某市政污泥處理處置工程設計運行案例分析
行業(yè)動態(tài)
1 前言
1.1 目前污水廠污泥處理的現(xiàn)狀形勢
污水類型是以冶煉、石油化工為主的工業(yè)污水，廢水中含有油類、氰化物、酚類、硫、砷、芳烴、酮類等污染物質(zhì)，毒性較強、成分復雜。根據(jù)環(huán)保局的要求，工業(yè)污水處理廠產(chǎn)生的污泥暫定為危險廢物，因此，亟需新建工程處理污泥，防止對環(huán)境造成二次污染。
目前，產(chǎn)生的污泥是外送至其他危廢處置廠處置，處理成本極高，而且污泥量遠超過危廢處置廠的處理能力。成本高和處置量極不平衡的矛盾日益突出。
1.2 污泥處理處置工程的必要性
污水廠污泥處理處置工程主要處理的是規(guī)模為3萬m3/d工業(yè)污水處理后所產(chǎn)生的污泥，同時接納開發(fā)區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)所產(chǎn)生的危廢污泥。
首先，項目是為解決自身工業(yè)污水處理產(chǎn)生的危廢污泥找出路，保障該園區(qū)內(nèi)的工業(yè)污水處理能力，是環(huán)境保護的需要。其次，該園區(qū)內(nèi)一大批工業(yè)項目即將建成，其配套的污水處理和污泥處理設施也同步建成。該項目的投產(chǎn)解決了污泥的出路，保證了其他招商引資項目的順利進行，是經(jīng)濟發(fā)展的迫切需要。再者，干化后的污泥其熱值較高，有效地減少了輔助燃料的投入，能大幅度降低能耗，污泥焚燒后僅剩10%的無機灰分，能做到較大限度的減量化，是節(jié)能減排的需要。
因此，為徹底解決工業(yè)污水處理和該園區(qū)內(nèi)工業(yè)污水處理站產(chǎn)生的危廢污泥，盡快籌建污泥處理處置工程十分必要。
1.3 污泥處理處置工藝的技術特點和優(yōu)勢
工程的污泥處理處置技術采用的是干化焚燒方案，主要由三個單元構成，即薄層干化單元、焚燒單元、余熱利用煙氣處理單元。
脫水污泥的含水率為80%，其熱值不足以維持干化焚燒工藝的正常運行，存在能量缺口，必須添加熱源。項目地處石化園區(qū)，項目建設地點能因地制宜地選擇和利用清潔能源，確保穩(wěn)定運行，達到經(jīng)濟可靠的需求，這是項目工程技術定位的關鍵因素和主要優(yōu)勢。
薄層干化單元在國內(nèi)危廢污泥處理處置行業(yè)有成熟的業(yè)績。其系統(tǒng)簡單，工藝成熟，既可以半干化，又可以全干化，兩者可以靈活調(diào)節(jié)，對污泥泥質(zhì)的波動技術適應性較強；設備數(shù)量少，占地面積較??；系統(tǒng)單元為低氧運行，杜絕粉塵爆炸的危險性，具備較高的安全性。
焚燒單元采用回轉窯焚燒爐和二燃室組合，回轉窯爐可處理多種廢物，對廢物的適應性較廣。污泥在焚燒時間固相停留時間＞1h，不會出現(xiàn)“短流”現(xiàn)象，氣相停留時間易于控制，再通過后設二燃室保證廢物的完全焚燒，在高溫運行條件下操作的穩(wěn)定性較好。
煙氣凈化采用“SNCR+急冷半干式噴淋+袋式除塵+SCR+濕式洗滌+煙氣再熱”的高標準組合工藝，有害物質(zhì)去除率較高，反應劑消耗量較少，可以有效控制二惡英。
2 工程簡介
2.1 污泥處理處置工程的建設內(nèi)容
建設內(nèi)容包括污泥干化、污泥焚燒、煙氣處理、配套設施。
2.2 工程建設規(guī)模論證分析
工程擬分兩期建設，總處理規(guī)模為24tDS/d，目前一期工程建設規(guī)模確定為12tDS/d。
3 工程處理處置污泥的特性分析
3.1 處理處置對象
工程處理處置對象主要針對目前一期工業(yè)污水處理所產(chǎn)生的危廢污泥，同時兼顧該石化經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)內(nèi)各工業(yè)企業(yè)污水處理廠產(chǎn)生的危廢污泥。
3.2 危廢污泥主要來源
以煉油、石油化工為主的工業(yè)污水，廢水中含有油類、氰化物、酚類、硫、砷、芳烴、酮類等高污染物質(zhì)，COD較高，毒性較強，成分復雜。根據(jù) 和當?shù)氐南嚓P文件，此類污水處理后所產(chǎn)生的污泥需作為危險廢物進行處理與處置。
3.3 泥質(zhì)特點
工業(yè)污水處理廠產(chǎn)生的脫水后污泥含水率一般在78%～82%，其性質(zhì)為軟性固體、糊狀、褐色、異臭味較濃、伴有氨氣、硫醚臭等刺激性氣味，比重約為1.1t/m3。
3.4 污泥組分
污泥中有機成分復雜，含有大量的蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪、維生素、礦物油、洗滌劑、腐殖質(zhì)、細菌及代謝物、各種含氮、含硫物質(zhì)、揮發(fā)性異臭物、致病微生物等。
污泥中的無機成分有礦物鹽（硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨鹽等）、石灰類（干CaO或含水的Ca(OH)2等）、砂類（SiO2）和灰分。
結合現(xiàn)有工業(yè)污水處理單元所產(chǎn)生的污泥分類，其中物化處理單元的污泥熱值為8.41MJ/kg（折合約2009kcal/kg）；生化處理單元的污泥為12.35MJ/kg（折合約2950kcal/kg）。根據(jù)工程可行性研究報告的論證分析結論，污泥的干燥基熱值按照2680kcal/kg設計。
4 污泥處理處置工程確定的技術標準
4.1 污泥干化處理指標
污泥干化處理指標如下表所示：
污泥類別 | 含水率 | 暫定含水率標準 |
脫水污泥 | 75%～85% | 80% |
半干污泥 | 30%～40% | 35% |
全干污泥 | 10%～20% | 10% |
污水處理廠污泥脫水后含水率一般在75%～85%，其性質(zhì)為軟性固體，褐色，異臭味濃，比重約為1.01t/m3。為使后續(xù)污泥干化焚燒設施能夠經(jīng)濟高效運行，污水處理單元中污泥脫水設施原則上應滿足標準《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》（GB 24188-2009）中規(guī)定的含水率小于80%的要求。但為確保系統(tǒng)對脫水污泥的受納緩沖能力，充分考慮了污泥含水率的波動對系統(tǒng)處理能力的影響。
4.2 污泥焚燒技術指標
污泥焚燒技術指標如下表所示：
受控項目 | 焚燒爐溫/℃ | 煙氣停留時間/s | 焚燒效率 | 焚毀去除率 | 殘渣熱灼減率 |
處理指標 | ≥1100 | ≥2.0 | ≥99.9% | 99.99% | ＜5% |
對于常規(guī)的污泥干化焚燒系統(tǒng)，爐膛出口溫度需達到850℃，但該工程是危險廢物焚燒，燃燒溫度按照≥1100℃是強制性規(guī)定。
4.3 煙氣處理技術指標
污泥焚燒過程中產(chǎn)生的煙氣控制目標執(zhí)行環(huán)評批復要求的煙氣排放標準，即《危險廢物焚燒污染控制標準》（GB 18484-2001）中大氣污染物排放限制（二惡英執(zhí)行0.1 TEQ ng/m3）和《大氣污染物綜合排放標準》（GB 16297-1996）中二級標準，通過45m的高煙囪排放。
4.4 臭氣處理后的技術指標
臭氣處理后需滿足《惡臭污染物排放標準》（GB 14554-1993）中的二級標準。
4.5 廢水處理指標
系統(tǒng)產(chǎn)生的所有廢水經(jīng)本廠內(nèi)管網(wǎng)收集后排入工業(yè)污水處理廠。
5 工程整體處置工藝應用分析
5.1 污泥處理處置整體工藝
根據(jù)《污水廠污泥處理處置工程可行性研究報告》評審結論，工程污泥處理處置推薦采用污泥干化+污泥焚燒工藝。
5.1.1 污泥干化工藝分析
工程的污泥屬于危險廢物，工藝設計端主要以下面四個方面作為干化設備選型的原則。
（1）在國內(nèi)污水廠污泥處理和危廢污泥處理處置行業(yè)內(nèi)擁有良好的使用業(yè)績，需具有兩個以上的工程應用實例，其中至少有1個工程已穩(wěn)定運行1年以上，至少有1個工程屬于危廢污泥處理處置業(yè)績。
（2）系統(tǒng)簡單，工藝成熟，對污泥泥質(zhì)波動的適應性強。
（3）污泥的干化系統(tǒng)應該具有較高的安全性。
（4）干化廠惡臭污染物和噪聲的控制與防治應符合 相關標準的規(guī)定。
適合污泥干化類型有流化床式、圓盤式、兩段式、薄層式、槳葉式5種。
相對來說，薄層干化機工藝簡潔成熟、安全性高、經(jīng)濟適應性好，且在國內(nèi)有化工危廢污泥的干化業(yè)績。因此，經(jīng)過論證分析，選擇薄層污泥干化工藝。
5.1.2 污泥焚燒工藝分析
適合工程的焚燒爐型有機械爐排、回轉窯、流化床焚燒爐三種。根據(jù)項目的特點，選擇回轉窯焚燒爐更為合適。
回轉窯焚燒爐對焚燒廢物的適應性強，技術成熟，運行可靠，簡單，可很好地滿足各種危廢焚燒的進料、出渣、燃燒完全等方面的要求。因此，原則回轉窯焚燒工藝，采用順流布置。
5.2 脫水污泥接收系統(tǒng)
工藝配置：汽車衡+濕污泥接收倉+雙螺旋喂料機+單螺桿輸送泵。
車載或袋裝含水率為80%的濕污泥經(jīng)汽車衡稱重計量后倒入地下室濕污泥接收倉，經(jīng)脫水污泥輸送泵輸送至污泥干化車間的污泥干燥機內(nèi)，這個過程實現(xiàn)了污泥的進料。
主要設備技術參數(shù)：汽車衡1套，80t量程；濕污泥接收倉1套，容積為30m3；單螺桿輸送泵2套，輸送能力為3m3/h，H=100m，11kW，一用一備。
5.3 污泥干化系統(tǒng)
工藝配置：薄層干化器+線性干化器+產(chǎn)品冷卻器。
薄層干化處理線2條（1用1備），單線平均污泥處理量為60t/d（含水率80%計），出泥為半干污泥，含水率為35%；單臺薄層干化器的蒸發(fā)面積為50㎡。蒸汽進口參數(shù)：溫度為180℃，壓力為1.0MPa，單臺干燥機的理論耗氣量為2330kg/h。
含水率為80%的脫水污泥由污泥泵送入薄層干化器，在蒸汽的加熱下，含水率由80%降為35%左右，實現(xiàn)了污泥的半干化，之后送至回轉窯焚燒爐焚燒處置。
線性干化處理線1條，處理量為769kg/h，污泥進口含水率為35%，出泥含水率為10%，蒸發(fā)面積為50㎡。蒸汽進口參數(shù)：溫度為180℃，壓力為1.0MPa，理論耗氣量為253kg/h。
當污泥焚燒出現(xiàn)故障檢修或者例行檢修時，啟動線性干化機，將污泥含水率降至10%。這個過程就是將薄層干化機出口的含水率為35%的半干污泥通過螺旋輸送機輸送至線性干化機器，通過調(diào)整熱媒流量和溫度實現(xiàn)污泥的含水率達到10%，進行理論全干污泥的生產(chǎn)調(diào)節(jié)。
產(chǎn)品冷卻器處理線1條，處理能力為1.8t/h，污泥進口溫度為110℃，出口溫度為≤45℃，自薄層干化器或啟動的線性干化機生產(chǎn)的半干污泥產(chǎn)品進入污泥冷卻器。冷卻器是一種帶有夾套的螺旋，外殼與軸都通冷卻水，污泥產(chǎn)品被殼體、轉軸內(nèi)流動的冷卻水冷卻，冷卻后的產(chǎn)品污泥可以直接裝車外運，也可以輸送至干化產(chǎn)品料倉內(nèi)暫存，等待后續(xù)處理和應用。
5.4 干污泥輸送及存儲系統(tǒng)
工藝配置：雙向鏈板、斗式提升機、雙向螺旋、料倉存儲。
半干污泥含水率為35%，全干污泥含水率為10%；干污泥濕度＜45℃；全干污泥料倉數(shù)量2座，有效容積為30m3；外來污泥接收倉1座，有效容積為21m3。
干污泥輸送機存儲系統(tǒng)設置的目的有兩個：一是為了實現(xiàn)干化后的污泥直接進入回轉窯進料機構進行焚燒處置；二是當污泥焚燒爐進行故障或理性檢修時，干污泥通過傾斜螺旋底部的分料器進入雙向鏈板輸送機，斗式提升機將干污泥再提升至雙向螺旋分別分配給室外兩個暫存料倉，并能實現(xiàn)裝車外運。
當焚燒檢修完畢恢復正常后，暫存料倉再通過雙向鏈板的反轉，再將污泥送入焚燒系統(tǒng)進行處理。
5.5 污泥焚燒系統(tǒng)分析
在焚燒系統(tǒng)集成方面，首先要定位和遵守的原則有以下幾個方面：
（1）污泥焚燒將遵循“減量化、無害化、穩(wěn)定化、資源化”的方針。
（2）以成熟成套危廢處理技術、工藝為基礎，進行針對性的專門設計。
（3）選用設備成熟可靠，強化關鍵設備的耐腐蝕、抗高溫氧化處理和低故障、長期連續(xù)穩(wěn)定運行性能。
（4）操作的高效性和靈活性。
（5）確保滿足焚燒爐、煙氣排放、環(huán)境噪聲等環(huán)保指標。
（6）較大限度的余熱利用。
（7）盡可能低的運行、維修、養(yǎng)護費用。
工藝配置：回轉窯焚燒爐+二燃室焚燒。
焚燒系統(tǒng)處理線1條，焚燒系統(tǒng)進泥含水率為35%，焚燒處理能力為18.5t/d（含水率35%的污泥）。
5.5.1 回轉窯技術參數(shù)確定及性能特點分析
筒體尺寸為Φ2.4×8m，轉速為0.12～1.2r/min，窯體傾斜度為0.03，采用順流式布置，燃燒溫度為800～1000℃。
工程設計選擇的回轉窯焚燒爐充分具備如下特點：
（1）污泥焚燒時翻騰前進，熱力學的三種傳熱方式并存，熱利用率高。
（2）高溫物料接觸耐火材料，更換爐襯方便，維護檢修成本低。
（3）傳動機理簡單，傳動機構在筒體外殼，設備維修簡單。
（4）對焚燒物的形狀、含水率要求不高。
（5）良好的密封措施和爐膛負壓，保證有害氣體不外泄。
5.5.2 二燃室焚燒技術參數(shù)及性能特點分析
二燃室外徑尺寸為Φ3.2×13.4m，筒體壁厚為10mm。保溫材料配置情況：外表面溫度為60℃，耐熱層§180，保溫層§180，絕熱層§90。二燃室煙氣出口溫度為1100～1200℃，煙氣滯留時間＞2s，二燃室設有檢修門、并設溫度、壓力、氧量儀表等安全附件。
該二燃室的技術特征分析如下：
（1）在二燃室頂部設有緊急排放煙囪，保證在發(fā)生緊急停爐條件時，高溫煙氣緊急導排導大氣中。
（2）整體采用鋼制圓形結構，不存在煙氣死角，空間利用率高。
（3）在結構設計上嚴格執(zhí)行了高停留時間＞2s，煙氣焚燒溫度＞1100℃，煙氣與燃氣的高湍流混合度。
（4）二燃室內(nèi)配置了二次風設計，多點切向強制供風，確保焚燒分解徹底。
（5）完善的監(jiān)測控制技術設計，安裝有壓力、溫度、氧量儀等，能在線監(jiān)測污泥的焚燒工況。
（6）獨特的防結灰設計，立式結構，便于煙氣流速控制，本質(zhì)上具有自清灰能力。
（7）設有安全保護裝置，防止爐內(nèi)爆炸，一旦在停水、停電緊急狀態(tài)時，緊急排放煙囪打開，將爐內(nèi)的高溫煙氣安全地排放到大氣中去，該裝置安裝在二燃室頂部2.5m高空位置，其技術參數(shù)為φ1.0×2.5m，內(nèi)徑為0.6m，采用澆注料保溫，與二燃室采用法蘭連接，防爆開蓋采用氣動形式，立式安裝。
5.6 余熱利用系統(tǒng)
工藝設備：采用余熱鍋爐回收熱量。
膜式水冷壁鍋爐1臺，鍋爐給水溫度為104℃，蒸發(fā)量為1.9t/h，蒸發(fā)波動為1.5～2.0t/h。蒸汽參數(shù)：184℃，1.1MPa，運行壓力為1.1MPa。鍋爐進口的高溫煙氣溫度為1100℃，出口溫度為550℃。蒸汽汽包為4m3，￠1.0×5.5m。鍋爐結構為雙回程膜式水冷壁結構，其鍋爐本體的附屬配件有卸灰螺旋、1個電動葉片卸灰閥、2個SNCR噴嘴等。
余熱利用系統(tǒng)設計主要是利用煙氣中的余熱產(chǎn)生蒸汽，高溫煙氣的熱量在余熱鍋爐內(nèi)被回收，煙氣溫度由1100℃降至550℃，產(chǎn)生的蒸汽用于污泥的干燥單元。干燥污泥后的蒸汽被冷凝成冷凝水再回到余熱鍋爐循環(huán)利用，達到經(jīng)濟運行的目的。
5.7 煙氣處理系統(tǒng)技術設計分析
工藝路線：SNCR+急冷半干式脫酸塔+袋式除塵器+SCR+濕式洗滌+GGH。
煙氣凈化處理線1條，煙氣處理量為4237Nm3/h（按余熱鍋爐出口煙氣量計）。根據(jù)污泥中所含污染物的成分分析，其焚燒后煙氣中的污染物大致分為以下幾種：
（1）不完全燃燒物：碳氫化合物燃燒后產(chǎn)生的無害的二氧化碳和水，可以直排。在燃燒不良時產(chǎn)生一氧化碳、炭黑、烴、烯、酮、醇、有機酸和聚合物。
（2）粉塵：包括污泥中的惰性金屬鹽，通過袋式除塵器、濕法洗滌法去除。
（3）酸性氣體：氯化物、鹵化氫、硫化物、氮氧化物、無氧化磷等，通過急冷半干式脫酸塔、濕式洗滌法去除。
（4）重金屬物：鉛、汞、鉻、鎘、砷等的元素態(tài)、氧化物及氯化物等。其中可揮發(fā)的金屬物在低溫去自行凝結顆粒被飛灰吸附后，通過袋式除塵器截濾下來；部分不凝性不易吸附的金屬氯化物，利用其溶于水的特性在濕法洗滌塔內(nèi)去除。
（5）二惡英類：本項目采取的技術措施有三種。 是在回轉窯焚燒階段保持＞800℃的高溫工況，抑制其合成量；第二是煙氣管路中噴入活性炭吸附二惡英生成的前驅物HCl，及其合成反應的催化劑重金屬等；第三是保證急冷半干脫酸塔的入口溫度在500℃左右，出口溫度在200℃以下，冷卻時間＜1s，有效避開二惡英的再合成。
（6）NOx：采用兩級脫氮工藝，在余熱鍋爐處設置了SNCR法，控制NOx，第二級在袋式除塵器之后甚至SCR法反應器，進一步控制了NOx。
5.8 公共輔助系統(tǒng)
公共輔助系統(tǒng)主要用于輔助污泥干化焚燒及煙氣處理系統(tǒng)的運行，包括堿液制備、化水制備、液氨車間、灰渣收集、壓縮空氣、CEMS系統(tǒng)等。
6 工程設計投資、建造、后期運營情況分析
6.1 工程投資分析依據(jù)
按照當?shù)噩F(xiàn)行的建筑工程概算定額，當?shù)噩F(xiàn)行的建設工程建安工程費用計算程序表，當?shù)噩F(xiàn)行的市政工程設計概算編制辦法，當?shù)禺敃r的建設工程造價信息季度信息表，結合同領域類似工程技術經(jīng)濟指標，工程總投資為21190.45萬元，其中干化焚燒工程直接費用為13786.99萬元，設計單位處理成本為1372.10元/t（含水率按80%計），單位經(jīng)營成本為749.10元/t（含水率按80%計）。
6.2 工程投資回收期分析
項目資金來源70%為銀行貸款（貸款利率按6.55%計），30%為自籌資金，建設期一年左右。
污水廠污泥處理處置收費標準按980元/t計算，項目投資財務內(nèi)部收益率為9.09%（稅前），大于行業(yè)基準收益率5%，項目投資回收期為10.15年（稅前），小于行業(yè)基準投資回收期18年。
7 工程效益和環(huán)境效益分析
7.1 投運后危廢污泥處置評估
污水廠污泥處理處置工程投運后，為3萬t/d工業(yè)污水處理單元運行過程中產(chǎn)生的脫水后危廢污泥能得到有效處置提供可靠保障。經(jīng)環(huán)評核定，項目的運管嚴格與配套建設目標一致，污泥干化焚燒處理量達到12tDS/d，折合脫水污泥60t/d（按含水率80%計），年處理污泥量≥4380tDS/a。
7.2 工程投運后的環(huán)境效益分析
投入運營后以服務社會和該石化園區(qū)為主要目的，不僅為開發(fā)區(qū)工業(yè)污水處理廠產(chǎn)生的污泥和各園區(qū)各工業(yè)污水處理廠產(chǎn)生的污泥徹底解決找到了出路，也為污水處理廠污泥處置的安全性和多樣性作出新的貢獻，同時也為減少污泥處理的二次污染體現(xiàn)出難以用貨幣衡量的環(huán)境效益。
工程的正式投運意味著工業(yè)污水處理廠的污泥真正朝著穩(wěn)定化、無害化、減量化的方向發(fā)展，為該城市及石化經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)經(jīng)濟實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻。
工程建成投入商業(yè)運營管理后，開發(fā)公司將本著“保本微利”商業(yè)運作原則，向用戶收取適當?shù)奈U污泥處置費，維持自身的正常運轉，為更好地改善石化園區(qū)投資環(huán)境提供積極又巨大的間接經(jīng)濟效益。
8 結語與討論
當前污水廠在處理污水過程中污泥量與污泥處理處置成本高是一個普遍存在的難題，且極不平衡，因此新建污泥處理處置工程，迫在眉睫且非常必要。
工程設計中的干化工藝、焚燒工藝、煙氣凈化工藝的路線選擇和設備配置形式與其他工程案例相比已屬于高標準的工藝組合。
考慮到今后污泥泥質(zhì)有一定的不確定性，可能會在工程調(diào)試器針當時的泥質(zhì)情況，對工藝環(huán)節(jié)進行一定的技術優(yōu)化，也會導致設備的投資增加或運行成本的浮動等。
