多年来污泥的处理处置一直是国内水环境治理领域的一个难点。而国家于2015年发布了《水污染防治行动计划》(即“水十条”),对污水处理提出了更高的标准要求,随之而来的将是更多增量污泥要求同步处理。污泥焚烧作为目前国际上主流的成熟处理工艺之一,可以实现脱水污泥90%以上的减量,相对于仍有大量后续产物需要土地消纳的厌氧和好氧工艺,是一种最彻底的、更适用于用地紧张的大中型城市的处理方式。但由于干化焚烧项目工艺较为复杂,建设难度较高,近年来国内成功的案例不多。除本工程外,已建成的项目主要包括上海市石洞口污泥干化焚烧工程^[1] 、成都市第一城市污水污泥处理厂工程^[2] 、温州市污泥集中干化焚烧工程^[3] 、深圳市上洋污泥处理工程^[4] 等。

　　 上海市竹园污泥处理工程是世界银行贷款上海市城市环境APL二期项目的子项之一,采用了在欧美和日本等发达国家已有成熟应用的“干化+焚烧”处理工艺,是目前国内已建成投运的最大的污水污泥干化焚烧工程,较为彻底地解决了上海市竹园污水片区污泥的出路问题。本文就该工程的总体方案设计进行了介绍,并结合一年的实际运行中处理量、污染物排放等情况,对污泥干化焚烧工程设计和运行中的一些要点进行分析和总结。

　　 本工程服务范围为上海市竹园污水片区竹园第一(170万m³/d)、竹园第二(50万m³/d)、曲阳(6万m³/d)、泗塘(2万m³/d)4座污水处理厂产生的脱水污泥。近期建设规模为150tDS/d(750t/d湿污泥,以含水率80%计),年处理脱水污泥达27.4万t。考虑设施检修所需时间,年运行时间按7 500h计,由此折算设计额定处理能力7.3tDS/h。共设置2条生产线,单线额定处理能力3.65tDS/h。

　　 根据2008年6月至2009年12月对4座污水处理厂污泥的性质检测的结果,4座厂脱水污泥含水率平均值在75%~80%,工程设计按不利工况80%考虑。污泥平均高位热值12.19 MJ/kg,在7.3tDS/h的额定负荷下,全厂额定热负荷24.7MW。焚烧炉最低负荷为额定负荷的70%,超负荷能力10%。流化空气过量系数1.4,炉膛出口烟气含氧量体积百分数6%~10%。炉膛出口烟气温度范围850~950℃,燃烧室烟气停留时间≥2s。

　　 焚烧产生高温烟气经余热利用和净化处理后,满足欧盟2000标准达标排放,主要污染物日均限值为:总颗粒物10mg/m³,一氧化碳50mg/m³,氮氧化物200 mg/m³,二氧化硫50 mg/m³,氯化氢10mg/m³,汞0.05mg/m³,二恶英0.1ngTEQ/m³。

　　 本工程主要包括污泥接收和储运系统、污泥干化系统、污泥焚烧系统、余热利用系统、烟气处理系统、公辅系统等,主体工艺流程见图1。

　　 4座污水处理厂的脱水污泥通过卡车运输至本污泥处理厂区,经物流出入口的地磅称重计量后,卸载至4座地下污泥接收仓,每仓有效容积30 m³。污泥由接收仓底部的4台柱塞泵分别输送至4座污泥储仓,储仓总有效容积1 500m³,可储存2天进厂污泥量。储仓下共设8台污泥输送泵,其中6台螺杆泵与6台干化机一一对应供泥,2台液压柱塞泵将剩余部分湿污泥直接输送至焚烧炉前的混合进料螺旋。

　　 本工程共配置了6台四轴桨叶式干化机,单台换热面积为200 m²。桨叶式干化机适用于高粘度物料的干化,它能够直接跨越污泥粘滞区,产出含固率60%以上的干污泥,便于采用皮带、螺旋等简单的方式进行输送。桨叶采用了特殊的齿合设计,叶片之间具有自清洁功能,防止污泥在受热面板结影响传热效率。国内污泥含砂量高,对设备磨损严重,因此对桨叶进行了100%碳化钨耐磨喷涂。

　　 在干化机空心轴、桨叶和夹套中通入0.5~0.8MPa饱和蒸汽,湿污泥从干化机一端进入,在干化机内以推流形式缓慢前进并逐渐被干化和破碎,最后半干污泥从另一端排出。干化机内通过循环载气(空气)将机内水分快速带走,同时保证干化机内部处于微负压状态。排出的湿载气温度在85~90℃,经过洗涤塔洗涤降温至40~50℃并脱除水分后,80%送回干化机循环使用,剩余20%送入焚烧炉作为焚烧二次风,同时载气中有机成分被高温分解脱除臭味。采用直接洗涤方式,洗涤水采用污水处理厂处理尾水,冷凝液排放至污水池后经提升返回污水处理厂处理。干化系统流程见图2。

　　 干化热源主要来自余热锅炉产生的蒸汽,不足部分引入外高桥发电厂的蒸汽。外高桥蒸汽用量取决于污泥的含水率和热值。冷凝水经换热器降温后,进入除氧器除氧后返回锅炉系统。

　　 焚烧炉是整个工程的核心。本工程设置2台鼓泡流化床焚烧炉,每台焚烧炉直径7.3m(外径),高度14.8m,立式圆柱钢壳体,内有耐火材料及保温材料衬里,外设保温夹套,每台焚烧炉额定热负荷12.35 MW。焚烧炉自下而上依次为锥底、流化区、自由燃烧区。焚烧炉布风采用布风管形式,设于砂床下部,布风管向下开孔,通过焚烧炉锥形底部的反射作用将砂床流化。每台焚烧炉床层上部设置两套启动燃烧器用于焚烧炉启动时升温,每套负荷12 000 MJ/h,使用轻柴油作为燃料;底部设有辅助燃烧系统,每台焚烧炉设8个喷油枪,用于运行中炉温的调节。焚烧炉顶部设有冷却水喷枪和喷尿素系统,用于防止焚烧炉超温和减少氮氧化物产生。焚烧炉原理见图3。

　　 干化后含水率40%以下的污泥经皮带机和链板机输送和提升,再经螺旋分配至4个干污泥缓存仓,每个缓存仓容量12 m³。缓存仓下设置计量槽对干污泥进行称重后,进入焚烧炉前的混合进料螺旋,与剩余含水率80%左右的湿污泥混合后进入焚烧炉焚烧,混合污泥含水率为60%左右。污泥进入流化床后被剧烈扰动状态的灼热床料打磨、迅速破碎并均匀分布到砂床内,并与空气充分接触,实现污泥稳定和完全燃烧。砂床静止时厚度约1.5 m,流化时厚度约2.5 m,石英砂平均粒径在0.3~0.5mm。设有砂循环系统,根据砂床高度和床砂品质的变化进行补砂或换砂操作,一般不需排渣,热损失较少。

　　 焚烧炉设一次和二次供风系统。设置2台一次流化风机,配置能力16 744Nm³/h每台,出口风压35kPa,额定工况单台焚烧炉供风量12 150Nm³/h。一次风包括全厂收集的臭气和焚烧炉夹套中抽吸的热空气,首先经过一级空气预热器与干化机蒸汽凝结水换热,将温度升高至80℃左右,再经过焚烧炉出口烟道上的二级高温空气预热器,与焚烧产生的热烟气换热,温度升高至300℃左右,从砂床下部的布风管进入。二次风来自干化机循环载气,直接通入焚烧炉自由燃烧区,确保完全燃烧,额定工况风量3 075Nm³/h。

　　 与一般焚烧系统设计相比,本工程焚烧系统设计有如下特点:

　　 (1)鼓泡流化床焚烧炉是目前污泥焚烧使用最多的形式,其最大的特点是底部的流化砂床有着相当大的热容量,最适用于像污泥这种低热值、高含水率、性质波动大、且难以引燃和燃尽的低品质燃料的燃烧。能够实现污泥自持燃烧,当供泥稳定时焚烧炉不需要添加辅助燃料。

　　 (2)布风管和反射锥设计形式简单、维修更换方便,焚烧炉内部无活动部件,既保证了砂床的流动均匀性及合理的粒径分布,又避免了对布风装置的磨损和堵塞,炉渣和结块也容易从炉底排出。

　　 (3)焚烧炉外部设置了夹套,通过抽吸夹套中的热空气作为一次风,然后利用干化冷凝水余热对一次风进行预热,高效利用能源的同时确保焚烧炉表面温度满足低于50℃的规范要求。

　　 (4)全厂的设施设备通过臭气收集系统的抽吸形成负压,防止臭味扩散。臭气作为一次供风,部分干化不凝气作为二次供风,通过高温焚烧的方式实现高效除臭。

　　 (5)污泥采用后混方式入炉,相对于不后混的方式,可以避免污泥含水率在粘滞区附近造成输送困难的情况,同时可以通过干湿污泥配比的调节,灵活应对污泥含水率波动和热值季节性的变化,实现污泥自持燃烧和节能。

　　 焚烧烟气经过高温空气换热器后温度变为760℃左右,然后进入余热锅炉。设置2台余热锅炉,每台蒸汽产量8t/h,将污泥焚烧烟气中的热量转化为压力8bar(1bar=0.1 MPa)、温度175℃的饱和蒸汽,供干化使用。考虑到流化床焚烧烟气中含尘量较高的特点,余热锅炉采用单锅筒膜式水冷壁形式,设置蒸汽吹灰器,在保证高效的同时具有初步降尘的作用。余热锅炉出口烟气温度降低至260℃左右,热能得到有效利用。

　　 本工程配套2条烟气处理线,余热锅炉出口的烟气依次通过静电除尘器、布袋除尘器、洗涤塔并经再热器后达标排放。

　　 烟气首先进入静电除尘器,可去除95%以上的飞灰。静电除尘器收集的飞灰通过气力输送至飞灰仓,加湿后作为一般固体废物外运处置或利用。

　　 在袋式除尘器前的烟气管道中喷入粉末活性炭,用于吸附烟气中的Hg等重金属以及二恶英等有机化合物。活性炭中添加石灰以惰化活性炭防止其燃烧和爆炸,混合比例1∶10。布袋除尘器捕集的飞灰通过气力输送至废料仓,作为危险废弃物,委托专业单位外运处置。

　　 经袋式除尘器处理后的烟气进入烟气洗涤塔下部,先进行脱酸处理。采用NaOH作为吸收剂,吸收烟气中的HCl、SO_x等酸性气体。塔内设有填料,洗涤液由泵循环。脱酸后的烟气进入洗涤塔上段,进一步降温和除湿。

　　 为防止烟气排放时产生白烟,设计了烟气再热工艺。经静电除尘器处理后的烟气进入烟气再热器,与洗涤后的冷烟气换热,热烟气温度由226℃降至170℃,然后进入布袋除尘器。而冷烟气则从50℃提升至105℃以上后高空排放,烟囱高度50m。

　　 本工程设有烟气在线监测系统(CEMS),对烟气流量、温度、压力、湿度、氧浓度、烟尘、氯化氢(HCL)、二氧化硫(SO₂)、氮氧化物(NO_x)、一氧化碳(CO)、氟化氢(HF)和二氧化碳(CO₂)等参数进行实时监测和控制,检测结果同时上传政府环保监管平台。

　　 干化系统主要控制污泥干化量和污泥干度两个参数。通过干化机进泥管道上设置的电磁流量计反馈信号变频控制污泥螺杆泵,实现湿污泥给料速率的控制。出泥干度通过升降干化机出口处的堰板,以调整污泥在干化机内的停留时间来实现。干化机尾部设有温度探头,当内部温度超过160℃时,自动喷水降温以保证干化系统运行安全。载气风机使干化机内形成-(100~500Pa)微负压,微负压控制通过压力探头反馈信号,自动调节载气风机出口返回干化机和至焚烧炉两条分支管路上的电动调节阀开度实现。

　　 焚烧炉正常运行时自由燃烧区温度控制在850~900℃,当炉温低于850℃时,启动底部的辅助油枪系统;当温度超过900℃时,启动顶部喷水设施。焚烧炉不同高度设有6个温度探头,炉温检测信号反馈至中控温度自动控制模块,通过计算给出干、湿污泥投加速率和比例,实现炉温自动调节,使污泥在一定的温度波动范围内自持燃烧。焚烧炉的湿污泥给料控制通过变频污泥泵来实现,干污泥给料量通过计量槽下部变频螺旋来控制。额定工况下每台焚烧炉干污泥给料量设定值为4.646t/h,湿污泥给料量设定值为4.306t/h。焚烧炉出口烟气氧含量控制在6%~10%,通过调节一次风机进口挡板来调节一次风量,实现过剩空气率控制。焚烧炉正常运行时通过上述3T+E技术,即燃烧温度、停留时间、混合程度、过剩空气率的控制,来实现稳定燃烧和减少污染物排放。

　　 炉内压力通过压力仪表反馈和引风机变频器控制电机转速进行,维持在-(0.5~1.0)kPa微负压状态。当炉顶压力超过2kPa后,急排烟囱自动开启。

　　 通过仪表检测洗涤液pH自动调节NaOH投加量。洗涤液pH一般设定在7左右。可根据烟气在线监测仪表反馈数据,调整洗涤液pH,确保烟气排放中的二氧化硫(SO₂等酸性污染物指标在安全范围内。

　　 考虑系统复杂设备繁多,调试工作根据时间顺序、空间顺序和逻辑顺序3个方面综合考虑和安排。时间顺序依次为单机调试、子系统调试、全系统空载调试、焚烧炉烘炉、干化带载调试、全系统带载调试几个阶段;空间顺序上按两条生产线依次进行;逻辑顺序上按照系统启动顺序先后开展,先公辅系统,然后干化系统,然后烟气系统,最后是焚烧系统。

　　 所有空载调试工作完成,准备好各类生产物料、物资,做好人员培训后,开始系统启动程序。整个系统启动的逻辑顺序如图4所示。

　　 首先根据工艺要求检查所有手动阀门是否处于正确的启闭位置。然后启动各项公辅系统,包括压缩空气系统、中水供应系统、自来水供水系统、冷却水循环系统、碱液系统、灰输送系统、砂循环系统、柴油供应系统、除臭系统等,并确认其运行良好。然后分为干化系统和焚烧系统两条主线同时按顺序启动。干化系统首先启动干化载气循环系统,使干化机内部维持负压,然后启动中水泵供应中水,然后干燥机启动运转,向干化机通入热蒸汽暖机,然后将蒸汽疏水阀切换至疏水器侧,干燥机升温结束后开启干污泥输送设备,将湿污泥从储存仓送至干化机。焚烧系统首先启动余热锅炉供水系统,然后投入余热锅炉温度、压力、水位等控制,然后烟气处理系统设备和灰输送系统设备投运,然后启动一次风机,然后点燃启动燃烧器使焚烧炉缓慢均匀升温,控制每小时温度上升不超过50℃,当炉膛温度达到630℃时,缓慢停止启动燃烧器,开启焚烧炉底部的辅助燃烧枪,使焚烧炉温度达到850℃后,首先向炉内供应湿污泥,然后再按比例投入干污泥,通过调整干、湿污泥给料速率和比例控制焚烧炉温度并逐渐退出辅助燃烧器,直到焚烧炉稳定燃烧。需注意的是,在向干化机供应湿污泥前,焚烧炉需完成升温,以确保干化不凝气可以在焚烧炉中处理后排放,避免臭气扩散。

　　 项目从2015年3月正式开始热态带载调试,6月实现满负荷运行,至今已连续稳定运行一年以上,总处理污泥27万t以上。

　　 由于竹园一厂污泥量占总进厂量的80%以上,而该厂在2011年完成了污水处理工艺从一级强化升级到二级处理的改造,由此污泥有机质含量和热值较2008~2009年项目设计时有显著升高。而且同时其他3座厂由于进水水质升高等因素,污泥热值也有相应升高。委托第三方对2015年6月至2016年5月一个完整年度竹园一厂的污泥热值再次进行了检测。测得竹园一厂全年24个样本污泥高位热值范围为14.48~18.97 MJ/kg,平均值为16.50 MJ/kg,较原设计值12.19 MJ/kg高出了35%。统计了一年12个月热值变化和对应的处理量变化趋势,详见图5。

　　 全年统计共有84d受设施设备的检修和维护影响日处理量低于500t,去除检修影响后实际日均处理量在586t/d左右,说明在焚烧炉热负荷已定的情况下,热值的大幅升高使焚烧炉在达到额定负荷情况下所能处理的污泥量同比例减少。对应上述污泥平均热值16.50MJ/kg和平均处理量586t/d,实测平均含水率为78%,核算焚烧炉实际运行热负荷在12.3 MW,与额定设计值吻合。目前本工程的处理能力和服务片区实际污泥产量基本匹配,远期水处理升级后产生的增量污泥将由扩建工程解决,厂区已预留远期建设用地。

　　 图中平均值1为每个月全月的日均值,而平均值2为剔除了受检修等因素影响后的日均值。上图表明污泥热值在夏季高温季节偏低而冬季低温季节偏高,而实际污泥处理量则具有相反趋势。平均值1受检修影响,与高位热值相关性最低,相关性系数为-0.53;中值受检修影响小,相关性系数为-0.72;而平均值2排除了检修等影响,相关性最高,相关性系数为-0.88。

　　 运行中还发现,污泥有机物含量的上升时污泥的粘度也会变大,水分难以蒸发,造成干化能力下降,冬季单台干燥机处理能力明显低于夏季。而且在同样出泥干度情况下,有机物含量高的污泥形成的干化颗粒更大,且具有塑性更容易粘结和架桥,从而增加了后续干泥输送和储存系统故障率。此时宜提高出泥干度来提高干泥输送储存系统的稳定性。

　　 运行期间除了通过烟气在线监测系统对烟气排放进行实时监测和控制以外,还委托了第三方采样和检测,作为在线仪表比对和其他非在线数据的补充。结果表明,本工程烟气处理工艺能够很好的满足现阶段最严格的上海市地方排放标准。

　　 其中,2015年8月17日和18日由第三方检测机构对试运行中的竹园污泥干化焚烧工程进行了为期两天的环保验收检测,检测结果见表1。

　　 检测中每条线每个指标每天采集3个样品,表中日均值为3个样品检测结果均值。表中日均排放限值为现行《生活垃圾焚烧大气污染物排放标准》(DB31-768-2013)中最严格的表3(2016年7月1日起新老项目全面执行)中的指标要求。

　　 按照本工程环境评价要求和国家GB 5085.1~GB 5085.6等相关危险废物鉴别标准,对静电除尘器飞灰进行了采样检测和评估。结果表明,其不具易燃性、反应性、腐蚀性、急性毒性、浸出毒性,毒性物质含量低于标准限值,表明静电飞灰不属于危险废弃物。因此静电除尘器捕集的占全厂95%以上的飞灰可以按照一般废弃物外运处置或进一步利用,大大降低了运行成本。

　　 (1)处置决定处理是污泥处理工艺选择的根本原则,本工程结合上海特大型城市的实际情况,选择了减量化最彻底的干化焚烧工艺,建成投运后运行情况良好,证明在土地资源紧张的大中型城市,干化焚烧是一种最为行之有效的处理方式。

　　 (2)本工程采用的桨叶式干化机采用了特殊的齿合设计,叶片之间具有自清洁功能,能够直接跨越粘滞区,出泥干度可调,是一种适合于市政污泥的干化机形式。

　　 (3)鼓泡流化床是目前国际上主流的污泥焚烧炉型,在本工程上的应用表明能够很好的适应市政污泥的焚烧特性,砂床极大的热容量确保了污泥的稳定和完全燃烧,有利于CO、NO_x和二恶英等烟气污染排放指标的控制。

　　 (4)本工程采用的静电+布袋+洗涤的多级烟气处理工艺,能够很好的满足国家和上海市新颁布的最严格的排放指标。同时对静电飞灰和布袋飞灰的分段收集,使得绝大部分飞灰可按一般废物方式进行处置,大大节约了飞灰处置成本。

　　 (5)本工程采用了电厂废热蒸汽作为热源补充,采用后混的方式通过干、湿污泥比例调节实现污泥在焚烧炉中自持燃烧,一般不需添加辅助燃料,焚烧烟气的热量生产蒸汽回用于干化,采用了干化冷凝水为一次风预热,从焚烧炉夹套中抽吸热空气作为一次风等节能设计,使系统热损失降到最低,从而实现了污泥生物质能源的循环利用和节能减排。

　　 (6)本工程由于污泥热值的升高,在焚烧炉实际运行达到额定负荷的情况下对应污泥处理量减少。因此对于污泥干化焚烧工艺,污泥的热值是设计最重要的参数,它决定了焚烧炉的热负荷,最终决定了全厂的处理能力,实际处理量与污泥热值成反比例关系。因此设计时应对污泥性质做详尽的样品分析和趋势预测,并对不同工况进行复核,才能确保工程建设的成功。