污泥干化已经广泛用于发达国家,并且可以通过调整工艺参数,使产品污泥的含水率可任意控制,且对于各种污泥均具有很好的适应性^[1,2,3,4] 。目前污泥热干化技术主要有欧洲(德国、法国等)的间接干化方式与韩国的直接干化方式^[2] 。

　　 韩国的污水收集与中国都主要采用合流制管网系统,与中国的污泥性质具有许多共同点。本文介绍的污泥快速热风干化技术为目前在韩国最主流的直接干化技术^[2,5,6,7] ,而且是目前韩国环保部指定推荐的市政污泥处理的国家标准技术。该方案对我国污泥处理和处置具有一定的借鉴意义。

　　 韩国首都填埋地公社是首都首尔及周边城市2 000多万人口的生活垃圾与有机废弃物集中处理的世界级大型综合废弃物处理中心。韩国首尔填埋地污泥资源化设施第二期工程位于仁川市白石洞,收集首都圈地区26个中大型污水处理厂的污泥进行集中收集处理,污泥采用韩国恩百康斯株式快速热风全干化技术。项目整体占地面积15 520m²,建筑占地面积11 847m²,处理规模为1 000t/d(10条并行100t/d的污泥干化线)。项目于2010年末开始施工2012年1月份竣工验收并开始运行。

　　 项目采用污泥快速热风全干化技术,可每天稳定处理1 000t含水率80%的污泥并每天生产220t含水率10%以下的干泥。系统采用污泥干化制成生物质颗粒燃料燃烧产生的热能,辅助天燃气或柴油燃烧热能。工艺流程见图1。

　　 如图1所示,污泥(含水率80%)通过卡车运输至污泥储藏室,储藏室可容纳2~3d的处理量,定量供应至干化机,通过快速热风干化,干化后的干泥进行冷却,进入干泥储藏室,每天生产出来的干泥运送至周边的西部发电厂,作为电厂的燃料。从热风干化机排出的烟气经处理后排放,冷凝水输送回至污水处理厂。

　　 将含水率(80±5)%的高粘性市政污泥投入到高速旋转短轴破碎装置的倾斜式回转窑并同时进行破碎与干化,污泥与600~800℃的高温热风接触时瞬间蒸发表面水分并颗粒化。经过瞬间进行的热交换过程,热风的温度会迅速下降而污泥的温度会迅速升高。污泥温度升至80℃以后通过热风温度控制与风速控制保持80℃,此时(80℃时)污泥蒸发效率会最佳。将污泥温度一直保持80℃到内水蒸发直至含水率降低到10%以下干泥,再移送至干泥冷却机。

　　 污泥在维持80℃温度期间产生内水蒸发同时污泥结构变得非常稳定,过高的污泥温度会产生表面燃烧现象引起干泥自燃^[6,7] ,控制温度有效将污泥中有机质与灰分颗粒固化,通过快速回转短轴污泥打碎装置,最终将产生粒度20mm以下的干泥。

　　 污泥中水的存在形式有空隙水、毛细水、表面吸附水和内部结合水。污泥中含水率的多少与污泥烘干、处理工艺、污泥状态及流动性能密切相关。通常浓缩可将含水率降到85%,含水率在70%~75%时,污泥呈柔软状态,不易流动;通常一般脱水只可降到60%~65%,此时几乎成为固体,含水率低到35%~40%时,呈聚散状态(以上是半干化状态);进一步低到10%~5%则呈粉末状。

　　 对30次采用热风全干化技术污泥干化前后含水率变化对比如图2所示。可以看出,污泥干化前含水率基本上均高于80%,通过系统热风干化后,污泥的含水率均低于10%,平均值仅为6.7%,热干化效果明显。

　　 经过13次热值分析发现(见图3),经过热风干化系统后干化污泥低位热值最高接近3 500kcal/kg,平均值为接近3 200kcal/kg,可见该项目干化污泥热值可观。

　　 经过14次污泥干化前后6种重金属Hg、As、Pb、Cr、Cu和Cd含量进行分析,结果见表1。

　　 污泥中的重金属在干化前大部分是以各盐类结合态、氧化态、还原态、单质态存在,随着干化温度的逐渐提高,部分重金属被挥发,部分重金属向残渣状转化最终被固化在固体物中。如汞在污泥中的状态干化前基本以氧化汞、硫化汞、有机汞等状态存在。当污泥干化温度逐渐升高时,污泥中的汞含量随着温度的升高逐渐降低,当温度升高至200~300℃时,汞被大量析出,干化温度达到400℃左右时,污泥中大部分汞消失,变成气态挥发,污泥中只存在可氧化态汞和残渣态汞,随着干化温度的提高可氧化态汞向残渣态汞转化,直至完全变成残渣态,挥发的气态汞随着烟气的冷却进入废气处置装置被有效去除。干化过程可使重金属形态变向稳定。可以发现干化前后重金属含量变化细微,可表明通过热风干化系统后,重金属基本会固化在污泥颗粒中。

　　 污泥干化后主要形成2~3mm颗粒物,燃烧值约为3 000kcal。污泥生物质颗粒燃料与电厂粉煤采用同一输送设备及燃烧器直接混合燃烧的方式进行焚烧。污泥生物质燃料与煤在给煤机的上游混合后送机磨煤机,按照混燃要求输送分配至所有的粉煤燃烧器。污泥生物质颗粒与粉煤的混掺比例约小于10%,高于这个比例有降低下锅炉出水的风险。污泥生物质燃料与煤混燃主要分为两个阶段,由于污泥生物质颗粒挥发分析出温度远低于煤的挥发分析出温度,混燃对于煤燃烧前期的放热有增进作用,促使煤燃烧着火燃烧提前。另外污泥生物质颗粒燃料与煤混合燃烧能够有效降低氮氧化物的排放浓度。

　　 韩国首尔填埋地污泥资源化设施第二期工程投资4亿元人民币,包括设计,设备定制生产,采购,运输,安装,调试的成本。以100t/d处理规模的设施为准,设备造价(包括设计,生产,安装调试的费用)40万元/t,即日处理100t(含水率80%)污泥设施设备投资约4 000万元。

　　 污泥系统采用污泥制成的生物质颗粒燃料作为一级干化燃料,天燃气或柴油作为二级干化燃料。

　　 以100t/d处理干化设施为例,总装机功率为220kW,折合耗电52.8kW/t泥,运行电费42元/t泥(电费单价按0.8元/(kW·h)计算)。

　　 一级干化污泥含水率从80%降至55%,100t污泥干化可产生22t污泥质生物颗粒燃料,另需每天补充10t木质生物质颗粒燃料,木质生物质颗粒燃料的费用按照900元/t计算,每天所需生物质颗粒燃料费用:9 000元,则费用为90元/t泥。二级干化污泥含水率从55%降至10%,采用天燃气消耗约33.5m³/t泥,运行费用为115元(天燃气按3.5元/m³计算);采用柴油约0.029t/t泥(柴油按6500元/t计算),运行费用为188.5元/t泥。

　　 韩国首尔填埋地污泥资源化工程作为首都圈填埋地公社的主要资源化服务设施,已经连续稳定运行3年以上,技术工艺稳定性得到很好的验证,这也为我国污泥资源化处理和处置提供了较好的技术参考。