城市污水處理廠污泥焚燒處理技術綜述

1、城市污水處理廠污泥焚燒處理技術綜述黃祥姜言欣蔣文舉(四川大學建筑與環(huán)境學院,成都,610065摘要介紹了城市污水處理廠污泥處理的技術現狀,重點介紹了污泥焚燒的技術現狀以及存在問題,并詳細闡述了污泥焚燒過程中污染物(如重金屬、二噁英、酸性氣體等的控制措施。簡單分析了焚燒技術的限制因素并提出污泥焚燒技術之后的研究方向。關鍵詞:污泥焚燒污染控制城市污水廠污泥的處理與處置已成為困擾很多污水處理廠的嚴峻問題。由于伴隨污水處理而產生的污泥中含有大量的有害物質(重金屬等、細菌、各種寄生蟲卵、大量的病原微生物等,現有的污泥處理或處置技術,如污泥堆肥農用、填埋、填海以及焚燒等都難以很好解決污泥問題。相對而言,污

2、泥焚燒是一種較為徹底的城市污泥處理方法。污泥經過焚燒后能達到“減量化、無害化、資源化”的要求,且具有處理速度快,無害化徹底等優(yōu)點。近年來,隨著污泥焚燒法技術的發(fā)展,其在污泥處理領域已得到廣泛應用,并具有廣闊前景。1焚燒處理技術的發(fā)展現狀污泥焚燒處理技術通常是利用焚燒爐將脫水污泥加溫干燥后,再進行高溫氧化處理,使污泥中的有機物分解,最終獲得少量灰燼的過程。焚燒處理技術可將污泥中的有機物全部炭化,并殺死全部病原體,進而達到最大程度的減容和無害化處理目。焚燒技術除了能較大限度減容以及能將污染物徹底無害化之外,它的處理速度也很快,因此污泥不需要長期儲存,此外污泥焚燒過程的熱能可用于發(fā)電或供熱,而焚燒灰

3、也可制磚等。采用先進的焚燒設備可實現很低而二次污染,且不存在重金屬污染的問題1。目前,污泥焚燒技術可大致分為兩類,即直接焚燒技術和混合焚燒技術2。1.1污泥直接焚燒技術污泥直接焚燒技術是在污泥含水率較低、熱值較高的前提條件下,添加少量輔助燃料后進行焚燒處理的技術。當污泥含水率較高,熱值較低時,直接進入焚燒爐焚燒處理會消耗大量的輔助燃料,物耗和能耗都較高,運行費用高。因此,采用污泥直接焚燒技術一般都包括三個階段:預處理、焚燒和后處理3。(1預處理:在直接焚燒技術中,若污泥的含水率較高,熱值較低,則在焚燒過程中會消耗大量的輔助燃料,運行成本較高,因此對污泥進行預處理,如污泥脫水、粉碎、預熱等,其目

4、的就是通過上述措施,使污泥含水率最大程度降低,粉碎后能在爐內均勻分布,保障污泥燃燒充分;且對污泥進行預熱可進一步降低污泥的含水率,降低污泥焚燒時的能耗。(2焚燒:主要在焚燒爐內進行。目前焚燒爐多采用循環(huán)流化床焚燒爐,該爐型有很以下優(yōu)點:單位面積處理能力強;理想混合狀態(tài),細微顆?？伤查g分散均勻;流動載體蓄熱,床內溫度均勻,燃燒易控制;流化床的結構簡單,設有機械傳動部件,故障少,建造費用低;空氣過量系數可以較小;燃燒實適應性廣,燃燒效率較高等;易于實現對有害氣體S O2、N O x和二噁英等的控制。(3后處理:主要是指處理焚燒時產生的煙氣和固體灰渣等的過程。污泥干化后直接焚燒的技術是一種節(jié)能型的處

5、理方式,目前這種方式在污水處理廠中應用較多。1.2污泥混合焚燒技術污泥混合焚燒技術是指將污泥與其他可燃物(如煤、生活垃圾或者一些可燃性固體廢棄物等進行混合燃燒,既充分利用了污泥的熱值,又達到了節(jié)省能源的目的。與干化后直接焚燒的污泥處理技術相比,只需62四川化工第15卷2012年第2期建立污泥輸送系統(tǒng),而省去了污泥干化系統(tǒng)的投資,系統(tǒng)簡單,操作方便,但是存在以下問題4:(1污泥含水率和摻燒率對焚燒鍋爐的熱效率有較大影響,污泥含水率越高,越不易燃燒,需要補充燃料,從而增大燃料消耗量,增加運行費用。(2作為污染物,污泥焚燒需要滿足一定的焚燒條件,相對而言空氣過剩系數需選擇在較大范圍,加上污泥含水率過

6、高,這會導致煙氣排量增大,鍋爐效率降低,煙氣系統(tǒng)磨損增加。(3污泥脫水后,粘度系數較大,不易輸送,且易堵塞。(4污泥脫水后,含水率較高,污泥處理的能力就有限。1.3污泥焚燒技術存在的問題總體而言,污泥焚燒技術還有較多的問題亟待解決:首先,污泥焚燒的成本較高,尤其是污泥焚燒的能耗,已成為制約污泥焚燒工藝的主要因素之一,因此,開發(fā)新的焚燒工藝,努力降低焚燒系統(tǒng)的投資和運行成本,將會是污泥焚燒領域努力的方向5。其次,污泥焚燒后二次污染的控制。污泥中含有大量的污染物,如果燃燒不充分就會產生酸性或毒性氣體,對環(huán)境造成嚴重污染。因此,污泥焚燒工藝條件的控制以及污泥焚燒的污染控制也會是污泥焚燒的一個重要的研

7、究方向6。最后,污泥焚燒過程的能量回收。由于污泥焚燒過程會有較多熱能放出,如何合理利用這些熱能,不僅能降低污泥焚燒的成本,還可回收能源,提高能源的利用率。2污泥焚燒技術的污染控制2.1污泥焚燒過程中重金屬的排放及控制污水處理廠排出的剩余污泥中含有部分重金屬,在焚燒過程中重金屬會以三種形式形成氣溶膠7,焚燒過程的中間體和重金屬反應;由于重金屬分壓比飽和蒸汽壓高引起的同相化;由于激冷導致在顆粒表面發(fā)生的同相核化。對于污泥焚燒中重金屬污染的控制,可以通過控制以下幾個方面來進行:(1焚燒環(huán)境。可以通過控制焚燒環(huán)境來降低重金屬向大氣中的揮發(fā)程度。這主要基于污泥中的重金屬在焚燒過程中的形態(tài),其主要與焚燒環(huán)

8、境以及化合物的化學穩(wěn)定性有關。例如,O2的通入可以增加灰分對A s、H g捕集,降低灰分對C d捕集8。某些重金屬的氧化態(tài)的熱力學穩(wěn)定性大于氯化態(tài),它們就會主要以氧化態(tài)凝聚在灰分表面,例如C r在焚燒過程中首先形成氧化物,以C r2O3的形式富集在灰分顆粒表面,通入H C l、S O2對它都沒有影響;有些金屬的揮發(fā)溫度較高,主要以殘渣態(tài)富集在粗顆粒上9,而不同形態(tài)的重金屬沸點又有很大的差異10。(2焚燒溫度。這主要是考慮到以下三個方面的關系:首先是污泥熱值和污泥焚燒之間的關系;其次是不同焚燒溫度和不同升溫速率對重金屬捕集的影響;最后是焚燒溫度對焚燒渣物相的影響。譚中欣等11應用差熱分析法研究發(fā)

9、現干電鍍污泥熱重的升溫過程中主要有100、150和6003個失重峰。也有學者研究了污泥和煤混燃的焚燒特性12,表明由于機械脫水的污泥熱值較低(<4M J/ k g,不足以提供焚燒所需的熱量。李愛民等13研究了不同升溫速率對重金屬在污泥焚燒底灰中殘留特性影響的研究,發(fā)現不同的升溫速率對某些重金屬在底灰上的殘留率影響較大。Y a o等14研究發(fā)現低熔點金屬如N a和K主要富集在細小的微粒上,而高熔點金屬如A l和C a主要富集在粗顆粒上。溫度引起污泥焚燒渣物相發(fā)生變化后對重金屬排放也有影響。X u等15研究發(fā)現制陶粒過程中加入污水污泥后在高于1000的燒結溫度下重金屬C u、C d、C r、

10、P b都以穩(wěn)定的化學形態(tài)固定在陶粒中而很難重新進入環(huán)境引起二次污染。可見研究焚燒溫度對重金屬污染控制具有很重要的意義。(3添加吸附劑。其原理是利用重金屬在發(fā)生凝聚時添加吸附劑有助于其更快地富集在粗顆粒上,然后沉積到低灰中。重金屬富集在粗顆粒表面主要和吸附劑表面的化學組成和吸附劑的比表面積有關。李潤東等16的研究表明,循環(huán)流化床石煤脫硫時加入石灰石添加劑對重金屬具有很強的俘獲能力。Y a o等17研究了鋁硅酸鹽和含有鈣的吸附劑控制焚燒過程中排放的微量金屬,發(fā)現高嶺土是一種經濟而且實用的吸附劑。此外,在向污泥中添加了吸附劑后,焚燒爐中的氯、焚燒溫度對重金屬的吸附也有很大的影響18。由此可以看出添加

11、吸附劑是一種較為理想的重金屬去除方式,也具有很重要的研究價值。2.2二噁英的控制污泥焚燒過程中產生二噁英,這也在很大程度上限制了污泥焚燒技術的大規(guī)模應用19。二噁英通常在焚燒過程中以氣態(tài)或者沉積在飛灰上排72第2期城市污水處理廠污泥焚燒處理技術綜述除20。對于焚燒過程中二噁英的控制主要從以下幾個方面進行:(1焚燒過程控制。在污泥焚燒過程中,高溫條件下二噁英的分解速率遠大于前軀體合成二噁英的速率,因此,可通過控制焚燒過程的溫度條件進而很好的抑制二噁英在焚燒爐內地合成。研究表明當燃燒溫度高800,停留時間超過2s時,煙氣中二噁英的分解率達到99%以上21。A d d i n k等22研究發(fā)現二噁英

12、合成速率最大的溫度區(qū)間是300 350,迅速降溫到200,通過避開二噁英生成速率最大的溫度區(qū)域以降低二噁英的生成量具有很實際的研究價值。焚燒中產生的飛灰和未燃盡的顆粒給二噁英的生成提供了活化表面,目前也有很多學者研究飛灰表面B E T和二噁英生成速率之間的關系。研究向煙氣中加入某些破壞飛灰表面的催化部分的物質是降低污泥焚燒二噁英生成的一個重要方向。(2焚燒后處理。焚燒后生產的二噁英大多沉積在顆粒物表面,可通過除塵裝置去除大部分。L i n 等23研究了組合雙袋過濾除塵系統(tǒng)對飛灰處理廠二噁英的去除率可以達到99.6%,T e j i m e等24研究了除塵塔和帶有活性炭吸附劑的布袋除塵器組合,對

13、二噁英的去除率可以達到97%。2.3焚燒過程中酸性氣體污染物的控制污泥焚燒后排放的煙氣中會有少量的N O x、S O2等大氣污染物,這些污染物的排放與焚燒污泥的成分、焚燒工況等有關。對于這些酸性氣體污染物的控制也應從產生機理方面著手。在焚燒過程中產生的N O x分為兩類,一類是污泥中含氮的化合物由于燃燒被氧化生成的N O x,稱為燃料型N O x,另一類是焚燒爐內空氣中的氮在高溫狀態(tài)下氧化生成的稱為燃燒型N O x。焚燒過程中S O x的生成主要是由于污泥中的硫元素在焚燒過程中與氧化合,此外煙氣中S O x的生成和焚燒物質成分的關系緊密。岑可法等27研究發(fā)現焚燒溫度對N O x的生成影響很大,

14、通過控制焚燒溫度可以減少N O x的生成;C h e n g等25研究了堿性吸附劑對焚燒過程中產生的N O x吸附去除效果,發(fā)現吸附能力與吸附劑的量和焚燒溫度有關。對于焚燒煙氣中的這些酸性氣體,多采用煙氣脫硫脫氮技術進行后處理,常用的技術有石灰石石膏法煙氣脫硫技術以及氨選擇性催化還原技術。2.4污泥焚燒中煙塵的污染控制污泥的焚燒不可避免會產生煙塵,它主要包括黑煙和飛灰兩部分,在飛灰顆粒的表面沉積了一部分污泥焚燒產生的重金屬和二噁英,因此除塵裝置對飛灰的捕集效率越高,污泥焚燒給環(huán)境帶來的污染也會越小。污泥的焚燒工況和飛灰的產生有很大的關系,據報道,污泥和煤的增大細微顆粒的排放量26,污泥的不完全

15、燃燒會增加飛灰中碳顆粒含量,可見,控制污泥焚燒條件,有助于減少污泥焚燒過程中煙塵的產生和排放。2.5污泥焚燒灰渣的處理污泥焚燒后的基體主要是S i、C a、A l、F e形成的氧化物或者氧化態(tài)如硅鋁酸鹽、硅酸鹽等27。污泥中的重金屬在焚燒后沉積在焚燒灰渣上(包括底渣和飛灰27,使污泥焚燒渣具有較大的危害性,所以應對污泥焚燒后的灰渣進行無害化處理,并努力使其能夠資源化再利用。目前燒渣主要的資源化研究集中在使其無害化處理后用作建筑材料。如L i n等28研究了應用城市垃圾焚燒底灰和污泥焚燒灰做防水建筑材料。C h e e s e m a n等29研究了污泥流化床焚燒灰做輕質材料。用焚燒灰渣作為原料

16、制造凈水劑也是目前研究污泥資源化焚燒灰渣的一個重要方面。Q i a n 等30發(fā)現垃圾焚燒飛灰和普通水泥混合后固化處理工業(yè)污水污泥對Z n、P b、C u、N i和M n有較好的固定作用。3結論隨著污水處理技術的發(fā)展和廣泛應用,污泥的處理與處置也顯得愈發(fā)重要。針對目前土地資源緊張,地下水污染以及土壤污染問題的日益突出,焚燒法無疑給污泥處理提供了最好的出路。尤其是焚燒可以在較短時間內處理大量城市污水廠的污泥,且在減容、減量的同時還能回收熱能進行發(fā)電或者供熱等。雖然焚燒法也面臨著較為困難的污染物控制問題,特別是對二噁英以及酸性氣體的控制。但隨著焚燒技術的不斷發(fā)展,新的工藝設備的研發(fā)與使用,工藝條件

17、的不斷優(yōu)化以及相關應用的成熟和推廣,這些問題都已經得到了很好的解決或已提供了良好的處理前景,焚燒法已成為未來最具潛力的污泥處理方法。此外,從經濟性和產業(yè)化推廣來看,降低焚燒成本,優(yōu)化工況條件以及多元化利用焚燒產物也將成為今后污泥焚燒技術的主要研究方向之一。參考文獻1周旭紅,鄭衛(wèi)星,祝堅,等.污泥焚燒技術的研究進展J.能源環(huán)82四川化工第15卷2012年第2期境保護.2008,22(4:5-8.2秦翠娟,李紅軍,鐘學進.我國污泥焚燒技術的比較與分析J .能源與環(huán)境.2011,1:52-56.3王靜,盧宗文,田順,等.國內外污泥研究現狀及進展J .市政技術.2006,24(3:140-1424周旭

18、紅,鄭衛(wèi)星,祝堅,等.污泥焚燒技術的研究進展J .能源環(huán)境保護.2008,22(4:5-8.5王濤.污泥焚燒技術現狀、存在問題與發(fā)展趨勢J .西南給排水,2006,27(5.6傅劍敏,徐江峰,戴海潤,等.污泥焚燒工藝研究與進展J .能源與環(huán)境.2009,6:74-76.7陳濤,孫水裕,劉敬勇,等.城市污水污泥焚燒二次污染物控制研究進展J .化工進展,2010,29:157-160.8M i l l e r B B ,K a n d i y o t i R ,D u g w e l l D R.T r a c e e l e m e n t e m i s s i o n s f r o m c

19、 o -c o m b u s t i o n o f s e c o n d a r y f u e l s w i t h c o a l :A c o m p a r i s o n o f b e n c h -s c a l e e x p e r i m e n t a l d a t a w i t h p r e d i c t i o n s o f a t h e r m o d y n a m i c e q u i l i b r i u m m o d e l J .E n e r g y a n d F u e l s ,2002,16:956-963.9張巖,池涌

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22、c t o r s d e t e r m i n g t h e e l e -m e n t b e h a v i o r i n m u n i c i p a l s o l i d w a s t e i n c i n e r a t o r s J .E n v i r o n m e n -t a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2000,34:2501-2506.15X u G R ,Z h o u J L ,L i G B .S t a b i l i z a t i o n o f h e a v y m e t a

23、l s i n c e -r a m s i t e m a d e w i t h s e w a g e s l u d g e J .J o u r n a l o f H a z a r d o u s M a t e r i -a l s ,2008,152:56-61.16李潤東,劉連芳,李愛民.添加劑對污泥流化床焚燒過程重金屬遷移特性影響J .熱力發(fā)電,2004(10:9-13.17Y a o H o n g ,M k i l a h a I d d i S N ,N a r u s e I c h i r o .S c r e e n i n g o f s o r -b e

24、n t s a n d c a p t u r e o f l e a d c a d i u m c o m p o u n d s d u r i n g s e w a g e s l u d g e i n c i n e r a t i o n J .F u e l ,2004,83:1001-1007.18S e a m e s W a y n e S ,F e r n a n d e z A r t ,W e n d t J o s t O L .A s t u d y o f f i n e p a r t i c u l a t e e m i s s i o n s f r

25、 o m c o m b u s t i o n o f t r e a t e d p u l v e r i z e d m u -n i c i p a l s e w a g e s l u d g e J .E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,2002,36:2772-2776.19L e m i e u x a P a u l M ,L u t e s b C h r i s t o p h e r C ,S a n t o i a n n i D a w n A.E m i s s

26、i o n s o f o r g a n i c a i r t o x i c s f r o m o p e n b u r n i n g :a c o m p r e h e n s i v e r e v i e w J .P r o g r e s s i n E n e r g y a n d C o m b u s t i o n S c i e n c e ,2004,30:1-32.20A b a d E ,A d r a d o s M A ,C a i x a c h J ,e t a l .D i o x i n a b a t e m e n t s t r a

27、t e g i e s a n d m a s s b a l a n c e a t a m u n i c i p a l w a s t e m a n a g e m e n t p l a n t J .E n v i r o n m e n t a l s c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,2002,6(1:2-99.21S t a n m o r e B R ,u n i e s -R o s e C .A n e m p i r i c a l m o d e l f o r t h e D e N o V o f o r m a t

28、 i o n o f P C D D /F i n m e d i c a l w a s t e i n c i n e r a t o r s J .E n v i -r o n m e n t a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,2000,34(21:4538-4544.22A d d i n k R u u d ,D r i j v e r D i r k J ,O l i e K e e s .F o r m a t i o n o f p o l y -c h l o r i n a t e d d i b e n z o -p

29、 -d i o x i n s /d i b e n z o f u r a n s i n t h e c a r b o n /f l y a s h s y s t e m J .C h e m o s ph e r e ,1991,23(8-10:1205-1211.23L i n W e n y i n n ,W a n g L i n c h i ,W a n g Y a f e n ,e t a l .R e m o v a l c h a r a c t e r i s t i c s o f T C D D /F s b y d u a l b a g f i l t e r

30、 s y s t e m o f a f l y a s h t r e a t m e n t p l a n t J .J o u r n a l o f H a z a r d o u s M a t e r i a l s ,2008,153:1015-1022.24T e j i m e H ,N a k a g o w a ,S i h i n i d a T ,e t a l .P C D D /F s r e d u c t i o n b y g o o d c o m b u s t i o n a n d F a b r i c f i l t e r w i t h /

31、w i t h o u t a c t i v a t e d c a r b o n i n je c t i o n J .C h e m o s p h e r e ,1996,32(1:169-175.25岑可法,徐旭,谷月玲,等.工業(yè)廢棄物和生活垃圾流化床焚燒技術研究J .西安交通大學學報,2000,34(1:1-8.26C h e n g J F ,Z e n g H C ,X u M H.T h e e f f e c t s o f s o l i d a b s o r b -e n t s o n t h e e m i s s i o n o f t r a c e e

32、l e m e n t s ,S O 2,a n d N O x d u r i n g c o a l c o m b u s t i o n J .I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f R e s e a r c h ,2001,24:1043-1052.27H a r t m a n M ,S v o b o d a K ,P o h o r e l y M ,e t a l .C o m b u s t i o n o f d r i e d s e w a g e s l u d g e i n a f l u i d i z e d -b e d r e a c t o r J .I n d u s t r y a n d E n g i -n e e r i n g C h e m i s t r y R e s e a r c h ,2005,44:3432-3441.28周敏,楊家寬,肖明丹,等.垃圾焚燒飛灰浸出特性及固化試驗的研究J .環(huán)境工程學報,2007,1(2:119-123.29張志峰,虞偉權,吳勇,等.污泥焚燒殘渣制備水處理藥劑研究J .環(huán)境污染與防治,2007,29(3:212