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近年來污水處理設(shè)施在全國范圍內(nèi)大規(guī)模建設(shè)。據(jù)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部的統(tǒng)計(jì)，截至2020年，全國城市污水處理廠（含縣城）共有3 878座，年處理污水量665.89億t，污水處理率95%以上。污水處理會產(chǎn)生污泥，富含難降解的有機(jī)物、重金屬、致病菌等，如不妥善處理，會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全國干污泥年產(chǎn)量達(dá)1333.2萬t，折合含水率80%的污泥6 600萬t。

2021年6月，國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《“十四五“城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》提出：到2025年，城市和縣城污泥無害化、資源化利用水平進(jìn)一步提升，城市污泥無害化處置率達(dá)到 90%以上；長江經(jīng)濟(jì)帶、黃河流域、京津冀地區(qū)建制鎮(zhèn)污水收集處理能力、污泥無害化處置水平明顯提升。到2035年，全面實(shí)現(xiàn)污泥無害化處置。

我國自“十一五”就開始從政策層面規(guī)范和指導(dǎo)污泥處理處置技術(shù)的選擇和應(yīng)用?！冻擎?zhèn)污水廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策》（試行）指出，經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的大中城市，可采用污泥焚燒工藝。鼓勵采用干化焚燒聯(lián)用的方式，提高污泥的熱能利用效率；鼓勵污泥焚燒廠與垃圾焚燒廠合建；在有條件的地區(qū)，鼓勵污泥作為低質(zhì)燃料在火力發(fā)電廠焚燒爐、水泥窯或磚窯中混合焚燒。我國幅員遼闊，各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、污泥泥質(zhì)情況和相關(guān)設(shè)施差距較大，應(yīng)因地制宜地確定工藝路線。

上文提到4種污泥焚燒工藝：①燃煤電廠協(xié)同處理污泥工藝（簡稱燃煤電廠）；②水泥窯協(xié)同處理污泥工藝（簡稱水泥窯）；③污泥獨(dú)立焚燒工藝（流化床焚燒，非協(xié)同工藝，簡稱流化床）；④垃圾焚燒廠協(xié)同處理污泥工藝（主流為爐排爐，簡稱垃圾焚燒廠）。總結(jié)見表1。

表1 多種污泥焚燒工藝的對比

綜上，通過4種工藝的比較可得下列結(jié)論：

（1）流化床焚燒爐適宜處理市政污泥，上海、深圳、成都建設(shè)了一批示范性的污泥獨(dú)立焚燒設(shè)施。多數(shù)地區(qū)的市政污泥干基熱值仍偏低，尚無法自持燃燒，且污泥獨(dú)立焚燒工藝復(fù)雜、運(yùn)營成本高，更適宜污泥產(chǎn)量集中、財(cái)政實(shí)力強(qiáng)的地區(qū)。

（2）燃煤電廠、水泥廠的爐窯處理容量大、爐溫高，分解有害物質(zhì)很徹底。但有四方面的劣勢：①各地產(chǎn)業(yè)差異大，部分地區(qū)有污泥處理需求，但無臨近的燃煤電廠或水泥廠，不滿足屬地處理的原則。②國家的政策導(dǎo)向使各地的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)在持續(xù)變化，作為節(jié)能減排重點(diǎn)企業(yè)的燃煤電廠和水泥廠能否持續(xù)作為污泥處理的輔助設(shè)施，需統(tǒng)籌考慮。③燃煤電廠和水泥廠分屬電力和水泥行業(yè)，涉及物料與市政污泥差異極大，采用協(xié)同處理需要考慮對其整體工藝的穩(wěn)定性的影響。④市政污泥處理、燃煤電廠、水泥廠行業(yè)不同，協(xié)同處理需要在建設(shè)、運(yùn)營、環(huán)保等方面進(jìn)一步協(xié)調(diào)。

（3）生活垃圾與市政污泥均屬城市固廢，協(xié)同處理的優(yōu)勢如下：①全國各地焚燒廠較為常見，污泥協(xié)同處理的區(qū)位條件相對便利，垃圾、污泥處理設(shè)施集中規(guī)劃也有先例。②市政污泥相較生活垃圾的水分大、灰分高，但兩者的成份依然是最接近的，在摻燒比例合理的情況下，對生產(chǎn)影響是可控的。③垃圾焚燒與污泥處理在建設(shè)、運(yùn)營、環(huán)保等標(biāo)準(zhǔn)制度上相對統(tǒng)一。④污泥干化工藝需要蒸汽、壓縮空氣、冷卻水等，可由垃圾焚燒廠提供；同時(shí)，污泥干化產(chǎn)生臭氣、污水可由焚燒廠設(shè)施消納，互補(bǔ)性很強(qiáng)。

“污泥熱干化+生活垃圾摻燒”是市政污泥與生活垃圾協(xié)同焚燒的基本工藝路線（見圖1）。市政污泥進(jìn)行熱干化處理，隨著水分蒸發(fā)，污泥減量的同時(shí)提高熱值。蒸汽源于垃圾焚燒廠汽輪機(jī)的抽汽，用于干化污泥后產(chǎn)生冷凝水，仍可循環(huán)利用。臭氣輸送至垃圾倉，由一次風(fēng)機(jī)抽送至焚燒爐燃燒。干化污泥和生活垃圾按照一定比例焚燒協(xié)同處理，終產(chǎn)物為爐渣。

圖1 市政污泥與生活垃圾協(xié)同焚燒處理的工藝流程

此類工程業(yè)績在國內(nèi)已有很多。陳海軍、呂家揚(yáng)等人通過實(shí)例研究，發(fā)現(xiàn)半干市政污泥摻燒比例低于15%的情況下，煙氣中HCl、SO2、重金屬、二噁英等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。劉濤研究了不同摻燒比例下的成本收益，認(rèn)為10%以內(nèi)的摻燒比例對全廠的經(jīng)濟(jì)性的影響低于5%。

垃圾焚燒須用熱干化對入廠濕污泥進(jìn)行熱干化，依據(jù)市政污泥的干化程度可分為三類：①全干污泥（含水率15%以下）。②半干污泥（含水率30%~40%）。③半干污泥（含水率55%~65%）。污泥不同干化程度的技術(shù)比較可見表2。

表2 污泥的三種干化程度的比較

注：干化機(jī)中，槳葉、圓盤、薄層為間接干化原理，帶式干化機(jī)為直接干化原理。

表3總結(jié)了不同含水率下適宜的污泥輸送方式。含水率超過60%的半干污泥，采用泵送輸送，對環(huán)境更友好；含水率越低，可采用的輸送方式越局限，如僅可由機(jī)械或車輛輸送，對環(huán)境有消極影響；污泥含水率在45%~60%時(shí)易處于黏滯區(qū)，通常認(rèn)為輸送難度大，不建議將其用于工程實(shí)踐。

表3 不同含水率下污泥輸送方式的選擇

污泥干化和污泥輸送對于污泥干化程度都有各自的要求，前者更多地起主導(dǎo)作用，后者處于從屬地位。

市政污泥泥質(zhì)對整體工藝路線的影響很大，表4是對部分城市市政污泥的檢測結(jié)果。

表4 部分城市的污泥分析基

市政污泥與生活垃圾成份差異體現(xiàn)在三方面：①生活垃圾中灰分更低，一般不高于30%；②生活垃圾干基熱值可達(dá)12~25MJ/kg，高于污泥的熱值；③生活垃圾原始含水率50%~70%，較市政污泥含水率更低。為保證焚燒爐穩(wěn)定燃燒，就必須適當(dāng)降低污泥含水率，保證干化后污泥滿足自持燃燒的要求。生活垃圾的濕基熱值不低于4.4MJ/kg就可滿足自持燃燒，污泥干化程度應(yīng)確保入爐污泥熱值與之接近。參照《生活垃圾采樣和分析方法》（CJ/T 313-2009）的熱值計(jì)算公式，可得不同干基熱值下污泥在多種含水率情況下收到基熱值。如圖2所示。

圖2 不同干基熱值及含水率條件下的收到基熱值

由圖2可知，污泥的干基熱值一定，含水率對污泥的濕基熱值有決定性作用。發(fā)展水平較低的城市，污泥干基熱值在6~8MJ/kg內(nèi)，可采用全干化的工藝，熱值越低，干化程度要求越高；對于經(jīng)濟(jì)成規(guī)模的城市，污泥干基熱值可達(dá)8~12MJ/kg，可采用半干化的工藝，干化至30%~40%；對于發(fā)達(dá)城市，如污泥干基熱值達(dá)16MJ/kg，僅將其含水率控制在65%~70%，即可滿足與垃圾摻燒的需求；對于污泥干基熱值在12~16MJ/kg內(nèi)的市政污泥，須要在污泥的焚燒和輸送、近期和遠(yuǎn)期等多方面權(quán)衡選擇工藝方案?，F(xiàn)階段市政污泥與生活垃圾協(xié)同采用半干化（含水率30%~40%）最常見，對應(yīng)了我國現(xiàn)階段的總體發(fā)展水平。表4中城市污泥干基熱值已接近甚至超過9MJ/kg，未來仍有增長潛力，也是造成當(dāng)前多種處理方式并存局面的原因。

污泥干化是主要的耗能單元，決定了整套系統(tǒng)的能耗水平。蒸發(fā)效率與干化要求有關(guān)，含水率由80%降至60%蒸發(fā)效率較高，繼續(xù)干化的蒸發(fā)效率則會下降，能耗增大。因此，過度強(qiáng)調(diào)污泥的干化程度高在能效上是不利的。

本文的工程實(shí)例是國內(nèi)在運(yùn)的焚燒廠，處理服務(wù)區(qū)域內(nèi)的生活垃圾，同時(shí)接收的來自污水處理廠的濕污泥。五家焚燒廠采用不同的干化工藝，除天津A項(xiàng)目采用“間接干化+直接干化”兩段式干化使污泥達(dá)至全干狀態(tài)，其它項(xiàng)目均采用間接干化僅使污泥達(dá)半干狀態(tài)。生產(chǎn)數(shù)據(jù)的對比詳見表5。

表5 工程實(shí)例的生產(chǎn)數(shù)據(jù)

注：①蒸汽、電耗量以污泥中蒸發(fā)水分為基準(zhǔn)，摻燒比例以80%污泥為基準(zhǔn)。

由表5可知，進(jìn)入垃圾焚燒廠的市政污泥含水率存在差距?！冻擎?zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）的4.3.2條規(guī)定，城鎮(zhèn)污水處理廠的污泥出廠含水率應(yīng)小于80%。國內(nèi)多數(shù)污水處理廠都遵照此執(zhí)行，上海部分地區(qū)污水處理廠通過添加調(diào)理劑進(jìn)行污泥壓濾，含水率可進(jìn)一步降至60%，減小污泥體積，降低外成本。但同時(shí)要注意污泥調(diào)理劑含有Ca、Al等元素，對垃圾焚燒爐的壽命有影響。

上海C項(xiàng)目未達(dá)滿負(fù)荷，原因是污泥中灰分高，導(dǎo)致水冷壁、過熱器等處積灰嚴(yán)重。其它四個(gè)項(xiàng)目均滿負(fù)荷生產(chǎn)，其中與C項(xiàng)目采用同一技術(shù)路線的D項(xiàng)目，摻燒比例最高，原因是在污泥在干化后增加了造粒工藝，造粒污泥燃燒狀況好，能夠緩解鍋爐積灰影響，增產(chǎn)效果顯著。

圓盤、槳葉、薄層等間接換熱干化機(jī)的蒸發(fā)能力為1~1.5t蒸汽/tH2O，E項(xiàng)目含水率由80%至65%，C和D項(xiàng)目含水率由60%降至30%，兩者蒸汽耗量差異顯著，干化程度與單位耗量有增長趨勢一致。一般認(rèn)為污泥含水率60%以下，污泥呈現(xiàn)膠黏態(tài)，不利于干化機(jī)的換熱。特別指出天津A項(xiàng)目的兩段式干化的第一段采用的薄層干化機(jī)與湖南E項(xiàng)目是同型薄層干化機(jī)，其干化程度更高而蒸汽單位耗量卻更低，原因是薄層蒸發(fā)器乏汽可通過換熱器將熱量回收，用于第二級帶式干化機(jī)，能夠節(jié)省能源。

表中項(xiàng)目的摻燒比例，多數(shù)項(xiàng)目的摻燒比例（按80%污泥計(jì)）在15%以上，最高達(dá)38%。按城市居民平均日用水定額250L/(人·d)，產(chǎn)生的污水占用水的95%，污泥產(chǎn)量生占污水的0.05%~0.1%（以80%含水率計(jì)），可知每人每日產(chǎn)生的污泥約0.12~0.23kg；按城市居民日產(chǎn)垃圾量不低于1kg/(人·d)。兩者協(xié)同處理的摻燒比例在在12%~25%。而表5中數(shù)據(jù)已經(jīng)明確，比例超過20%的摻燒，在協(xié)同處理中同樣是可行的。

以上分析可以得到一些啟示：①全干化（含水率15%以下）對焚燒爐的適應(yīng)性是最強(qiáng)的，比較適合干質(zhì)熱值很低的污泥項(xiàng)目，一方面需要考慮安全性，另一方面應(yīng)采用能源回收的方式來降低運(yùn)營成本；②半干化（含水率30%~40%）是國內(nèi)主流，與國內(nèi)經(jīng)濟(jì)條件較為適應(yīng)，在焚燒穩(wěn)定和能耗上達(dá)到相對平衡；③半干化（含水率55%~65%）在實(shí)踐中的干化污泥含水率不宜低于60%，否則泵送容易產(chǎn)生阻塞，此類項(xiàng)目在國內(nèi)較少，原因在于干基熱值需達(dá)到特定要求，且工藝設(shè)備投入大，但考慮到我國污泥中有機(jī)份還在提升，干基熱質(zhì)未來仍有上升潛力，在未來仍然有上升空間。

不同干化系統(tǒng)的電耗，因主機(jī)設(shè)備、輸送設(shè)備及配套輔助設(shè)備的配置差異較大，涉及因素較復(fù)雜，難以給出有建設(shè)性的結(jié)論，仍需進(jìn)一步研究。

本文對多種市政污泥焚燒技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，明確了市政污泥與生活垃圾協(xié)同焚燒處理是一種安全、穩(wěn)定、環(huán)保的污泥處理工藝路線。市政污泥經(jīng)干化后與垃圾焚燒協(xié)同處理，一并解決一個(gè)區(qū)域內(nèi)的生活垃圾、市政污泥的減量化、無害化問題。

污泥干基熱值是污泥干化工藝選擇的基礎(chǔ)因素，據(jù)此確定適宜的污泥干化程度，進(jìn)而選擇較為合理的干化工藝和輸送方式，對工程實(shí)踐有一定的借鑒意義。

本文對不同干化工藝的能耗情況進(jìn)行了研究，有關(guān)摻燒污泥對垃圾焚燒系統(tǒng)的不利影響，如受熱面會積灰、結(jié)焦，應(yīng)給予重視，這將有助于現(xiàn)有垃圾焚燒的工藝優(yōu)化或既存設(shè)施的技術(shù)升級。

我國已有一大批垃圾焚燒廠，協(xié)同污泥焚燒的潛力不容忽視，作為市政污泥穩(wěn)定的輔助處理設(shè)施，前景可觀。在滿足垃圾焚燒基本功能的前提下，積極開展污泥協(xié)同處理，秉承資源協(xié)同、能源互補(bǔ)、物質(zhì)互用的理念，實(shí)現(xiàn)兩種處理設(shè)施之間的物料、蒸汽、水的梯度利用，能夠提升整體的能源利用率。同時(shí)，協(xié)同處理實(shí)現(xiàn)了對既有垃圾處理設(shè)施能力再度挖掘，為垃圾焚燒企業(yè)指明新的發(fā)展方向。