黄龙
Heat Pipe Technology, Inc.

一、 概述：

　　污泥的产生在人类活动过程中是不可避免的。污水处理产生的大量污泥的任意堆放和投弃对环境造成了新的污染，如何妥善处置这些污泥已成为全球共同关注的课题。
　　由于污泥是一种有潜在危险的物质，所以污泥处理面临以下的问题：
　　1.干污泥中一般含有65%的有机物和35%的无机物。在中国，污泥中的有机物含量较低。
　　2.湿污泥中含有各种各样的细菌、病毒和寄生生物，病菌在其中大量繁殖。
　　3.污泥中还含有锌、铜、铅和镉等重金属化合物，有毒的有机化合物，杀虫剂等等，所有这些一旦进入食物链将会导致严重的健康问题。对于工业发达的大中城市，这个问题尤其突出。
　　污泥处置任务也是同样艰巨的，这是因为：
　　1.污泥中的水分主要存在于生物细胞中，很难去除。
　　2.污泥中的无机成分（例如砂粒）类似研磨剂，甚至含量很低时也会造成污水处理装置的严重磨损。
　　3.污泥中含有氯化物和弱酸，具有腐蚀性，会降低设备的使用寿命。
　　在欧洲，根据欧盟规定：截止到2005年，有机物含量超过5%的废弃物将被禁止填埋；在美国，根据国家环保局的503污泥卫生法规定，只有经过灭菌处理，达到细菌或病毒无法检出的A级污泥才可以在市场出售；而B级污泥的使用则必须满足特殊的使用条件，即污泥的细菌或病毒含量不会对公众和环境造成影响。而特级污泥，即污泥的细菌或病毒和重金属的含量都满足要求，其使用所受到的限制与普通的肥料一样。由于A级污泥没有对重金属的含量有任何限制，因此国家环保局的503污泥卫生法不是很严格。目前，在新泽西州，在加利弗尼亚，内华达和亚利桑那州的部分县已经立法禁止污泥的填埋；佛罗里达洲等一些州的立法正在进行。

二、污泥主要处理处置途径

　　多种经过实践的污泥处置方法，其中有许多并不成功。
1.海洋投弃
　　由于对环境的负面影响（环境和生物受到污染的危险），在美国已经被法律所禁止。在中国，相信在将来也不能采用污泥海洋投弃法作为处置方式。
2.填埋
　　填埋法也受到越来越严格的的限制，而且填埋需占用大量土地、耗费可观，而且不能根治污染。在今后数年内美国将关闭大部分的污泥填埋场。在美国，填埋法造成的问题日益严重。填埋场附近的居民因此患各种疾病。
　　同时，直接填埋污泥浆，所占用的土地非常多，而且由于存在病原体继续繁殖、臭味等问题，尤其在人口非常稠密的地区这种方法并不实际。因此这种处理方式在中国的沿海发达地区也将行不通。
3.堆肥化
　　堆肥是稳定和卫生的产品，但是大规模污泥堆肥存在着许多限制：
　　（1）污泥本身不是一个非常好的堆肥物料，降解性差，孔隙率低，含水率高，须添加大量调理剂来松散污泥，堆肥化处理污泥的量相对很低（经堆肥化处理的大部分是大量的调理剂），不适合多雨的南方地区。
　　（2）堆肥化过程没有实现体积减量化，而且处理、储存、缓冲区占地面积很大。
　　（3）臭味处理过程复杂，系统庞大。对于南方多雨的气候，储存和堆肥化的场地和设施要求高，同样也增加了投资。
　　（4）运行费用较高：供氧、通风和气味处理所需的耗电量大，除虫所需的化学剂量大，购买大量蓬松调理剂，运输和储存费用大。
　　污泥堆肥不适应于大型处理项目，而且没有大型处理项目在成功运行实例。目前世界上成功运行的最大的污泥堆肥场，其处理能力为10，000吨/年。
4.焚烧
　　焚烧是一个很好的解决方案，尤其对于：
　　（1）污染严重的污泥（例如重金属含量或化学污染物超标的工业污泥）：污泥最终要实现完全矿化。
　　（2）处理规模大：（大于50 000吨（泥饼）/年）：规模大，投资省。
　　（3）污泥焚烧的投资和运行费用要高于干燥/造粒，这是因为：
　　　1）焚烧运行温度高（焚烧850℃，干燥100℃）
　　　2）工艺复杂（还未实现完全自动化运行，需要更多人工，严格的排放限制，高额的最终二次废物填埋费用…）。
　　（4）在一些国家公众对焚烧技术的接受程度较低（负面印象：可能对人们身体健康造成危害的高风险的心理负担）。
　　多级焚烧炉由于其本身固有的缺陷，尾气排放超标，需要补充辅助燃料。因此许多多级焚烧炉已经被流化床焚烧炉所取代。即使对于流化床焚烧炉，只有当水分含量小于为75%，干污泥的有机物含量为75%，即绝干污泥的低位发热值为4155 Kcal／Kg, 并且需要将燃烧空气预热到650度以上时，才无需辅助燃料。但对于中国的市政污泥，其有机物含量大约为50到65%，热值为2400到3600Kcal/KG。很显然，如果直接采用现有的流化床焚烧炉来焚烧中国的市政污泥，补充辅助燃料是不可避免的，只是补充辅助燃料的多少不同，取决于湿污泥的具体的水分含量和发热值。
　　目前，仅在美国，就有近２００家污水处理厂采用焚烧的方式来处理污泥，处理的污泥量占全美的总产量的20％。
5.干燥
　　干燥的优点是非常明显的
　　（1）大幅度减小体积，从而减小了储存，处置和运输费用
　　（2）用途灵活：最终产品用途广泛（既可用来做肥料也可用于其它工业工艺过程中的燃料）
　　（3）最终产品资源化利用：如果干燥污泥本身的重金属和有机污染物等指标达标，污泥颗粒可用于肥料和土壤改良剂，是干燥厂的主要收入来源之一。
　　（4）安全、高效、投资和运行成本低。
　　（5）安全高效的工艺意味着最终产品完全干燥（含固率＞90%），无尘、无菌、硬度高、密度大的球形颗粒。这样可以确保安全、卫生和低成本的运输、处置、长时间的储存和最终使用。首选高质量的最终产品（EPA503 A级产品），最近的研究³发现EPA503 B级产品可能对健康不利。
　　但干燥也有其问题：
　　（1）对于重金属含量高的污泥，如果用做肥料，会带来土壤污染的问题；
　　（2）污泥作肥料的市场问题。由于污泥的NPK的含量比化肥低许多，并且公众担心其危害，市场需要开发。即使在美国，经过多年的宣传，推广，污泥作肥料的市场仍然困难很大。加拿大的多伦多的干燥污泥要船运到佛罗里达销售；
　　（3）价格问题。由于以上问题，在美国，吨干污泥的出厂价仅为10到20美圆。而起干燥成本（仅包括能源，未考虑设备折旧，人员工资等）就达50到70美圆（尽管如此，仍有许多城市对市政污泥进行干燥，主要原因是每吨湿污泥的拖运费用现在为30到50美圆，而干燥后，重量减少到原来的1/3到1/4。）。在中国，这个问题尤其突出，因为中国的天然气和电力价格比美国高35%到40%。在中国，只有用煤做燃料时，才可以考虑用干燥污泥作肥料。而目前，在大中城市，煤被禁止用做燃料。如果污泥干燥设备采用进口，那么代价将非常高。对于每小时脱水4吨的污泥干燥设备，整个项目的投资大约在690万美圆（1999年价格，2002年佛罗里达的坦帕采用Andritz的污泥干燥设备, 整个项目的投资已达到1000万美圆。）。
6.垃圾焚烧发电厂与市政垃圾混烧处理
　　污泥与市政垃圾混烧是可能的但是处理量不大。从目前运行的垃圾焚烧厂的经验来看，为保证正常稳定的运行，湿污泥的添加量不能超过8%～10%。因此不能处理城市市政污水处理厂产生的全部污泥。
　　综上所述，从长远考虑，污泥的最终处理方案只有三种：堆制肥料；热力干燥后用作肥料；能量回收（即焚烧）。
　　因此，加利弗尼亚的奥伦奇县组织专家探讨在环境方面是可持续发展的，在技术上是可靠的，在运行上是经济的污泥的长期处置方案。在评估各种因素之后，专家们得出如下最可行的污泥的长期处置方案：
　　（1）堆制肥料
　　（2）热力干燥
　　（3）能量回收（即焚烧）
　　（4）生产有机金属矿物肥料
　　每种方案都不是尽善尽美的，各有其优缺点。既然污泥的产生不可避免的，我们应该根据不同情况选择不同的污泥合理处理方案。

三、污泥的干燥和焚烧的现状

1.干燥
　　目前，全世界大约有50余家污泥干燥公司，包括： Andritz Group， Baker-rullman，Berlie Technologies Inc, Flo-Dry，大川原公司，奈良，西格斯，USFilter， Atlas-Stord 等。提供如下各种形式的污泥干燥设备：
　　三通式回转圆通干燥机，间接加热式回转圆通干燥机，带粉碎装置的回转圆通干燥机，流化床干燥机，蝶式干燥机， 浆叶式干燥机，盘式干燥机，带式干燥机，太阳能污泥干燥房等。
　　（1）三通式回转圆通干燥机
　　三通式回转圆通干燥机的结构如下：

　　其干燥工艺流程：

　　干燥过程介绍：
　　由于普通的回转圆通干燥机，包括三通式回转圆通干燥机，只能干燥颗粒状的物料。所以，湿污泥首先要与干污泥进行混合，产生含水为40%左右的半干污泥，然后再进入三通式回转圆通干燥机进行干燥。干湿污泥的比例大约为1.5到2。因此，此系统需要混合机，粉碎机和筛分机。整个系统的投资很大。对于每小时脱水4吨的污泥干燥设备，整个项目的投资大约在690万美圆（1999年价格，2002年佛罗里达的坦帕采用Andritz的污泥干燥设备, 整个项目的投资已达到1000万美圆。）。
　　其运行参数为：
　　热空气进口温度为：650度；
　　热空气出口温度为：100度；
　　蒸发每磅水需消耗1600BTU的热量，折合每公斤水需消耗8170KJ的热量。
　　（2）普通回转圆通干燥机
　　普通回转圆通干燥机的工艺流程与三通式回转圆通干燥机相似，只是能耗稍高。
　　(3)间接加热式回转圆通干燥机
　　间接加热式回转圆通干燥机的工艺流程也与三通式回转圆通干燥机相似。佛罗里达的奥卡拉采用间接加热式回转圆通干燥机。该设备在调试两年后，也无法正常运行，并与今年4月发生爆炸。根据我们的分析，主要原因是由于间接加热式回转圆通干燥机采用普通的抄板，而造粒后的污泥的表面仍然较粘，粘着在抄板上，没有及时脱落，导致过干超温（干污泥的着火点为240度）。当通入空气时（间接加热式回转圆通干燥机需要通入空气，以带出蒸发的水分），其中的氧含量较高，从而引起爆炸。
　　（4）带粉碎装置的回转圆通干燥机
　　带粉碎装置的回转圆通干燥机的结构：

　　由于带粉碎装置的回转圆筒干燥机可直接干燥湿污泥，因此不需要混合过程，也就不需要混合机，粉碎机和筛分机。并且回转圆筒干燥机很短，整个系统的投资小。
　　但是，对于湿污泥的干燥，其终水分只能到30%到40%。如果干燥到10%以下水分，需要两级干燥。
　　如果干燥后的污泥用于焚烧，30%到40%已经足够。关于这点，在后面再详细论述。
　　由于直接干燥湿污泥，并且回转圆筒干燥机很短，因此可采用较高的进口温度。对于污泥干燥，其进口温度可达850度以上。所以热能消耗比上述的所有回转圆筒干燥机都低，每公斤水需消耗7659KJ的热量（对于两级干燥）。
　　（5）浆叶式干燥机
　　浆叶式干燥机的结构如下：
　　浆叶式干燥机是间接干燥，好处是工艺简单，尾气量少，容易处理。

　　浆叶式干燥机需要由蒸汽或导热油提供热量。所以需要锅炉及锅炉房。另外其产品是粉状，对存储和使用不方便。在干燥后，需要进行造粒。在小型废水处理厂得到广泛的应用。
　　（7）盘式干燥机
　　盘式干燥机的结构如下：
　　与浆叶式干燥机相似，好处是工艺简单，尾气量少，容易处理。也需要由蒸汽或导热油提供热量。所以需要锅炉及锅炉房。
　　但是盘式干燥机的传热效果是上述所有干燥机中最差的，因此盘式干燥机的体积庞大，造价高。根据美国Hazen and Sawer公司的资料，对于每小时脱水4吨的污泥干燥设备，整个项目的投资大约在750万美圆（1999年价格）。
　　（8）蝶式干燥机
　　蝶式干燥机的结构的结构如下：
　　蝶式干燥机可以对污泥进行半干或全干处理。其产品也是粉状。
　　其他设备，在污泥干燥方面应用较少。

2.焚烧
　　目前，全世界大约有10余家污泥焚烧公司，主要提供流化床和多级炉膛高炉焚烧炉。
　　两种焚烧炉的结构如下图所示：

　　由于多级炉膛高炉的概念设计是建立在逆流干燥，燃烧和冷却的规律上的。这个概念设计导致（1）较差的混和，（2）较差的热传递，（3）生物固体（即污泥）的较长的停留时间，（4）燃气的较短的停留时间，（5）高的燃烧温度，（6）降低出口温度，（7）高的空气过剩量。高的空气过剩量部分是由于较差的混和所致。
　　所以多级炉膛高炉的尾气排放中，污染物严重超出排放标准，并且需要补充辅助燃料。因此，多级炉膛高炉逐渐被流化床焚烧炉所取代。以下是在北美多级炉膛高炉逐渐被流化床焚烧炉所取代的具体情况：
　　过去12年来流化床燃烧炉取代多级炉膛的高炉的情况

城市	年
London	ON 1988
Mattabassett	CT 1988
Huntington	WV 1989
Allegheny County	PA 1990
Manchester	NH 1994
Wyoming Valley	PA 1994
Waterbury	CT 1996
Greensboro	NC 1996
High Point	NC 1998
Vancouver	WA 1999
Cincinnati	OH 1999
St Paul	MN 2000

　　流化床焚烧炉的流程图：

　　目前流化床焚烧炉主要有以下公司有Ondeo Degrémont, Inc.，Von Roll，三菱重工和西格斯等。
　　对于流化床焚烧炉，为了最大限度地减少辅助燃料的使用，在流化床焚烧炉后通过采用换热器，用燃烧气体来加热助燃空气到650度的办法来回收热量。因此，在流化床焚烧炉系统中，需要高温换热器，耐高温的布风室和布风板。所以整个流化床焚烧炉系统的设备投资很大。Ondeo Degrémont, Inc.的流化床焚烧炉的布风室和布风板采用高熔点合金，所以60年代的设备现在仍然在运行，但其投资代价也不菲，对于每天焚烧60吨干污泥的流化床焚烧炉，投资在1100万美圆（1999年价格）。其他公司的流化床焚烧炉的布风室和布风板采用耐高温金属板。在这种情况下，高温金属板的寿命平均只有两年，而布风室和布风板的更换将花费更高。即使国产设备，对于每天焚烧60吨干污泥的流化床焚烧炉，投资在也在800万美圆。
　　另外，Andritz购买了EcoDry技术，在其污泥干燥系统的基础上，开发了一种新型的污泥干燥焚烧系统。该系统是在其DDS污泥干燥系统的基础上，首先将湿污泥干燥到水分10%以下，再将干污泥加入旋风式焚烧炉进行焚烧。焚烧产生的热量用于湿污泥的干燥。因此，这个污泥干燥焚烧系统不需补充任何热能，只消耗电能。但这个污泥干燥焚烧系统的投资巨大，因为在投资已经很高的基础上，还需要焚烧炉。具体的总投资不祥。此污泥干燥焚烧系统只在欧洲有两个应用厂家。
　　Andritz的EcoDry工艺流程：

四、污泥处理处置工艺选择

　　根据当前世界上污泥处理的可行方案，以及未来的立法趋势。结合中国的具体情况，才能提出合理的污泥处理方案。
　　目前，污泥的焚烧有两中情况：采用流化床或多级焚烧炉在处理厂内进行焚烧；干燥后运到其它地方进行焚烧，如电厂，水泥厂，砖厂等地方。
　　在考虑合理的污泥处理方案时，不仅要考虑到技术的可行性，未来的立法趋势，更为重要的是要结合中国的国情。否则投资巨大的环保项目只能是摆设。
　　因此，合理的技术方案应该是先将湿污泥干燥到水分为30到40%的颗粒状污泥，此时污泥热值为1560到1820Kcal/ Kg（对于绝干污泥热值为2600Kcal/ Kg），并且粒度也正是流化床燃烧炉的最佳燃烧粒度。干燥后的污泥再进入流化床燃烧炉焚烧。因此，无论是从热值，还是其粒度来看，焚烧是没有任何问题。
　　首先我们从国内外的能源价格和能源结构谈起。
　　在美国，能源主要是天然气和电能。因此，几乎所有的污泥干燥都是采用天然气做为能源的。在绝大数地方，想采用煤做为能源几乎不可能。在中国的大中城市，煤也被禁止作为能源使用。
　　在北美，天然气的价格为每1000000BTU：4美圆（现在为6美圆），按6美圆计，折合49。38元人民币；每1000000BTU的热量折合热值为8300Kcal的天然气30。36立方米；天然气的价格为折合为每立方米的热值为8300Kcal，则为每立方米1。63元人民币。电价为每千瓦时：0.06美圆，折合0.4838元人民币。
　　而国内的电价为每千瓦时： 0.683元人民币；天然气的价格为每立方米：2.2元人民币。
　　所以中国的电价比北美高41%；天然气的价格比北美高35%。
　　蒸发每吨水需要消耗887025Kcal的热量，合热值为8300Kcal的天然气107立方米。如湿污泥的水分按80%，干燥到10%，则每吨干污泥大约需消耗428立方米的天然气。仅考虑天然气的价格，不计电力消耗，人员工资，设备折旧等，每吨干污泥的干燥成本就要940元人民币。在美国，干污泥的出厂价为每吨10到20美圆，合100到200元人民币。在中国，如果用做肥料，每吨干污泥的可能售价在300到400元人民币；如果用做燃料，每吨干污泥的可能售价在100到1500元人民币（要与煤的价格做比较）。每吨干污泥的耗电大约为300千瓦时，则每吨干污泥的干燥成本就要1144。9元人民币（不计人员工资，设备折旧等）。每吨干污泥的处理要亏损744。9到994。9元人民币；每吨湿污泥的处理要亏损148。98到198。99元人民币。对该项目每年需财政补贴大约1000万元人民币（不计人员工资，设备折旧等）。这就存在建的起，用不起的可能性。
　　合理的污泥处理方案应该是：
　　来自浓缩池的湿污泥，不需要消化处理，但要先经过机械脱水至水分75%（对于热值为2600Kcal/ Kg的热值，73%是最高的许可水分，而不需补充燃料。）。机械脱水输送至湿污泥储存仓，再输送至干燥机。湿污泥在干燥机中干燥至水分含量为30%到40%。干燥后的污泥再输送至流化床焚烧炉，在流化床焚烧炉中进行焚烧。为了防止有害物质的产生，象氧化氮（NOX），二恶英（Dioxins）的产生，焚烧温度应严格控制在900度左右。为了保证流化焚烧的正常运行，在流化床焚烧炉中应当放入一定量的砂子，以定期补充流化床中砂子的扬悉。一部分灰渣从流化床焚烧炉溢流口排出，一部分灰渣被燃烧空气带出。在流化床焚烧炉后，应加设下排式分离器，以分离被燃烧空气带出的细灰。经过分离除尘的燃烧空气进入干燥机，对湿污泥进行脱水干燥。离开干燥机的排气，经过旋风分离器除尘后，对燃烧空气进行预热，以保持整个系统的能量平衡。最后排气再经过湿式除尘器进行净化处理后，排入烟囱。因为该项目的污泥的重金属含量较高，可在湿污泥中加入特定的化学产品，以防止在焚烧过程中金属汞蒸发尾气中。在湿式除尘器的洗涤水中还可加入化学产品，进一步消除异味。
　　这样，整个系统只消耗电能，而无需补充任何辅助燃料。处理每吨干污泥的耗电大约为300千瓦时，则每吨干污泥的处理成本只要204.9元人民币（不计人员工资，设备折旧等）；每吨湿污泥的处理要亏损40.98元人民币。对于年处理50000吨湿污泥的项目，每年需财政补贴大约215万元人民币（不计人员工资，设备折旧等）。如果设备全部是国产化，整个项目的投资只有2000到3000万元人民币。
　　对于年处理50000吨湿污泥的项目，如果干燥后作肥料或者燃料，每年需财政补贴大约1100到1300万元人民币（不计人员工资，设备折旧等）。