理顆粒狀物料，且對物料沒有破碎和分散作用，需要干燥時間長，其缺點是一次性投資較高，占地面積較大。

2 污泥干化過程環(huán)境污染與控制

2.1 污泥干化過程的環(huán)境風險

污水處理過程和污泥處理過程都會揮發(fā)出污染氣體，尤其是惡臭氣體，主要包括硫化物（硫化氫、甲硫醇、甲基硫醚等），氮化物（如氨、二甲胺）、碳、氫或碳、氫、氧組成的化合物（低級醇、醛、脂肪酸），這些物質在極低濃度仍可引起極大的社會與環(huán)境問題，是世界公認的七大污泥之一（大氣污染、水質污泥、土壤污泥、噪聲、振動、土地下沉、惡臭）。

污泥處理過程（調理、濃縮以及機械脫水等）較污水處理過程（初沉、生化處理等）的臭氣氣味值高很多，其中污泥脫濾液和熱處理污泥的臭氣釋放量較其他污泥處理步驟高。雖然污泥干燥能有效地為后續(xù)的資源化利用做準備，且從目前的技術經(jīng)濟上分析其應用于污泥干燥是可行的，但干燥過程存在環(huán)境風險，可能會揮發(fā)出大量的污染物，造成二次污泥，這已成為污泥干燥技術推廣應用中必須面對和解決的技術難題，也引起了很多學者的關注。對于污泥的污染控制主要在兩方面：一是過程控制，力求從源頭上最大限度減少污泥干燥過程中污染成分的揮發(fā)量；二是干燥尾氣的凈化處理。

2.2 污泥干化尾氣污染物

污泥干燥時，在去除水分的同時，不可避免地使污泥中某些易揮發(fā)及不穩(wěn)定物質分解進入干燥尾氣。干燥尾氣成分一般包括載氣、水蒸汽、粉塵和氣態(tài)污染物。其中氣態(tài)污染物主要包括：

（1）載氣引入的氣態(tài)污染物。如采用鍋爐煙氣作為直接干燥熱源，煙氣中的SO2和NOx就會進入干燥尾氣。

（2）污泥揮發(fā)物和分解物。污泥開始干燥時，氨、硫化氫、苯系物、醛類和脂類等沸點較低、蒸氣壓較高的污染物便隨著水分的揮發(fā)進入尾氣，污泥中某些易分解產(chǎn)物也會進入干燥尾氣中，如碳酸氫銨分解為氨；污泥加熱時間過長，干燥過度后污泥溫度不斷上升，揮發(fā)物和分解物繼續(xù)大量進入尾氣中，如氨、硫化氫、水、一氧化碳等無機物及烴灰、甲醇、乙醛等有機物。

（3）污泥揮發(fā)物或分解物可能與載氣成分發(fā)生反應，生成二次產(chǎn)物混合在尾氣中，或者載氣中污染物與污泥直接接觸，并與污泥中某些成分反應結合，使載氣中污染物固定下來，使得干燥尾氣污染物濃度得到降低。

2.3 關于污泥干化尾氣處理的研究

污泥干化能有效實現(xiàn)減容減量，但干化過程中產(chǎn)生各種污染物，若無相應的處理措施，將造成二次污染，如何有效控制污泥干化過程中污染物的釋放及有效地凈化廢氣，是污泥干化技術安全和廣泛推廣使用所必需解決的關鍵問題。

張鵬等[17]以氧化鈣為吸收劑開展其抑制污泥釋放H2S，NH3等臭氣的研究，發(fā)現(xiàn)與純污泥干化相比，摻加10wt%CaO的污泥，在特定溫度下，污泥H2S，NH3的釋放量分別減少94%和86.1%；同時發(fā)現(xiàn)，污泥中加入CaO，揮發(fā)性成分最大減少77.8%，與純污泥干化相比，干化速率可提高19.6%。翁煥新等[18]研究表明干化溫度決定了污泥氨釋放的強度，可通過控制污泥在低溫下完成干化過程抑制污泥氨的釋放強度，通過多級濕式除塵除氣，可去除污泥干化時釋放的絕大部分氨和其他有害氣體（如硫化氫），且?guī)缀蹩扇コ繜焿m。安德里茲（Andritz）開發(fā)的新一代密閉式、帶返料的直接加熱轉鼓式干燥系統(tǒng)，采用了氣體循環(huán)回用設計減少了尾氣的排放和處理成本，而帶污染的惡臭氣體則被送到生物過濾器處理，以達到符合環(huán)保要求的排放標準[15]。Seghers公司開發(fā)的間接式多盤干燥工藝尾氣經(jīng)冷凝、水洗后送回燃燒爐，將產(chǎn)生臭味的化合物徹底分解，尾氣能滿足很嚴格的排放標準[15]。

3 余熱干化經(jīng)濟性分析

以某廢水站的污泥日產(chǎn)量為800 m3為例，每日產(chǎn)泥量為150 t（含水率80%），污泥外運處理費用為1 600元/t。

若有一廢水站日處理廢水3 000m3，月產(chǎn)泥量為900 t（含水率80%）。有一25 t重油鍋爐，其尾氣產(chǎn)量為30 000m3/h，尾氣溫度為200～240℃。污泥烘干設備總功率為44 kW,運行功率為26 kW，該污泥烘干設備日處理量為50 t，污泥烘干后含水率為20%，且污泥烘干不受天氣影響。

（1）污泥直接外運的處理費是1 728萬元/a。

（2）污泥采用”曬干”方式經(jīng)濟分析（按3 000 m3廢水站計算）。

由于天氣影響，每年可供污泥曬干時間為220天，曬干后污泥含水率為30%，其余140天的時間污泥不能曬干，未曬干污泥含水率為80%，曬干后每年的污泥質量為4 388 t，每年的污泥處理費為702.08萬元。

故采用”曬干”方式降低污泥含水率后每年污泥處理費為702.08萬元，與污泥脫水后直接外運相比可節(jié)省1 025.92萬元/年。

（3）污泥采用”烘干”方式經(jīng)濟分析（按3 000 m3廢水站計算）。

污泥烘干系統(tǒng)總投資估算：污泥烘干系統(tǒng)的熱源可采用25 t重油鍋爐的尾氣，30 000 m3/h的尾氣量已能滿足烘干要求，不需另加熱源，可節(jié)省能源。關于硫腐蝕的問題，若筒體及料風出口部分用不銹鋼材料，價格將在500萬元左右，若采用普通鋼材，可以保證至少3年的正常使用期。更換筒體及料風出口的費用（制造及安裝費）大約在80萬元，所以建議采用普通鋼材。

表1 污泥干化投資估算

烘干后污泥的含水率為20%，未烘干污泥含水率為80%，且烘干污泥不受天氣影響，所有污泥可烘干后再外運。烘干后每年污泥產(chǎn)量為2 700 t，每年污泥處理費為432萬元。污泥烘干系統(tǒng)的日處理量為50 t，每年運行時間為54天，每年所需電費為2.36萬元。若每3年更換一次筒體及料風出口，費用約為80萬元，平均每年所需維修費為26.67萬元。

因此，采用”烘干”方式降低污泥含水率后每年處理污泥的費用為461.03萬元。與污泥脫水后直接外運相比，每年可節(jié)省1 266.97萬元，與采用”曬干”方式相比，可節(jié)省241.05萬元。

4 結論

隨著設備性能的提高以及其他處置方式社會矛盾的突出，污泥干化裝置高效、靈活、安全、穩(wěn)定的優(yōu)勢逐漸為人們所認同。由于海洋處置已被禁止，填埋標準越來越嚴格，堆肥等其他處理處置方式尚在試驗研究階段，人們更多地考慮采用污泥熱干化技術作為污泥處理處置的一個環(huán)節(jié)。污泥干化后產(chǎn)品的資源化利用途徑廣泛，為污泥管理體系提供更多的靈活性和可操作性。污泥熱干化技術在整個污泥管理體系中越來越顯示出它的重要性和發(fā)展優(yōu)勢?？傊?，污泥熱干化是污泥最終處置和利用前的重要而關鍵的一步[19]。上述例子也說明，污泥干化技術是一項長遠盈利的投資，相比于其他處置方式，污泥干化技術節(jié)約成本，且為后續(xù)資源化利用提供保證。污泥干化技術的革新與完善，直接推動污泥處置手段的發(fā)展，拓展了污泥處置手段的選擇范圍，使之在安全性、可靠性、可持續(xù)性等方面得到越來越可靠的保證[20]。

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Econom ic analysis on sludge heat drying techniques

XING Yu1,XIEWuming1,LIU Jingyong1,ZHAOSuying2,HUANG Rong3,LIBin4,WANGYujie1,YANG Zuoyi1
（1.School of Environmental Science and Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China；

2.China Environment Technology（HK）Limited,HK 999077,China;
3.School ofManagement，Guangdong University of Technology,Guangzhou 510520,China；
4.Dongguan Chao Ying Textile Co.,Ltd.,Dongguan 523147,China）

A large quantity of sludge is produced during the treatm ent of w aste w ater in China annually,w hose com p licated com position and high m oisture content restrict its effective utilization.So the decreasing m oisture content of sludge is a key to its development and utilization.The paper analyzed the sludge heat drying techniques and its econom ic feasibility,and elaborated four aspects including the typical of sludge drying process and equipm ent,environm ental pollution and control of the drying process,the tail gas treatm ent of sludge drying and sludge drying efficiency.The sludge heat drying technology and its process w ere analyzed.The results indicated that the sludge heat drying w as an effective treatm ent to achieve econom ic and environm entalbenefits.

SlSludge drying;pollution control;econom ic analysis

2014－03－30）

X703

A

1674-0912（2014）05-0034-05基金項目：廣東省科技計劃（省國際合作）項目“城市污泥干化關鍵技術研究及軟件支撐系統(tǒng)研發(fā)”資助（2012B050300023）

邢瑜（1990-），男，廣東揭陽人，碩士研究生，研究方向為固體廢棄物處理處置及其環(huán)境污染控制。