污泥熱處理技術
摘要: 污水廠除了污水處理以外，還要考慮污泥的處理技術，使得污泥出路問題能長期地得到解決，污泥處理還要考慮經濟實用，保護環境。機械脫水后污泥的熱烘干是污泥處理與利用的一個關鍵性工藝。
關鍵詞: 污泥,熱處理,熱烘干技術
1 序言
處理廢料，德國和歐洲政策的共同方針是：首先盡量避免產生廢料；其次廢料的回收利用；最后作為垃圾處理。
污水處理廠是市政工程的重要組成部分，污水處理中產生污泥是不可避免的，所以污泥回收利用就很重要了。污泥作為垃圾的處理（例如填埋處理），在這里不作深入描述，因為填埋技術已逐漸失去其重要性，這與污泥的含水高，易流性，有機含量高，而且往往有害物（重金屬）含量高相關。德國法定從2005.06.01起對于廢料剩余有機含碳量最高5%。這就是說，碳元素的無機化（從有機碳到無機碳的轉化）應該在95%以上。污泥不經焚燒是達不到這一標準的。
如果要利用污泥，就要事先進行污泥的分析，特別是含水量、污泥干物質中有機物含量、有害物質的濃度（重金屬、PCDD-、PCDF 等等）。
另外還有其他相關因素是臭味、衛生問題，要考慮到病菌對人和動物傳染的預防。
綜上所述，污水廠除了污水處理以外，還要考慮污泥的處理技術，使得污泥出路問題能長期地得到解決，污泥處理還要考慮經濟實用，保護環境。
機械脫水后污泥的熱烘干是污泥處理與利用的一個關鍵性工藝。
2、污泥熱烘干技術
在討論各種烘干技術之前，讓我們先簡要的分析一下污泥干化過程中污泥性質的變化。
污泥里的含水是這樣分布的：間隙水，處于污泥團塊之間的水；外部水分為粘附水，吸附水，空隙虹吸水，虹吸水，毛細虹吸水；內部水，細胞液（水合作用含水，內部虹吸水）。
在機械脫水、熱烘干、焚燒幾個處理階段所能達到的干化程度不同。
在此強調污泥烘干的一大特點，隨著干燥過程的進行，污泥會進入一個膠狀階段，也稱為所謂的“粘稠階段”，至此階段，污泥干物質含量為45～65%。這時，污泥會粘在干燥機的壁上，從而導致干化效率的降低，甚至損壞設備。通過相應的技術措施和設計可以解決這個問題。 被普遍采用的一種方法是所謂的回混法。就是將機械脫水后的污泥（干物質20～35%）和已全干化的污泥（干物質90～95%）相混合，使進入干燥機的污泥干物質達到65～75%，這樣還可以使進泥顆粒化，結構化，這無論對于哪一種烘干機都有利。
3 各種烘干機工藝
污泥烘干分為接觸式烘干和對流式烘干。在接觸式烘干機中，存在一個固定不變的接觸面，熱量就通過這個面和導熱介質（蒸汽或熱油）傳向污泥。對流式烘干的導熱介質（熱風）直接在污泥小顆粒上流動傳熱，從而產生熱對流。
一般烘干過程可以分為兩個階段，即：半干化，最多至粘稠狀態，一般大約達到45%干物質；全干化，至少達到90%干物質。
但是剩余含水量（或者干物質含量）并不是唯一的評價干燥效果好壞的標準。不同的烘干技術，能耗大大不同。最終的利用，要求也不同。農用往往要求一個顆粒化的產品。同時烘干也要注意避免含氧過高粉塵化及其比例，因為它會引起自燃，甚至爆炸。根據以上分類，有許多不同的干化技術，下面將全面地對各種烘干機作簡單介紹。
3.1 接觸式干燥機
3.1.1 流化床干燥機
這種類型干燥機主要應用于化學工業，食品以及飼料工業。最近幾年流化床干燥機還被應用于褐煤干燥，用于火力發電。這種干化工藝有兩個特點，一是物質（風，塵，沙）流量特別高，二是用高壓蒸汽加熱干燥機。流化層通過蒸汽的再循環起作用，它對流化物（在這里就是污泥）的顆粒變化非常敏感，較難控制。流化床干燥機不是完全的接觸式干燥機，因為熱量的一部分也通過熱蒸汽的再循環，以對流的形式傳遞。流化床干燥機不適用于污泥半干化處理工藝，只適用于污泥全干化。
3.1.2多層臺階式干燥機
多層臺階式干燥機原應用于化學工業，食品以及飼料工業，也被稱為真空盤式干燥機。在真空下或負壓下運行。傳熱系統通過導熱油實現，導熱油作為唯一可選用的傳熱介質在一個封閉的回路中被循環加熱。在涉及導熱油系統的操作中，一定要注意，不要漏油到地上或污染干燥產品，因為加溫溫度高（260～280°C），對導熱油的質量要求較高，對這種特殊油要保證足夠量的倉儲。因為這種干燥機單位填充量（每平方米傳熱面積充泥量）比較小，所以不適用于少量污泥的干燥。這種多層臺階式干燥機也不適用于污泥半干化處理工藝，僅用于污泥全干化。
3.1.3 轉盤式干燥機
轉盤式干燥機在幾十年前就已經應用于化學工業，食品工業以及飼料工業。特別是混合溶劑的干燥。它與污泥干燥一樣，要求設備防漏，以保證正常運行。如果該設備出現故障，因為干燥溫度較低，再加上惰性氣體保護措施，不會有著火和爆炸的危險。此型干燥機既可以用導熱油傳熱，也可以用蒸氣傳熱。大多數情況下用低過壓蒸汽加熱，以防油污染。特別值得一提的是這種轉盤式干燥機的機動靈活性，它既可以作為半干化機，也可以作為全干化機使用烘干污泥。這樣一來就可以設計不同的更適合用戶需要的干燥焚燒工藝，滿足當前與未來污泥處理的要求。
3.2 對流式干燥機
3.2.1高流速干燥機
這種類型的干燥機是為了干燥煤而設計的，后來也被用于干燥化學產品和食品。要干燥的物料被拋送入熱氣流里，并通過此熱氣流從進料口被輸送到出料口。進料口之前往往有一個沖擊式輪磨機，它將物料先碾碎，再拋送入熱氣流干燥過程，這樣一來，物料在熱汽流中逗留很短的時間，就可以達到預訂的干燥度。如果用于干燥污泥，高流速干燥機一般要與垃圾焚燒爐或者是火力發電廠鍋爐配套使用。近幾年，這種干燥機不再應用于污泥干化了。該干燥機不適用于污泥半干化工藝，只能用于污泥全干化。
3.2.2 帶式干燥機
帶式干燥機主要應用于精密化學以及食品工業。它通過交叉或者是反向的熱氣流來實現間接熱傳導。熱氣是經過內置或外置的熱交換器傳熱產生的，熱交換器的傳熱媒介可以是導熱油，也可以是蒸汽。帶式干燥機結構復雜，其中輸送帶的設計是一個棘手的問題。另外，熱氣流會攜帶一些灰塵，這些灰塵大都堆積在氣流轉向的地方，并會導致運行故障。帶式干燥機不能用于污泥的半干化工藝，僅適用于污泥全干化。
3.2.3 筒式干燥機
筒式干燥機適用于幾乎所有領域，例如化學工業，基礎工業，食品和飼料工業的各種產品。筒式干燥機的加熱既可以通過熱空氣，也可以通過煙氣。因為風量大，所以除塵器體積也很大。熱空氣是由外置的熱交換器加熱的，煙氣是燃料焚燒產生的廢氣。進料以及內部輸送片的構成，是由干化物料特性決定的。熱氣溫度的高低，以及氣流方向的選擇，也同樣由物料特性決定。污泥筒式干燥機都用是直流電驅動旋轉。熱空氣進入時的溫度大致在450～650°C。因為相對來說,這種筒式干燥機的結構不封閉，容易發生自燃或爆炸，所以在污泥的干化過程中，要特別注意安全保障。這個包括兩方面，一是安全保護設備投資，另外對于運行安全性的在線監控，也需要大量的費用與人員。這種干燥機不能用于污泥半干化工藝，只能用于污泥全干化。
3.3 接觸干化與對流干化的比較
在下面的表格里，對于不同的接觸式干燥機（表3.1）和對流式干燥機（表3.2）進行了性能的總結。接下來的表3.3，對兩種干燥機的特性作了一下比較。
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表3.1 不同接觸式干燥機的比較
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表 3.2 不同對流式干燥機的比較
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表3.3 接觸式干化和對流式干化的特性比較
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4 干化后污泥的應用及其對于干化工藝的要求
污泥處理與利用，分為：機械脫水、熱干化、物質利用（用作土壤，肥料）、能量利用（焚燒產熱，發電）。都是費用很大的。對每一個階段在計劃與優化之前，必須對于污泥的最終回收利用有一個戰略性的決策。比如說，干化后的污泥要利用熱能用于燃燒，那就不應該在機械脫水時加用石灰，加用石灰灼燒時，同樣會消耗熱能。以下，簡要地介紹一下污泥的幾種不同的應用可能性。為了對不同應用可能性作分析，下面的表4.1列出的一般污泥的主要成份。
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表4.1城市污水廠污泥分析
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4.1 農業利用
從污泥分析數據可以看到，污泥中含有不少的氮，鈣，磷，鉀可用作高肥土壤。當然，這其中也含有一些有毒物質，象重金屬和有機污染物。這很大程度上影響著它是否可作為土壤（肥料）使用。一個常用的改良污泥的辦法，就是先烘干，再混入無機肥（氮磷鉀），就可作肥料了。
下面的兩種可能性可供參考：
（1）將干物質含量90%的已烘干污泥與氮，磷，鉀成份相混合。這種混合有一個缺點，就是物質混合后，或早或晚又會重新分離（比如在倉儲或是使用期間）。
（2）利用造粒技術，將細小的干污泥顆粒和氮磷鉀合成顆粒。
造粒技術有一個優點，就是它的最終產品是固體顆粒狀，這可以直接應用于機械化的農業。這種化肥持久耐用，無污染，因為所有的有機病毒都在干化過程中被殺死了，只需監測污泥中重金屬含量是否超標。
4.2 土壤改良
一個常用方法，就是將機械脫水后的污泥（干物質含量約20～30%）加入添加劑，使干物質含量至少40%，然后用于土壤改良。常用添加劑為石灰，沙子與粘土。
這個技術有一些缺點，比如：加入添加劑，使運輸量提高了；含水量仍較高和存儲量也提高。
針對以上問題，可以將其改進，就是將機械預脫水的污泥混入幾乎全干的污泥（干物質含量90%），使混合后污泥干物質含量達到70～80%，也可以達到同樣作用，同時：不需添加劑；水的輸送量和存儲量也不高；存儲性明顯好轉。
4.3 焚燒／灰化
從污泥成分分析中可以看出，污泥的焚燒／灰化是唯一可以實現大大減少污泥量的技術。在焚燒污泥技術中，污泥的熱值是一個重要的影響因素。
不管是半干化至干物質含量45%，還是全干化至干物質含量90%，污泥干化工藝對每種焚燒技術都有決定性的影響。干化后污泥的焚燒工藝，將在下面的章節敘述。
4.3.1流化床焚燒爐
流化床焚燒技術是利用污泥熱能的最常用技術，適用于大處理量。焚燒溫度通常為850～950°C，這樣一來可以將有毒氣體（特別是NOX和CO）量降到最低。這種焚燒工藝最大的優點就是節省能量，不管什么污泥來源，污泥烘干，只需干物質含量達到45%（半干化），不需要額外的熱能就可以自己燃燒，到達熱平衡，而且焚燒產生的熱量足夠滿足半干化干燥機。
4.3.2 利用現有垃圾焚燒爐
現有垃圾焚燒爐大都采用了先進的技術，配有完善的尾氣處理裝置，一般可以在垃圾中混入30%的污泥一起焚燒。
主要利用瀝青和水泥制造廠的焚燒爐，焚燒干燥后的污泥。甚至是污泥的無機部分（灰渣）也幾乎可以完全地被利用于產品之中。
●通過高溫焚燒至2000°C，污泥中有機物有害物質被完全分解；
●在焚燒中產生的細小水泥懸浮顆粒，會高效吸附有毒物質；
●污泥灰粉和用于示蹤元素一并熔入水泥的產品之中。
應該用的限制在于污泥中的水銀含量。只有水銀含量低的污泥（小于3 Hg／Kg干物質）才允許焚燒。一般來講，加入的干污泥量一般占正常燃料（煤）的15%。
4.3.4在火力燒煤發電廠焚燒污泥
經過長期對于發電廠焚燒污泥研究證明，污泥占耗煤總量的10～15%以內，對于尾氣凈化以及發電站的正常運轉沒有不利影響。在某些發電站，特別是燒褐煤發電站，污泥只經過機械脫水，就被混入未磨干的褐煤里。煤泥混合物一起干化后，再送入焚燒。這個工藝的趨勢還是更傾向于用干化后的污泥。主要優點為：臭味，衛生，傳染等問題得以解決；便于裝車運輸；無論是在烘干站，還是在火電站，都利于倉儲，與未磨碎煤的混合性及其燃燒性都得以改善。
5 總結
不少文獻對于各種干化工藝以及干化后污泥的應用進行了比較和評價，同時也兼顧了各污水廠污泥本身組成的變化。雖然各種烘干工藝的從減少水份，物料平衡上來比較是類似的，但更重要的是適應各項目的特殊需求，所以就有很多不同點要加以分析。
當然，這些比較與參考數據很大程度上要受到污泥處置系統周圍環境的影響。比如：污泥干燥機就設在污水處理廠邊，那么就不必有一個特別齊備的裝卸系統，特別是節省了大容量的接收和倉儲設備。另一個優點可將干燥產生的廢汽冷凝水，馬上就地送入污水處理池，其中含有的熱能也能部分地被回收利用。
另一方面集中性的污泥處理站也有優點，因為處理量大，這樣建造和運行的費用低于許多建在各污水廠的分散的小站。這里列舉一個半移動式干燥機，這個干燥機的水蒸發功率達1000 Kg／h。它的核心，一個轉盤式干燥機，轉盤式干燥機結構最緊湊，運行安全，因此比較合適。
污泥干燥機直接配套焚燒爐，非常經濟有效，干化污泥所需蒸汽可以很便宜的從焚燒爐尾氣處理后得到。另外干燥后的污泥可以不經過倉儲和運輸而直接送入焚燒。干化產生的有臭味的尾汽可以送入焚燒爐加溫除臭。
近幾年，在歐盟建造了許多污泥干燥機配焚燒爐，并投入了運行。經驗和結果表明，間接烘干工藝成為主流，運用最多。
正是因為這個大趨勢的影響，許多供貨商都積極地提供不同的接觸式熱交換面的設計，從可加熱的夾層滾筒到蒸汽或導熱油加熱的熱交換器，豐富多彩。關于這些小型干燥機的詳細的運行經驗，到現在為止發表文章很少。總的來看，前面介紹過的轉盤式干燥機由于其應用范圍廣，同時適合于污泥的半干化和全干化工藝，越來越多地被使用推廣。明顯的優點在于半干化結合流化床焚燒的能量自給自足。
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