污泥干化技术综述及方案选择

李洪国，邹君峰，李 政，关 浩，林 卓



污泥干化技术综述及方案选择

李洪国1，邹君峰1，李 政2，关 浩1，林 卓1

（1. 中国石油 抚顺石化分公司，辽宁 抚顺 113000； 2. 辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部，辽宁 抚顺 113000）

由于日益规模化污水处理厂的污泥产量大、含水率高，体积巨大，带来环境、经济、技术等方面难题，污泥干化减量是污泥有效处置的关键环节。详细介绍了污泥电干化、热水干化等干化技术原理、工艺流程、优缺点和适用条件，给出了厂矿企业在污泥干化方案选择的适用条件，以期为技术方案选择、新设备、新工艺开发提供参考。

污泥；污泥干化；污泥减量；含水率

由于日益规模化的污水处理厂污泥产量高、含水率高、体积巨大，在贮存、运输、装卸等过程中既不方便，还存在很高的潜在环境安全风险和隐患。一些发达国家的污泥处置成本占污水处理厂总成本40%~60%，有的甚至达65%，欧洲国家处置加运输费平均每吨约为470±280欧元［1-4］。我国2016年企业污泥平均每吨处置成本基本在1 500~6 000元（其中运输费用约占5%~15%），依旧面临价格上涨巨大压力。根据资料显示，2015年我国污泥年产量为3 359万t（含水率为80%）［5］。鉴于污水生化处理技术成熟、低成本等诸多优点，目前世界上90%污水处理场都采用活性污泥法［6-8］，污泥产量每年还在快速增长。

初始污泥含水率一般为96%~99.8%［9］，经过机械脱水后含水率降到80%左右，进一步脱除水以求减质减量比较困难，这就需要进行污泥干化处理。污泥干化一般采用热能蒸发使含水率降到较低水平。

1 污泥来源及性质

污水处理厂污泥主要由初沉池（沉砂池）及隔油池底泥、气浮机浮渣、剩余活性污泥以及其他工艺单元的化学污泥组成。

污泥是一种固体废物，若具有急性毒性、易燃性、反应性、腐蚀性、浸出毒性和疾病传染性等特征中的一项就是危险废物。根据环境保护法保护环境优先条款，厂矿企业产生的固废没有认定之前以危险废物对待处理，而我国厂矿企业污泥因含各种毒害性化学物质或重金属等基本均属于危险废物。

2 污泥的干化主要指标

污泥通常由有机质、无机质、水分三部分组成。其中水分主要有四种，间隙水（约占70%）、毛细结合水（约占20%）、表面吸附水和内部结合水（约占10%）。脱水主要脱的是间隙水和部分毛细结合水。

污泥干化就是蒸发水分。水从20 ℃（假设环境温度）升温100 ℃蒸发脱水，每升水蒸发最少约需620 kcal的热量［10］，随含水率降低、污泥比阻骤升，脱水也越来越难。根据理论计算式，污泥体积（）、质量（）和含水率（）存在如下关系［9,11］。

式中：11含水率为1时的体积（m³）和质量（kg）；

22含水率为2时的体积（m³）和质量（kg）。

由公式可知，干化后污泥体积和质量会骤减。

3 污泥干化的安全性

污泥干化存在燃烧爆炸危险性。污泥干化系统在装置开停工时受污泥种类、组分、热源类型等众多因素影响，干泥表面温度容易飞升，过热污泥瞬间会形成大量粉尘团，导致爆炸发生，造成灾难性后果。

根据最终目标含水率的不同，分为“半干化”和“全干化”，半干化污泥含水率在30%~50%，全干化含水率在30%以下［12］。干化系统的安全性取决于目标含水率，这是污泥干化工艺的先决条件，所以污泥越干越危险，为了达到去水减量和生产安全双重目的，现在经常采用半干化、低温干化、氮气保护、温度及氧含量仪表连锁控制等技术措施来提高污泥干化装置的安全性。

4 污泥干化技术

4.1 电能污泥干化法

电能污泥干化法，就是将电能转化为热能或微波等形式的能，加热湿污泥使之水分蒸发，污泥得到干化，通常采用电加热炉间接烘干的干化方式进行污泥干化。干化系统由污泥存储单元、输送计量单元、电加热干化（电能污泥烘干机）单元、输出单元及暂存单元构成。由于能耗较高，不适合用电紧张、产泥量大的污水处理厂，适合产泥量少、电能丰富、价格便宜地区，因而厂矿企业的工业应用很少，见图1。

图1 电干化工艺流程

4.2 热水干化法

热水干化法就是利用高温热水的热能，经过换热器进行热交换，蒸发污泥中的水分使得污泥干化。这种热源进行污泥干化一般为间接干化方式，对换热器要求较高一些。由于厂矿企业好多都有加热炉或以蒸汽为动力的装置，产生蒸汽凝液（高温热水）或高温冷却水等副产品，如热电厂、冶炼厂或石油炼化厂。因而这种热源可以就地取材、容易获得、且物美价廉（不足蒸汽价格的1/3），还可实现综合循环利用，是非常理想的热源。因而近年来发展快速，德国开发的“板框压滤-热水真空干化技术”就是热水干化技术的典型代表［13,14］。目前在南京胜科水务有限公司、上海嘉定新城污水处理公司等成功应用，效果很好，见图2。

图2 热水干化工艺流程

4.3 蒸汽干化法

蒸汽干化法是利用蒸汽热能，经过换热器壳层进行热交换，蒸发污泥中的水分使之干化。蒸汽为热源的污泥干化机根据构造或内部构件不同又分为盘式干化机、桨叶式干化机、涡轮式干化机等不同形式。厂矿企业蒸汽使用广泛、容易获得、公用工程条件宽松便捷，特别是热电厂、冶炼厂或石油炼化厂等，因而这种热源可以就地取材，还可实现综合循环利用，是非常理想的清洁热源。一般使用1.0 MPa、160～230 ℃左右的低压蒸汽，因蒸汽干化效率高、操作弹性大、易于控制、稳定性好等优点，加上新型蒸汽污泥干化机效率高、能耗较低，进口成套设备仪表可以实现无人值守连续作业（进口设备价格也高出国产的3倍以上），因而目前应用很多，见图3。

图3 蒸汽干化工艺流程

4.4 太阳能污泥干化法

太阳能污泥干化法指的是利用太阳能为主要能源对污水处理厂污泥进行干化和稳定化的污泥处理技术。该技术利用太阳能,借助传统温室干燥工艺,具有低温干化、运行费用低廉、操作简单、运行安全稳定等优点。其驱动力为污泥中水分含量与和空气中水蒸汽分压之间的水蒸气压力差。考虑气候、季节、天气影响，太阳能干化过程是在一个配置翻泥机的大型暖房内进行，湿污泥从一端输入，干污泥从另一端输出。

太阳能干化装置主要由地面结构、暖房、翻泥机三部分构成。地面结构类似于混凝土马路，翻泥机安装在两侧导轨上、进行前后上下移动作业，起到摊铺污泥、反转晾晒、输送污泥作用。有的还配热风机以加速水分蒸发装置，有的建成更为先进的太阳能温室系统［15,16］。在条件下允许时最为经济。

4.5 天然气干化法

天然气（煤气）干化法就是利用天然气（煤气）为燃料燃烧提供热源，在干化设备里将污泥干化。为了防止燃烧爆炸通常设有氮气保护、氧气浓度连锁、温度连锁以及污泥返混等安保措施，以提高设备运行的安全性。系统由进料单元、干化机、出料单元、尾气处理单元、返混单元、仪控系统等构成。通常作为污泥热解法［17］处理的预处理单元。澳大利亚Andritz公司开发的转鼓干化机就是利用天然气等燃料形成650 ℃左右的热空气直接干化污泥的成套设备。

在日本、美国应用较多，天然气作为清洁能源，在污泥热解处理时因为尾气不存在焚烧法产生二噁英等问题，因而代表了污泥无害化的一种发展趋势，见图4。

4.6 炉窑烟气余热污泥干化法

炉窑烟气温度一般在120~200 ℃之间，蕴藏有巨大的热能，是污泥低温干化的理想热源[9]。利用烟气干化污泥有直接利用烟气加热干化和间接加热干化两种形式。为保证污泥在低温下能够自然形成颗粒，一般采用二段式干化工艺，一段干化使污泥含水率从80%左右降到60%左右，二段干化造粒使含水率降到40%以下，形成2～8 mm颗粒污泥便于资源化［18,19］。

图4 天然气干化工艺流程

干化系统主要由污泥储存输送单元、一段造粒单元、二段干化单元、干化污泥料仓、烟气引风单元、尾气净化单元等构成，见图5。

图5 炉窑烟气余热污泥干化工艺流程

5 污泥干化设备优缺点及方案选择

污泥热干化设备优缺点对比见表1。

表1 污泥热干化设备优缺点对比

通过以上污泥干化技术的叙述和对比分析，笔者以某大型石化企业实际情况为例，分析污泥干化技术方案选择时应注意的生产技术要素。

某大型石化企业地处东北，污泥以生化剩余污泥和芬顿催化氧化化学污泥为主，日产含水率80%的污泥大约18 t，生化有机污泥约占25%，化学无机污泥约占70%，其它污泥约占5%，含油量很低。企业内部有低压蒸汽和热水（95 ℃左右蒸汽凝液），高温蒸汽凝液因无它用，做伴热采暖之用，厂区用地较为紧张，生产装置布置紧促，污水处理厂污泥脱水设备能力略有不足、故障率较高。

根据以上条件，污水处理厂污泥产量较大，由于用地紧张，地处东北，气温较低，不宜用太阳能干化技术方案；从节能降耗和运行成本考虑，不宜电干化和天然气干化技术方案；远离热电厂、烟气引气非常困难，考虑除尘、脱硫脱硝装置生产安全风险，以及一次投资较高，不宜采用烟气余热干化技术方案；比较适宜采用蒸汽和热水污泥干化技术方案。

蒸汽和热水污泥干化方案具有安全性好、干化效率高、运行成本低、技术成熟度高、简单紧促占地面积小、热源易得、操作简便、生产平稳等共同优点。同等规模蒸汽干化技术方案在生产连续性、干化效率和操作环境上更好一些。对于某化工企业，采用蒸汽干化方案，需要配置好污泥脱水设备（脱水至含水率80%），两个污泥脱水点在干化时存在二次倒运；而相对序批式压滤热水干化技术方案而言，压滤干化一体设备无粉尘产生，安全性更高一些，无需机械脱水设备，污泥浓缩直接压滤干化处理（进泥含水率97%），节省投资，方便输送、无二次倒运，热源更廉价易得（余热综合利用率高）、运行成本更低。

6 结论

通过污泥干化技术对比分析，笔者认为污泥干化技术方案选择和新设备新技术研发重点考虑以下三个方面。

（1）厂矿企业在做污泥干化项目方案选择时，必须结合企业自身特点统一考虑。

首先，干化工艺宜采用目标含水率为30%-50%的半干化处理技术，技术安全可靠是项目落成的前提。其次，设备简单占地面积小、装置改造少、操作简便、热源易得。第三，污泥干化运行成本主要是热能消耗、设备维护费用及人工费，低运行成本才有污泥减量效益、挖潜增效价值。

（2）开发系统性的新设备、新技术。污泥干化机是污泥干化的核心设备，研发更加安全可靠、节能高效的干化设备，是未来污泥干化市场的主流。污泥干化技术是环保、热工、设备、自控、安全等专业高度融合的一门新技术，国产设备价格优势明显，但存在的稳定性和自动化程度不高等问题，需要系统性研究和优化配置。

（3）加强污泥干化废气的综合治理。将污泥干化项目尾气治理与企业的VOCs治理项目、锅炉烟气综合利用联合统筹考虑，发展循环经济，将更加有利于企业挖潜增效、健康环保、持续发展。

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Review of Sludge Drying Technologies and Scheme Selection

1，1，2，1，1

(1. PetroChina Fushun Petrochemical Company, LiaoningFushun 113001, China;2. College of Chemistry, Chemical Engineering and Environmental Engineering, Liaoning Shihua University, LiaoningFushun 113001, China)

Sewage treatment plants produce a great deal of sludge with high water content and large volume, which brings environmental, economic, technical and other problems. Sludge drying reduction is the key link in the process of sludge treatment. In this paper, the principles, technological processes, advantages, disadvantages and application conditions of sludge drying technologies including electric drying and hot water drying were introduced. How to select suitable sludge drying scheme in the factories and mines was discussed.

Sludge; Sludge drying; Sludge reduction; Moisture content

TE 99

A

1671-0460（2017）06-1186-04

2017-04-10

李洪国（1967-），男，辽宁省抚顺市人，高级工程师，工程硕士，毕业于大连理工大学，研究方向：从事石油化工及环保技术研究。E-mail：fs-lhg@petrochina.com.cn。

邹君峰（1976-），男，工程师，研究方向：石油化工水处理及固废技术研究。E-mail：zhoujunfeng@petrochina.com.cn。