污泥熱處理技術值得關注的幾個問題與展望
[摘要]該文擬通過對污泥焚燒和污泥熱解等熱處理技術的研究，從熱環境下二噁英的生成、污泥熱干化防粘結、干化后尾氣治理及污泥熱處理能量平衡、污泥機械脫水設備的改進與污泥熱處理工藝的完整性等幾個問題進行了初步的探討，并從技術、經濟和環境等方面提出了污泥熱處理技術在市場中的展望。筆者認為，污泥熱處理技術是污泥無害化處理的重要技術手段和保障，以引起業內人士的充分關注。
[關鍵詞]污泥;熱解;焚燒;展望
ProblemworthyofattentionandProspectofSludgeheattreatment
Yurui,Xinlingling,Wangfeifei
HangZhouMunicipalConstructionandScienceInstitute
ZhejiangLiboEnvironmentalEngineeringCO.LTD.
[Abstract]Thisarticlehasdisscusedprocessingtechnicofhightemperatureincinerationandlowtemperaturethermaldecompositionofsludge,includingdioxinsformationinthermalenvironment,preventionmeasureagainstbondingduringsludgeheatdryingandoff-gastreatment,energyself-sustainingequilibriumconditionduringsludgeheatprocessing,modificationofsludgemechanicaldehydrationfacilityaswellascompletenessofsludgeheatprocessing.Italsogavethemarketprospectofsludgeheatprocessingfromtechnic,economicandenvironmentalaspectrespectively.Theauthorbelievesthatsludgeheattreatmentisanimportanttechnologyandsafeguardsforsludgeinnocenttreatmentandworthytheattentionofprofessionals.
[Keywords]:sludge;thermaldecomposition;incineration;prospect
0．污泥熱處理技術及其關注的問題
污泥是城市污水廠在污水處理過程的副產品，除初沉池采用物理方法攔截下的組份相對簡單的物化污泥外，大量的是來自二沉池生物處理后過剩的有機物及其它攔截下來的有毒有害物質，又稱生化污泥。這些曾在污水處理中發揮重大作用、而又根據需要退出“戰斗”的微生物及其組成的菌膠團，往往處于亢奮狀態，這些處于高度的活性狀態的菌膠團常常隨著環境的改變而發生快速的變異，尤其表現在污泥所持有的高致病菌、高重金屬含量等特征上，從而引發出民眾對污泥處置二次污染的擔憂。
隨著近年來人們對污泥微觀研究的深入，應用技術的不斷發展，污泥熱處理技術正受到人們前所未有的關注。據資料介紹，從最早的污泥燒制陶粒、制磚技術開始，到如今污泥干化-焚燒技術（上海石洞口），污泥煙氣余熱干化技術（浙江義烏），污泥噴霧干燥-回轉式焚燒技術（浙江蕭山臨浦），污泥一體化干化循環流化床焚燒技術（杭州七格）。這么多的污泥熱處理技術形成了百花齊放爭葩斗艷的繁榮景象，但是民眾倍加關注的劇毒二惡英的問題，污泥干化過程中惡臭排放和尾氣治理問題，以及業主關注的污泥干化粘結的，污泥熱處理高能耗的問題都越加突出。
最近，有關污泥熱解技術從美、日、德等發達國家進入我國，國內也有同濟大學、哈工大等在研究，目前正尋求國內示范工程階段，該技術的發展大有后來者據上的趨勢，領跑污泥熱處理技術，被稱之為第四代污泥熱處理技術。
污泥熱處理的技術關注點是什么？污泥熱處理技術發展前景如何？污泥熱處理運行管理如何強化？筆者認為有必要深入探討。
1．二噁英生成的疑慮
污泥中的含氯有機物的一定范圍的溫度作用下生成二噁英，由于二噁英以其危害性遠遠高于污泥本身及其人們已知的其它物質，受到人們的特別關注，也是污泥熱處理技術中首先會直接面對的問題。
分析認為：在污泥熱處理過程中產生二噁英的途徑主要有四種：直接釋放、高溫氣相生成、前驅物固體催化合成、從頭合成。直接釋放是指固廢中本身所含有二噁英并且在焚燒過程經過不完全的分解破壞后繼續存在，與其他途徑產生的二噁英相比較，這部分的量是相當小的。高溫氣相生成是由不同的二噁英前驅物（如氯酚、多氯聯苯）在高溫和氧氣的條件下反應生成二噁英。前驅物固體催化是二噁英前驅物在低溫燃燒區在受到催化劑（金屬或其氧化物）作用反應生成。從頭合成是通過形成二噁英的基本元素（碳、氧、氯、氫）在催化劑作用下發生氧化和縮合反應生成二噁英。
從以上四個形成二噁英的過程中，可以得出產生二噁英的條件為：有形成二噁英的基本元素（碳、氧、氯、氫）或前驅物，一定的溫度范圍、金屬催化劑以及氧化所需的氧氣。
高溫焚燒是在氧化氣氛下進行，具有生存二惡英的必要條件，人們往往采用提高爐溫（800℃/2秒以上），來避免它的產生，但是這種方法只能降低而無法徹底的消除二噁英的生成。
污泥熱解過程由于是在無氧環境下進行，從源頭上抑制了二噁英的合成。其次，經過凈化處理后的熱解氣不存在具有催化作用的物質（金屬或其氧化物），熱解氣的燃燒過程是一個徹底而潔凈的氧化過程。
另據國外報道稱，熱解過程不但能有效的防止二噁英的產生，還可以處理被二噁英污染的土壤或物質，二噁英的有效去除率達到99%。
2．干化過程的防粘結和尾氣處理
污泥熱處理技術前段，一般是污泥干化的過程，即將包絡在污泥中的水采用熱能預以汽化并排除，以滿足不同的熱處理技術的要求。
由于污泥有機物組份、活性、變異和其它物理特征，決定了在降低含水率的過程中無法避免的污泥粘結問題和大量的臭氣逸出，若處理不當，造成示范工程失敗，以至名利俱損也時有發生。筆者認為，污泥熱處理技術中防粘結和除臭措施及其實效是技術含金量的重要成色。
城市污泥在干燥過程中有一特殊的膠粘相階段(含水率為60％-40%左右)。在這一極窄的過渡段內，污泥極易結塊，表面堅硬、難以粉碎，而里面卻仍是稀泥，這為污泥的進一步干燥和滅菌帶來極大困難，且能耗比達到常態的2.5倍。解決這一問題的有效手段就是干料返混，干燥器進料前先將一定比例含固率＞90%的干泥顆粒返回混合器與濕污泥混合，其過程中干粒起到如珍珠核的作用，濕污泥只是薄薄地包裹在干粒外面。控制混合的比例，使混合物的含水率降到30%～40%，這樣使污泥直接越過膠粘相，大大減輕了污泥在干燥器內的粘結，干燥時只需蒸發顆粒表層的水分，使干燥容易進行，能耗降低。
國外對污泥處理的管理非常嚴格，它必須是環境安全的，不能產生二次污染。所以國外的污泥干化技術很重視尾氣處理和臭味控制。早期的ESP直接加熱系統，引入外部空氣經加熱后通入干燥器，蒸發污泥中的水分并運送污泥。離開干燥器后熱風與干污泥顆粒分離，然后經過除塵、熱氧化除臭后排放。由于熱風的量很大，使得尾氣處理成本非常高，這一缺陷使人們一度將興趣轉到了間接加熱系統上。后來，產生了轉鼓式直接加熱工藝，采用了氣體循環回用的設計，使這一缺陷得到明顯改善。在其干燥工藝中，熱風經過除塵、冷凝、水洗后，85%返回轉鼓，只有15%需經過熱氧化除臭后排放。這減少了尾氣處理的負擔，更重要的是大大減少了外部空氣的引入量，將轉鼓內氧氣的含量維持在很低的水平，從而很大程度上提高了系統的安全性能。對于間接加熱系統，尾氣的量要小得多，相應尾氣處理的負擔要輕得多。間接加熱干化后的尾氣經冷凝、水洗后送回燃燒爐，將產生臭味的化合物徹底分解，所以其尾氣能滿足很嚴格的排放標準。另外，無論是直接加熱或間接加熱系統，干燥設備內部都采用適當負壓，避免了臭氣的外泄，工廠的污泥倉、干燥車間、成品倉等構筑物內的氣體都抽走集中處理。
所以，不管是何種熱處理技術，選擇什么樣的干化系統是非常關鍵的，這決定了這種熱處理技術的先進性、可靠性以及有沒有二次污染的關鍵。
3．尋求污泥熱能自持平衡點
某污水處理廠污泥采用循環流化床直接燃燒濕污泥，曾進行過實驗性熱平衡測試試驗，實驗表明的熱量平衡見下表：
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采用循環流化床直接焚燒濕污泥，通過回收熱能用于預干化污泥，并輔以適當降低排煙溫度的技術措施，使該系統在污泥干基高位發熱量3143kcal/kg，含水率達到75%時，實現污泥熱能自持平衡。資料表明，采用噴霧干化焚燒系統時，當污泥干基高位發熱量3600kcal/kg含水率80%時污泥可實現自持燃燒。
采用高溫有氧焚燒系統，消耗在預熱空氣中的能量占31.5%左右，而實際獲得的有效氧含量只占到全部空氣量的21%，而占78%的氮氣，對高溫焚燒的能量提供絲毫沒有貢獻，卻帶走了大量的熱能（按試驗數據計算高達總量的20%）。同時易生成NOX加重了尾氣難度。
與焚燒工藝相比，熱解工藝產生的廢氣量要小得多，所以尾氣帶出的能量要小的多。雖然在熱解過程中，物料中約8%左右碳被固定在熱解殘渣中，但與焚燒尾氣帶走的能量相比微乎其微。因此，從能量利用角度講，熱解比焚燒的能量利用率更高，能量損失更小。熱解系統中，采用間接加熱干化工藝，當污泥干基高位發熱量3200kcal/kg、污泥含水率80%時，系統不需要額外添加輔助燃料。
4．脫水機械改進和工藝完善技術思路
我國從上世紀九十年代開始建設大型城市污水處理工程和污泥用于堆肥的研究開始,訖今走過了一條較為艱難而曲折的發展道路。北京、上海、廣州、深圳等城市堅持踐行付出重大。一條共同的認識是：解決污泥問題必須從整個污泥處理處置的工藝完整性考量。
機械脫水是污泥處理工藝不可或缺和分割的重要環節，也是熱處理工藝能量是否自平衡的關鍵環節，一般要達到熱平衡時,當污泥含水率達到80%時,污泥干基的高位發熱量在3200-3600kcal/kg,而一般城市污水廠污泥往往無法滿足這樣的要求,怎么辦?如何進一步降低含水率成為必要,而加強機械脫水效率是首先途徑。
有人提出從水力同向、薄層脫水、延長路徑、適當施壓等四個方面的理念著手開展對新型脫水機械的改進和研發。
調整脫水工藝鏈也是提高脫水效率的重要技術措施。實際證明，污泥中存在的大量微生物，在一定的熱環境下進入“失活”狀態，容易使得污泥中的物理態和生物態的水由于環境的變化而變得較易被機械脫除，在熱處理能量自持平衡的大前提條件下，適當設計回流部分熱能以改善脫水環境，當熱產出大于熱投入時，即形成了工藝的良性循環，從而獲得在一般污水廠污泥熱值條件下熱處理自持平衡點。
5．展望
污泥熱處理技術特別是熱解技術，通過與改進脫水機械相結合的熱利用的優化設計，通過技術手段，能完全解決二噁英生成、污泥熱干化粘結和尾氣處理達標三大難題，獲得污泥處理熱能自持平衡的完整工藝。這種建立在污泥無害化基礎上的處理工藝，處理程度更具減量化、穩定化，較其它處理工藝技術比較更具先進性。
污泥處理熱能自持平衡，即在不添加外來輔助燃料的條件下對污泥的穩定處理，使得運行費用大為降低并得到控制。
從工程投資方面看，據調查噸污泥（含水率80%）處理工程投資25-30萬元是可以被市場接受的。如某省最近三年污泥工程建設規模為9000噸（污泥含水率80%）/日，投資額在21億元，噸污泥工程投資額在23萬元以上。
污泥熱處理工藝的經濟指標具有可行性。
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就規模效應分析，高溫焚燒工藝由于設備容量大較適用于大型污水廠，而低溫熱解工藝采用組合式裝備，其規模適應性更強，它不僅適用于對較大規模污泥量的處理，也適用于中小規模污泥的處理，特別是適合我國眾多縣級污水廠污泥的處理。
由此分析，筆者認為污泥熱處理技術領先市場前景看好。
6．建設管理的二點建議
建議一，將脫水車間劃歸污泥工藝段管理
據調查，目前在污水處理廠的生產管理上，往往把污泥脫水車間列在污水處理工藝段，即污泥機械脫水至含水率80%的工作由污水處理段管理，其后為污泥處理部分。筆者認為，這種管理分割，容易給污泥處理工藝的完整性帶來技術上的負面效應，特別當人們提出污泥熱處理熱能自持平衡的目標時矛盾尤為突出。
由于現代污水處理流程的連續性，而現有機械脫水設備存在諸多不可克服的缺陷，再加上管理上的人為分割，在污水處理階段進入末端的污泥脫水處理往往得不到相應的重視，反映在管理上會派一些相對體力較弱、知識層次較低的人員在崗，其責任目標又往往被污水處理達標的大目標所掩蓋而得不到重視，考核也相對較松。
實踐證明，這種在管理上的分割宜造成污泥管理段的被動，如石洞口廠，由于污泥機械脫水始終達不到后序干化焚燒工藝的進泥含水率設計要求，使得污泥處理能耗隨機械脫水含水率而波動，一度造成運行成本居高不下的原因；采用污泥干化焚燒工藝，技術余度（或容差）較小，敏感性變強，造成上下游在管理問題上扯皮現象頻現。人為增加的技術經濟矛盾，在業內形造成負面印象，人們一度懷疑污泥熱處理技術的技術和經濟可行性？
筆者在本文中提出，采用熱處理技術對污泥處理，在處理熱能自持平衡的大前提條件下，適當設計回流部分熱能改善脫水環境，獲得熱產出大于熱投入良性循環，是污泥熱處理工藝完整的重要技術思路，要求在管理做出相應調整，建議將機械脫水環節從污水處理工藝末端提升到污泥處理工藝始端十分必要。
建議二，在污泥處理領域培養和充實熱能類專業技術力量
污水處理廠的管理始于城市排水管理，從專業角度分析，承擔管理領導者出自環境專業和給排水專業人士居多，在污水處理廠聚集最多的技術力量也出自上述專業范圍。
由于對熱能專業知識略顯欠缺，以致對污泥熱處理技術的前瞻性認識不足。俗語說“水火不相容”，搞水的人去認識“火”以致駕馭“火”去處理污泥，無論從認識還是從實踐上較常人需更大的“勇氣”和更多的“付出”。當人們一旦認識到污泥熱處理技術的前瞻性時，往往已走過較多的彎路和付出的代價，這種現象不僅存在于污水廠等運行管理層，也存在于相關的工程建設管理、工程設計管理和工程建造管理層面上。據了解，保持石洞口廠安全穩定運行的，是一支由熱電專業人士領軍的團隊。
由此分析，認識到污泥熱處理技術發展的前瞻性形勢，建議在污泥處理領域，培養和充實熱能類專業技術力量。
參考資料[略]
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