污水处理厂污泥热干化技术应用及工程设计要点.pdf

污水处理厂污泥热干化技术应用及工程设计要点 李久安1周秋玲1谭周亮2 1. 成都市排水有限责任公司， 成都 610062; 2. 中国科学院成都生物研究所， 成都 610041 摘要 深度去除污泥中的水分是污泥无害化、 减量化和资源化处理处置的关键。污泥热干化脱水是污泥深度脱水的一 种有效方式。分析了污泥中水分分布特点等影响脱水的因素， 介绍了国内外热干化方式和设备特点， 最后归纳总结了 热干化工程设计时如何进行热源、 热介质选择、 减少热损失、 工程安全控制以及消除二次污染等重要事项。 关键词 污泥; 热干化; 干化机; 黏度; 热量 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201404007 THE TECHNOLOGY USE AND ENGINEEＲING DESIGN KEY POINTS OF THEＲMAL SLUDGE DＲYING IN WWTP Li Jiuan1Zhou Qiuling1Tan Zhouliang2 1. Chengdu Drainage Co． ，Ltd，Chengdu 610062，China; 2. Chengdu Institute of Biology，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China AbstractThe deep removal of water from the sludge is the key to the harmlessness， reduction and recycling of sludge． Sludge thermal drying is one of deep removal which is effective． Factors affecting dehydration were analyzed，domestic and foreign thermal drying s and equipment characteristics were summarized． Finally，the thermal drying engineering design and the select of the heat medium were discussed． While the safety and secondary pollution control projects and other important matters were emphasized． Keywordssewage sludge;thermal drying;sludge dryer;viscosity;heat 收稿日期 2013 －07 －13 0引言 据住建部统计 ［1 ］， 截至 2013 年 3 月底， 全国设 市、 县累计建城镇污水处理厂 3451 座， 污水处理能力 约 1. 45 亿 m3/d。到 2015 年直辖市、 省会城市和计 划单列市城区实现污水全部收集和处理， 地级市 85， 县 级 市 70，建 制 镇 污 水 处 理 率 平 均 达 30［2 ］。这就预示着在今后很长一段时间， 污水量将 会继续增长， 污水处理量的增长， 势必导致污泥数量 的增加。污泥中含有大量的有机物、 氮、 磷、 重金属、 致病菌、 病原菌及寄生虫卵等物质 ［3 ］， 若不及时有效 处理， 势必造成环境的二次污染。目前， 我国的污泥 处理处置工作正在逐步开展， 按规划 ［2 ］， 到 2015 年直 辖市、 省会城市和计划单列市的污泥无害化处理处置 率达 80， 其他设市城市达 70， 县城及重点镇达 30。污泥处理处置的难点和关键点是如何经济、 安 全、 环境友好地深度脱除污泥中的水分， 以满足卫生 填埋、 土地利用和焚烧的要求。 污泥热干化技术是指利用热介质 高温烟气、 蒸 汽或导热油等 ， 通过专门的工艺和设备， 直接或间 接加热污泥， 使污泥中全部或部分水分蒸发的一种工 艺 ［4 ］。该技术的工程应用最早出现于 20 世纪初期的 英国 ［5 ］。到 20 世纪 40 年代， 该技术在日本和欧美等 国家已有较普遍的应用［6 ］。污泥热干化处理与机械 深度脱水等方式相比， 干化后污泥含水率可根据对脱 水后污泥处置方式进行调整， 甚至可以达到全干化 干物质至少 90 。此外， 更重要的是热干化对污 泥热值、 有机物含量影响甚微， 污泥干化后可直接填 埋和焚烧， 也可进一步处理作为土壤改良剂、 肥料或 建材等， 还可以利用其热值作为替代能源。不过， 热 干化处理成本也较高， 工艺和操作较复杂， 这也是制 72 水污染防治 Water Pollution Control 约该技术应用的原因。本文试从污泥中水分分布等 影响脱水的因素、 热干化方式和设备以及热干化工程 设计时应该注意的问题进行论述。 1污泥中水分及其黏度 1. 1污泥中水分分布 污水处理厂的污泥一般来自初沉池和二沉池， 其 组成复杂， 是细胞结构体、 腐殖质、 盐、 水分及其他杂 质复合体。污水厂常用的污泥脱水设备， 如带式压 滤、 离心分离以及螺压等， 只能将污泥含水率降低到 80左右，难以进一步降低。 研究发现， 污泥脱水的程度由污泥中水分的分布 特征决定。国外学者对污泥中水的形态和分布做了 大量研究。Carberry［7 ］将污泥中的水分分为间隙水、 吸附水、 毛细水、 细胞内部水和化学结合水， 研究表 明 含水 95的浓缩污泥中间隙水约占 70， 表面吸 附水和毛细水占 22， 细胞内部水以及水合结合态 水占 8。Vesilind［8 ］将污泥中的水分分为自由水、 间隙水、 表面水和化学结合水， 研究表明 自由水最容 易分离; 间隙水存在于污泥颗粒的间隙中， 破坏污泥 颗粒的结构或压缩污泥可将此部分水挤出， 很多脱水 机械都能分离出污泥中的间隙水和自由水; 表面水和 化学结合水很难或无法用机械方法分离。 1. 2污泥的黏度 污泥属于触变型非牛顿流体， 在刚开始剪切的时 候其表观黏度比较大， 随着剪切的进行表观黏度逐渐 减小至稳定［9 ］。温度和含水率均可影响污泥黏度， 但是污泥黏度对含水率的敏感度要高于对温度的敏 感度， 在常温下可以认为污泥的黏度取决于含水率， 温度对黏度的影响相对较小［10 ］。王伟云 ［11 ］研究了 室温下， 污泥含水率的变化对其黏度的影响， 结果见 图 1。 图 1污泥含水率对其黏度的影响 Fig．1The effect of moisture content on the viscosity of sludge 由图 1 可知 污泥含水率降低时， 污泥黏度增加， 但二者并非直线关系， 当污泥含水率降至 55 左右 时， 污泥黏度迅速增大。污泥含水率降低至 35 左 右时， 污泥变成细小颗粒状， 黏附性显著降低。高黏 度的污泥具有很大的粘附性， 极易粘附在与其接触的 物体上， 并且难以除去。一些热干化工艺为避免高黏 附性的污泥对干化设备以及操作带来的不利影响， 常 将污泥半干化 污泥含水率将至 60左右 或采用干 污泥返混法 即将含水率小于 10 的全干化污泥与 含水率 80左右湿污泥按一定比例混合， 使进入干 化机的污泥含水率降至 25 ～ 35 以使污泥在干 化设备内的含水率越过 35 ～55， 这一所谓的“黏 滞区” 。 2污泥热干化设备分类及特点 污泥热干化设备按热介质与污泥接触方式分为直 接加热、 间接加热以及直接和间接联合加热三类。由 于直接和间接联合加热方式工程应用较少， 暂不介绍。 2. 1直接加热干化设备 直接干化是通过热介质与污泥直接接触加热污 泥， 蒸发污泥中水分， 最终得到干污泥产品， 该技术也 称为热对流干化。 直接干化设备由于是热介质与污泥直接接触， 传 热速度、 热效率及蒸发速率较高。但是， 也由于热介 质与污泥直接接触， 热介质不可避免地混入了污泥蒸 发出的水分及其他物质 如氨气、 硫化氢等气体及污 泥细小颗粒 ， 热介质受到污染。早期的直接干化工 艺中， 热介质离开干化机后与干污泥颗粒分离， 经除 尘、 热氧化除臭后排放。由于系统所需热风量很大， 致使尾气量大， 处理费用较高。目前该工艺多采用气 体循环回用设计， 使尾气处理成本高这一缺陷得到明 显改善。在其干燥工艺中， 热介质经除尘、 冷凝、 水洗 后， 只需对 15 的热介质进行除臭后排放， 其余的 85可直接返回干燥器 ［12 ］。这不仅减小了尾气处理 的负担， 更重要的是大大降低了外部热介质的引入 量， 将干燥器内的氧气含量维持在较低水平， 从而大 幅提高了系统的安全性能。直接加热干化设备有 转 筒式、 带式和喷雾式等多种类型。 2. 1. 1转筒式干化设备 自20 世纪40 年代以来， 日本、 欧洲和美国开始采 用直接加热式转筒干燥器来干化污泥 ［ 13 ］。转筒式干 燥器的主体部分多为与水平线略呈倾斜的旋转圆筒， 湿污泥或混合污泥 湿污泥与干污泥混合物 从转筒的 82 环境工程 Environmental Engineering 上端送入， 污泥在转筒 转筒内部一般安装旋料板、 可 高速旋转的刮刀等 翻动下与热气流 常为焚烧炉产生 高温烟气 接触干化， 干污泥从下端排出。 直接加热式转筒式干燥器主要设备供应商有澳 大利亚的 Andritz AG， 美国的 Bio Gro， 英国的 Swiss Combi， 日本的大和三光和 Okawara。大和三光和 Okawara 的转鼓内部安装有可高速旋转的刮刀， 这两 家设备可对湿污泥 含水 20 直接干化。其余三家 湿污泥进干化机前均需与干污泥按一定比例进行混 合， 即干污泥返混操作， 以越过污泥 “黏滞区” 。 2. 1. 2带式干化设备 带式干化设备是通过热介质 烟气、 热空气等 与铺设于烘干带上的污泥交叉或反向运动直接接触 传热的方式去除污泥中水分。在干燥过程中， 污泥可 以容易地通过“黏滞区” ， 不会产生结块、 烤焦现象， 出泥含水率可降至 10以下。 带式干化机的关键技术是如何根据污泥性质选 择适合的布料装置， 将污泥均匀铺设在烘干带上。带 式干化机磨损部件少， 运行费用低， 可利用废热进行 低温干化， 具有代表性的设备是德国汉斯琥珀公司的 KULTBT 型干化设备。 2. 1. 3喷雾式干化设备 喷雾式干化设备是将污泥通过雾化器形成雾状 细滴分散于热气流中， 使水分迅速气化的污泥干化装 置。喷雾式干化机所采用的雾化器通常是一个高压 力的喷头， 雾化的液滴从塔顶喷下， 热气流从塔底往 上逆流， 经气 － 液数秒的接触传热， 水分气化含水率 瞬间可降至 15 ～ 30， 无中间加热、 换热程序， 可 大大提高热利用效率。 污泥喷雾式干化技术已在我国得到规模化应用， 如由浙江环兴机械有限公司联合清华大学共同研究 开发的污泥喷雾干燥焚烧处理项目。该项目于 2008 年 8 月建成试运行， 日处理含水率 80的污泥360 t， 运行总成本约 100 元/t［14 ］。 2. 2间接加热干化设备 间接热干化又称热传导干化， 在操作过程中， 热 介质并不直接与污泥相触， 而是通过介质将热传递给 湿污泥， 使污泥中的水分得以蒸发。加热介质选择范 围广， 可为热蒸汽、 导热油或高温烟气等， 同时热介质 不会受到污泥的污染， 可循环使用。 为避免黏滞区对间接干化带来的不利影响， 一般 将干化后污泥含水率控制在 60 左右。此类设备也 可对湿污泥返混处理后进行干化， 但该种方式传热效 率低， 一般不采用。间接加热干化设备主要有转盘 式、 薄膜式及多层台阶式等类型。 2. 2. 1转盘式干化设备 转盘式干化机主体由一个圆筒形的外壳和一组 中心贯穿的转盘组成。转盘组是中空的， 热介质 多 为蒸汽 从此流过， 热量通过转盘间接传输给污泥。 污泥在转盘与外壳之间流过， 接受转盘传递的热量， 使污泥水分蒸发。污泥水分蒸发形成的水蒸气被少 量的通风带出干化机。转盘作用为 一是给污泥提供 足够大的换热面积; 二是有些转盘或是有一定的倾斜 较多或是其上有许多小瓣片， 从而在转盘的转动下推 动污泥向指定的方向流动并起到搅拌作用。 转盘式干化设备有阿特拉斯 － 四道特公司制造 的 ＲotaDisc 转盘式半干花干化机， 比利时 Waterleau 公司的 HydroGone 水平转盘式干化机及天通新环境 技术有限公司的转盘式干化机。 2. 2. 2薄膜式干化设备 所谓的薄膜式干化机是污泥进入干化机后形成 薄层， 其主要部件有热介质夹套、 搅拌器及电机等。 污泥从干化机的一端进入， 在安装于干化机轴承上的 搅拌器转动下污泥向前运动并在壁上形成薄层。热 介质 蒸汽、 导热油等 在干化机夹套中运动， 热量通 过受热壁传给污泥薄层， 从而使污泥中水分蒸发。薄 膜式干化设备由于其结构特点， 干化污泥时一般不能 使污泥顺利地通过黏滞区， 该类型设备多为半干化。 薄膜式干化机代表性的产品为 Buss- SMS- Canzler Gmb 公司的卧式薄层干化。该类型的干化机在国内外 均有一定的应用， 如美国新泽西 MCUA、 德国的纽伦堡 以及中国的成都第一城市污水污泥干化焚烧厂等。 2. 2. 3浆叶式干化设备 桨叶式干燥机主要由空心桨叶、 轴、 带夹套的筒 体及驱动装置等组成。机身包括筒体、 轴和轴上的叶 片都可传热， 传热密度大。轴一般是成对的， 2 根或 者 4 根。轴上的空心叶片大部分设置成楔型， 边上附 有辅助叶片， 与筒体夹套的距离非常近， 因此能够增 加搅拌强度以及消除筒体内的传热死角。 干化机运行时， 热介质分为两路， 分别进入干化机 壳体夹套和桨叶轴内腔， 将机身和桨叶轴同时加热， 以 传导加热的方式对污泥进行加热干化。污泥进入机身 后， 通过桨叶的转动使污泥翻转、 搅拌， 不断更新加热 介面， 充分与被加热的机身和桨叶接触， 被充分加热， 92 水污染防治 Water Pollution Control 使污泥中水分蒸发。同时， 污泥随叶片轴的旋转向出 料口方向输送， 干化均匀的污泥由出料口排出。 桨叶式干燥机在我国大约有十多家企业生产开 发该设备， 多用于化工、 食品行业， 近年来也有部分企 业开始在环保行业推广。 2. 2. 4多层台阶式干化设备 多层台阶式干化设备的基本结构是在干燥圆筒 内设置多层加热圆盘， 圆盘上放置湿污泥并安装有耙 式搅拌机构， 圆盘内通热油或加热蒸汽， 在耙齿搅动 下污泥干燥成粒。 该装置在国外的污泥干化工程中有应用， 但在我 国污泥处置行业应用较少。生产该设备的代表性公 司为 Andritz 和 Seghers。 2. 2. 5流化床干化设备 流化床干化设备主要包括风箱、 中间段和抽吸 罩。风箱在干燥机的最下面， 用于将循环气体分送到 流化床装置的不同区域， 其底部装有气体分布板， 用 来均匀分布惰性流化气体。热交换器内置于中间段， 使脱水污泥的水蒸发的所有能量均通过此热交换器 送入。通常蒸汽或热油作为热交换的热介质。抽吸 罩位于干化机上部， 作为分离第一步， 用来使流化的 干颗粒脱离循环气体， 而循环气体带着污泥细粒和蒸 发的水分离开干燥机。正常运行时， 湿污泥不可直接 进入干化机， 应与干化污泥混合， 越过黏滞区后才能 从干化机干燥床位高的一端进入干化机， 干化后的污 泥 含水率一般降到 10以下 从床位低的一端连续 排出。污泥干化蒸发出来的水分和空气一起被引入 洗涤冷却塔内， 经喷淋后， 水蒸气被去除， 余下的干空 气则循环使用。进入间接换热装置的循环热介质因 未直接接触污泥， 未被污染， 可回收重复利用。污泥 干化产生的部分污泥粉尘同流化风排出干化机， 由旋 风分离器从循环气体中分离后进入混合机， 与湿态污 泥混合后， 再入流化干燥床。流化床干化机适用于污 泥全干化， 不适用于污泥半干化。 生产流化床干化设备的公司有 WABAG、 维奥技 术瓦巴格德国有限公司和 Andritz 等。上海古洞口城 市污水处理厂污泥处置工作的污泥干化即是采用此 种形式干化设备。 3污泥热干化工程设计重要事项 在选择污泥干化设备和设计工艺时， 热源、 热介 质类型、 热能损耗、 运行安全性及干化对环境带来的 影响是重要考虑的因素。 3. 1热源、 传热介质及热量损耗 污泥干化热能的支出占到干化系统运行成本的 60 ～75， 甚至更高 ［ 15 ］。因此， 对热源的选择及减少 热量损耗的研究是对干化系统进行考评的重中之重。 3. 1. 1热源选择 热源的持续稳定供给对污泥干化厂的正常运行 有着及其重要的意义。干化厂投入使用后， 再更改热 源， 不可避免地会对管道和工艺进行调整， 这不仅需 要资金投入， 还会耗费大量的时间。由于市政污水厂 的污泥是持续不断产生的， 并且量较大。对于持续产 生污泥的污水厂来说， 干化厂长时间停运是不能接受 的。选择干化热源时， 应结合当地实际情况如有无矿 石燃料和廉价的工业废热等， 充分论证所选择的热源 的可靠性和经济性。 对于直接加热干化类型的设备传热介质一般为 高温烟气或热空气， 而间接热干化类型的设备热介质 多为蒸汽或导热油。具体选择何种介质要视干化机 的特点、 干化后污泥处置方式及有无其他廉价热源等 因素而定。 3. 1. 2热量损耗 热量损耗量是评价干化设备和工艺优劣的重要指 标。影响热量损耗量的因素较多， 如污泥干化程度、 干 化设备类型、 干化工艺特点以及管道保温效果等。 污泥干化后含水率越低， 干化所消耗的热量也就 越高。干化设备类型也有其固有的特点 对于含水率 较高的污泥， 采用热传导方式加热间接干化设备的热 效率要高于采用对流方式传热的直接干化设备［12 ］; 而对于含水率处于 “黏滞区” 的污泥和呈颗粒状的污 泥， 热对流的传热效率则较高。干化工艺采用干料返 混操作的工艺， 热损失也较大。 综合考虑， 减少热损失可从三方面着手 1 选择 合适的干化设备， 合理提高干化污泥的含水率， 但干 化产品必须能满足最终处置要求， 且能使整个系统处 理成本降低; 2 回收干化产生的废气热量， 利用此部 分热量给软水及其他需要提升温度的介质加热; 3 减少载气量， 减少工艺步骤， 并做好管道和干化设备 的保温工作。 3. 2安全性 污泥热干化过程中会产生一定的粉尘， 当粉尘达 到一定浓度， 同时含氧量和温度等条件满足时就有可 能发生爆炸或爆燃［16- 18 ］。粉尘爆炸事故在国内外屡 见不鲜， 应引起足够重视。此外， 导热油或者蒸汽等 03 环境工程 Environmental Engineering 热介质有泄漏和使人烫伤的危险， 全干化的污泥也有 闷燃的可能。因此在污泥干化工程中应将安全措施 列入重要设计内容。 污泥热干化安全设计， 可采用安全风险分析和安 全设计体系 ［15 ］ 对粉尘爆炸事故或伤害发生的可能 性、 频度及严重程度进行量化， 计算出风险的等级; 如 果安全风险等级过高， 设计中必须提出降低安全风险 的措施。 3. 3对环境的影响 污泥在干化的过程中不仅会产生氨气、 硫化氢等 具有臭味的气体， 还会产生苯、 酚及相应化合物等具 有毒性的物质。在工艺设计中应尽可能降低这些物 质的挥发量， 并对挥发的气体进行妥善处置， 避免气 体外泄。 研究表明 ［19 ］， 污泥热干化时， 其温度高于 150 ℃ 时， 污泥中大部分有机物质和具有明显毒性的苯、 酚 及相应化合物的挥发量明显增加。为了降低毒性气 体的挥发量， 污泥干化的操作温度应尽量降低， 以减 少污泥干化处理过程的有害气体析出。此外， 对有载 气循环使用的工艺， 可适度增加载气循环比例或将废 气引入焚烧炉焚烧， 以将外排的废气量和气载污染物 量降到最小。对必须外排的气体， 必须进行除臭等处 理， 达到外排标准后才能排放。 4结语 1 深度去除污泥中的水分是污泥无害化、 减量 化和资源化处理处置的关键。污泥热干化脱水是污 泥深度脱水的一种有效方式， 干化后的污泥可进行堆 肥， 也可进行单独焚烧或掺烧， 也可卫生填埋， 但目前 这种方式处理成本较高。 2 国内外污泥干化设备和工艺主要分为直接加 热 热对流 和间接加热 热传导 两种类型。由于这 两种方式热量传递方式的特点， 热对流工艺更适合污 泥的全干化， 热传导则更适合污泥的半干化。 3 干料返混是目前一些全干工艺中常采用的操 作单元。干料返混可避免干化过程中产生的黏滞区 的污泥粘壁、 传热效率低等问题， 但同时也使干化系 统热损失能耗增加。 4 热量利用率是评价干化设备和工艺优劣的重 要指标。为提高热量利用率可合理降低最终产品含 固率， 但干化产品必须能满足最终处置要求， 且能使 整个系统处理成本降低。此外， 热量来源和整个干化 系统的安全性与环境友好性在工艺设计时也应该引 起足够的重视。 参考文献 ［1］住房城乡建设部关于全国城镇污水处理设施 2013 年第一季度 建设和运行情况的通报［EB/OL］． 北京 住房城乡建设部， 2013．［ 2013- 05- 04］http / /www． mohurd． gov． cn/zcfg/jsbwj_0/ jsbwjcsjs/201305/t20130530_213874． html. ［2］国务院办公厅关于印发 “十二五” 全国城镇污水处理及再生利 用设施建设规划的通知［EB/OL］．［ 2012- 05- 04］http / /www． gov． cn/zwgk/2012- 05/04/content2129670． htm. ［3］金国森． 干燥设备［M］． 北京化学工业出版社， 2002. ［4］姚金玲，王海燕，于云江． 基于污染物变化选择干化污泥处置 技术［J］． 环境工程， 2010， 28 6 74- 78. ［5］朱南文，徐华伟． 国外污泥热干燥技术［J］． 给水排水，2002， 28 1 16- 19. ［6］Cree C N L． The evolution of thermal drying as a sludge treatment process stage． Seminar on the drying of sewage sludge［ N］ ． Wakefield， 1993. ［7］Carberry J B，Englande A J． Sludge characteristics and behavior ［M］． BostonMartinus Nijhoff Publishers， 1983. ［8］陈惠钊． 粘度测量［M］． 北京 中国测量出版社， 1994. ［9］Aarne Vesilind P． The role of water in sludge dewatering［J］． Water Environment Ｒesearch， 1994， 66 1 4- 11. ［ 10］张鹏，吴志超，敖华军． 污泥的粘度与浓度、 温度三者关系式的 实验推导［ J］ ． 环境污染治理技术与设备， 2006， 7 3 72- 74. ［ 11］王伟云． 脱水污泥流变特性及表观干燥动力学研究［D］． 沈 阳 沈阳航空工业学院， 2007. ［ 12］王兴润，金宜英，聂永丰． 国内外污泥热干燥工艺的应用进展 及技术要点［J］． 中国给水排水， 2007， 23 8 5- 8. ［ 13］郭淑琴，孙孝然． 几种国外城市污水处理厂污泥干化技术及 设备介绍［J］． 给水排水， 2004， 30 6 34- 37. ［ 14］吕春香． 我国自主产权的污泥干化焚烧技术开发成功［EB/ OL］． ［2009- 05- 11］http / /news． so- lidwaste． com． cn/view/id_ 24781. ［ 15］王平，黄鸥． 污泥热干化工艺设计重点问题探讨［J］． 给水排 水， 2012， 38 5 23- 28. ［ 16］杨秸． 浅析粉尘爆炸事故的预防和处置［J］． 广东化工， 2011， 38 7 288- 289. ［ 17］黄海涛，刘文波． 粉尘爆炸与袋式除尘器的防爆设计［J］． 机 械研究与应用， 2004， 17 6 89- 107. ［ 18］许景宏， 周豪． 除尘系统防尘防爆问题的探讨［J］． 工业安全 与防尘， 1996 7 29- 30. ［ 19］褚赟． 污泥中的苯系物与苯酚及其释放特征研究［D］． 杭州 浙江大学， 2009． 第一作者 李久安 1982 － ， 男， 硕士， 主要从事污水、 污泥处理相关工 作。407258205 qq． com 13 水污染防治 Water Pollution Control