市政污泥与生活垃圾协同焚烧实例分析
导 读
对多种市政污泥焚烧工艺进行比较，认为市政污泥与生活垃圾协同焚烧处理是一种安全、稳定、环保的污泥处理方案，适应我国现阶段的环保形势。通过分析污泥干基热值与干化程度之间的关系，阐述了其对干化工艺和干污泥输送方式的影响。结合国内协同焚烧的工程实例，总结了不同干化系统的特点和适用性。
引用本文：祁司亮，洪光. 市政污泥与生活垃圾协同焚烧处理探讨［J］. 给水排水，2023，49（2）：50-55.
01、污泥焚烧工艺对比
近年来污水处理设施在全国范围内大规模建设。据住房城乡建设部的统计，截至2020年，全国城市污水处理厂（含县城）共有3 878座，年处理污水量665.89亿t，污水处理率95%以上。污水处理会产生污泥，富含难降解的有机物、重金属、致病菌等，如不妥善处理，会对环境产生二次污染。据统计，2020年全国干污泥年产量达1333.2万t，折合含水率80%的污泥6 600万t。
2021年6月，国家发展改革委、住房城乡建设部印发《“十四五“城镇污水处理及资源化利用发展规划》提出：到2025年，城市和县城污泥无害化、资源化利用水平进一步提升，城市污泥无害化处置率达到 90%以上；长江经济带、黄河流域、京津冀地区建制镇污水收集处理能力、污泥无害化处置水平明显提升。到2035年，全面实现污泥无害化处置。
我国自“十一五”就开始从政策层面规范和指导污泥处理处置技术的选择和应用。《城镇污水厂污泥处理处置及污染防治技术政策》（试行）指出，经济较为发达的大中城市，可采用污泥焚烧工艺。鼓励采用干化焚烧联用的方式，提高污泥的热能利用效率；鼓励污泥焚烧厂与垃圾焚烧厂合建；在有条件的地区，鼓励污泥作为低质燃料在火力发电厂焚烧炉、水泥窑或砖窑中混合焚烧。我国幅员辽阔，各地经济发展水平、污泥泥质情况和相关设施差距较大，应因地制宜地确定工艺路线。
上文提到4种污泥焚烧工艺：①燃煤电厂协同处理污泥工艺（简称燃煤电厂）；②水泥窑协同处理污泥工艺（简称水泥窑）；③污泥独立焚烧工艺（流化床焚烧，非协同工艺，简称流化床）；④垃圾焚烧厂协同处理污泥工艺（主流为炉排炉，简称垃圾焚烧厂）。总结见表1。
表1 多种污泥焚烧工艺的对比
综上，通过4种工艺的比较可得下列结论：
（1）流化床焚烧炉适宜处理市政污泥，上海、深圳、成都建设了一批示范性的污泥独立焚烧设施。多数地区的市政污泥干基热值仍偏低，尚无法自持燃烧，且污泥独立焚烧工艺复杂、运营成本高，更适宜污泥产量集中、财政实力强的地区。
（2）燃煤电厂、水泥厂的炉窑处理容量大、炉温高，分解有害物质很彻底。但有四方面的劣势：①各地产业差异大，部分地区有污泥处理需求，但无临近的燃煤电厂或水泥厂，不满足属地处理的原则。②国家的政策导向使各地的产业结构在持续变化，作为节能减排重点企业的燃煤电厂和水泥厂能否持续作为污泥处理的辅助设施，需统筹考虑。③燃煤电厂和水泥厂分属电力和水泥行业，涉及物料与市政污泥差异极大，采用协同处理需要考虑对其整体工艺的稳定性的影响。④市政污泥处理、燃煤电厂、水泥厂行业不同，协同处理需要在建设、运营、环保等方面进一步协调。
（3）生活垃圾与市政污泥均属城市固废，协同处理的优势如下：①全国各地焚烧厂较为常见，污泥协同处理的区位条件相对便利，垃圾、污泥处理设施集中规划也有先例。②市政污泥相较生活垃圾的水分大、灰分高，但两者的成份依然是最接近的，在掺烧比例合理的情况下，对生产影响是可控的。③垃圾焚烧与污泥处理在建设、运营、环保等标准制度上相对统一。④污泥干化工艺需要蒸汽、压缩空气、冷却水等，可由垃圾焚烧厂提供；同时，污泥干化产生臭气、污水可由焚烧厂设施消纳，互补性很强。
02、市政污泥与生活垃圾协同焚烧处理的工艺路线
“污泥热干化+生活垃圾掺烧”是市政污泥与生活垃圾协同焚烧的基本工艺路线（见图1）。市政污泥进行热干化处理，随着水分蒸发，污泥减量的同时提高热值。蒸汽源于垃圾焚烧厂汽轮机的抽汽，用于干化污泥后产生冷凝水，仍可循环利用。臭气输送至垃圾仓，由一次风机抽送至焚烧炉燃烧。干化污泥和生活垃圾按照一定比例焚烧协同处理，终产物为炉渣。
图1 市政污泥与生活垃圾协同焚烧处理的工艺流程
此类工程业绩在国内已有很多。陈海军、吕家扬等人通过实例研究，发现半干市政污泥掺烧比例低于15%的情况下，烟气中HCl、SO2、重金属、二噁英等各项指标均达标。刘涛研究了不同掺烧比例下的成本收益，认为10%以内的掺烧比例对全厂的经济性的影响低于5%。
垃圾焚烧须用热干化对入厂湿污泥进行热干化，依据市政污泥的干化程度可分为三类：①全干污泥（含水率15%以下）。②半干污泥（含水率30%~40%）。③半干污泥（含水率55%~65%）。污泥不同干化程度的技术比较可见表2。
表2 污泥的三种干化程度的比较
注：干化机中，桨叶、圆盘、薄层为间接干化原理，带式干化机为直接干化原理。
表3总结了不同含水率下适宜的污泥输送方式。含水率超过60%的半干污泥，采用泵送输送，对环境更友好；含水率越低，可采用的输送方式越局限，如仅可由机械或车辆输送，对环境有消极影响；污泥含水率在45%~60%时易处于黏滞区，通常认为输送难度大，不建议将其用于工程实践。
表3 不同含水率下污泥输送方式的选择
污泥干化和污泥输送对于污泥干化程度都有各自的要求，前者更多地起主导作用，后者处于从属地位。
03、干化程度选择的探讨
市政污泥泥质对整体工艺路线的影响很大，表4是对部分城市市政污泥的检测结果。
表4 部分城市的污泥分析基
市政污泥与生活垃圾成份差异体现在三方面：①生活垃圾中灰分更低，一般不高于30%；②生活垃圾干基热值可达12~25MJ/kg，高于污泥的热值；③生活垃圾原始含水率50%~70%，较市政污泥含水率更低。为保证焚烧炉稳定燃烧，就必须适当降低污泥含水率，保证干化后污泥满足自持燃烧的要求。生活垃圾的湿基热值不低于4.4MJ/kg就可满足自持燃烧，污泥干化程度应确保入炉污泥热值与之接近。参照《生活垃圾采样和分析方法》（CJ/T 313-2009）的热值计算公式，可得不同干基热值下污泥在多种含水率情况下收到基热值。如图2所示。
图2 不同干基热值及含水率条件下的收到基热值
由图2可知，污泥的干基热值一定，含水率对污泥的湿基热值有决定性作用。发展水平较低的城市，污泥干基热值在6~8MJ/kg内，可采用全干化的工艺，热值越低，干化程度要求越高；对于经济成规模的城市，污泥干基热值可达8~12MJ/kg，可采用半干化的工艺，干化至30%~40%；对于发达城市，如污泥干基热值达16MJ/kg，仅将其含水率控制在65%~70%，即可满足与垃圾掺烧的需求；对于污泥干基热值在12~16MJ/kg内的市政污泥，须要在污泥的焚烧和输送、近期和远期等多方面权衡选择工艺方案。现阶段市政污泥与生活垃圾协同采用半干化（含水率30%~40%）最常见，对应了我国现阶段的总体发展水平。表4中城市污泥干基热值已接近甚至超过9MJ/kg，未来仍有增长潜力，也是造成当前多种处理方式并存局面的原因。
04、协同处理的工程实例分析
污泥干化是主要的耗能单元，决定了整套系统的能耗水平。蒸发效率与干化要求有关，含水率由80%降至60%蒸发效率较高，继续干化的蒸发效率则会下降，能耗增大。因此，过度强调污泥的干化程度高在能效上是不利的。
本文的工程实例是国内在运的焚烧厂，处理服务区域内的生活垃圾，同时接收的来自污水处理厂的湿污泥。五家焚烧厂采用不同的干化工艺，除天津A项目采用“间接干化+直接干化”两段式干化使污泥达至全干状态，其它项目均采用间接干化仅使污泥达半干状态。生产数据的对比详见表5。
表5 工程实例的生产数据
注：①蒸汽、电耗量以污泥中蒸发水分为基准，掺烧比例以80%污泥为基准。
由表5可知，进入垃圾焚烧厂的市政污泥含水率存在差距。《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）的4.3.2条规定，城镇污水处理厂的污泥出厂含水率应小于80%。国内多数污水处理厂都遵照此执行，上海部分地区污水处理厂通过添加调理剂进行污泥压滤，含水率可进一步降至60%，减小污泥体积，降低外成本。但同时要注意污泥调理剂含有Ca、Al等元素，对垃圾焚烧炉的寿命有影响。
上海C项目未达满负荷，原因是污泥中灰分高，导致水冷壁、过热器等处积灰严重。其它四个项目均满负荷生产，其中与C项目采用同一技术路线的D项目，掺烧比例最高，原因是在污泥在干化后增加了造粒工艺，造粒污泥燃烧状况好，能够缓解锅炉积灰影响，增产效果显著。
圆盘、桨叶、薄层等间接换热干化机的蒸发能力为1~1.5t蒸汽/tH2O，E项目含水率由80%至65%，C和D项目含水率由60%降至30%，两者蒸汽耗量差异显著，干化程度与单位耗量有增长趋势一致。一般认为污泥含水率60%以下，污泥呈现胶黏态，不利于干化机的换热。特别指出天津A项目的两段式干化的第一段采用的薄层干化机与湖南E项目是同型薄层干化机，其干化程度更高而蒸汽单位耗量却更低，原因是薄层蒸发器乏汽可通过换热器将热量回收，用于第二级带式干化机，能够节省能源。
表中项目的掺烧比例，多数项目的掺烧比例（按80%污泥计）在15%以上，最高达38%。按城市居民平均日用水定额250L/(人·d)，产生的污水占用水的95%，污泥产量生占污水的0.05%~0.1%（以80%含水率计），可知每人每日产生的污泥约0.12~0.23kg；按城市居民日产垃圾量不低于1kg/(人·d)。两者协同处理的掺烧比例在在12%~25%。而表5中数据已经明确，比例超过20%的掺烧，在协同处理中同样是可行的。
以上分析可以得到一些启示：①全干化（含水率15%以下）对焚烧炉的适应性是最强的，比较适合干质热值很低的污泥项目，一方面需要考虑安全性，另一方面应采用能源回收的方式来降低运营成本；②半干化（含水率30%~40%）是国内主流，与国内经济条件较为适应，在焚烧稳定和能耗上达到相对平衡；③半干化（含水率55%~65%）在实践中的干化污泥含水率不宜低于60%，否则泵送容易产生阻塞，此类项目在国内较少，原因在于干基热值需达到特定要求，且工艺设备投入大，但考虑到我国污泥中有机份还在提升，干基热质未来仍有上升潜力，在未来仍然有上升空间。
不同干化系统的电耗，因主机设备、输送设备及配套辅助设备的配置差异较大，涉及因素较复杂，难以给出有建设性的结论，仍需进一步研究。
05、结果与展望
本文对多种市政污泥焚烧技术进行了总结，明确了市政污泥与生活垃圾协同焚烧处理是一种安全、稳定、环保的污泥处理工艺路线。市政污泥经干化后与垃圾焚烧协同处理，一并解决一个区域内的生活垃圾、市政污泥的减量化、无害化问题。
污泥干基热值是污泥干化工艺选择的基础因素，据此确定适宜的污泥干化程度，进而选择较为合理的干化工艺和输送方式，对工程实践有一定的借鉴意义。
本文对不同干化工艺的能耗情况进行了研究，有关掺烧污泥对垃圾焚烧系统的不利影响，如受热面会积灰、结焦，应给予重视，这将有助于现有垃圾焚烧的工艺优化或既存设施的技术升级。
我国已有一大批垃圾焚烧厂，协同污泥焚烧的潜力不容忽视，作为市政污泥稳定的辅助处理设施，前景可观。在满足垃圾焚烧基本功能的前提下，积极开展污泥协同处理，秉承资源协同、能源互补、物质互用的理念，实现两种处理设施之间的物料、蒸汽、水的梯度利用，能够提升整体的能源利用率。同时，协同处理实现了对既有垃圾处理设施能力再度挖掘，为垃圾焚烧企业指明新的发展方向。
