隨著我國國民經濟的發展，工業廢水、生活污水的排放量日益增加，為了保護生態環境，保護人民的身體健康，提高水環境質量，污水必須經過凈化處理達標后才能排放。污水在處理的過程中，會產生一定數量的有機污泥，這些有機廢棄物含水率高，有機物含量高，容易腐爛發臭，如果得不到有效處置，會嚴重影響當地環境質量，造成二次污染。如何妥善處理處置這些廢棄物，已成為建設完整城市污水處理廠，提高技術水平和管理水平的重要因素。
上海石洞口城市污水處理廠從立項之初，就充分考慮污泥處理處置工程的建設，為此我們對國內外已有的工藝進行了充分的研究，并在此基礎上結合上海市石洞口污水處理廠的具體特點，推薦干化焚燒處理工藝，使污泥得到最終處置。
1、污泥量
石洞口城市污水處理廠設計水量為40萬m3/d。采用具有脫氮除磷功能的一體化活性污泥法作為污水處理工藝，處理對象為城市污水，含有大量的工業廢水，尤其以化工、制藥、印染廢水為主，產生的污泥量為64T/d干泥，經脫水后含水率為70%，污泥體積為213m3/d。
根據現狀水質水量的特點，石洞口城市污水處理廠運行初期，由于水量在30萬m3/d左右，產生的污泥量將低于設計規模。隨著收集系統的不斷完善，雨污分流現象的逐步改善，水量將逐年增加，水質會不斷提高，最終將達到設計負荷。
2、污泥特性
對于不同的污泥處理處置工藝需要了解污泥不同方面的特性。石洞口城市污水處理廠的污泥含水率如表1所示。
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表1污泥各階段含水率表
采用不同的脫水工藝其脫水污泥的含水率是不同的，大致范圍是65％～85％。對于后續干化焚燒處理工藝，脫水污泥的含水率直接影響到后續處理構筑物的規模以及干化焚燒的熱量平衡，理論上越低越好，但是機械脫水程度越高，設備投資會增加，加藥量也會增加，處理隨之提高，因此合理選擇設計含水率也很重要。
污泥的元素分析和工業分析數據對污泥焚燒系統的計算關系密切，根據有關資料和本工程針對性實驗測試資料，石洞口城市污水處理廠污泥元素分析如表2所示，污泥工業分析如表3所示，低位發熱量測定值見表4，污泥成分測定見表5。
表2污泥元素分析
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注：最高容許值為GB4284-84《農用污泥中污染物控制標準》
根據已經進行的污泥焚燒特性試驗，污泥(干態)分析基在物理性質、元素分析、工業分析和低位發熱量等方面與褐煤有許多相似之處，尤其灰分和低位發熱量相近，固定碳的含量則低得多，所以可充當低檔燃料使用。
同時，污泥的焚燒特性與煤又有一定的差異，它有較低的分解溫度、起燃溫度和燃盡溫度，燃燒完全所需的時間也較少。產生這種差別的主要原因是由于它們具有不同的組成和結構，污泥主要由低級的有機物組成；如氨基酸、腐植酸、細菌及其代謝產物、多環芳烴、雜環類化合物、有機硫化物、揮發性異臭物、有機氟化物等，其結構比較簡單，并且已經過二級生物氧化，受到不同程度的分解破壞，易于高溫分解；而煤主要由多環芳烴網狀物組成，結構致密，含碳量高，受高溫不易分解，分解所需時間長。
此外，污泥中SO2、NOx的釋放溫度均低于煤。一般地，污泥中的硫以有機硫的形式存在(80%以上)，硫鐵礦硫及硫酸鹽硫含量很少，而煤中的有機硫含量較低，硫鐵礦硫及硫酸鹽硫占多數，有機硫在高溫下易于分解、揮發，而硫鐵礦硫結合較牢固，分解需要一個過程，因此污泥易于釋放SO2。試驗表明，在含硫量相同的條件下，污泥釋放的SO2比煤高出4倍。類似地，污泥中的氮主要以有機氮的形式存在(蛋白質氮、低級脂肪胺等)，有機氮在在高溫下容易揮發；煤中的氮主要以雜環型氮的形式存在，雜環形氮的分解需要一個過程，這種結構形式的差異決定了氮分解溫度的不同。
從以上分析可以看出，干態污泥比煤容易燃燒。
但是脫水污泥因含有70～80%水分，則燃燒工況完全不同（脫水污泥的低位發熱量僅為648~232千卡/千克），為了使脫水污泥能在鍋爐中直接燃燒，一般都需添加適量輔助燃料（煤或油）穩燃。
理論上脫水污泥含水率在70％時，可以不加輔助燃料，實現直接燃燒，但是由于污泥中的水分在高溫下蒸發（850℃以上），會損失大量熱能，所以必須通過高效的高溫空氣預熱器回收這些熱量，并將助燃空氣預熱到600℃以上，以目前的工程技術水平較難實現。因此采用目前相對較成熟的低溫干化工藝，使污泥中水分在較低的溫度下蒸發，以較少的熱量降低含水率，提高系統的熱效率，使整個系統的熱量處于平衡狀態。
3、方案選擇
污泥處置方案多種多樣，但最終目的都是要達到無害化、減量化、資源化的目標。目前國際上已有的主要污泥處理處置工藝包括：填埋、消化、堆肥、干化、焚燒、濕式氧化、凍結熔融法、高溫燒結法等等。選用何種工藝必須與當地的實際情況相適應。
國內大多數污水廠的污泥處置以外運填埋為主，主要有：
1）脫水后（含水率70～80％左右）的污泥直接外運。有些是運至生活垃圾填埋場合并處理，由于含水率太高，導致填埋場作業困難，并且也會大量占用填埋場庫容。有些則是又傾倒到河道和海洋中，這樣會造成嚴重的二次污染。有些則作為農肥直接施入農田，由于直接脫水的污泥未經高溫處理，其中含有大量病原菌，因此這樣做會直接影響到人民的身體健康。總之單獨的脫水外運工藝還不能稱其為污泥的處理、處置工藝。
2）污泥經過消化穩定后脫水處理再外運。該工藝相對有所改進，由于污泥經過消化處理，殺滅了絕大多數病原菌，并且還能產生沼氣供生產、生活使用，基本做到了無害化，并且也有一定的資源化意義。但是，該工藝仍未解決處置高含水率脫水污泥的問題。
3）直接焚燒脫水污泥。該工藝雖然理論計算可行，并在一些小型的污水廠已有采用，但實際運行效果欠佳，主要原因是設備不成熟，運行管理難度大，需要添加大量的輔助燃料，運行成本高。
4）干化后的污泥作為農肥使用，采用熱工方法烘干脫水污泥。該工藝在上海金山石化總廠污水處理廠已經采用，運行情況尚可。由于干化工藝需要大量使用熱量，而金山石化總廠原本就有熱能（蒸汽）資源供使用，可以大大降低造價和運行成本，這是它成功的關鍵。
但是對于大多數污水廠而言不具備這樣的條件。
在總結已有工程和現有技術的基礎上，根據石洞口城市污水處理廠特點采取對脫水污泥進行低溫干化高溫焚燒聯合處理的工藝方案。同時污泥焚燒裝置能兼顧焚燒干化污泥和煤。當污泥可以作為綠化基質土或其他用途時，干化污泥綜合利用，當污泥重金屬含量嚴重超標或污泥出路困難時，干化污泥焚燒提供干化所需的熱量。
4、方案介紹
污泥處理處置工藝的推薦流程圖1。
圖1干化-焚燒聯合處理工藝流程圖（略）
干化焚燒聯合處理工藝主要采用低溫干化和高溫焚燒二套系統串聯運行。通過招標，確定采用流化床干化工藝，可將脫水污泥含水率從70％左右降至10％左右（最低可至5％）。
焚燒采用循環流化床焚燒爐，通過焚燒干化污泥，以導熱油（或蒸汽）形式回收煙氣中熱量，并將回收的熱量用于干化系統。該聯合工藝可以達到能量的自平衡。設計時，考慮到污泥參數可能產生波動，因此我們對系統的整體熱能平衡條件進行了反復校核，得到二種最低限度的平衡條件：
1）脫水污泥含水率為75％時，污泥熱值必須大于3000kcal/kg干固體，否則添加燃煤輔助燃燒；
2）脫水污泥含水率為70％時，污泥熱值必須大于2450kcal/kg干固體，否則添加燃煤輔助燃燒；
本工程設計污泥參數為：脫水污泥含水率70％，污泥燃燒熱值2700~3700kcal/kg干固體，從計算結果分析，該系統抗負荷波動的能力是相當強的。
4.1干化工藝
干化工藝是本系統的核心工藝，由于干化污泥具有易燃、易分解的特點，為保證安全和衛生，干化系統內必須保證低溫、低氧狀態。同時由于污泥在40％～60％含水率時具有易粘結的特性，因此選用設備必須防止污泥粘結在換熱面，從而降低熱效率，甚至影響運行。
經過多次方案比較和設備招標，最終選用了進口流化床低溫干化系統。該系統干化溫度為85℃，系統內控制含氧量<4％。
該系統的特點是采用流化床干化機。干化過程在流化床內進行，流化床底部布置蒸汽盤管。空氣從床底經過盤管加熱后進入床身，熱空氣一方面使床身中的污泥處于流動化，防止污泥粘結，另一方面也與污泥進行充分換熱，蒸發其中的水分，蒸發出來的水分和空氣一起被引入洗滌冷卻塔內，經噴淋后，水分被去除，余下的干空氣則循環使用。經干化后的污泥含水率降為5%～10%。干化系統每蒸發1噸水分，消耗熱能為2800kj。
4.2焚燒工藝
經干化系統處理后的污泥儲存在干污泥料倉中，通過輸料機送入焚燒爐，在投加污泥的同時，可以投加生石灰（用于脫硫）。投加的干污泥經爐內預置的床砂加熱后迅速升溫，并開始著火燃燒，經燃燒后的污泥被循環流化床床身內的高速氣流帶出，通過熱旋風分離器，將其中比重較大的未燃盡顆粒收集下來，然后重新送入焚燒爐焚燒，燃盡后的輕小顆粒和高溫煙氣一起進入后續煙道。煙道內布置余熱鍋爐、空氣預熱器用于回收熱量。
煙氣排出前通過半干法脫硫和布袋除塵器除塵，參照《生活垃圾焚燒污染控制標準》GB18485-2001的排放標準排放
由于干化污泥燃燒特性接近褐煤，經過循環流化床焚燒爐現場試驗，其焚燒特性良好，因此許多國內廠家均有能力配套，技術也相當成熟，采用國產的流化床焚燒爐。
5、經濟性及投資
本工程估算價格為8000萬元（含干化和焚燒設備、土建、自控及輔助設施），運行費用約160元/噸濕污泥（含電費、藥劑費、人工費、維修費等）。
6、結語
采用干化焚燒聯合工藝處理污泥，做到了對城市污水處理廠固體廢棄物的無害化、減量化，并有一定的資源化意義。其運行費用雖有所增加，但是低于垃圾焚燒的運行費用。聯合處理工藝尤其適宜于土地資源緊張、環境要求較高、經濟較發達的城市選用。
