本研究以华东某污泥干化焚烧项目为依托，对不同污泥来源进行组分、元素组成、热值等理化特性进行了为期半年的跟踪测试，充分了解污泥的特性，为污泥干化焚烧工艺调控、入炉前的污泥配伍比例提供了技术支持。 Based on a sludge drying and incineration project in East China, this study carried out a half-year follow-up test on the physical and chemical properties of different sludge sources, such as com-ponents, element composition, and calorific value. The analysis result provided technical support for the regulation of sludge drying and incineration process and the sludge matching ratio before entering the furnace.
本研究以华东某污泥干化焚烧项目为依托，对不同污泥来源进行组分、元素组成、热值等理化特性进行了为期半年的跟踪测试，充分了解污泥的特性，为污泥干化焚烧工艺调控、入炉前的污泥配伍比例提供了技术支持。
污泥干化焚烧，污泥热值，泥质分析
Feng Zhu1, Guanwen Ding1, Zeqing Liu2
1Shanghai Yangqin Environmental Technology Co., Ltd., Shanghai
2Shanghai Environmental Sanitation Engineering Design Institute Co., Ltd., Shanghai
Received: Mar. 20th, 2023; accepted: Apr. 21st, 2023; published: Apr. 28th, 2023
Based on a sludge drying and incineration project in East China, this study carried out a half-year follow-up test on the physical and chemical properties of different sludge sources, such as components, element composition, and calorific value. The analysis result provided technical support for the regulation of sludge drying and incineration process and the sludge matching ratio before entering the furnace.
Keywords:Sludge Drying and Incineration, Sludge Calorific Value, Sludge Analysis
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污泥处理方式主要有厌氧消化、干化填埋、干化焚烧等技术，其中污泥干化焚烧占地小、处理快速、处理量大，可最大程度地实现“减量化、资源化、无害化”，为国外发达国家所主要采用。同时国内发达城市已将该工艺作为主要处理方式，以《上海市城市总体规划(2017~2035年)》为例：污水设施服务人口3000万人，规划在延续六大区域分片处理格局的基础上，提出“5010”的总体布局，即规划50座城镇污水处理厂(含初期雨水处理厂)、10座污泥处理厂。其中，石洞口、竹园、白龙港和杭州湾沿岸四大区域以集中处理为主，规划9座城镇污水处理厂、5座污泥处理厂，污泥焚烧处理后建材利用。嘉定及黄浦江上游、崇明三岛区域采用属地化分散处理，规划39座城镇污水处理厂、5座污泥处理厂，污泥焚烧处理后建材利用，崇明区等泥质较好的城镇污水处理厂污泥可采用好氧发酵后土地利用。污泥处理厂规划规模为1.2倍日均污泥量。保留现有污泥深度脱水处理设施作为应急保障。在老港综合填埋场控制土地用于飞灰、灰渣和污泥应急填埋。
污泥独立焚烧技术在国内处于起步阶段，仍在不断实践和优化的发展历程中。污泥干化焚烧可实现区域生活污水厂污泥(以下简称污泥)的无害化和减量化。然后，污泥泥质和产生量受到污水水质、污水处理多个工艺运行情况的影响，往往会产生较大的波动。因此，本研究以华东某污泥干化焚烧项目为依托，开展了长时间的污泥参数分析研究，旨在充分了解污泥的特性，为污泥干化焚烧工艺调控提供技术支持。
| 污泥热性核算 | 数值 | 单位 | |
|---|---|---|---|
| 污泥干基高位热值 | Qnet.gr | 3300 | kcal/kg |
| 碳 | Car | 28.300 | % |
| 氢 | Har | 4.567 | % |
| 硫 | Sar | 1.265 | % |
| 氧 | Oar | 15.130 | % |
| 氮 | Nar | 4.878 | % |
| 氯 | Clar | 0.030 | % |
| 灰分 | Aar | 45.830 | % |
| 水分 | H2O | 0.000 | % |
| 合计 | Σar | 100.000 | % |
| 可燃分 | B | 24.660 | % |
表1. 污泥设计泥质成分表
该污泥干化焚烧项目位于华东某市。含水率80%的污泥干化(成分见表1)焚烧生产线采用干化机进行间接干化，采用鼓泡流化床焚烧炉进行焚烧处理，配置余热锅炉，烟气净化采用“炉内脱硫 + SNCR (选择性非催化还原脱硝) + 静电除尘 + 小苏打干法脱酸 + 活性炭喷射 + 袋式除尘 + 湿法脱酸 + 烟气再热”的组合工艺进行烟气净化处理。
本项目进场污泥来自周边10余个污水处理厂，各污水厂的污泥进场总量、污泥成分都存在较大差异，因此需要梳理、调研不同污泥独立焚烧工程工艺特点，对青浦不同污泥来源进行组分、元素、热值和污染排放等理化特性分析，为后期建立基于热值及污染控制均衡原则的调配方案表，结合各来源产量及运输方式，提出配伍方案及最优污泥进厂调度方案，同时为干化焚烧优化调控研究提供基础。
本工程污泥干化焚烧焚烧炉技术(见表2)参照执行《生活垃圾焚烧大气污染物排放标准》 [
| 序号 | 项目 | 指标 | 检验方法 |
|---|---|---|---|
| 1 | 炉膛(二次燃烧室内)任一点温度 | ≥850℃ | 在炉膛(二次燃烧室)前、中、后三断面分别布设三个以上热电偶测量 |
| 2 | 焚烧炉渣热灼减率 | ≤5% | HJ/T20 |
| 3 | 焚烧炉出口烟气中氧含量 | 6~12% | GB/T16157 |
表2. 焚烧炉技术性能指标
本工程烟气排放按地标《生活垃圾焚烧大气污染物排放标准》DB31/768-2013并兼顾欧盟2010烟气排放限制标准(最终以环评批复为准)。本工程拟定的烟气污染物排放指标见表3：
| 序号 | 污染物名称 | 单位 | DB31/768-2013 | EU2010/75/EC | 本工程目标 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1小时均值 | 24小时均值 | 1小时 均值 | 24小时 均值 | ||||
| 1 | 颗粒物 | mg/Nm3 | 20 (测定均值) | 10 | 10 | ||
| 2 | HCl | mg/Nm3 | 50 | 10 | 10 | 50 | 10 |
| 3 | HF | mg/Nm3 | - | - | 1 | 1 | |
| 3 | SO2 | mg/Nm3 | 100 | 50 | 50 | 100 | 50 |
| 4 | NOx | mg/Nm3 | 250 | 200 | 200 | 250 | 200 |
| 5 | CO | mg/Nm3 | 100 | 50 | 50 | 100 | 50 |
| 6 | Hg及其化合物 | mg/Nm3 | 0.05 (测定均值) | 0.05 (测定均值) | 0.05 (测定均值) | ||
| 7 | Cd、Tl及其化合物 | mg/Nm3 | 0.05 (测定均值) | 0.05 (测定均值) | 0.05 (测定均值) | ||
| 8 | 锑、砷、铅、铬、钴、铜、锰、镍及其化合物 | mg/Nm3 | 0.5 (测定均值) | 0.5 (测定均值) | 0.5 (测定均值) | ||
| 9 | 烟气黑度 | 林格曼级 | 1 | - | 1 | ||
| 10 | 二噁英类 | ng TEQ/Nm3 | 0.1 (测定均值) | 0.1 (测定均值) | 0.1 (测定均值) | ||
表3. 烟气污染物排放指标
本工程出水纳管，主要排放指标见表4。对于生活污水，生活污水纳管水质执行《污水排入城镇下水道水质标准》GB/T 31962-2015 [
| 序号 | 污染物 | 标准值 |
|---|---|---|
| 1 | pH | 6~9 |
| 2 | 色度(稀释倍数) | 64 |
| 3 | 溶解性总固体(TDS) | 2000 |
| 4 | 悬浮物(SS) | 400 |
| 5 | 五日生化需氧量(BOD5) | 300 |
| 6 | 化学需氧量(CODCr) | 500 |
| 7 | 氨氮(NH3-N) b | 45 |
| 8 | 总氮(TN) | 70 |
| 9 | 总磷(TP) | 8 |
| 10 | 硫化物(以S计) | 1.0 |
| 11 | 氟化物(以F计) | 20 |
| 12 | 总铜(以Cu计) | 2.0 |
| 13 | 总锌(以Zn计) | 5.0 |
| 14 | 总铁(以Fe计) | 10 |
| 15 | 氯化物 | 800 |
| 16 | 总汞(以Hg计) | 0.005 |
| 17 | 总镉(以Cd计) | 0.01 |
| 18 | 总铬(以Cr计) | 0.5 |
| 19 | 六价铬(以Cr+6计) | 0.1 |
| 20 | 总砷(以As计) | 0.05 |
| 21 | 总铅(以Pb计) | 0.1 |
| 22 | 总镍(以Ni计) | 0.1 |
| 23 | 总银(以Ag计) | 0.1 |
| 24 | 总硒(以Se计) | 0.1 |
表4. 出水标准(单位mg/L)
臭气集中收集后，经过除臭装置处理后，15 m高空排放，排放标准选用《恶臭(异味)污染物排放标准》(DB31/1025-2016) [
| 序号 | 污染物指标 | 周界监控点限值 | 15 m高空排放标准 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 单位 | 标准限值 | 允许排放浓度(mg/m3) | 允许排放速率(kg/h) | ||
| 1 | 氨 | mg/m3 | 0.2 | 30 | 1.0 |
| 2 | 硫化氢 | mg/m3 | 0.03 | 5 | 0.1 |
| 3 | 甲硫醇 | mg/m3 | 0.002 | 0.5 | 0.01 |
| 4 | 甲硫醚 | mg/m3 | 0.02 | 5 | 0.1 |
| 5 | 二甲二硫 | mg/m3 | 0.04 | 5 | 0.26 |
| 6 | 二硫化碳 | mg/m3 | 0.3 | 5 | 1 |
| 7 | 苯乙烯 | mg/m3 | 0.7 | 15 | 1 |
| 8 | 乙苯 | mg/m3 | 0.4 | 40 | 1.5 |
| 9 | 丙醛 | mg/m3 | 0.08 | 20 | 0.3 |
| 10 | 正丁醛 | mg/m3 | 0.06 | 20 | 0.2 |
| 11 | 正戊醛 | mg/m3 | 0.04 | 20 | 0.2 |
| 12 | 甲基乙基酮 | mg/m3 | 1.0 | 50 | 5 |
| 13 | 甲基异丁基酮 | mg/m3 | 0.7 | 80 | 3 |
| 14 | 丙烯酸 | mg/m3 | 0.11 | 20 | 0.5 |
| 15 | 丙烯酸甲酯 | mg/m3 | 0.4 | 20 | 1 |
| 16 | 丙烯酸乙酯 | mg/m3 | 0.4 | 20 | 1 |
| 17 | 甲基丙烯酸甲酯 | mg/m3 | 0.2 | 20 | 0.6 |
| 18 | 一甲胺 | mg/m3 | 0.03 | 5 | 0.11 |
| 19 | 二甲胺 | mg/m3 | 0.04 | 5 | 0.15 |
| 20 | 三甲胺 | mg/m3 | 0.05 | 5 | 0.2 |
| 21 | 乙酸乙酯 | mg/m3 | 50 | 1 | |
| 22 | 乙酸甲酯 | mg/m3 | 50 | 1 | |
| 23 | 臭气浓度 | 无量纲 | 10 | 600(无量纲) | |
表5. 恶臭污染物周界及有组织排放标准一览表
| 锅炉类别 | 颗粒物 | 二氧化硫 | 氮氧化物 (以NO2计) | 烟气黑度 (林格曼黑度，级) | 监控位置 |
|---|---|---|---|---|---|
| 气态燃料锅炉 | 10 | 10 | 50 | ≤1 | 烟道或烟囱 |
表6. 锅炉排放指标
经过分析发现，项目所在地十大污水处理厂总平均进泥量约为5489.70 (设计值为9000 t)，负荷为61.0%。图1可知，二污厂污泥量最大，达到46.42% (2548.25 t/月)，其次分别为华新和徐泾，分别占比18.27% (1003.15 t/月)和11.11% (609.65 t/月)。整体而言，除二污厂泥量有一定的波动，处于每月递增的阶段，其余厂污泥量均较为稳定。
图1. 各厂月均污泥量占比
由于前期二污厂污泥较为不稳定，因此每月均对其所有数值进行跟踪研究，其余污水厂根据计划进行泥质分析。根据计划，从2023年起，仅对二污厂污泥泥质进行送样检测。
图2可知，根据加权计算(泥量占比)，总体的污泥加权含水率约为77.80%，相比较与设计值(80%)，具有一定的差距。而且，每个厂的含水率均有不同的特性。含水率加权均值在设计值附近的为一污(79.46%)，朱家角(80.40%)，金泽(80.55%)和西岑(79.83%)。华新和白鹤含水率低，分别为76.35和74.42，且数值区间大(25%~75%)，波动大。其余几个污水厂除金泽外，含水率较处于较低水平，且波动较小，对主工艺的影响较小。因此需要重点关注白鹤，金泽以及华新的含水率问题，确保严重低于设计或高于设计值的污泥不进入主工艺，避免造成不必要的损失和运营问题。
图2. 各厂污泥月均含水率
图3显示了各污泥的热值情况，整体污泥的热值处于较低水平，与设计值相差23.59%。平均热值高于基准线为徐泾、二污、一污、西岑。热值最低为白鹤(7.96 MJ/kg)，其次为商塌(8.28 MJ/kg)，朱家角和西岑的污泥平均热值也比较差。此外，华新、练塘、白鹤的波动性较大。因此，就热值而言，需要重点关注白鹤、朱家角、金泽、商塌四个污水厂泥质情况。
图3. 各厂污泥热值情况
如图4所示，十个污水处理厂干基挥发分范围为31%~46%，干基固定碳范围为5%~8%，干燥基灰分为46%~64%，较设计值而言(45.83%)，处于较高水平，这与污水厂水质参数具有重要联系。
图4. 污泥灰分含量情况
图5显示了污泥的元素组情况。各污水厂污泥的干基碳和干基氮的含量处于较低水平，其余数值较为正常。值得一提的是，一污厂的干基氯数值异常，达到66.04 mg/kg，远高于设计值0.03 mg/kg，需要重点关注。
图5. 污泥元素分析情况
Table.7. The composite analysis of sludge from each plant
表7. 污泥基础数据分析
注：1劣质污泥，2中质污泥，3优质污泥。
本研究对不同污泥来源的组分、元素组成、热值等理化特性进行了为期半年的跟踪测试(表7)，根据污泥的性质，对各厂的污泥优劣进行简单分析，结论如下：
(1) 经过分析发现，项目所在地十大污水处理厂总平均进泥量约为5489.70 t (设计值为9000 t)，负荷为61.0%。二污厂污泥量最大，达到46.42% (2548.25 t/月)，其次分别为华新和徐泾，分别占比18.27% (1003.15 t/月)和11.11% (609.65 t/月)。整体而言，除二污厂泥量有一定的波动，处于每月递增的阶段，其余厂污泥量均较为稳定。
(2) 污泥加权平均含水率约为77.80%，相比较与设计值(80%)，具有一定的差距。含水率加权均值在设计值附近的为一污(79.46%)，朱家角(80.40%)，金泽(80.55%)和西岑(79.83%)。华新和白鹤含水率低，分别为76.35和74.42，且数值区间大(25%~75%)，波动大。其余几个污水厂除金泽外，含水率处于较低水平，且波动较小，对主工艺的影响较小。需要重点关注白鹤，金泽以及华新的含水率问题，确保严重低于设计或高于设计值的污泥不进入主工艺，避免造成不必要的损失和运营问题。
(3) 热值分析可知，整体污泥的热值处于较低水平，与设计值相差23.59%。平均热值高于基准线的为徐泾、二污、一污、西岑。热值最低为白鹤(7.96 MJ/kg)，其次为商塌(8.28 MJ/kg)，朱家角和西岑的污泥平均热值也比较差。此外，华新、练塘、白鹤的波动性较大。因此，就热值而言，需要重点关注白鹤、朱家角、金泽、商塌四个污水厂泥质情况。
本研究由上海环境集团股份有限公司“污泥干化独立焚烧关键技术优化及工程示范课题资助(A1HJ-HJY-0019-2021)”。
朱 峰,丁冠文,刘泽庆. 污泥干化焚烧项目泥质分析研究Sludge Analysis of Sludge Drying and Incineration Projects[J]. 环境保护前沿, 2023, 13(02): 461-469. https://doi.org/10.12677/AEP.2023.132058