污泥焚烧工艺技术研究

.1污泥处理与处置的方法
城市污水处理厂在净化污水的同时也产生了大量剩余污泥，其数量约占处理水量的0.3％～0.5％左右(以含水率为97％计)，而且不稳定、易腐败、有恶臭。城市污水处理厂产生的大量污泥，经沉淀分离、浓缩、消化、脱水及最终处置等的常规污泥处理和处置工艺，需要大量的基建投资和高昂的运行费用，其运行费用约为污水处理厂总运行费用的40％(烘干)～65％(焚烧)左右。北京最大的高碑店污水实际运行处理规模70万t／d，产生污泥量约为500t／d(含水率86％)，每天有40辆卡车将这些污泥饼外运，污泥的处理非常困难，已成为直接影响污水处理能否正常运行的最关键因素。据北京市规划，2010年污水处理规模将达到340万t／d，处理率达到90％以上，其产生污泥量将达到1.36万t／d(含水率97.5％)。今后随着我国污水处理设施的普及、处理率的提高和处理程度的深化，污泥的产生量还将有较大的增长，因此必须有效地处理、处置与利用污泥。
污泥处理与处置的目的以减量化、资源化、无害化为原则。污泥处置和综合利用方法有填埋、焚烧、土地利用、排海等途径。表1列出世界各发达国家污泥处置方式所占比例。由表1，农用和填埋是各发达国家的污泥处置的主要方式，而焚烧所占的比例相对较小。但人们逐渐考虑到填埋要占用大量的土地和花费大量的运输费用，而且填埋场周围的环境也会恶化，遭受渗沥液、臭气的困扰。在许多国家和地区，人们坚决反对新建填埋场，美国环保局估计今后20年内，美国6500个填埋场中将有5000个被关闭。瑞士政府宣布从2003年1月1日起将禁止污水厂的污泥用于农业，所有污水厂的污泥都要进行焚烧处理，因为若长期将剩余污泥用于农业堆肥，有可能会因为有害物质诸如重金属、呋喃等的积累而影响人们的身体健康。从90年代起许多国家诸如德国、丹麦、瑞典、瑞士等国以及日本就开始以焚烧工艺作为处理污水污泥的主要方法，而目前污泥焚烧以日本、奥地利、丹麦、法国、瑞士、德国等国占比例高。1992年，日本采用1892座焚烧炉处理75％的污水污泥，目前焚烧工艺在日本得到广泛的应用、是污泥处置的主要方法，日本在这一方面的研究很多，如将焚烧灰作为沥青填料、路床和路基材料、砖瓦材料、水泥原料、熔融填料等；在丹麦，每年约有25％的污泥在32座焚烧厂中处理；随着欧共体各国签订的停止向海洋投弃污泥的协议生效，EEC各成员国已逐步停止向海洋投弃，海岸国家受此协议的限制，已纷纷转用焚烧法。
表1世界各国污泥处置所占比例（％）

1.2污泥焚烧工艺的兴起与发展
污泥焚烧(热分解)是指在高温(500－1000℃)下，污泥固形物在无氧气或者低氧气氛中分解成气体、焦油以及灰等残渣这3部分的过程。污泥焚烧的处理对象主要是脱水泥饼，脱水泥饼含水率仍达45％～86％，含水率高，体积大，可将其进行干燥处理或焚烧。干燥处理后，污泥含水率可降至20％～40％。焚烧处理，含水率可降至0，体积很小，便于运输与处置。
污泥焚烧的初期研究是1959年美国的诺亚克(Noack)、1960年施莱辛格(Schlesinger)等人在彼得堡能源中心(Pittsburg Energy Center)开始的，其共同的特点是以回收能源为目的。脱水污泥(水分65％～85％，其固体热值为7500～15000kJ／kg)的热值低，因此，焚烧过程中必须添加辅助燃料，所以应该设计辅助燃料最少的流程。世界上第1台焚烧污泥的流化床锅炉在1962年建于美国Lynnword Washington，至今仍在运行。1970年以后，从日本研究者平冈等人1973年所进行的基础研究开始，美国的奥利克塞(Olexsey)于1974年、卡林斯克(Kalinske)于1975年都指出了焚烧工艺的优越性。1976年10月在悉尼举行的第8届国际水质污染研究会议上由马吉玛(Majima)等人发表了多段炉分解的应用性研究报告。1977年4月在日本东京举行的日美下水道技术会议上，由卡希娃亚(Kashiwaya)发表了大阪府川俣处理场的多段炉应用研究的成果报告，报告中证实了多段炉焚烧工艺的实用性，之后在川俣处理场及其他多处都建起了剩余污泥焚烧装置，至今运行良好。
韩国正在Kyungki省的Kwangdong-Li污水处理厂试运行由Samsung建筑公司最近开发的污泥焚烧新工艺。泰国的Samutprakam正在建设东南亚规模最大的污水处理厂，其污泥处理单元将采用焚烧工艺。在我国的城市污水厂中，只有深圳特区污水处理厂用于焚烧。对工业废水污泥的焚烧，国内应用的也很少，由化工部第三设计院设计的齐鲁20万t乙烯污水处理厂，污泥量为2100kg／h，采用二段串联的卧式灰砖焚烧炉焚烧。北京燕山石油化工总厂自行设计的活性污泥沸腾焚烧炉，热载体采用粉状砂针，污泥用压力式喷嘴喷入炉内，燃烧燃料要与空气混合造成热风。但此炉现未能连续运行。香港政府决定修建2组日处理量为6000t的焚烧炉和能源回收设备。预计将在2007年。第1组设备将投入使用。

焚烧炉型有回转型如回转式焚烧炉、多段型如立式多段炉(多段竖炉)及流化床型等。流化床焚烧炉有如下特点：①由于流化层内粒子处于激烈运动状态，粒子与气体之间的传质与传热速度很快，单位面积的处理能力很大；②由于流化床层内处于完全混合状态。所以加到流化床的固体废物，除特别粗大的块体之外，都可以瞬间分散均匀；③由于载体本身可以蓄存大量热量，并且处于流动状态，所以床层反应温度均匀，很少发生局部过热现象，床内温度容易控制。即使一次投入较多量的可燃性废弃物，也不会产生急冷或急热现象；④在处理含有大量易挥发性物质时(如含油污泥)，也不会像多段炉那样有引起爆炸的危险；⑤流化床的结构简单，设有机械传动部件，故障少，建造费用低；⑥空气过剩系数可以较少；⑦特别是流化床焚烧炉还具有其本身独特的优点，如燃料适应性广、易于实现对有害气体SO2和NOx等的控制、还可获得较高的燃烧效率、污泥焚烧的灰份有多种用途等等。因此，流化床焚烧炉得到了较好的应用，其型式有道尔－奥利弗(Dorr-Oliver)流化床焚烧炉、考可兰(Copeland)式流化床焚烧炉、回旋型流化床焚烧炉、带干燥段的流化床焚烧炉等。
目前，污泥焚烧是日本、奥地利、丹麦、法国、瑞士、德国等国污泥处置的主要方法，近几年来污泥焚烧技术已经逐步成为处理污泥的主流，愈来愈受到世界各国的青睐。这是由于焚烧法与其它方法相比具有突出的优点：①焚烧可以使剩余污泥的体积减少到最小化，它可以解决其他方法中污泥要占用大量空间的缺陷，这对于日益紧张的土地资源来说是很重要的；②焚烧后剩余污泥中的水分、有机物等都被分解，只剩下很少量的无机物成为焚烧灰，因而最终需要处置的物质很少，不存在重金属离子的问题，焚烧灰可制成建筑材料等有用的产品，是相对比较安全的一种污泥处置方式；③污泥处理速度快，不需要长期储存；④污泥可就地焚烧，不需要长距离运输；⑤可以回收能量用于发电和供热。
2污泥焚烧工艺存在的问题和对策
虽然焚烧法与其它方法相比具有突出的优点，但是另一方面随着焚烧工艺的使用，它所存在的若干问题也日渐暴露出来。其一，焚烧需要消耗大量的能源。而能源价格又不断上涨，焚烧的成本和运行费均很高；其二，存在烟气污染、噪声、震动、热和辐射以及产生成为环境热点的二恶英污染问题。各发达国家都在制定更严格地固体焚烧炉烟气的排放标准，这也将给剩余污泥的焚烧提出更高的要求。所以，开发热效率高，并能把环境污染控制在最小限度的焚烧工艺成为当务之急。
众所周知，在污泥焚烧的过程中会产生一定量的有害气体，例如HCl，HF，SO2等等。这些有毒有害气体势必会对空气造成严重的危害。针对这一问题，欧洲各国都制定了严格的标准，如表2所示。
表2焚烧炉有毒有害物质的释放限制（mg／m3）

美国纽约州能源研究和发展机构(NYSERDA)就增加氧气量的污泥焚烧技术进行了研究。研究结果表明：富氧气系统的焚烧炉运行更具灵活性且反应速度快，一方面可使产率提高(可提高约55％左右)，另一方面又可使燃气消耗量减少，并且在燃烧过程中所产生的氮氧化物(NOx)，一氧化碳(CO)或总碳氢化合物(THC)和异味不会增加；2001年意大利研究者lotito等人针对循环式流化床焚烧炉处理污泥的工艺进行了研究。多核芳香族碳氢化物(PAH)的产生量要比意大利10g／m3的标准限量低得多。并且发现，二恶英(PCDDs)以及PCDFs这些有毒物质的浓度虽然超过0.1ng／m3(TE)的限量，但是在飞灰中的浓度却低得多，由此验证了在气化阶段被污染的可能性。并且PAHs和PCDD／PCDFs的浓度并不能依赖补燃器的操作控制；英国研究者Gillian Hand Smith论证了在污泥焚烧工艺中，氮氧化物NOx和炉燃烧温度的关系，并为运行参数的最优化设计提供了非常宝贵的建议；加拿大McGill大学和加拿大能源与矿物研究中心碳化燃烧实验室对污泥的鼓泡流化床和循环流化床焚烧都进行了能量回收和污染排放分析，结果表明采用流化床技术处理废弃物不仅回收了可用能，而且烟气排放可满足苛刻的环保要求，既提高了污泥处理厂的经济性又保护了环境；曾庭华在1997年就污泥的凝聚结团特性、燃烧过程、热解特性及流化床焚烧污泥时产生的二次污染进行了相关研究；奉华在2001年以高碑店污水厂的污泥为主要研究对象，分析了污泥的成分特点和燃烧特性，并在预防二次污染方面，通过分析重金属元素在污泥中的存在形式及对污泥焚烧前后重金属含量的变化进行检测，研究了重金属在焚烧过程中的迁移特性，并提出污泥灰渣处理的建议；台湾研究者Rong-Chi Wang和Wen Chih Un研究了用固体吸收物捕获流化焚烧炉内污泥中的残余金属(如Pb、Zn、Cd等)，他们采用了一个90mmI.D.的实验室规模的流化焚烧炉，该流化床使用了不同种吸收物，例如石灰石、矾土、矽土和火山灰胶状粘土。在试验过程中，通过改变炉温、吸收物的种类、空气流速以及燃烧时间，来观察各种吸收物的性能。经过原子吸收光谱的测定结果表明，火山灰对于Zn的吸收效果最好，而矾土对于Pb又有极佳的效果，并且在流化焚烧炉内的污泥量能够减少约40％。

3污泥焚烧工艺的主要影响因素
焚烧的目的侧重于减量(或减容)和燃烧后产物的安全化、稳定化方面，这一点与以获取燃烧热量为目的的燃烧是有差别的。因此，焚烧必然以良好的燃烧为基础，要使燃料完全燃烧。支配燃烧过程的有3个因素：时间、温度、废物和空气之间的混合程度。这3个因素有着相互依赖的关系，而每一个因素又可单独对燃烧产生影响。
3.1时间
燃烧反应所需的时间就是烧掉固体废物的时间。这就要求固体废物在燃烧层内有适当的停留时间。燃料在高温区的停留时间应超过燃料的燃烧所需的时间。一般认为，燃烧时间与固体废物粒度的1～2次方成正比，加热时间近似地与粒度的平方成比例。如燃烧速度在某一要求速度时，停留时间将取决于燃烧室的大小和形状。反应速度随温度的升高而加快，所以在较高的温度下燃烧时所需的时间较短。因此，燃烧室越小，在可利用的燃烧时间内氧化一定量的燃料的温度就必须愈高。
固体粒度愈细，与空气的接触面愈大，燃烧速度快，固体在燃烧室内的停留时间就短。因此，确定废物在燃烧室内的停留时间时，考虑固体粒度大小很重要。
3.2温度
燃料只有达到着火温度(又称起燃点)，才能与氧反应而燃烧。着火温度是在氧存在下可燃物开始燃烧所必须达到的最低温度，因此燃烧室温度必须保持在燃料起燃温度以上。若燃烧过程的放热速率高于向周围的散热速率，燃烧过程才能继续进行，并使燃烧温度不断提高。一般来说，温度高则燃烧速度快，废物在炉内停留的时间短，而且此时燃烧速度受扩散控制，温度的影响较小，即使温度上升40℃，燃烧时间只减少1％，但炉壁及管道等容易损坏。当温度较低时，燃烧速度受化学反应控制，温度影响大，温度上升40℃，燃烧时间减少50％。所以，控制合适的温度十分重要。
3.3废物和空气之间的混合程度
为了使固体废物燃烧完全，必须往燃烧室内鼓人过量的空气。氧浓度高，燃烧速度快，这是燃烧的最基本条件。对具体的废物燃烧过程，需要根据物料的特性和设备的类型等因素确定过剩气量。但除了空气供应充足，还要注意空气在燃烧室内的分布，燃料和空气中氧的混合如湍流程度，混合不充分，将导致不完全燃烧产物的生成。对于废液的燃烧，混合可以加速液体的蒸发；对于固体废物的燃烧，湍流有助于破坏燃烧产物在颗粒表面形成的边界面，从而提高氧的利用率和传质速率，特别是扩散速率为控制速率时，燃烧时间随传质速率的增大而减少。
4污泥焚烧污染物控制的研究现状
焚烧过程包括分解、氧化、聚合等反应。燃烧所产生的废气中还含有悬浮的未燃或部分燃烧的废物、灰分等少量颗粒物。未完全燃烧产物有CO、H2、醛、酮和稠环碳氢化合物，还有氮氧化物、硫氧化物等。因废物组成不同，燃烧方式不一样，燃烧产物也有一定差异，以下就几种主要污染物进行讨论。
4.1氮氧化物的形成与控制
燃烧时氮氧化物是由空气中的氮及废物中的氮生成。燃烧时主要生成NO，NO2只占总氮氧化物的很小部分。NO和NO2总称为“NOx”。因燃烧中生成的NO稍后在烟道和大气中被转化成NO2，所以NOx排放以NO2表示。
燃烧过程中产生的NOx分为两类。一类是废物中含氮的化合物由于燃烧被氧化生成的NOx，称为燃烧型NOx。另一类是炉内空气中的氮在高温状态下氧化生成的NOx，称为热力型NOx。这两类NOx在焚烧过程中以燃烧型NOx为主。降低NOx的方法主要有①在燃烧过程中降低O2浓度的生成抑制法；②将发生的NOx用还原剂还原减少排出量的排烟脱氮法两大类。
4.2HC1的形成与控制
HC1是由废物中含的氯乙烯及其它含氯塑料，厨余中的氯化钠而产生。HC1去除的方法大体分为干法和湿法。干法是反应生成物以干燥状态排出，湿法是以水溶液排出。干法又进一步分为全干和半干法(或称半湿法)，全干法使用干燥固体作反应剂，半干法用水溶液或浆料作反应剂。
4.3硫氧化物的形成与控制
废物中的硫元素在燃烧过程中与氧化合物生成SO2和SO3，总称SOx。其中SO3仅是很小的一部分，因SO3不能由硫和氧直接反应产生，SO3需在催化剂(V、Si、Fe2O3等)的作用下才能生成。烟气中SOx取决于废物的成分，烟气中SOx的控制一般采用烟气在排放之前通过气体净化或在燃烧过程中除硫。在燃烧过程中的除硫，是采用让烟气中的SOx在炉膛里与某些固硫剂发生反应使之固定下来。如加入石灰或白云石等使硫固定在灰渣中。
4.4烟尘的形成与控制
废物燃烧时不可避免的会产生烟尘，它包括黑烟和飞灰两部分。由于废物中含有重金属，因此它们在燃烧过程中常以金属化合物或金属盐的形式被部分混到烟气中被排放，造成污染；或沉积在管道、室壁的表面，加速了设备的腐蚀，影响传热。
防止烟尘的方法有：①增加氧浓度，使其燃烧完全。常采用通人二次空气的办法；②提高炉温，利用辅助燃料；③采用恰当的炉膛尺寸和形状，使焚烧条件合适；④对烟气进行洗涤、除尘等处理。
4.5二恶英的形成与控制
二恶英是多氯二苯并二恶英PCDB(poly chlorinated dibenzo-P-dioxins)和多氯二苯呋喃PCDF(polv chlorinated dibenzofurans)两类化合物的总称。二恶英的形成机理比较复杂，它发生的前提可概括为：①要有有机和无机氯；②存在氧；③存在过渡金属阳离子作催化剂(如焚烧飞灰等)。抑制二恶英的生成可从3方面进行：①改善燃烧条件，减少不完全燃烧大分子有机产物和碳的残量；②阻止氯化过程(包括喷氨、加硫等方法)；③阻止联芳基合成(用喷氨等方法毒化催化剂)。

二恶英的控制主要从抑制发生和发生后有效去除两个途径来努力。抑制燃烧时二恶英的生成量，首先是改善焚烧炉内的燃烧状况，采用“3T”技术，即提高炉温(>850℃)；在高温区送入二次空气，燃烧，减少CO、不完全燃烧产物和前躯体的生成量，从而抑制二恶英的生成量。未燃烧的碳粒或多环芳烃等在一定条件下会合成二恶英，这种合成在300℃附近最显著，因此为防止这种合成，让除尘器低温化，即将除尘器人口气体温度降至200℃以下；延长气体在高温区的停留时间(>2s)等，改善燃烧状况，使废物完全充分搅拌混合提高湍流程度。另外还可通过选用合适的焚烧炉炉型(如流化床焚烧)开发改进自动焚烧炉控制系统等更先进的系统，达到抑制二恶英的生成。
5结论与建议
目前有关污泥焚烧工艺的研究大多集中在燃烧时重金属和一些有毒有害气体的去除效果方面，而有关污泥焚烧工艺操作条件对处理效果的影响以及操作条件的优化方面(缺乏确切的数学模型)尚未见有系统的研究报道。
我国在废物焚烧的研究方面起步较晚，特别是在污水厂剩余污泥焚烧这一领域更是缺乏基础性的研究，应以流化床焚烧炉工艺为对象，较全面地考察运行条件对流化床焚烧炉运行特性的影响，分析影响系统运行的关键因素，为该工艺的优化设计和稳定操作运行提供科学依据，并针对污泥焚烧过程中所产生的污染物之控制提供切实可行的解决方案。
参考文献略