Abstract: With the vigorous economic development, China's domestic wastewater treatment is increasing, the daily treatment of sewage to produce a corresponding large amount of sludge, the amount of sludge is increasing, the composition of the sludge is increasingly complex, such as improper treatment, will inevitably cause secondary pollution to the natural environment, there are serious environmental security risks. Sludge treatment includes landfill, thermal hydrolysis, good nutrition fermentation, but drying and incineration system is the most thorough treatment method. The process design of drying and incinerating system for municipal sludge with 60% water-content is studied. The successful and stable operation of the project verifies the reliability of the process design, and has guiding significance for the treatment of different water-containing sludge.
市政污泥的干化焚烧处置日益受到重视，相关的技术研究和工程应用也层出不穷[1,2,3,4]。本文以江苏某市政污泥集中处置项目工程为研究对象，项目总规模为每天处理污泥400吨（以含水80%污泥计），处理对象为市政污水处理厂产生的含水60%的市政污泥，设置两条焚烧生产线。项目采用“间接热干化+独立焚烧+余热利用+烟气处理”的干化焚烧处理工艺，分两期建设，其中一期处理规模为每天处理污泥200吨（以含水80%污泥计），设置一条焚烧生产线，配置2台桨叶式干化机和1台鼓泡流化床污泥专用焚烧炉。烟气处理采用“静电除尘器+干法脱酸塔+布袋除尘器+湿式脱酸塔+烟气再热器+引风机”的工艺路线，项目运行后各项指标均满足设计要求，且运行稳定，其经验值得推广运用。
1 污泥设计条件
本项目服务范围内的污水厂的出泥含水率均在60%以下，故本工程设计进泥含水率为60%。同时考虑到后续雨污分流系统的实施以及其他影响因素，市区污水厂的进水水质存在一定的变化趋势，因此本项目的负荷变化和污泥特性设计条件均考虑一定的变化范围，如表1所示，以适应入厂污泥特性的变化。
表1 污泥特性表
Tab.1 Character of municipal sludge
为使干化焚烧系统能够更好地适应污泥特性的变化，本项目的污泥设计条件在选定设计点的基础上，同时考虑污泥特性的变化范围，如图1所示。设计过程中要求当污泥特性在变化范围内变化时，干化焚烧系统能够具有很好的适应性。
图 1 污泥特性变化范围
Fig.1 Variation range of municipal sludge character
2 工艺流程设计
本项目污泥均通过车载的方式运至污泥转运车间的污泥储池内，含水60%的脱水污泥通过抓斗起重机输送至脱水污泥缓存仓内，仓内污泥通过出泥刮板机输送至干化机给料螺旋输送至干化机内，干化后的污泥含水率为30%~35%，干化后由刮板输送机输送至焚烧炉的缓存料仓，通过配套污泥给料机送至焚烧炉内。污泥转运车间内部分含水60%的脱水污泥，通过焚烧炉抓斗起重机输送至干化污泥缓存仓，经出泥链板机输送至焚烧炉的缓存料仓内，干污泥与湿污泥在焚烧炉进料螺旋混合入炉，最终进入鼓泡流化床焚烧炉焚烧。流化床焚烧炉燃烧温度为850℃，高温烟气经过余热锅炉换热产生蒸汽用于干化机的干化热源和辅助系统用热。经过余热锅炉后的烟气温度为200~220℃。烟气经过静电除尘器、布袋除尘器、湿法烟气处理系统处理后达标排放。污泥接收储存系统产生的臭气经过除臭装置处理后达标排放。干化机系统产生的臭气部分引入焚烧炉中焚烧处理，超出处理能力的臭气进入除臭系统内处理。干化系统、湿法烟气处理系统、除臭装置等采用再生水或自来水，产生的废水直接排放至废水处理池，经污水系统处理后达到产业园污水处理厂接管标准后排入园区市政污水管网。整个系统包含计量称重系统、污泥接收及储存系统、污泥干化系统、污泥焚烧系统、烟气处理系统、除臭系统、污水处理系统、辅助燃烧设施[1~5]。
本项目工艺流程图如图2所示。
图 2 污泥干化焚烧系统流程图
Fig.2 Process of multipal sludge dying and incinerating system
2.1 污泥接受及储存系统
含水60%的脱水污泥由污泥运输车从各污水厂运入，卸入污泥储坑中。储坑中的部分脱水污泥由抓斗起重机输送到缓存仓A，通过出泥链板机送至干化机。另一部分脱水污泥由抓斗起重机输送到缓存仓B，直接送入焚烧炉中焚烧处理。其流程如图3所示。
图 3 污泥接收与储存系统流程图
Fig.3 Process of multipal sludge receiving and storage system
污泥储坑层高为13m，其中地下部分深度为4m，用于接收和存储含水60%的市政脱水污泥。污泥储坑为钢筋混凝土结构，总容积2,200m3，可满足不小于10天污泥储存量，共分3个隔断，其中2个隔断各有600m3的容积，分别对应两条生产线，用于日常污泥接受，另有1个隔断有1,000m3的容积，用于检修或意外情况下的应急存储。
2.2 污泥干化系统
本项目干化系统设置2台干化机，干化系统的进泥含水率60%。
本项目采用的桨叶式干化机是一种以热传导为主的四轴卧式干化机。由带有夹套的ω形壳体和四根空心桨叶轴及传动装置组成。轴上排列着中空桨叶，轴端装有热载体导入的旋转接头。干燥水分所需的热量由带有夹套的ω形槽的内壁和中空桨叶中的饱和蒸汽传导给物料。含水60%湿污泥由刮板输送机连续定量地由入料口进入干燥机内，在中空桨叶搅拌、混合与分散的同时受到来自中空桨叶和夹套双重加热作用，从而实现干燥、蒸发，干燥合格的干污泥由中空桨叶输送至出料口并排出机外。为避免污泥进入粘滞区，设计干燥机出口污泥含水率为35%。经干燥机干化后的干污泥与未干化的湿污泥混合后，进入鼓泡流化床进行焚烧处理。本项目热载体采用1.0MPa饱和蒸汽，蒸汽直接进入外壳夹套内和旋转的中空桨叶轴内，单位体积的传热面积较大，热效率高。
干燥过程中产生的废蒸汽与污泥逆向运动，由污泥进料口上方的蒸汽管口排出。带有水蒸汽与少量的H2S、NH3等混合气体进入旋风除尘器，去除载气中夹带的少量粉尘，为防止载气中水蒸气冷凝，造成粉尘附着堵塞，旋风除尘器设置蒸汽伴热，载气经旋风除尘器后进入载气洗涤塔，洗涤塔采用冷却水间接换热的方式，将水分从蒸汽中冷凝下来，不凝气体经洗涤塔上部的除雾器后，大量不凝气体由循环风机送至干化机，少量不凝气体经过除雾器分离后，由载气风机从洗涤塔顶部抽出。载气风机使整个干化系统处于负压运行状态，这样可以避免臭气的溢出。少量不冷凝臭气从冷凝系统排出后，由载气风机送至焚烧炉焚烧或生物过滤器除臭装置过滤后达标排放。
2.3 污泥焚烧系统
本工程污泥焚烧系统采用鼓泡流化床焚烧炉，配置1台焚烧炉。
湿污泥与干污泥在进料螺旋给料机中混合，输送至焚烧炉，进料螺旋与焚烧炉相连接。污泥均匀进入焚烧炉炉膛。助燃的流化空气由布风装置送进焚烧炉炉膛，辅助燃料天然气由辅助燃烧器从炉膛砂床区喷入焚烧炉，污泥在炉内燃烧和燃尽；高温烟气在不低于850℃的炉膛内停留2s以上。焚烧炉顶部分设置炉顶控温冷却装置，当烟温过高时用于控制出口烟气温度。
焚烧炉出来的高温烟气进入水管式余热锅炉，产生饱和蒸汽，蒸汽参数为：1.0MPa，184℃。烟气二次换热后排出余热锅炉，排烟温度约220℃，进入后续的烟气净化系统。
2.4 烟气处理系统
本项目烟气净化系统设置于余热回收系统之后，是对焚烧炉焚烧产生的经余热回收系统换热后的烟气进行处理，其功能是有效的去除烟气中的颗粒物、重金属、酸性气体及二噁英等污染物等，并对烟气进行高空排放。
① 工艺方案
高温烟气经余热回收系统回收热量后进入烟气处理系统净化达标后排放。大气污染物排放满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》GB18485-2014和欧盟2010标准中大气污染物的排放限值。
本项目烟气净化系统采用的工艺方案“SNCR（炉内）+静电除尘器+干法脱酸塔+布袋除尘器＋湿法脱酸+烟气再热工艺”的组合工艺。烟气中的主要污染物如酸性气体、颗粒物及二噁英、重金属等物质均在本系统中去除，氮氧化物排放的控制采用SNCR法。
② 静电除尘器
烟气离开空气预热器后进入静电除尘器，烟气中的飞灰，通过排灰口进入下部的卸灰装置，而净化后的烟气通过排气管排出。
③ 干法脱酸系统
烟气在干法脱酸塔内与喷射出的吸收剂（消石灰）充分混合，烟气中的酸性气体与吸收剂发生化学反应，从而得到去除，少量粉尘落入塔底部经过灰斗排出。
④ 活性炭喷射系统
本项目在进入布袋除尘器前的烟道上，喷入活性炭粉末，通过活性炭吸附烟气中的污染物（主要是二恶英类物质、重金属Hg等）。
⑤ 布袋除尘器
本项目设计一套布袋式除尘器，去除烟气残余的粉尘以及投加活性炭后的残渣。在布袋除尘器前投加活性炭是保证烟气即使出现汞和二噁英也能被有效去除的保安措施。
在袋式过滤器内，混有残渣的气体通过滤袋。除尘器配备均流装置，以便烟气均匀地流过每个布袋。滤袋用全PTFE滤料制成。在滤料表面进行涂层防止滤料发生氧化腐蚀。烟气中较粗重尘粒在自重和导流板撞击下沉降至灰斗内，经除尘器下部配套的卸灰阀排出，而较细烟气粉尘被吸附在滤袋的外表面上，经过滤袋净化。清洁气体穿过滤袋，进入过滤器的清洁室（集气管或气室），然后到过滤器出口。
烟气经过布袋除尘器滤袋时，烟气中的粉尘被截留在滤袋外表面，从而得到净化。布袋除尘器设有脉冲反吹在线清灰装置和旁通管路，当布袋除尘器滤袋表面积灰越来越多，烟气阻力也越来越大时，脉冲反吹装置自动启动，清除滤袋表面积灰，保证系统负压运行。
⑥ 湿法洗涤塔
本项目采用湿法反应系统，湿式洗涤塔用于中和烟气中的酸性物质，进塔烟气中酸性气体与通过循环泵喷淋的NaOH溶液进行中和反应，经过脱酸后的烟气，通过设置于洗涤塔上部的烟气冷却装置，降低烟气温度，再经过洗涤塔顶部除雾器去除液滴后，通过洗涤塔顶烟道排出，进入烟气再热器。烟气在再热器中由50℃加热到130℃后进入引风机。
2.5 除臭系统
本项目除臭区域包括干化焚烧车间除臭和污水处理中心除臭，干化焚烧车间除臭区域主要为转运污泥储池、卸料车间、污泥干化车间等，设计总除臭风量为65000m³/h。其中污泥干化车间内干化设备设置应急除臭系统，除臭风量为5000m³/h。污水处理中心除臭按照污水表面积核算的风量及污水所在封闭区域的空间换风量两部分计算，主要包含格栅渠、调节池、接触氧化池、MBR池、沉淀池、脱氮池、储泥池等区域，设计除臭总风量为5000m³/h。除臭工艺采用“化学除臭+生物除臭”的工艺，具体工艺见下图所示：
图 4 除臭系统流程图
Fig.4 Process of deodorizing system
3 调试中的问题及优化措施
目前国内在运行的污泥独立焚烧项目多数都是处理含水80%的污泥，处理含水60%的污泥独立焚烧项目较少，在调试运行过程中，逐渐发现设计中的不足、产能达不到要求、设备选型不适等诸多问题，对此进行了分析与改进。
① 污泥热值偏低，不利于焚烧
实际入厂污泥的热值大大低于原设计值，经检测，实际热值仅有约设计值的50%左右。导致污泥进入焚烧炉燃烧时，无法维持自持燃烧，需补充大量天然气助燃。同时，由于污泥无机质含量高，易结团，污泥进入炉内燃烧过程中，短时间内无法燃尽，砂床压力上升较快，进而导致焚烧炉内流化效果差。另外，污泥热值低导致焚烧炉炉温尤其是炉体上部自由区温度难以达到850℃，尾气中的指标将无法达到环保要求。
改进措施：通过分析原污水厂污泥中明显含有大量泥沙，而水厂预处理一二期采用平流沉沙，三期采用旋流沉沙，无法实现泥沙尤其是泥的有效沉淀，进而有大量泥沙通过后端处理进入污泥中，结合SS沉降性能，通过沉淀池后增加初沉池或其他强化沉淀措施对预处理沉淀部分进行加强，同时沉淀后的泥沙不要纳入污泥处理系统，进而避免水厂污泥含泥沙量过高、热值过低，引起污泥焚烧处理的一系列问题，通过一系列调整措施，入厂污泥的热值可以达到设计值。
② 污泥粘性大，设备堵塞严重
脱水污泥刚进厂为片状或块状，较硬，但在污泥料坑储存一段时间后，由于污泥自身的发酵，逐渐变软，通过抓斗起重机倒料混料，螺旋输送机或者刮板输送机转运，污泥中的细胞水被挤压出来，造成污泥粘性增大，污泥极易堵塞在设备下料口，或者中转设备的溜槽处。
改进措施：粘性较大的污泥容易粘在刮板或者螺旋叶片上，因此输送设备选型时，应充分考虑污泥的粘性。螺旋输送机不应选用单轴有轴螺旋，而应选用无轴螺旋或双轴螺旋，且螺旋中间不应设置吊轴承。刮板输送机出口应设置刮泥器，协助污泥卸料。输送设备应避免多点出料，只能设置1个出泥口。刮板机出口避免设计缩颈或者斜溜槽，否则污泥极易在此堵塞，在污泥缓存料仓和输送设备，特别是接头处，均需设置喷水口或者喷蒸汽口，污泥堵塞时，适当喷水或者喷蒸汽保证输送设备的稳定运行。
③ 焚烧炉炉底排渣量大
含水80%的市政污泥与含水60%的市政污泥相比，存在较大的差异，含水80%的污泥焚烧后绝大部分灰分都以灰尘的形态随烟气进入余热回收及烟气处理系统，焚烧炉排渣量很小或基本无排渣，含水60%左右的污泥，由于深度脱水环节加入了各种添加剂，污泥成分改变，灰渣性能也相应改变，焚烧炉排渣比例大幅提高，需要定期排渣，且排渣量大。由于原设计采用冷砂螺旋，冷却能力小，无法满足焚烧炉的排砂要求，经过分析，主要原因在于含水60%的污泥焚烧过程中炉底排渣量大。
改进措施：通过将冷砂螺旋替换为滚筒冷渣机，实现定期连续排渣，滚筒冷渣机处理量量大，冷却效果好。
④ 污泥中无机盐含量大，燃烧过程中易结焦
经测定，焚烧炉灰渣中Fe2O3含量为18%~21%，Al2O3为9%~13%，CaO为4%~7%。这些金属氧化物在高温下易与砂床床料SiO2发生反应生成低温共融体，当焚烧炉运行的局部温度高于焚烧残渣某组分的熔点时，会使焚烧残渣发生部分熔融，当焚烧残渣进入该组分熔点以上温度区域时发生凝固，从而形成结焦。
改进措施：污泥燃烧过程中禁止投用启动燃烧器，避免出现高温区，同时水厂优化相关工艺及投药量，降低进入污泥的铁、铝及钙等含量。
4 系统运行评价
本项目经过单机调试、分系统调试，联动调试，在168小时稳定运行期间，各系统运行正常，烟气污染物指标满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485- 2014）和欧盟垃圾焚烧污染物排放2010标准（DIRECTIVE2010/75/EU）的要求。本工程运行中污泥的处理直接成本主要包括电力、自来水、中水、药剂等，根据其在运行过程中的使用量以及目前的市场价格，最终计算得出处理每吨污泥（折合时含水80%）的直接运行成本为161.51元，具有较大的竞争力，完全实现了污泥减量化、无害化、资源化的处理处置，同时还有能力外供1.8t·h-1左右1.0MPa的饱和蒸汽，环境效益和经济效益双赢。
5 结论
①本项目在引进日本三菱重工干化和焚烧技术基础上再创新，采用桨叶式干燥机+鼓泡流化床的技术，因含水60%的市政污泥流动性差，粘性强的特点，桨叶式干化机在处理含水60%的市政污泥上相对其他处理技术具有较强的优势，且鼓泡流化床具有较大的热容性，适用于污泥含水和热值的大幅的波动，对污泥的适应性强，整个168小时运行期间系统运行稳定性良好；
②含水60%市政污泥污泥在机械深度脱水前必须进行调理预处理，调理预处理通常需要投加较多的絮凝剂，目前使用较多的絮凝剂有聚铁、消石灰等。絮凝剂的投加有助于污泥的深度脱水，但对后续污泥的焚烧有一定的影响，如聚铁容易与污泥焚烧炉的床料石英砂形成低温共融体（FeO·SiO2），促使结焦的形成。消石灰的投加会使污泥的粘滞区向高含水率（含水率60%）方向偏移，污泥输送困难，输送过程中容易堵塞。无论是投加聚铁、消石灰或其他无机絮凝剂都会使污泥的热值降低，污泥的灰分含量增加，进而影响污泥的焚烧，因此含水60%市政污泥处理工艺需针对性设计。
③为减少后续污水处理的压力，减少烟气系统排放的废水，烟气脱酸采用消石灰干法脱酸和NaOH湿法脱酸相结合的工艺，干法脱除约50~60%的硫含量，湿法脱除约30~40%的硫含量，保证烟气污染物排放满足标准要求，实现了烟气稳定达标。多种技术的应用使系统复杂度较高。
④污泥中含有一定的氮元素以及污泥燃烧过程中炉温控制不当存在高温区，这些都会促使氮氧化物的生成，为保证烟气氮氧化物排放满足标准的要求，本项目脱硝工艺采用SNCR工艺，设计配置了尿素溶解罐和尿素配置罐，在保证氮氧化物排放的前提下，实时调整尿素的投加量。
⑤建议上游污水厂优化相关工艺减少投药量，降低进入污泥的铁、钙等絮凝剂的含量，考虑污泥脱水至80%直接输送至焚烧厂或垃圾焚烧厂处理，降低后续污泥处置的难度，避免焚烧炉和垃圾炉排炉结焦的产生。
⑥坚持执行“泥水共治”的思路，含水80%市政污泥相对于含水60%的市政污泥，在输送方式的选择和处理工艺的设计，更加容易，因此污水处理厂和焚烧厂在处理污水和污泥问题上应统筹考虑。
⑦通过对含水60%市政污泥项目的工程设计和运行，确认了该处理处置工艺技术的可靠性和稳定性，工程的建成和稳定运行对国内其他污泥干化焚烧项目设计和运行实施具有指导意义。
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