污泥干化焚烧乃污泥处理 /处置终极方式

2. 3. 2 焚烧过程中的能量损失

污泥焚烧过程中会因固体、气体不完全燃烧或者锅炉自身散热造成一定热量损失［7］，所以，污泥焚烧释能计算需要扣除这部分热量损失，可按下式计算:

本计算中焚烧炉以国内外最常用鼓泡流化床为例，炉内不设置水冷壁( Qa = 0) 。焚烧所产生的热量以烟气形式为载体，排烟热量占总热量的 93% ， 即，污泥焚烧损失热量占总热量的 7%［7，13］，所以污泥焚烧能量损失 Q损 = 11． 9 × 7% = 0． 8 GJ/tDS。

2. 3. 3 实际产能计算

理论释能值与焚烧能量损失之差即为污泥焚烧实际产能值: Q' = Q － Q损 = 11． 1 GJ/tDS。污泥焚烧产能主要以烟道气和水蒸气为载体，可利用热电联产技术( CHP) 对这部分能量进行回收与利用［13，16］。如果热电联产效率取 80% ，则污泥焚烧后通过 CHP实际可转化的电当量为 2 480 kW·h /tDS。

2. 4 能量衡算

根据上述能量计算，可绘制出如图 3 所示的能量平衡图。因此，可以看到建议工艺的能量赤字为109 kW·h /tDS。

3 建议工艺成本分析

本研究以处理规模为 50 × 104 m³ /d 的传统活性污泥法污水处理厂为例计算投资与运行成本。该案例厂剩余污泥产量为 8 000 t /d( 含水率为 99% ) ，脱水污泥产量为 400 t /d ( 含水率为 80% ) ，干污泥为 80 t /d ( 含水率为零) 。

工艺投资成本由基建成本和设备成本组成( 均为一次性投资) ，设备成本根据污泥产量进行选型［17］。污泥脱水以带式压滤机为例，还包括污泥泵、加药装置、加药泵、计量装置、输送机等设备投入。机械脱水全投资成本以 2 400 元/t 湿泥( 99%含水率) 计算。污泥干化系统设备主要包括计量、存储、进料系统、干燥器( 以转盘式干燥器为例) ，投资成本以 30 万元/t 湿泥( 80% 含水率) 计算。污泥焚烧系统设备主要包括焚烧炉( 以鼓泡式流化床为例) 、烟气净化系统、飞灰处理系统等［17］，投资成本以 40 万元/t 湿泥( 80% 含水率) 计算。

污泥脱水、干化、焚烧运行全成本由电费、水费、药剂费、工资福利费和固定资产折旧费、大修费、检修维护费等费用构成。动力费以电费为主，水费指冲洗水等用水费用，药剂费主要指污泥脱水所用药剂( 混凝剂) 费用; 固定资产折旧费为固定资产原值与综合基本折旧率的乘积; 检修维护费则是固定资产原值与检修维护率的乘积［17］。

根据以上匡算原则，可计算出建议工艺各单元投资与运行成本，结果见表 3。

4 对比传统工艺能耗与成本

传统污泥处理、处置工艺一般由重力浓缩、厌氧消化、机械脱水、热媒干化、污泥焚烧 5 个单元完成。剩余污泥经过重力浓缩后，污泥含水率从 99% 降为97% ，污泥体积可减少 2 /3，相应地可降低厌氧消化运行负荷。在厌氧消化过程中，污泥中有机质转化效率( 至 CH₄ ) 一般为 30% ～ 50% ，厌氧消化产生的能量一般用于消化池自身加热［18］。由于厌氧消化降低了污泥有机质含量，也就降低了污泥干基热值，从而会减少污泥焚烧过程的能量输出［7］。

4. 1 能量衡算

污泥厌氧消化前含水率为 97% ，消化后熟污泥含水率略有升高，但相差不大，计算中取 97． 5% 。厌氧消化过程化学能转化( CH4 ) 可以产生能量，产能为 5．7 GJ/tDS［18］，通过 CHP 转化电当量为 1 284 kW·h /tDS。因消化池加热会消耗能量，实际能耗为 728 kW·h /tDS［18］，所以，实际可输出电当量为556 kW·h /tDS。经厌氧消化后干固体量 MS 降为8． 41 kg /t 湿泥( 99% 含水率) ，厌氧消化后污泥中有机质含量减少到 37% ，这就降低了污泥的高位热值，使得污泥自持燃烧含水率也随之降低为41． 3% 。

熟污泥经厌氧消化后温度升高至 35 ℃，即 T1 = 35 ℃，计算得出厌氧消化后污泥干化实际能耗为2 459 kW·h /tDS。熟污泥有机质含量减量为37% ，相应污泥理论焚烧产能值降为 8． 0 GJ/tDS，污泥焚烧能量损失同前，则污泥干化焚烧后燃烧实际产能为 7． 4 GJ/tDS，通过 CHP 转化电当量为 1 653 kW·h /tDS。

上述能量衡算表明，传统处理、处置工艺总能耗为 3 261 kW·h /tDS，总产能为 2 937 kW·h /tDS，能量赤字为 324 kW·h /tDS，详细结果见图 4。

4. 2 成本分析

99% 含水率剩余污泥经重力浓缩( 97% ) 、厌氧消化污泥含水率变为 97． 5% ，污泥体积可减少 3 /5，机械脱水污泥处理量减少为 3 200 t /d，可大大降低机械脱水投资成本; 以 1 800 元/t 湿泥( 99% 含水率) 计算，则机械脱水投资成本降为 18 万元/tDS。

机械脱水运行成本主要体现在电费的降低上，为 140 元/tDS。经厌氧消化后浓缩污泥干固体减量，使得干化、焚烧设备规模减小，干化、焚烧投资成本可降至 280 万元/tDS。设备规模减小必然也会降低运行成本，主要体现在电费、检修费、维护费的节省上［17］，因 此，干化、焚烧运行成本可降至 2 264 元/tDS。虽然厌氧消化使得机械脱水、干化、焚烧投资及运行成本都有所降低，但仍需考虑重力浓缩、厌氧消化基建和设备投资以及相应的运行成本; 重力浓缩投资及运行成本分别以 40 万 元/tDS 和 100 元/tDS 计算［17］; 厌氧消化投资和运行成本分别按250 万元/tDS和 200 元/tDS 计算。这样，传统污泥处理、处置工艺的投资成本为 588 万元/tDS，运行成本为 2 704 元/tDS，分析详见表4。

4. 3 热水解对传统工艺的影响

污泥单独厌氧消化有机物降解、转化效率很低，只有 30% ～ 50% ; 当剩余污泥中不含初沉污泥时厌氧消化有机物转化率更低，可能只有 20% ～ 30% 。为提高厌氧消化有机物转化能源效率，热水解技术被用作厌氧消化的预处理工艺，并获得一些应用。污泥热水解是在一定温度和压力下，将污泥在密闭的容器中进行加热，使污泥细胞部分发生破壁［19］，以增加污泥后续厌氧消化有机物转化率。热水解固然可以强化厌氧消化有机物转化率，但提高厌氧消化有机物转化率后的消化污泥后续焚烧能源释放量会相应减少，况且，热水解设备投资与运行费用价格不菲。因此，需要对介入热水解的传统污泥处理、处置工艺进行能量平衡以及成本核算。

污泥经重力浓缩和预脱水( 预处理) 含水率可降至 85% ，能耗约 60 kW·h /tDS。经热水解预处理后进行厌氧消化，有机物降解率可从 30% 提高至50% ，导致厌氧消化产能升至 9． 58 GJ/tDS，利用CHP 转化为电当量是 2 130 kW·h /tDS。热水解亦消耗能量，约为厌氧消化产能的 60% ，即为 1 278 kW·h /tDS; 热水解后污泥冷却可释放一定热量( 经热交换器) ，约为厌氧消化产能的 20%［19 － 21］，即 426 kW·h /tDS，可用于污泥干化。由于热水解污泥升温至 180 ℃，所以，厌氧消化过程消化池无需加热，只需热水解后降温至 35 ℃。这样，污泥干固体量M_S 降低为 7． 35 kg /t 湿泥( 99% 含水率) ，消化后污泥有机物含量降低至 26． 5% ，使得后续污泥干基热值降低、污泥自持燃烧含水率也相应降至21． 1% ( 接近全干化水平) 。实际上，这种已成干泥块状的污泥很难在流化床焚烧炉中流化焚烧。因此，干化污泥含水率按可流化的 41． 3% 考虑，污泥干化能耗为 2 153 kW·h /tDS，但这样含水率( 41． 3% ) 的污泥无法实现自持焚烧，需要投加外部辅助燃料，约 429 kW·h /tDS。因厌氧消化熟污泥有机质含量减少，导致污泥焚烧产能降低为 5． 0 GJ/tDS，转化电当量为 1 111 kW·h /tDS。

能量衡算表明，热水解介入传统污泥处理、处置工艺后总能耗为 3 980 kW·h /tDS，总产能为 3 241 kW·h /tDS ( 14． 58 GJ/tDS) ，热水解冷却水释放热量( 426 kW·h /tDS) 可用于污泥干化，但最终能量赤字为 313 kW·h /tDS，能量衡算详细结果见图 5。

热水解介入传统污泥处理、处置工艺后固然使总的能量赤字( 324 kW·h /tDS) 有所降低，并且使得厌氧消化后污泥进一步减量，从而降低后续机械脱水、干化、焚烧的投资及运行成本。但是，热水解设备高昂的投资成本( 75 万元/tDS) 和较大的运行成本( 389 元/tDS) ，最终导致整个工艺投资与运行成本分别达到 615 万元/tDS 和 3 029 元/tDS。

4. 4 与建议工艺综合对比

与传统工艺及热水解介入传统工艺相比较，污泥干化、焚烧建议工艺的能量赤字最低，仅为 109 kW·h /tDS。在投资以及运行成本上，建议工艺显然也是最低的，分别为374万元/tDS和2663元/tDS。其他两种工艺投资与运行成本分别为: 588万元/tDS 和 2 704 元/tDS 以 及 615 万 元/tDS 和 3 029 元/tDS。

将三种工艺能量平衡、投资与运行成本绘制成柱状图进行比较则能更直观地看出三种工艺的差别，如图 6 所示。建议工艺能量赤字较其他两种比较工艺( 324 kW·h /tDS 与 313 kW·h /tDS) 可分别降低 66． 4% 和 65． 2% ; 建议工艺投资成本( 374 万 元/tDS) 较其他两种工艺( 588 万元/tDS 和 615 万 元/tDS) 分别降低 36． 4% 和 39． 2% ; 建议工艺运行成本( 2 663 元/tDS) 较其他两种工艺( 2 704 元/tDS 和 3 029 元/tDS) 分别降低 1． 5% 和 12． 1% 。

通过对污泥直接脱水、干化、焚烧建议工艺能量衡算以及投资与运行成本匡算显示，其能量赤字仅为 109 kW·h /tDS，投资与运行成本也只有 374 万 元/tDS 和 2 663 元/tDS，与传统及介入热水解预处理污泥处理、处置工艺相比，污泥干化焚烧建议工艺在能量赤字及投资与运行成本上均为最低，能量赤字分别减少 66． 4% 和 65． 2% ，投资成本分别减少36． 4% 和 39． 2% ，运行成本分别减 少 1． 5% 和 12． 1% 。可见，污泥干化后直接焚烧建议工艺在污泥全生命周期( LCA) 处理/处置方面最佳，同时还能最为有效地从焚烧灰分中回收磷等无机资源。

如果污水余温可以通过水源热泵( WSHP) 加以原位利用，污泥干化所需热量则可以大大减少甚至无需外部能源。因此，污水厂内分散式干化，集中到某一适宜地点焚烧发电、供热将有可能实现并将污水余温低品位能源间接转换为可发电的高温热能。污水余温就近用于干化可避免污水处理厂“有能输不出”的现实问题，从而使污水处理厂成为能源工厂，不仅实现自身碳中和运行，而且还可以向外输电。进言之，省略污泥厌氧消化单元还能最大限度避免甲烷( CH₄ ) 这种强温室气体逸散的问题以及运行安全隐患。