上海市石洞口污泥处理完善工程服务对象为上海市石洞口污水片区内石洞口、吴淞、桃浦3座污水处理厂产生的污泥。石洞口污水处理厂现有污泥干化焚烧处理设施^[1]建成于2004年, 但随着污水处理的不断升级, 污泥处理量缺口越来越大, 烟气排放标准的提高也对设施提出了改造的需求。上海市在对石洞口污水处理厂现有污泥干化焚烧工程进行后评估的基础上, 提出了石洞口污泥处理完善工程的建设。

　　 石洞口污泥处理完善工程的建设内容包括对现有污泥处理设施的改造及扩容新建污泥处理设施两部分。整个污泥处理工程占地面积约4.12hm², 其中新建扩容区约为1.95hm²。本文主要对新建工程的工艺设计进行介绍, 包括污泥浓缩脱水、接收储运、干化、焚烧、余热利用、烟气处理和工艺辅助等系统单元。

　　 结合石洞口、吴淞、桃浦3座污水处理厂实际生产情况, 确定其产泥量分别为60tDS/d、5.5tDS/d和6.5tDS/d, 合计72tDS/d。同时对现状石洞口污泥干化焚烧线进行了后评估, 结论为现有系统改造后处理能力22tDS/d, 因此扩容新建系统设计规模50tDS/d。

　　 根据石洞口片区3座污水处理厂运行数据及石洞口厂浓缩脱水系统改造的设计, 脱水污泥的平均含水率能达到80%以下, 设计留有余量按80%考虑, 则新线湿污泥处理量250t/d。

　　 对石洞口污水处理厂污泥性质进行了分析:工业分析结果为挥发分46.80%, 固定碳6.91%, 灰分46.29%, 干基高位热值12.25 MJ/kg;元素分析结果为硫1.05%, 碳28.35%, 氢3.53%, 氮4.15%, 氧16.63%。

　　 污泥干化焚烧工程最主要的标准为烟气排放标准和臭气排放标准。

　　 本工程焚烧产生的烟气排放根据环评批复执行《生活垃圾焚烧污染控制标准》 (GB 18485-2001) , 镍和氟化氢执行《大气污染物综合排放标准》 (GB16297-1996) 二级标准, 氨、硫化氢执行《恶臭污染物排放标准》 (GB 14554-93) 排放标准限值, 二齡英应达到欧盟标准限值 (0.1ngTEQ/m³) 。

　　 臭气浓度执行《恶臭污染物排放标准》 (GB14554-93) 排放标准限值。厂界废气达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 和《大气污染物综合排放标准》 (GB 16297-1996) 中相关的排放浓度限值。

　　 脱水污泥进行干化焚烧处理时一般存在能量缺口, 需要补充外加热源, 并且是运行成本中最大的组成部分, 所以应当因地制宜地选择供应稳定和经济的热源。石洞口现状干化焚烧线采用煤作为外加热源已不符合现行的清洁能源政策, 需进行改造, 因此新线设计时对柴油、天然气、人工煤气和蒸汽4种清洁能源进行了比选, 结论是采用电厂废热蒸汽在供应可靠性、投资和运行的经济性、对环境的影响和远期电厂协同焚烧可行性等方面都具有优势, 因此本工程采用邻近石洞口电厂的废热蒸汽作为外加热源。

　　 污泥干化程度影响到干化机、焚烧炉和后续烟气处理设施的设计能力、选型等重要参数, 决定了干化段和焚烧段之间界面的划分, 是干化焚烧设计的重要参数。由此对含水率≤10%、30%~40%、≥60%三种不同的干化程度进行比较和分析。

　　 当干化污泥含水率≤10%时, 干化机类型选择面比较窄, 换热面磨损较大, 长期运行安全性会受到影响;干化程度越高单位干化能耗越高, 不经济;系统内易产生可爆粉尘, 存在安全风险;要求完全密闭的惰性环境, 要密切控制氧含量、粉尘浓度、温度等参数, 系统较为复杂。

　　 干化污泥含水率在60%左右是在设计污泥热值条件下, 污泥在焚烧炉中实现自持燃烧工况的临界理论值, 但实际运行中污泥含水率及热值的波动会影响系统运行的稳定;此含水率比较接近粘滞区, 污泥的粘滞力会急剧增加, 会给污泥输送造成较大困难;较高的入炉含水率会使烟气量增大, 增加焚烧炉系统和烟气处理系统的负荷;烟气中水分含量高也会影响烟气处理设施的使用寿命。

　　 当干化污泥含水率取30%~40%时, 干化机可选择类型较多, 干化效率较高, 能量消耗较低;干化和焚烧系统的处理能力较为均衡, 应对各种工况能力较强;污泥已经过了粘滞区, 呈块状固体, 输送和储存比较容易实现, 设备选择面广, 不易产生粉尘, 安全性较好。

　　 因此干化出泥含水率设计为30%~40%。

　　 污泥入炉方式可分为直接入炉和后混入炉两种方式。后混方案除了通过改变干化机运行工况调节干化出泥含水率外, 还可以通过调节干湿污泥混合比例调节入炉污泥平均含水率, 能更好地应对污泥含水率和热值短时或者季节性波动对系统的影响, 保证焚烧系统稳定、经济地运行, 因此设计采用后混入炉方案。

　　 提高污泥脱水效率和稳定性, 对降低污泥干化焚烧的运行成本和保证系统运行的稳定性至关重要, 但往往在污泥热处理工程设计时被忽视。石洞口现状机械浓缩+脱水工艺存在加药量大、稳定性差等问题。统计厂内现状脱水污泥含水率, 带机一般维持在83%以上, 离心机在81%~82%, 大大降低了干化焚烧设施的能力和效率。

　　 对机械浓缩后的污泥进行了沉降试验, 结果表明在静置沉降12h后, 含水率由97.3%降至96%, 体积则减小为原来的67.5%。因此在现有污泥机械浓缩和脱水设施之间, 增设污泥重力浓缩池, 通过低能耗的重力沉淀方式降低污泥含水率, 同时起到减少药剂投加和调蓄稳定作用。

　　 国内尚无污泥干化焚烧专用的烟气排放标准, 设计时可参照的是《生活垃圾焚烧污染控制标准》 (GB 18485-2001) 。石洞口现状采用的“半干法喷淋+布袋除尘”工艺已能满足上述标准。但考虑到污泥和垃圾成分的区别、焚烧炉型的区别、以及环境标准提高的预期, 烟气处理系统参照了较为严格的欧盟标准, 采用了“旋风除尘+半干法喷淋+布袋除尘+脱酸洗涤+再热”较为完整和高效的烟气处理工艺。

　　 该工艺实现了飞灰的分段收集和处置, 布袋收集的少量飞灰作为危险废弃物处置, 其他80%以上均作为一般废弃物处置, 大大降低了运行成本。

　　 上海市和国家相继于2013年和2014年发布了新的地方和国家标准, 其中新的地方标准略严于欧盟标准, 国家标准略宽于欧盟标准。本工艺完全能达到上述新标准, 无需再进行提标或改造。

　　 干化机是整个工程的核心设备, 占工程投资的比例较大, 选型从安全性、能耗、价格、环境影响、抗波动能力、占地面积等方面综合考虑。可选的机型包括流化床、圆盘式、薄层、带式、转鼓式、桨叶式等, 其中流化床和桨叶式在国内已有较多成熟应用。流化床因其出泥干度高, 存在爆炸的风险, 系统需保持惰性密封环境并且需严格监控氧含量等数据, 系统比较复杂。因此老线流化床干化考虑改造后保留, 而新线推荐采用热效率较高、安全性较好、占地面积较小、国内已有成熟应用的桨叶式干化机。

　　 目前国内外用于污泥焚烧的炉型有立式多膛炉、回转窑焚烧炉、循环流化床焚烧炉和鼓泡流化床焚烧炉。鼓泡流化床因其热容量大、能适应污泥含水率和污泥量变化、燃烧稳定且充分、二齡英和氮氧化物较容易得到控制、内部无运动部件、运行维护简单等优点, 是目前主流的污泥焚烧炉型。因此本工程采用鼓泡流化床形式的焚烧炉。

　　 由于实际脱水污泥含水率在80%左右, 远未达到原设计的70%, 造成现状干化设施实际处理能力偏小, 从而限制了整个工程的处理能力。因此在新线设计时, 在对现状脱水污泥含水率进行统计分析的基础上选用了80%, 并且在干化机配置上留有余量。

　　 石洞口实际运行中发现, 污泥的含砂量较高, 流化床干化机内换热面的磨损相当严重, 是设备故障和影响产量的主要因素。因此, 新线设计中考虑对干化机换热面进行碳化钨耐磨喷涂。

　　 老线采用半干法+布袋除尘器的烟气处理工艺已不能满足新的焚烧烟气排放标准, 因此新线设计时选用了完善的烟气处理工艺, 能够满足现行最严格的上海市地方标准。

　　 本工程工艺系统主要由污泥浓缩脱水系统、污泥储运系统、污泥干化系统, 污泥焚烧系统、余热利用系统、烟气处理系统、辅助系统等组成。工艺流程见图1。

　　 石洞口污水处理厂污泥经机械及重力浓缩后离心脱水, 脱水污泥送湿污泥料仓贮存;吴淞、桃浦两厂的脱水污泥车运至石洞口厂, 卸至地下式接收仓后泵送至湿污泥料仓。料仓内的脱水污泥送至干化机干化处理后, 送入流化床污泥焚烧炉进行焚烧。焚烧产生的热量通过余热锅炉生产蒸汽回用于污泥干化。焚烧产生的烟气经“喷尿素 (SNCR) +旋风除尘+半干法喷淋脱硫+袋式除尘 (前喷活性炭和消石灰) +湿式洗涤+烟气再热”处理后通过烟囱达标排放。余热锅炉、旋风除尘器和半干脱酸塔产生的灰渣按一般废弃物处置, 布袋除尘器截留粉尘及废弃布袋按危险废物处置。外加热源是石洞口发电厂提供的废热蒸汽, 热媒采用蒸汽。

　　 污泥浓缩脱水系统主要对本厂产生的剩余污泥进行浓缩和脱水, 包括污泥机械预浓缩单元、重力后浓缩单元和脱水单元, 设计规模60tDS/d。

　　 机械预浓缩单元利用污泥浓缩脱水机房现有6台螺压式污泥浓缩机, 5用1备, 单台处理能力100m³/h。浓缩机前增设进泥切割机, 切碎污泥中的大固体颗粒和长纤维物质, 起到保护作用。添加药剂PAM以提高浓缩效率。系统设计进泥量7 500m³/d, 含水率99.2%;设计出泥量3 000m³/d, 含水率≤98%。

　　 重力后浓缩单元新建污泥浓缩池和污泥泵房, 进一步强化浓缩, 降低前段预浓缩的处理负荷及加药量, 同时起到调蓄作用, 利于整个污泥浓缩脱水系统的平衡和稳定。系统设计进泥量3 000m³/d, 含水率≤98%;设计出泥量2 000 m³/d, 含水率≤97%。设计2座浓缩池, 单座直径28 m, 有效泥深4m, 中心进泥方式, 配有中心传动浓缩机, 底部设有污泥刮板, 设计固体负荷49kg/ (m²·d) , 停留时间39.4h。考虑到污泥产生的臭气对环境的影响, 池顶用玻璃钢盖板密封, 臭气经管道收集后采用生物除臭处理。

　　 污泥脱水单元主要对浓缩后的污泥进行脱水, 进一步减小污泥体积, 并将脱水后的污泥送至污泥料仓暂存。系统设计进泥量2 000m³/d, 含水率≤97%, 设计出泥量300t/d, 含水率80%。在现有2台离心脱水机的基础上, 新增4台同规格离心脱水机, 5用1备, 单台处理能力1.2tDS/h。

　　 污泥接收储运系统分为接收和储运两个单元。接收单元主要用于接收吴淞、桃浦两厂运至石洞口厂的脱水污泥, 以及新老线调配时本厂老线转来的脱水污泥。储运单元主要用于储存新增离心脱水机产生的脱水污泥及污泥接收系统转输来的污泥, 并泵送至后续干化焚烧处理设施。

　　 污泥接收单元设置2座接收仓, 每座有效容积30m³。外来的脱水污泥由自卸卡车卸料至污泥接收仓。接收仓配备液压盖板、防架桥推泥滑架和料位计等。每座接收仓下方设置2台出料螺旋输送机和2台螺杆泵, 单台工况输送量为10 m³/h。污泥经出料螺旋输送机进入螺杆泵中, 以管道输送方式泵送至污泥储存仓。

　　 污泥储运单元共设置4座污泥料仓, 每个料仓容积为400m³, 圆柱形平底结构, 设有滑架和料位监控等设施。系统总有效容积为1 600m³, 可缓存5~6天的污泥量。每座污泥料仓底部设2套污泥出料机及螺杆泵, 与4台干化机和4个焚烧炉进料口一一对应, 单台流量为10 m³/h, 扬程4.8 MPa, 变频控制。为提高工程运行可靠性, 每台干化机和焚烧炉均可以接纳2座湿污泥储存仓和2台螺杆泵的污泥, 通过管路和阀门切换。

　　 污泥干化系统用于将脱水污泥进一步干化, 以降低污泥进入焚烧炉的含水率, 使污泥在焚烧炉内能够实现自持燃烧, 包括干化单元、载气洗涤单元和半干污泥输送单元。

　　 干化单元共设置2条干化处理线, 每条线设2台桨叶式干化机, 共4台, 单台蒸发面积200m², 蒸发量2.5t/h。设计进泥含水率为80%, 出泥含水率≤30%。单台干化机设计进湿泥量2.84t/h, 半干污泥出泥量为0.81t/h。污泥进入干化机后, 在桨叶的搅拌和混合作用下, 与蒸汽进行换热, 水分被迅速蒸发, 并被循环载气带走。余热锅炉产生的饱和蒸汽减压至5~8bar (1bar=0.1 MPa) 后进入干化机, 不足部分由石洞口电厂废热蒸汽补充。蒸汽充分换热后变为冷凝水, 回除氧器除氧后重新送入余热锅炉循环利用。考虑污泥含砂量高磨损严重, 对桨叶进行碳化钨耐磨喷涂。通过调整出泥挡板的高度调整污泥在干化机内的停留时间, 可达到调整干化机出泥含水率的目的。

　　 载气洗涤单元主要对污泥干化系统的循环载气进行冷凝, 并去除粉尘。每台干化机配套1座载气洗涤塔和1台载气循环风机。载气采用空气, 干化机出口湿载气约4 200Nm³/h, 温度为85~90℃, 经过冷凝洗涤塔脱除水分。冷凝洗涤塔采用间接冷凝方式, 顶部设有除雾器。洗涤后的载气温度降至45~50℃, 约85%回干化机循环使用, 剩余部分作为二次风送入焚烧炉焚烧处理脱除臭味。载气洗涤过程产生冷凝废液排放至污水处理厂。冷凝用水经过冷却塔降温后循环使用。

　　 半干污泥输送单元将干化后的污泥转运至焚烧炉焚烧, 主要包括水平和垂直刮板输送机、螺旋、缓存仓、计量槽和给料螺旋几个环节。两条线之间可以通过分料螺旋实现污泥倒运。通过倒运螺旋输送机、外运螺旋输送机、溜槽实现干污泥从系统中外运, 进入干污泥料仓内, 有效容积200m³。为实现扩容新建线能接收外来干化污泥用于后继焚烧处置, 设有干污泥回运接收斗, 外来干化污泥通过车运卸料至接收斗中后, 可入新建焚烧系统处理。

　　 污泥焚烧系统主要包括焚烧炉本体、燃烧空气单元、辅助燃烧单元、砂循环单元、脱氮单元等。半干污泥缓存仓中的污泥与螺杆泵输送来的湿污泥, 在污泥给料机内混合后送入流化床焚烧炉, 污泥被流化的砂层托起并被迅速加热、干化、分解和燃烧, 焚烧后的灰大部分随烟气携带走, 小部分大颗粒从炉底排渣口排出。烟气在850℃以上停留超过2s。

　　 焚烧炉采用鼓泡流化床形式, 本体为立式圆柱钢壳体, 内有耐火及保温材料衬里, 外径5.5 m, 内径4.8m, 高度13.3m。炉内下部为倒锥形流化区, 内置十几孔目的石英砂, 静态时砂床高度1~1.5m, 流化后高度2~2.5m。焚烧炉内设有压力和温度检测装置, 后置的引风机使炉内维持50mm H₂O的负压, 变频控制, 防止系统内烟气外溢。当炉内压力异常上升时, 设置在炉顶的安全装置将会打开。燃烧室筒体上安装摄像头, 以监视流化床炉内的火焰。

　　 燃烧空气单元分段为焚烧炉供风。一次风量由污泥仓的循环风及部分新鲜风组成, 从设置在焚烧炉底部的布风管送入, 使砂层流化并供应燃烧所需的氧气。二次风主要为半干污泥输送系统臭气和干化不凝气, 用于保证烟气一定的过氧量, 实现污泥的完全燃烧。一、二次风入口均设有气动调节阀, 运行时可调节一、二次风比来适应燃料和负荷变化需求。

　　 辅助燃烧单元用于焚烧炉启动时升温和保证焚烧温度的稳定, 包括燃烧器、助燃喷枪、油罐、油泵、供油管道等设施, 燃料采用轻柴油。每台焚烧炉配置1套12 000 MJ/h的燃烧器, 用于焚烧炉启动点火, 点火结束后燃烧器退出。焚烧炉底部配有一组助燃喷枪, 可通过调整液体的压力调节喷枪的流量来调节炉温, 确保污泥在850℃以上焚烧。焚烧炉正常运行时不需外加其他辅助燃料。

　　 砂循环单元用于向焚烧炉补充流化砂, 并且实现焚烧炉排砂的筛分和回用。设置1套30m³圆柱形砂料仓, 采用气力输送方式将砂送至焚烧炉。焚烧炉锥底设置冷渣螺旋和振动筛。通过监控炉内砂床高度和定期取样检测砂的碱金属氧化物含量, 来进行补砂和排砂操作, 控制炉内砂层高度和砂的品质。

　　 脱氮单元当焚烧炉烟气NO_x超标时投入使用。脱氮主要利用尿素作为反应剂, 储罐中的尿素溶液经由尿素溶液泵和计量装置后, 经尿素喷枪等进入焚烧炉炉膛与NO_x反应。

　　 余热回收系统主要用于回收高温烟气的余热, 包括余热锅炉、给水单元、空气预热器等。高温烟气在余热锅炉内由850~900℃降至250℃左右, 同时产生蒸汽回用于污泥的干化。

　　 污泥焚烧烟气中飞灰含量高, 为保证余热锅炉能高效率、长时间稳定运行, 本工程针对性地采用单锅筒膜式壁附对流管束结构余热锅炉, 自然循环方式, 单台余热锅炉额定蒸发量5.0t/h, 蒸汽参数为1.0 MPa、184℃。受热面上设有吹灰系统, 利用饱和蒸汽对受热面进行定时吹扫, 提高换热效率。余热锅炉下部设灰室, 沉降收集的灰尘通过气力输送至一般飞灰仓。

　　 锅炉给水单元主要用于余热锅炉补水和给水。自来水经软水装置后进入软化水箱, 然后进入除氧器热力除氧, 最后通过锅炉给水泵输送至余热锅炉。干化机蒸汽冷凝水回至除氧器循环利用。设置蒸汽往复泵, 在停电情况下利用蒸汽启动运行, 为锅炉紧急供水。

　　 空气预热器采用2台卧式列管式换热器, 流量8 200 Nm³/h, 将一次风预热至120℃后送至焚烧炉。

　　 烟气处理系统主要包括旋风除尘器、半干脱酸塔、布袋除尘器、湿式洗涤塔、烟气再热器、引风机和烟囱等单元, 将烟气处理达标后高空排放。

　　 余热锅炉后250℃左右的烟气进入旋风除尘器, 单台流量14 000Nm³/h。烟气中约80%左右的飞灰在离心力的作用下, 沿圆筒壁旋转下降, 通过排灰口进入下部的卸灰装置, 而净化后的烟气通过排气管排出。

　　 然后烟气在半干脱酸塔内与喷射出的吸收剂充分混合, 烟气中的部分酸性气体与吸收剂发生化学反应被去除, 少量粉尘落入塔底灰斗排出, 同时烟气温度降到200℃左右。喷入脱酸剂为10%的NaOH溶液, 根据脱酸塔出口烟气温度和在线仪表给出的烟气中SO₂浓度控制NaOH溶液的喷入量。

　　 在进入布袋除尘器前的烟道上, 喷入活性炭粉末用于吸附烟气中的二齡英和汞等污染物, 添加消石灰使活性炭粉末惰性化, 确保系统运行安全。烟气经过布袋除尘器滤袋时, 99%以上的粉尘被截留在滤袋外表面并定时反吹, 从而得到净化。布袋除尘器单台设计过滤面积610 m², 烟气进口温度在180℃以上, 有效防止结露现象产生, 延长滤布的使用寿命。布袋除尘器设有压缩空气脉冲反吹在线清灰装置, 当布袋除尘器滤袋表面积灰越来越多阻力超过限值时, 脉冲反吹装置自动启动, 清除滤袋表面积灰。布袋使用耐高温达260℃的高温型材料PT-FE+PTFE覆膜, 防止因系统工况的变化损坏布袋。飞灰由除尘器灰斗收集后由气力输送至废料仓, 因投加活性炭吸附汞和二齡英等污染物, 作为危险废弃物外运处置。

　　 湿式洗涤塔用于中和烟气中的酸性物质, 进塔烟气中酸性气体与循环泵喷淋的NaOH溶液进行中和反应被去除。经过脱酸后的烟气, 通过设置于洗涤塔上部的烟气冷却装置进一步降温至40℃左右, 再经过洗涤塔顶部除雾器去除液滴后, 通过洗涤塔顶烟道排出, 进入烟气再热器。烟气在再热器中加热到100℃左右, 再通过引风机从50m烟囱高空排放, 防止羽烟的产生。引风机后烟道上设置在线监测系统, 实时对烟气进行检测, 并与环保部门联网。

　　 本工程采用了干化焚烧工艺处理污泥, 能够实现彻底的稳定化、减量化和无害化, 是一种适合大型城市污水处理厂污泥处理的方式。补充热源是污泥干化焚烧工程运行成本的最大组成部分, 需要因地制宜地选择经济和稳定的热源, 供给可靠的热电厂或者垃圾焚烧厂产生的废热蒸汽是理想的选择。污泥干化程度是干化焚烧工艺的重要参数, 通过能效、经济、安全性和设备选择等多方面比较, 30%~40%的含水率是比较合适的设计参数。后混的入炉方案能更好地应对污泥含水率和热值波动, 保证焚烧系统稳定、经济地运行。老线运行现状表明脱水污泥含水率对污泥干化焚烧工程的设计至关重要, 应当尽可能采用低能耗的方式, 降低进入干化焚烧系统前污泥的含水率, 以提高干化焚烧系统的效率, 同时干化机的配置要留有余量。本工程通过完整高效的烟气处理系统设计, 分类收集一般飞灰和危险飞灰, 满足不断提高的环保要求的同时降低运行成本。