引言随着我国城市化进程的加快，生活垃圾“围城”和市政污泥产量激增两大问题越来越突出。目前我国生活垃圾处理广泛采用焚烧发电的形式，有效地实现了生活垃圾能源化。而污泥处置率还不足60%，污泥处置需求存在较大缺口。污泥中的有机质含量较高，容易腐烂，臭味极为强烈，且含有较多的微生物、重金属和有毒有害物质，若不对其进行有效处理，很容易导致二次污染[1]。堆肥、填埋及焚烧等是当前较为常用的处置污泥技术，表1分析比较了污泥焚烧与填埋技术的基本情况。由表1可知，焚烧处置在选址、占地、运输等方面都优于填埋技术，并且焚烧处置的减量化程度高、可以充分实现污泥资源化利用，虽然投资成本相对较高，但运行管理容易、污染排放好控制，具有显著优势。已有一些国家建成污泥焚烧发电站，如日本的污泥焚烧处理量已占市政污泥处置总量的68%[2]。诸多实践证实，焚烧是较有效的污泥处理方法，不仅能够有效杀死致病菌，减少污泥体积，而且能够充分利用污泥焚烧的热能，实现资源合理利用的效果[3]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.016.T001表1污泥焚烧与填埋处理比较项目焚烧填埋选址容易较难技术可靠性可靠可靠占地面积小较大操作安全性较好较好运输情况容易运距长，费用高减量化较高较少使用条件热值要求高范围广地面水污染较小采取措施防止资源化利用热能可利用，较高资源化程度较少经营成本较高无投资高低大气污染可处理导气、覆盖等进行控制目前应用情况应用于污泥热值高应用广泛土壤污染无限填埋场区域处理成本高较低协同处置是将焚烧生活垃圾所产生的蒸汽作为能量，将其应用于污泥干化过程，然后将干化的污泥与生活垃圾一起置入焚烧炉进行焚烧。整个处理过程中，污泥焚烧产生的灰渣和烟气能够与生活垃圾发电厂的污染防治设施共享，提高资源利用效率[4]。生活垃圾焚烧协同污泥处置具有以下优点：降低新增设备投资，节约占地，同时还能利用污泥进行焚烧发电[5]。蹇瑞欢[6]分析了生活垃圾协同处置污泥的可行性，发现污泥干化所需的蒸汽若由生活垃圾焚烧提供，则无需外购蒸汽和锅炉设备，运营成本显著降低。刘志永[7]等研究生活垃圾掺烧污泥的入炉含水率和掺烧比。结果显示，入炉含水率低于40%时，垃圾与污泥掺烧比可以不受约束。利用垃圾炉排炉焚烧污泥，当污泥与生活垃圾掺烧比为10%时，污泥掺烧不会影响烟气二噁英的达标排放[8]。陈海军[9]等研究了生活垃圾掺烧5%、10%和15%污泥后烟气排放情况，发现在各掺烧比例下，烟气中SO2、HCl、NOx及烟尘有一定程度的增加，但均未超过《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB 18485—2014）。郝晓地[10]等以二噁英产生原理为基础，研究发现，污泥焚烧所产生的二噁英等污染物含量不高，并不会产生环境威胁。已有研究表明，生活垃圾协同处置市政污泥的可行性，能够实现在污泥的无害化处理。目前，国内外利用流化床锅炉焚烧污泥或煤掺烧污泥的研究较多，但对于生活垃圾协同污泥处置过程中污泥的干化及焚烧特性等方面还需要进一步研究。因此，本文选取典型的市政污泥样品，利用生活垃圾焚烧产生的热蒸汽进行污泥干化实验，对污泥的热值特性、干化特性、焚烧温度、灰渣重金属浸出特性等进行研究，以期为指导工程应用提供基础数据。1材料与方法1.1污泥的取样及特性分析苏州市生活垃圾焚烧发电厂一期采用二台机械往复顺推翻动炉排炉，项目垃圾日处理规模为1 500 t/d，处理的污泥主要为市政污泥，提取了一部分污泥进行泥质的检测。采用煤质检测《全水分测定方法》（GB/T 211—2007）、《煤的工业分析方法》（GB/T 212—2008）等方法[11-15]对样品污泥干化焚烧工艺路线中密切相关的工业成分及元素进行分析，分析的内容包括污泥含水率、污泥的热值特性等。1.2污泥干化处理流程根据《城镇污水处理厂污泥处理处置技术规范》的相关规定，脱水污泥与生活垃圾的混烧比例应控制在1∶4以内，干化污泥与生活垃圾的混合比例需在1∶3以内[16]。污泥蒸汽干化系统流程图如图1所示。市政污泥在进行焚烧之前，首先应进行污泥脱水，即污泥干化处理，使其含水率下降，热值提高，然后再将生活垃圾与干化后的污泥进行焚烧，焚烧所产生的蒸发热能再用于污泥干化，减轻污泥处理系统能耗和污泥处理成本[17-19]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.016.F001图1污泥蒸汽干化系统流程1.3污泥干化实验现有的污泥干化工艺主要包括：利用蒸汽和导热油为热源的桨叶干化、低温干化、滚筒干化，也有利用太阳能干化污泥，此外还有微波干化污泥、热水解干化等[20]。综合考虑，采用蒸汽热传导的方式来进行污泥干化工艺是较好的选择。本实验采用小型的叶片式间歇干化机，叶片式间歇干化机主要由中空叶片及转轴组成，转轴和叶片皆为中空，内通蒸汽，污泥通过叶片吸收蒸汽的热能，并在叶片的搅拌下更新换热面，蒸发水分达到干化的目标；污泥分批次干化，大约每批干化处理1 kg污泥。污泥干化实验流程如图2所示。实验主要由污泥给料器、叶片式间歇污泥干化机、冷凝器、引风机、流量计等组成。为更好地模拟工程实际情况，污泥干化热源采用苏州市生活垃圾焚烧发电厂产生的热蒸汽，汽轮机抽气为0.5 MPa，194 oC。实验将蒸汽进行减温减压处理，使其压力降到0.4 MPa，温度160 oC后通入干化机。采用引风机为污泥干机装置提供载气并维持内部压力，载气流量为1.1 m3/h，干化温度约为160 oC。实验时叶片式干化机轴转速设为5 r/min和10 r/min，采用IKA C5000型自动热量计对不同含水率污泥的热值进行测定，污泥温度由插入污泥的热电偶温度计测量。污泥干化处理后的水蒸气会迅速进入设备的冷凝器，冷凝装置用于收集干化尾气，冷凝后产生废水。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.016.F002图2污泥干化实验流程1.4干化污泥焚烧实验污泥焚烧的实验装置如图3所示，焚烧炉由内部是由陶瓷材料制造而成。内部的加热焚烧装置为电阻丝加热，分为三段进行。炉子内径为80 mm、高度为1 200 mm，炉子内部加热段的高度接近800 mm。炉子的下部放置了5个测量温度的热电偶，采用智能化的温度控制装置保持炉子内部的温度恒定。干化后的污泥颗粒从给料机的进料口处进入炉子内部进行燃烧。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.016.F003图3污泥焚烧系统1.5污染物排放测试污泥焚烧实验过程中，对焚烧污染物的排放情况进行测定，采用电感耦合等离子体质谱法测定烟气中的重金属含量，并参考《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》（GB 5085.3—2007）对污泥焚烧飞灰和炉渣的重金属浸出浓度进行检测[21]。2实验结果与讨论2.1污泥的元素和重金属特性测试所取样的市政污泥初始含水率为82.76%，空气干燥基挥发分为49.12%，空气干燥基固定碳为4.49%，低位发热量为11 498 kJ/kg，元素分析结果为空气干燥基含C量为25.89%，含H量为3.64%，含O量12.85%，含N量2.31%，含S量5.97%。通过元素分析结果可知，该地市政污泥中S含量较高。通过对样本污泥中的重金属元素进行分析，结果如表2所示，污泥中的铜含量为359.8 mg/kg、镍为271.6 mg/kg、砷104.8 mg/kg、锌为1 315.8 mg/kg，均超过了《农用污泥中污染物控制》（GB 4284—84）和《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》（CJ/T 309—2009）标准规定限值。由于这些污泥中的重金属元素超过土地利用以及污泥农用的相关标准，所以不能将其直接农用，可对其实施焚烧等处置，并对浸出毒性进行检测和分析，以免对环境造成污染。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.016.T002表2所取样的市政污泥中重金属含量元素铬铅镉铜汞镍砷锌含量323.6527.84.8359.80.022271.6104.81 315.8mg/kg2.2污泥干化及热值变化特性采用叶片式间歇性污泥干化机进行干化实验，污泥样品通过给料器进入性干化机中，抽取生活垃圾焚烧产生的蒸汽通入干化机，通过叶片将热量传递给污泥蒸发其水分。初始污泥含水率约83%，为自由流动状态。随着水分的蒸发，污泥逐渐变得黏稠。污泥干化过程主要包括湿区、黏滞区和粒状区共3个区域[22]。湿区的污泥具有流体性；黏滞区的污泥具有显著的黏性，泥团间相互粘黏，并黏附在固体壁；粒状区的污泥呈现明显松散的颗粒状态。生活垃圾焚烧协同污泥处置时，需将污泥干化至含水率为40%以下，以便污泥能够与生活垃圾充分混合并焚烧。实验中为了更好地得到污泥干化速率的变化趋势，将污泥进行深度干化，使其含水率从80%下降至10%，并采集干化速率的数据，以单位时间单位面积所蒸发的水的质量记录。轴转速分别为5 r/min和10 r/min的污泥干化特性如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.016.F004图4干化速率变化特性由图4可知，随着污泥含水率的下降，干化速率整体呈下降趋势。但污泥干化速率在80%~70%的含水率区间先平稳上升，在70%~40%区间快速下降，然后在40%~30%区间略有上升。以10 r/min的轴转速为例，当含水率为82%~70%左右，干化速率平稳上升，最高达到0.27 kg/(m2·min)；而随着干化时间延续，污泥含水率不断下降，干化速率也显著降低；当含水率从65%下降至45%，干化速率达到最小值为0.16 kg/(m2·min)；随后含水率在37%~30%时，干化速率略有增大，但始终低于初始的干化速率，最终降至0.13 kg/(m2·min)。干化速率变化历经的3个区间与污泥干化的湿区、黏滞区和粒状区存在对应关系。分析其原因可能是干化初期污泥处于冷态，随着干化机器内部的温度不断上升，污泥与叶片产生强烈传热的作用，其温度也逐渐上升，此时水蒸发速率加快。伴随空心叶片的搅拌作用，干化速率也随之升高。当污泥的温度升到与主轴内部的蒸汽相同温度时，污泥的含水率迅速下降至70%以下。随后，污泥进入黏滞区，原本具有一定流动性的污泥开始变得十分黏稠，干化机搅拌阻力也随之增大，此时测得污泥含水率约为62%，干化速率迅速下降，但仍保持在0.15 kg/(m2·min)以上，说明污泥中的水持续蒸发。而当污泥含水率达到30%以下，此时干化速率迅速降低，由于污泥中的自由水已经完全脱除，剩余少量结合水和细胞内水难以蒸发，导致干化速率明显下降[23]。此外，轴转速对污泥干化速率有一定影响，转速较高时，污泥干化速率也相对较大，在高含水率阶段，10 r/min的转速下干化速率明显大于5 r/min；但当含水率低于65%时，此影响不再明显。这可能是因为在黏滞区的污泥大量黏附在叶片和主轴上，增大了搅拌阻力，同时黏附在叶片表面的内层泥饼，增加了传热阻力，阻碍了外层泥饼内的水分蒸发，整体干化速率降低。在污泥干化过程中，也监测了热值和其质量的变化特性，结果如表3所示。随着污泥含水率的不断下降，其平均低位热值具有显著上升趋势，而污泥总质量和水质量出现下降。所取样的污泥在含水率为80%左右时，平均低位热值仅为258 kJ/kg，绝干基热值达到12 367 kJ/kg。对生活垃圾协同市政污泥进行焚烧时，需要将污泥脱水至合适的含水率，以确保入炉的污泥热值达到炉排炉设计要求，且不对混合后的物料热值产生较大影响。由此建议，本污泥样品干化至含水率30%，则入炉污泥的低位热值不低于7 000 kJ/kg。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.016.T003表3不同含水率污泥的低位热值含水率%平均低位热值/(kJ/kg)污泥总质量/kg污泥中水的质量/kg80258743598701 187521362602 684398231504 185307162405 873261105307 34521874209 236179391010 02516615012 36714202.3污泥的焚烧特性采用上文干化脱水后的污泥进行焚烧实验，采集炉子底部的温度数据。污泥含水率与焚烧温度关系如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.016.F005图5污泥含水率与焚烧温度关系由图5可知，随着污泥含水率的升高，其焚烧温度明显下降。当污泥含水率高于18%时，污泥焚烧温度小于800 oC，无法满足烟气中控制二噁英所需的焚烧炉850 oC、时间2s的要求。此外研究发现，焚烧炉的内部温度保持在900 oC时，污泥的焚烧温度能否达到炉温也取决于污泥的含水率。2.4污泥焚烧灰、渣重金属浸出特性污泥焚烧后会产生大量炉渣和飞灰，检测灰、渣中重金属情况是影响其后续处理技术的重要参数。检测污泥焚烧灰、渣中重金属浸出毒性统计如表4所示。由表4可知，污泥焚烧的灰、渣中重金属浸出毒性均在合理范围内，未超过GB 5085.3—2007标准规定的限值，可对污泥焚烧的灰、渣进行综合利用。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.016.T004表4污泥焚烧灰、渣中重金属浸出毒性元素浸出毒性飞灰炉渣镍51.130.61铍0.020 00.000 710.000 38钡100.0000.0760.059铬15.000 00.008 20.003 4银5×10-62.4×10-6＜10-6汞0.100 00.000 10.000 1铜100.001.470.58砷5.000.470.41锌100.0010.564.79镉1.0000.0790.031铅5.000 00.005 90.002 1mg/kg3结语污泥干化热能耗量大，是导致污泥处置成本高的主要因素。利用生活垃圾焚烧电厂的余热进行污泥干化并协同处置污泥，可以显著降低污泥干化过程中高品位热能消耗，实现污泥的“减量化、无害化、资源化”。研究选取典型市政污泥样品，采用垃圾焚烧电厂余热蒸汽对其干化并焚烧，研究了取样污泥中重金属含量、干化特性、污泥含水率与热值变化关系，对污泥的焚烧温度以及焚烧后飞灰、炉渣的重金属毒性进行研究，得到如下结论：（1）样本污泥中的重金属元素，锌、砷、镍、铜等均超过土地利用以及污泥农用相关标准，不能直接用于农用或土地填埋，需要对其实施焚烧处理，以免对环境造成污染。（2）采用电厂余热干化污泥，随着污泥含水率的下降，干化速率表现出先平稳上升，再快速下降，然后略有上升，但整体呈下降趋势。该波动与污泥干燥过程的3个区域有对应关系，污泥在湿区时，干化速率最大；当含水率低于65%，干化速率明显下降；提高轴转速对干化的促进作用在黏滞区被削弱。此外，随着污泥含水率的下降，其平均低位热值呈上升趋势，在与生活垃圾进行协同焚烧时，需将污泥样品干化至含水率30%，以保证入炉热值。（3）污泥的焚烧温度主要取决于污泥的含水率，所取样污泥的含水率超过18%，单独焚烧温度则低于800 oC，存在污染物尤其二噁英超标的风险，建议要与生活垃圾协同焚烧以提高焚烧温度。污泥焚烧后的灰、渣中重金属浸出毒性均在合理范围内，未超过规定限值，可对飞灰、炉渣进行综合利用。