城市污水厂污泥干化机理及其工程应用注意点

摘 要：以ATV-DVWK-M379 E《污泥干化》为基础，介绍了城市污水处理厂污泥干化机理，并从能量输入及其回收、尾汽冷凝水对污水处理厂负荷的影响、尾汽排放对污水处理厂的影响、干化污泥处置路线及其质量要求、干化工艺技术安全措施等方面阐述了污泥干化工艺在工程应用方面需注意的内容。

关键词：污泥干化；能量输入；回收；影响；处置路线；质量要求

1 城市污水厂污泥干化机理

1.1 污泥中水的结合形式

污泥在较低含水率时由于其多孔的毛细结构而具有较大的内、外表面积。这一结构形式使得污泥具有显著的吸湿性的特征。

空气相对湿度低导致污泥的载水率也低，这是由于在污泥表面吸附联结单水分子层所致。随着空气湿度的增加，形成多层水分子覆盖层。随着空气湿度的进一步增加，最终在污泥表面。

在污泥干化过程中，除需输入能量以蒸发污泥中的水分以外，污泥上水的额外的能量以释放与污泥吸附联结的水分。很明显，污泥在低载水率时，即污泥中残留水分少时，需要相对较高的干化能量，其能量大约将占干化蒸发热的15%～20%。

1.2 污泥部分干化与/完全干化

一般地，为防火防爆及更好的处理能力，干化工艺应适合于生成颗粒状污泥，以利后续的利用或处置。一般干化污泥含固率达到85%以上称为完全干化。当干化产品含固率低于85%时，称为部分干化。

污泥干化产物的储存必须注意以下问题：高干化程度的污泥由于其吸湿特性一般保存于相对湿度较低、空气进入量较少环境中，以防止干化后污泥的含水率因为从空气中吸收水分而再次升高。

1.3 污泥返混系统的返料比

污泥机械脱水后含固率约20%～35%。此时污泥粘度很高。许多干化机对在此阶段呈现浆膏状、粘稠状的污泥存在相当多的输送问题。

为了利用某些类型的干化设备将污泥干化到低的含水率，而避免经历粘滞阶段，一般在进入干化设备进口前将完全干化的污泥产物循环并与脱水污泥在专设的装置中混合，将混合后污泥的含固率调整到高于“粘滞阶段”的含固率，而避开粘滞区。

初看不利的污泥返混实际上也有其相当多的优点，如：通过返混不同量的干污泥，可使得污泥干化系统能适应脱水污泥含水率的波动；在专用混合装置中的返混可以形成耐磨、外表面积大、一定粒径范围的颗粒，有利于污泥干化过程，提高干化产物的质量；完全干化不可避免产生的粉尘，从技术安全方面而言是危险的，通过返混系统可以将其重新最优地投入到物料中。

1.4 污泥干化中热与物料的转移

热对流干化工艺：干化气体（烟道气、热空气、废蒸汽等）环绕或在上部流经污泥，同时将热量传递给污泥，水分从污泥中蒸发并随干化气流排出，待干化污泥与传热介质直接接触。

热传导干化工艺：是一种间接污泥干化工艺，待干化污泥不与载热介质（热油、蒸汽等）直接接触，而是在由载热介质加热的热交换器表面静态受热。蒸发的水分与进入系统的漏风或特意引入的少量介质空气一同排除。传导干化工艺通过干化气的循环（即尾汽循环），仅需排出少部分尾汽，可避免直接干化工艺大量尾汽需要冷凝或进一步处理的缺点。

热辐射干化工艺：热量传递不需要载热介质，而是借助于电磁波或红外线进行污泥干化。

2 污泥干化中能量输入及其回收

2.1 能量的需求分析

污泥干化的载热介质基本包括：烟气、空气、蒸汽、热水、热油及辐射热源。干化所需的热量可通过供暖厂的蒸汽锅炉，或附近供热装置的废热提供。一次能源可利用沼气、天然气、热油。如果污水厂污泥进行消化，沼气可为污泥干化提供热，干化产生的废热可作为污泥消化工艺加热污泥的热源，沼气可充分为污泥干化提供能量。

如果污泥干化后接污泥焚烧，可利用余热锅炉的蒸汽作为干化热源。

在选定污泥干化系统前，首先确定干化和处置干化程度是非常重要的。如果污泥干化是部分干化，以在后续的污泥焚烧装置中进行热处理，只需要将污泥干化到使焚烧系统能够能量平衡就可以了。这种情况下，如在德国，对于消化污泥的含固率为40～45%，对于原生污泥含固率大约为35%。

在标准压力下蒸发1吨水的理论能耗为627kwh。另外，将20℃的水加热到100℃需要的热量为93kwh，干污泥加热需要14kwh。理论上，为整个工艺，干化前的脱水工艺——离心机、带式机、板框机应尽可能达到高的脱水污泥含固率。然而由于经济和技术的原因，不可能无限制地提高脱水污泥的含固率。

2.2 能量的回收分析

在污泥的干化过程中，随着产物含固率的升高，干化尾汽量也增加。汽，因为其由于含有有机物的原因而具有很强烈的臭味在尾汽中含有大部分的水蒸发输入的能量，通过冷凝可将尾汽释放出的热量用于消化池和建筑供热。

一部分的尾汽热量可简单地得到利用，如待脱水的稀污泥。实际工程上可以将污泥加热到60℃，以改善污泥的脱水性能。干化机内部污泥的加热能量需求也可以通过湿污泥的预热减少。污泥液温度的升高（离心液/滤液）降低了后续脱氮处理的机械和能耗需求（强化生物脱氮）。

从干化机排除的尾汽，在冷凝前需先经除尘。由于尾汽中总含有粉尘、油脂以及其他污染物，一般尾汽在喷淋冷凝器中用循环水喷淋。在该水循环中，可通过管式或盘式热交换器将热量从热水循环中分离出来。

在污泥干化中大部分的初级输入热量用于水分的蒸发，进入尾汽系统并作为冷凝热得到回收。因此，尾汽中的水蒸汽量和渗漏空气的质量比是十分重要的。在热对流干化中，尾汽的2/3为惰性气体（空气），而在热传导干化中只有5～10%为渗漏气。干化尾汽的水蒸汽分压与此对应，热对流干化仅约为热传导干化的一半。这使得热对流干化的饱和蒸汽温度仅达到80℃。

可回收的热量计算如下：能量可回收率（%）=[1-（至冷凝器的尾汽热晗/至干化机的尾汽热焓）]*100%。在热对流干化系统中，能量回收率仅能达到25%；在热传导干化系统中，却有75%的干化输入能量在无需大的设备投入的情况下在现有供热装置中得到回收。

另一尾汽利用热能的可能途径是，通过热交换器来预热锅炉设备的进风。由于尾汽中所含物质的原因，直接将尾汽加入至燃烧空气中的方法是不建议的。尾汽基本上都有腐蚀性。因此，所有与干化产物接触的部件，如管道、热交换器都应采用不锈钢材料。

如将尾汽送入污水厂进水中，可提高曝气池的水温，稍有助于硝化/反硝化。这种简单的尾汽热量利用方法仅在限定条件下具有经济性。

3 污泥干化对污水厂的影响

3.1 尾汽冷凝水对污水厂负荷的影响

污泥干化的冷凝水对污水厂的影响与污泥预处理（如厌氧稳定或好氧稳定及其稳定化程度）、干化过程污泥或颗粒的温度及系统压力有关。冷凝水中的氨浓度随干燥过程中污泥加热的增加而提高。

热传导干化的冷凝水中，氨浓度明显高于热对流干化的冷凝水中的氨浓度。冷凝水最高氨负荷为：热传导干化约为2500mg/L， 热对流干化约为500mg/L，其波动范围与污泥热干化系统运行有关，最低值为最大值的25～50%。

冷凝水中BOD5及COD的含量与干化系统类型间接相关，主要取决于其中的粉尘的含量。没有后置除尘系统的流化床干化系统冷凝水中COD负荷高达7000 mg/L。产生粉尘的热干化系统设置除尘装置是不可缺少的。

完全干化系统的冷凝水量仅约为污泥脱水滤液的10%左右。冷凝水对污水厂的影响比较小，从这层意义上讲，在污泥干化系统选择的考虑因素中，冷凝水对污水厂的影响并不显著。但是，这种情况不适用于污水处理厂污泥集中进行干化处理的情况，因为冷凝液仅排到污泥干化系统所在的一座污水厂中。

3.2 尾汽处理排放对污水厂的影响

一般地，尾汽排喷淋冷凝器。产生的冷凝液送入污水厂进水中进行处理。不可冷凝部分与冷凝器出气一起排放至臭气处理设施进行处理。

除臭可采用生物组合滤池、生物洗涤器、吸收/吸附装置或送至焚烧炉。不可冷凝尾汽可利用污泥干化热媒加热用锅炉、附近热电厂、污泥单独焚烧厂、或送入燃煤电厂进行焚烧处理。

对热流干化系统由于尾汽量大，增加了锅炉燃烧器的负荷。排放气体中氮氧化物和二氧化碳浓度显著高于热传导型干化系统。热对流型干化系统氮氧化物浓度一般为125～260mg/m3，一氧化碳浓度一般为50～69mg/m3。而在热传导型干化系统中，氮氧化物浓度约为100mg/m3，一氧化碳浓度低于5mg/m3。

4 干化污泥处置路线及质量要求

基本上，干化污泥的最终处置路线和机械脱水污泥的处置出路一致，主要如下：填埋（未热处理）；焚烧（能量回收/利用或热处理后填埋）；（养分回收/利用或堆肥）；农业利用；高温热解/气化（能量回收/利用或填埋）。其中，能量回收/利用方向占优势地位。

污泥处置路线分析表明，通过污泥的干化可使目前的污泥处理处置得到拓展或改善。

污泥干化的技术安全性不仅要在污泥干化过程中考虑，同时还要在后续的运输、储存、利用等环节中考虑。

技术安全预防措施决定于干化污泥的特征，尤其是粉尘量。从处置路线的技术安全性及技术操作因素分析，针对回用路线的污泥干化原则必须首先尽可能地减少干化粉尘量。

土地利用时，为提高磷的可利用率，希望颗粒粒径小些，但这将导致流化粉尘，因此，一般颗粒粒径控制在2～6mm。另外，希望颗粒粒径均匀，从而实现均匀。对于污泥储存和运输，高的堆积密度、好的松散性和耐磨性是十分重要的。

干化污泥常见的利用/处置出路是焚烧干化污泥在火力发电厂的协同焚烧是热处置出路的一种，其中一般将干化后的污泥送入电厂。用石灰调理的污泥是不适合的，因为其热值被降低。

污泥在的焚烧要求由类型决定。对于炉排炉上焚烧，污泥需要压成块状，污泥可经过简单的压制设备压制成各种形状和尺寸的团块。个别情况下，焚烧前需要造粒，如与垃圾联合焚烧。

干化污泥在制砖工业的利用是可能的。值得一提的是，干化污泥也可以进入水泥工业。污泥可制造熔融产品，其中用石灰调理的污泥特别适合。

如果考虑污泥干化，首先应研究比较干化费用与其它当地处置出路的费用，选择经济性最优的解决方案，同时考虑未来污泥利用/处置的最高安全性措施。污泥热干化工艺降低了污泥成分中的卫生学问题，产物的可接受性将大大提高。

5 污泥干化工艺技术安全措施

完全干化的污泥由于其相对高的有机物含量，与褐煤、焦煤等物质相似燃料，因此其危险可燃。为了安全地处理这种完全干化的污泥，特别是稍大容积的粉尘，必须具有对这种危害性的全面知识。为了确保设备的安全运行，需采取防止火灾及粉尘爆炸的预防措施。

5.1 采取防止爆炸与火灾的预防性措施

需要避免以下问题：易爆炸的粉尘与空气的混合灼热点形成；高的物料温度；过长时间的大体积；发生尘化现象。

同时，应根据干化系统需要，避免灼热点的形成，做到火灾早期预警，有必要监测污泥干化系统中的污泥温度、二氧化碳浓度及粉尘浓度。

5.2 采用防止爆炸及火灾的结构性保护措施

需提供灭火措施；采用应对最大爆炸压力的防爆结构；为降低最大爆炸压力，采用结合爆炸压力释放的防爆结构；为降低最大爆炸压力，采用结合隔爆的防爆结构；采取工艺消爆措施。

必须特别注意脱水污泥以及部分干化污泥在料仓中的中间堆置可能释放出沼气。由于产生残留气体，基于技术安全原因，在任何情况下必须注意有足够的通风和沼气监测措施。

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