.1污泥處理與處置的方法
城市污水處理廠在凈化污水的同時(shí)也產(chǎn)生了大量剩余污泥，其數(shù)量約占處理水量的0.3％～0.5％左右(以含水率為97％計(jì))，而且不穩(wěn)定、易腐敗、有惡臭。城市污水處理廠產(chǎn)生的大量污泥，經(jīng)沉淀分離、濃縮、消化、脫水及最終處置等的常規(guī)污泥處理和處置工藝，需要大量的基建投資和高昂的運(yùn)行費(fèi)用，其運(yùn)行費(fèi)用約為污水處理廠總運(yùn)行費(fèi)用的40％(烘干)～65％(焚燒)左右。北京最大的高碑店污水實(shí)際運(yùn)行處理規(guī)模70萬t／d，產(chǎn)生污泥量約為500t／d(含水率86％)，每天有40輛卡車將這些污泥餅外運(yùn)，污泥的處理非常困難，已成為直接影響污水處理能否正常運(yùn)行的最關(guān)鍵因素。據(jù)北京市規(guī)劃，2010年污水處理規(guī)模將達(dá)到340萬t／d，處理率達(dá)到90％以上，其產(chǎn)生污泥量將達(dá)到1.36萬t／d(含水率97.5％)。今后隨著我國污水處理設(shè)施的普及、處理率的提高和處理程度的深化，污泥的產(chǎn)生量還將有較大的增長，因此必須有效地處理、處置與利用污泥。
污泥處理與處置的目的以減量化、資源化、無害化為原則。污泥處置和綜合利用方法有填埋、焚燒、土地利用、排海等途徑。表1列出世界各發(fā)達(dá)國家污泥處置方式所占比例。由表1，農(nóng)用和填埋是各發(fā)達(dá)國家的污泥處置的主要方式，而焚燒所占的比例相對(duì)較小。但人們逐漸考慮到填埋要占用大量的土地和花費(fèi)大量的運(yùn)輸費(fèi)用，而且填埋場周圍的環(huán)境也會(huì)惡化，遭受滲瀝液、臭氣的困擾。在許多國家和地區(qū)，人們堅(jiān)決反對(duì)新建填埋場，美國環(huán)保局估計(jì)今后20年內(nèi)，美國6500個(gè)填埋場中將有5000個(gè)被關(guān)閉。瑞士政府宣布從2003年1月1日起將禁止污水廠的污泥用于農(nóng)業(yè)，所有污水廠的污泥都要進(jìn)行焚燒處理，因?yàn)槿糸L期將剩余污泥用于農(nóng)業(yè)堆肥，有可能會(huì)因?yàn)橛泻ξ镔|(zhì)諸如重金屬、呋喃等的積累而影響人們的身體健康。從90年代起許多國家諸如德國、丹麥、瑞典、瑞士等國以及日本就開始以焚燒工藝作為處理污水污泥的主要方法，而目前污泥焚燒以日本、奧地利、丹麥、法國、瑞士、德國等國占比例高。1992年，日本采用1892座焚燒爐處理75％的污水污泥，目前焚燒工藝在日本得到廣泛的應(yīng)用、是污泥處置的主要方法，日本在這一方面的研究很多，如將焚燒灰作為瀝青填料、路床和路基材料、磚瓦材料、水泥原料、熔融填料等；在丹麥，每年約有25％的污泥在32座焚燒廠中處理；隨著歐共體各國簽訂的停止向海洋投棄污泥的協(xié)議生效，EEC各成員國已逐步停止向海洋投棄，海岸國家受此協(xié)議的限制，已紛紛轉(zhuǎn)用焚燒法。
表1世界各國污泥處置所占比例（％）

1.2污泥焚燒工藝的興起與發(fā)展
污泥焚燒(熱分解)是指在高溫(500－1000℃)下，污泥固形物在無氧氣或者低氧氣氛中分解成氣體、焦油以及灰等殘?jiān)@3部分的過程。污泥焚燒的處理對(duì)象主要是脫水泥餅，脫水泥餅含水率仍達(dá)45％～86％，含水率高，體積大，可將其進(jìn)行干燥處理或焚燒。干燥處理后，污泥含水率可降至20％～40％。焚燒處理，含水率可降至0，體積很小，便于運(yùn)輸與處置。
污泥焚燒的初期研究是1959年美國的諾亞克(Noack)、1960年施萊辛格(Schlesinger)等人在彼得堡能源中心(Pittsburg Energy Center)開始的，其共同的特點(diǎn)是以回收能源為目的。脫水污泥(水分65％～85％，其固體熱值為7500～15000kJ／kg)的熱值低，因此，焚燒過程中必須添加輔助燃料，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)輔助燃料最少的流程。世界上第1臺(tái)焚燒污泥的流化床鍋爐在1962年建于美國Lynnword Washington，至今仍在運(yùn)行。1970年以后，從日本研究者平岡等人1973年所進(jìn)行的基礎(chǔ)研究開始，美國的奧利克塞(Olexsey)于1974年、卡林斯克(Kalinske)于1975年都指出了焚燒工藝的優(yōu)越性。1976年10月在悉尼舉行的第8屆國際水質(zhì)污染研究會(huì)議上由馬吉瑪(Majima)等人發(fā)表了多段爐分解的應(yīng)用性研究報(bào)告。1977年4月在日本東京舉行的日美下水道技術(shù)會(huì)議上，由卡希娃亞(Kashiwaya)發(fā)表了大阪府川俁處理場的多段爐應(yīng)用研究的成果報(bào)告，報(bào)告中證實(shí)了多段爐焚燒工藝的實(shí)用性，之后在川俁處理場及其他多處都建起了剩余污泥焚燒裝置，至今運(yùn)行良好。
韓國正在Kyungki省的Kwangdong-Li污水處理廠試運(yùn)行由Samsung建筑公司最近開發(fā)的污泥焚燒新工藝。泰國的Samutprakam正在建設(shè)東南亞規(guī)模最大的污水處理廠，其污泥處理單元將采用焚燒工藝。在我國的城市污水廠中，只有深圳特區(qū)污水處理廠用于焚燒。對(duì)工業(yè)廢水污泥的焚燒，國內(nèi)應(yīng)用的也很少，由化工部第三設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的齊魯20萬t乙烯污水處理廠，污泥量為2100kg／h，采用二段串聯(lián)的臥式灰磚焚燒爐焚燒。北京燕山石油化工總廠自行設(shè)計(jì)的活性污泥沸騰焚燒爐，熱載體采用粉狀砂針，污泥用壓力式噴嘴噴入爐內(nèi)，燃燒燃料要與空氣混合造成熱風(fēng)。但此爐現(xiàn)未能連續(xù)運(yùn)行。香港政府決定修建2組日處理量為6000t的焚燒爐和能源回收設(shè)備。預(yù)計(jì)將在2007年。第1組設(shè)備將投入使用。

焚燒爐型有回轉(zhuǎn)型如回轉(zhuǎn)式焚燒爐、多段型如立式多段爐(多段豎爐)及流化床型等。流化床焚燒爐有如下特點(diǎn)：①由于流化層內(nèi)粒子處于激烈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，粒子與氣體之間的傳質(zhì)與傳熱速度很快，單位面積的處理能力很大；②由于流化床層內(nèi)處于完全混合狀態(tài)。所以加到流化床的固體廢物，除特別粗大的塊體之外，都可以瞬間分散均勻；③由于載體本身可以蓄存大量熱量，并且處于流動(dòng)狀態(tài)，所以床層反應(yīng)溫度均勻，很少發(fā)生局部過熱現(xiàn)象，床內(nèi)溫度容易控制。即使一次投入較多量的可燃性廢棄物，也不會(huì)產(chǎn)生急冷或急熱現(xiàn)象；④在處理含有大量易揮發(fā)性物質(zhì)時(shí)(如含油污泥)，也不會(huì)像多段爐那樣有引起爆炸的危險(xiǎn)；⑤流化床的結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)有機(jī)械傳動(dòng)部件，故障少，建造費(fèi)用低；⑥空氣過剩系數(shù)可以較少；⑦特別是流化床焚燒爐還具有其本身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如燃料適應(yīng)性廣、易于實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體SO2和NOx等的控制、還可獲得較高的燃燒效率、污泥焚燒的灰份有多種用途等等。因此，流化床焚燒爐得到了較好的應(yīng)用，其型式有道爾－奧利弗(Dorr-Oliver)流化床焚燒爐、考可蘭(Copeland)式流化床焚燒爐、回旋型流化床焚燒爐、帶干燥段的流化床焚燒爐等。
目前，污泥焚燒是日本、奧地利、丹麥、法國、瑞士、德國等國污泥處置的主要方法，近幾年來污泥焚燒技術(shù)已經(jīng)逐步成為處理污泥的主流，愈來愈受到世界各國的青睞。這是由于焚燒法與其它方法相比具有突出的優(yōu)點(diǎn)：①焚燒可以使剩余污泥的體積減少到最小化，它可以解決其他方法中污泥要占用大量空間的缺陷，這對(duì)于日益緊張的土地資源來說是很重要的；②焚燒后剩余污泥中的水分、有機(jī)物等都被分解，只剩下很少量的無機(jī)物成為焚燒灰，因而最終需要處置的物質(zhì)很少，不存在重金屬離子的問題，焚燒灰可制成建筑材料等有用的產(chǎn)品，是相對(duì)比較安全的一種污泥處置方式；③污泥處理速度快，不需要長期儲(chǔ)存；④污泥可就地焚燒，不需要長距離運(yùn)輸；⑤可以回收能量用于發(fā)電和供熱。
2污泥焚燒工藝存在的問題和對(duì)策
雖然焚燒法與其它方法相比具有突出的優(yōu)點(diǎn)，但是另一方面隨著焚燒工藝的使用，它所存在的若干問題也日漸暴露出來。其一，焚燒需要消耗大量的能源。而能源價(jià)格又不斷上漲，焚燒的成本和運(yùn)行費(fèi)均很高；其二，存在煙氣污染、噪聲、震動(dòng)、熱和輻射以及產(chǎn)生成為環(huán)境熱點(diǎn)的二惡英污染問題。各發(fā)達(dá)國家都在制定更嚴(yán)格地固體焚燒爐煙氣的排放標(biāo)準(zhǔn)，這也將給剩余污泥的焚燒提出更高的要求。所以，開發(fā)熱效率高，并能把環(huán)境污染控制在最小限度的焚燒工藝成為當(dāng)務(wù)之急。
眾所周知，在污泥焚燒的過程中會(huì)產(chǎn)生一定量的有害氣體，例如HCl，HF，SO2等等。這些有毒有害氣體勢必會(huì)對(duì)空氣造成嚴(yán)重的危害。針對(duì)這一問題，歐洲各國都制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。
表2焚燒爐有毒有害物質(zhì)的釋放限制（mg／m3）

美國紐約州能源研究和發(fā)展機(jī)構(gòu)(NYSERDA)就增加氧氣量的污泥焚燒技術(shù)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：富氧氣系統(tǒng)的焚燒爐運(yùn)行更具靈活性且反應(yīng)速度快，一方面可使產(chǎn)率提高(可提高約55％左右)，另一方面又可使燃?xì)庀牧繙p少，并且在燃燒過程中所產(chǎn)生的氮氧化物(NOx)，一氧化碳(CO)或總碳?xì)浠衔?THC)和異味不會(huì)增加；2001年意大利研究者lotito等人針對(duì)循環(huán)式流化床焚燒爐處理污泥的工藝進(jìn)行了研究。多核芳香族碳?xì)浠?PAH)的產(chǎn)生量要比意大利10g／m3的標(biāo)準(zhǔn)限量低得多。并且發(fā)現(xiàn)，二惡英(PCDDs)以及PCDFs這些有毒物質(zhì)的濃度雖然超過0.1ng／m3(TE)的限量，但是在飛灰中的濃度卻低得多，由此驗(yàn)證了在氣化階段被污染的可能性。并且PAHs和PCDD／PCDFs的濃度并不能依賴補(bǔ)燃器的操作控制；英國研究者Gillian Hand Smith論證了在污泥焚燒工藝中，氮氧化物NOx和爐燃燒溫度的關(guān)系，并為運(yùn)行參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了非常寶貴的建議；加拿大McGill大學(xué)和加拿大能源與礦物研究中心碳化燃燒實(shí)驗(yàn)室對(duì)污泥的鼓泡流化床和循環(huán)流化床焚燒都進(jìn)行了能量回收和污染排放分析，結(jié)果表明采用流化床技術(shù)處理廢棄物不僅回收了可用能，而且煙氣排放可滿足苛刻的環(huán)保要求，既提高了污泥處理廠的經(jīng)濟(jì)性又保護(hù)了環(huán)境；曾庭華在1997年就污泥的凝聚結(jié)團(tuán)特性、燃燒過程、熱解特性及流化床焚燒污泥時(shí)產(chǎn)生的二次污染進(jìn)行了相關(guān)研究；奉華在2001年以高碑店污水廠的污泥為主要研究對(duì)象，分析了污泥的成分特點(diǎn)和燃燒特性，并在預(yù)防二次污染方面，通過分析重金屬元素在污泥中的存在形式及對(duì)污泥焚燒前后重金屬含量的變化進(jìn)行檢測，研究了重金屬在焚燒過程中的遷移特性，并提出污泥灰渣處理的建議；臺(tái)灣研究者Rong-Chi Wang和Wen Chih Un研究了用固體吸收物捕獲流化焚燒爐內(nèi)污泥中的殘余金屬(如Pb、Zn、Cd等)，他們采用了一個(gè)90mmI.D.的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的流化焚燒爐，該流化床使用了不同種吸收物，例如石灰石、礬土、矽土和火山灰膠狀粘土。在試驗(yàn)過程中，通過改變爐溫、吸收物的種類、空氣流速以及燃燒時(shí)間，來觀察各種吸收物的性能。經(jīng)過原子吸收光譜的測定結(jié)果表明，火山灰對(duì)于Zn的吸收效果最好，而礬土對(duì)于Pb又有極佳的效果，并且在流化焚燒爐內(nèi)的污泥量能夠減少約40％。

3污泥焚燒工藝的主要影響因素
焚燒的目的側(cè)重于減量(或減容)和燃燒后產(chǎn)物的安全化、穩(wěn)定化方面，這一點(diǎn)與以獲取燃燒熱量為目的的燃燒是有差別的。因此，焚燒必然以良好的燃燒為基礎(chǔ)，要使燃料完全燃燒。支配燃燒過程的有3個(gè)因素：時(shí)間、溫度、廢物和空氣之間的混合程度。這3個(gè)因素有著相互依賴的關(guān)系，而每一個(gè)因素又可單獨(dú)對(duì)燃燒產(chǎn)生影響。
3.1時(shí)間
燃燒反應(yīng)所需的時(shí)間就是燒掉固體廢物的時(shí)間。這就要求固體廢物在燃燒層內(nèi)有適當(dāng)?shù)耐Ａ魰r(shí)間。燃料在高溫區(qū)的停留時(shí)間應(yīng)超過燃料的燃燒所需的時(shí)間。一般認(rèn)為，燃燒時(shí)間與固體廢物粒度的1～2次方成正比，加熱時(shí)間近似地與粒度的平方成比例。如燃燒速度在某一要求速度時(shí)，停留時(shí)間將取決于燃燒室的大小和形狀。反應(yīng)速度隨溫度的升高而加快，所以在較高的溫度下燃燒時(shí)所需的時(shí)間較短。因此，燃燒室越小，在可利用的燃燒時(shí)間內(nèi)氧化一定量的燃料的溫度就必須愈高。
固體粒度愈細(xì)，與空氣的接觸面愈大，燃燒速度快，固體在燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間就短。因此，確定廢物在燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間時(shí)，考慮固體粒度大小很重要。
3.2溫度
燃料只有達(dá)到著火溫度(又稱起燃點(diǎn))，才能與氧反應(yīng)而燃燒。著火溫度是在氧存在下可燃物開始燃燒所必須達(dá)到的最低溫度，因此燃燒室溫度必須保持在燃料起燃溫度以上。若燃燒過程的放熱速率高于向周圍的散熱速率，燃燒過程才能繼續(xù)進(jìn)行，并使燃燒溫度不斷提高。一般來說，溫度高則燃燒速度快，廢物在爐內(nèi)停留的時(shí)間短，而且此時(shí)燃燒速度受擴(kuò)散控制，溫度的影響較小，即使溫度上升40℃，燃燒時(shí)間只減少1％，但爐壁及管道等容易損壞。當(dāng)溫度較低時(shí)，燃燒速度受化學(xué)反應(yīng)控制，溫度影響大，溫度上升40℃，燃燒時(shí)間減少50％。所以，控制合適的溫度十分重要。
3.3廢物和空氣之間的混合程度
為了使固體廢物燃燒完全，必須往燃燒室內(nèi)鼓人過量的空氣。氧濃度高，燃燒速度快，這是燃燒的最基本條件。對(duì)具體的廢物燃燒過程，需要根據(jù)物料的特性和設(shè)備的類型等因素確定過剩氣量。但除了空氣供應(yīng)充足，還要注意空氣在燃燒室內(nèi)的分布，燃料和空氣中氧的混合如湍流程度，混合不充分，將導(dǎo)致不完全燃燒產(chǎn)物的生成。對(duì)于廢液的燃燒，混合可以加速液體的蒸發(fā)；對(duì)于固體廢物的燃燒，湍流有助于破壞燃燒產(chǎn)物在顆粒表面形成的邊界面，從而提高氧的利用率和傳質(zhì)速率，特別是擴(kuò)散速率為控制速率時(shí)，燃燒時(shí)間隨傳質(zhì)速率的增大而減少。
4污泥焚燒污染物控制的研究現(xiàn)狀
焚燒過程包括分解、氧化、聚合等反應(yīng)。燃燒所產(chǎn)生的廢氣中還含有懸浮的未燃或部分燃燒的廢物、灰分等少量顆粒物。未完全燃燒產(chǎn)物有CO、H2、醛、酮和稠環(huán)碳?xì)浠衔?，還有氮氧化物、硫氧化物等。因廢物組成不同，燃燒方式不一樣，燃燒產(chǎn)物也有一定差異，以下就幾種主要污染物進(jìn)行討論。
4.1氮氧化物的形成與控制
燃燒時(shí)氮氧化物是由空氣中的氮及廢物中的氮生成。燃燒時(shí)主要生成NO，NO2只占總氮氧化物的很小部分。NO和NO2總稱為“NOx”。因燃燒中生成的NO稍后在煙道和大氣中被轉(zhuǎn)化成NO2，所以NOx排放以NO2表示。
燃燒過程中產(chǎn)生的NOx分為兩類。一類是廢物中含氮的化合物由于燃燒被氧化生成的NOx，稱為燃燒型NOx。另一類是爐內(nèi)空氣中的氮在高溫狀態(tài)下氧化生成的NOx，稱為熱力型NOx。這兩類NOx在焚燒過程中以燃燒型NOx為主。降低NOx的方法主要有①在燃燒過程中降低O2濃度的生成抑制法；②將發(fā)生的NOx用還原劑還原減少排出量的排煙脫氮法兩大類。
4.2HC1的形成與控制
HC1是由廢物中含的氯乙烯及其它含氯塑料，廚余中的氯化鈉而產(chǎn)生。HC1去除的方法大體分為干法和濕法。干法是反應(yīng)生成物以干燥狀態(tài)排出，濕法是以水溶液排出。干法又進(jìn)一步分為全干和半干法(或稱半濕法)，全干法使用干燥固體作反應(yīng)劑，半干法用水溶液或漿料作反應(yīng)劑。
4.3硫氧化物的形成與控制
廢物中的硫元素在燃燒過程中與氧化合物生成SO2和SO3，總稱SOx。其中SO3僅是很小的一部分，因SO3不能由硫和氧直接反應(yīng)產(chǎn)生，SO3需在催化劑(V、Si、Fe2O3等)的作用下才能生成。煙氣中SOx取決于廢物的成分，煙氣中SOx的控制一般采用煙氣在排放之前通過氣體凈化或在燃燒過程中除硫。在燃燒過程中的除硫，是采用讓煙氣中的SOx在爐膛里與某些固硫劑發(fā)生反應(yīng)使之固定下來。如加入石灰或白云石等使硫固定在灰渣中。
4.4煙塵的形成與控制
廢物燃燒時(shí)不可避免的會(huì)產(chǎn)生煙塵，它包括黑煙和飛灰兩部分。由于廢物中含有重金屬，因此它們?cè)谌紵^程中常以金屬化合物或金屬鹽的形式被部分混到煙氣中被排放，造成污染；或沉積在管道、室壁的表面，加速了設(shè)備的腐蝕，影響傳熱。
防止煙塵的方法有：①增加氧濃度，使其燃燒完全。常采用通人二次空氣的辦法；②提高爐溫，利用輔助燃料；③采用恰當(dāng)?shù)臓t膛尺寸和形狀，使焚燒條件合適；④對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌、除塵等處理。
4.5二惡英的形成與控制
二惡英是多氯二苯并二惡英PCDB(poly chlorinated dibenzo-P-dioxins)和多氯二苯呋喃PCDF(polv chlorinated dibenzofurans)兩類化合物的總稱。二惡英的形成機(jī)理比較復(fù)雜，它發(fā)生的前提可概括為：①要有有機(jī)和無機(jī)氯；②存在氧；③存在過渡金屬陽離子作催化劑(如焚燒飛灰等)。抑制二惡英的生成可從3方面進(jìn)行：①改善燃燒條件，減少不完全燃燒大分子有機(jī)產(chǎn)物和碳的殘量；②阻止氯化過程(包括噴氨、加硫等方法)；③阻止聯(lián)芳基合成(用噴氨等方法毒化催化劑)。

二惡英的控制主要從抑制發(fā)生和發(fā)生后有效去除兩個(gè)途徑來努力。抑制燃燒時(shí)二惡英的生成量，首先是改善焚燒爐內(nèi)的燃燒狀況，采用“3T”技術(shù)，即提高爐溫(>850℃)；在高溫區(qū)送入二次空氣，燃燒，減少CO、不完全燃燒產(chǎn)物和前軀體的生成量，從而抑制二惡英的生成量。未燃燒的碳?；蚨喹h(huán)芳烴等在一定條件下會(huì)合成二惡英，這種合成在300℃附近最顯著，因此為防止這種合成，讓除塵器低溫化，即將除塵器人口氣體溫度降至200℃以下；延長氣體在高溫區(qū)的停留時(shí)間(>2s)等，改善燃燒狀況，使廢物完全充分?jǐn)嚢杌旌咸岣咄牧鞒潭取Ａ硗膺€可通過選用合適的焚燒爐爐型(如流化床焚燒)開發(fā)改進(jìn)自動(dòng)焚燒爐控制系統(tǒng)等更先進(jìn)的系統(tǒng)，達(dá)到抑制二惡英的生成。
5結(jié)論與建議
目前有關(guān)污泥焚燒工藝的研究大多集中在燃燒時(shí)重金屬和一些有毒有害氣體的去除效果方面，而有關(guān)污泥焚燒工藝操作條件對(duì)處理效果的影響以及操作條件的優(yōu)化方面(缺乏確切的數(shù)學(xué)模型)尚未見有系統(tǒng)的研究報(bào)道。
我國在廢物焚燒的研究方面起步較晚，特別是在污水廠剩余污泥焚燒這一領(lǐng)域更是缺乏基礎(chǔ)性的研究，應(yīng)以流化床焚燒爐工藝為對(duì)象，較全面地考察運(yùn)行條件對(duì)流化床焚燒爐運(yùn)行特性的影響，分析影響系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵因素，為該工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)和穩(wěn)定操作運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)，并針對(duì)污泥焚燒過程中所產(chǎn)生的污染物之控制提供切實(shí)可行的解決方案。
參考文獻(xiàn)略