从污泥成分构成角度研究焚烧处理可行性

李倩

摘要：传统的污泥处理方法有农用堆肥、土地填埋、填海和焚烧等。与以上几种污泥处理方法相比，采用焚烧法处理污泥具有减容化。经试验表明，大连市某污水处理厂污泥中水分及氮、硫等元素占污泥比重及污泥燃烧值都符合焚烧处理要求。

关键词：污泥焚烧；资源化；污泥成分

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）26-0072-03

污泥来源通常分为三种，即来自江河湖泊自然污泥、化工厂等产生工业污泥以及城市生活污泥，例如城市污水处理厂产生污泥。

传统的污泥处理方法有农用堆肥、土地填埋、填海和焚烧等。与以上几种污泥处理方法相比，采用焚烧法处理污泥具有减容化、无害化、快速化、便利化、能源化、多用性等特点。

以污泥处理效率高、污泥减量化效果明显而著称的污泥焚烧技术已被世界各国认定为污泥处理最佳途径之一，其能源再利用的特性以及我国在污泥处理过程中提出的“资源化、减量化、无害化”三化原则也使其成为污泥处理的主流技术而被广泛应用。

1 污泥焚烧处理工艺流程

工艺流程如图1所示。从图1中可见，污泥焚烧工艺所需的主要设备有流化床焚烧炉、干燥机、余热锅炉、静电除尘器、准烟气洗涤装置、烟囱等几部分。

经测定大连市某污水处理厂污泥的初始含水量为75%，干燥处理后，其含水量可缩减为15%。

试验过程中观察到，初始含水量为75%的污水处理厂污泥，不需借助外加助燃剂即可在流化床焚烧锅炉中自行燃烧，而经干燥脱水后含水量减为15%的污泥更可进行自行燃烧，如此，在处理过程中可以使能源的浪费减到

最低。

图1 污泥焚烧工艺流程

2 污泥成分分析试验结果

以下试验均以大连市某污水处理厂产生污泥为试验

样品。

2.1 污泥水分含量的测量

污泥中所含的水分包括外在水分、内在水分和结晶水三部分。

本次试验水分的测定采用干燥前后重量比对的方法。

试验原理为：将已称重好的污水处理厂泥样放置于干燥机内连续干燥2～3个小时，取出泥样，进行再次称重，则水分的含量便由泥样在干燥前后的重量差值得出。

试验操作步骤是：称取10g左右的泥样放置于110℃左右温度的干燥机内，经2～3小时后取出泥样，及时盖好瓶盖，置于空气中冷却片刻，再次放置于干燥机内冷却，30分钟后，降至室温，再次对泥样进行称重。这种试验方法测定的泥样水分含量为除去结晶水、但包含外在水分和内在水分的污泥水分含量。

2.2 污泥灰分含量的测量

灰分是污泥在完全燃烧后残留的物质。

本次试验灰分含量的测量也是用重量比对的方法。

试验原理为：将污水处理厂泥样放置于温度调节在815℃左右的电炉中，将其灼烧1小时左右，然后测量泥样灼烧前后的重量，差值即为污泥灰分含量。

试验操作步骤为：称取1±0.1g的泥样放入恒重器皿中，将其放入电炉中，先调节其温度不超过100℃，然后将电炉炉门开启约15mm的小缝隙，此时，将电炉的温度在约30分钟之内调节到500℃，在此温度下，继续加热30分钟后使电炉的温度逐步升至815℃±10℃，关闭电炉炉门继续灼烧1小时，然后将盛放泥样的器皿取出并冷却5分钟，然后再次放入干燥机内使其冷却至室温，最后对泥样再次称重，重量减少值即为污泥中灰分含量。

2.3 污泥中的挥发物含量测量

污泥在被加热过程中产生的所有气态物质被统称为污泥中挥发物质。

污泥中挥发污水含量的测定亦采用重量比较的方法。

试验原理是：将泥样放置在高温900℃下，加热10分钟左右，然后称重，与试验前泥样重量比较而求得污泥中挥发物的含量。

具体试验步骤为：将1±0.1g的泥样样品放入带有严密盖子的干锅之中，再将其放置于预先加热至高温900℃的电炉中，在电炉中加热7分钟左右将其取出，冷却约5分钟，再次放入干燥机中，经20～30分钟后冷却至室温，最后对泥样再次称重，重量减少值即为污泥中挥发物质含量。

2.4 污泥的元素分析

2.4.1 碳、氢含量的测定。碳、氢含量的测定多采用“燃烧法”，即把污泥样品置于燃烧管中湿气完全燃烧，然后从燃烧生成物二氧化碳与水蒸汽的含量中计算出碳和氢的含量。具体操作为先将盛污泥样品（0.2g）的瓷盘放入燃烧管中，通入氧气，使样品在800℃温度下充分燃烧（为保证某些热解产物充分燃烧，还需在燃烧管中填充氧化剂如加热的氧化铜等）；燃烧生成物二氧化碳和水蒸汽分别用吸水剂（氯化钙等）和二氧化碳吸附剂（钠石灰等）予以吸收；然后根据吸收剂的增重计算出碳、氢的百分数含量。

2.4.2 氮含量的测定。测定氮的方法很多，但都不能获得很准确的数据。目前应用较多的是常量测定方法（亦称开氏法）：在浓硫酸中并在催化剂（硫酸铜等）的作用下，污泥中的有机质被氧化而生成二氧化碳和水等物质，氮则被转化成氨，随即与硫酸作用而生成硫酸氢铵（消化反应）；如加入过量的氢氧化钠中和硫酸，氨则可以从氢氧化钠中蒸馏出来（蒸馏反应）；然后利用吸收剂（硼酸等）将氨吸收（吸收反应）；再用酸碱滴定法求出污泥中的含氮量（滴定反应）。

2.4.3 硫含量的测定。全硫分测定通常用“艾氏法”，即用艾氏混合剂（碳酸钠和氧化镁的混合物）与污泥试样混匀并缓慢燃烧促使其中的硫转化成硫酸钠和硫酸镁。做法是把1g的污泥试样与2g艾氏混合剂在坩埚中混匀，放入加热炉中加热至800℃～850℃；保温灼烧1.5～2小时，然后取出冷却；燃烧后应检查是否有黑色颗粒，如有则再继续灼烧。燃烧后的产物经过滤、清洗，并制成微酸性滤液（加甲基橙指示剂、盐酸溶液）；加入10mL，10%的氯化钡热溶液（沉淀作用），使产生的硫酸钡沉淀溶液加热至微沸状态，并保温2小时，即可在进行过滤、清洗。然后将沉淀物与滤纸放入炉中，使滤纸灰化，并升温使沉淀物灼烧（20分钟），称重。

2.4.4 氧含量的测定。氧的含量一般不直接测定，而是采用差减法予以确定，即：

式中：

Wf——试样中水分的百分数含量

Af——试样中灰分的百分数含量

2.5 污泥的发热量的测定

发热量测定的原理较简明，即把试样在一个充氧的容器（通称氧弹）中燃烧，氧弹浸没于水中，则可由水温的升高值计算出污泥散发的热量值。

在高压、高温的试验条件下，氧弹中燃烧的泥样，硫元素被氧化生成硫酸、氮元素被氧化生成硝酸都会释放出大量的热量，气态水在高压下变为液态水，也会释放出热量。而假设泥样在空气中燃烧，硫元素则生成二氧化硫气体，氮元素会变为游离氮而蒸发，水蒸气也不会变为液态水而释放热量。由此可见，污泥释放的热量分为下面三种情况：含括以上三方面释放热量的，被称为氧弹发热量（Qyd）；不包含硫酸和硝酸生成过程释放热量的，被称为高位发热量（Qgw）；以上几种释放热量的情况都不包括的，被称为低位发热量（Qdw）。

一般情况下，在进行锅炉热力计算时，我们多采用低位发热量。

目前，在国际上计算低位发热量的公式很多，但基本都存在些许误差，通过多方面比较，我们选择煤炭科学研究院北京化学研究所推荐的公式，误差一般不超过600kJ/kg。该统一半经验公式可写为：

Qrgw=335（327）Cr+1298（1256）Hr+63Sr-105Or-21（Ag-10）kJ/kg

公式中，对于Cr>95%或Hr≤1.5%的污泥，Cr前采用括号内的系数；对于Cr<77%的污泥，Hr前采用括号内的系数；对于Ar>10%的污泥，才减去最后一项灰分修正值。

经以上试验，得出大连市某污水处理厂污泥的成分及元素含量如表1所示：

由以上数值可以通过煤炭科学研究院北京化学研究所推荐的统一半经验公式计算出，污泥的热值为

15124.76kJ/kg。

3 结语

经过对大连市某污水处理厂污泥焚烧工艺分析计算，初步得到如下技术指标：

（1）污泥中的碳、氢、氧、氮、硫元素等挥发分占污泥比重的57.82%。

（2）污泥燃烧热值可达15124.76kJ/kg，在通风良好的条件下不需助燃剂即可燃烧。

（3）用焚烧法能够大量处理该厂污泥，每天可处理大约120吨生污泥。

（4）处理5000kg污泥，焚烧后的剩余炉渣不足300kg，占地面积小，基本上达到了污泥的减容化处理。剩余灰渣可用于低凹地区的土地填埋，还可以用于制作建材如制砖等。

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