從污泥成分構成角度研究焚燒處理可行性

李倩

摘要：傳統的污泥處理方法有農用堆肥、土地填埋、填海和焚燒等。與以上幾種污泥處理方法相比，采用焚燒法處理污泥具有減容化。經試驗表明，大連市某污水處理廠污泥中水分及氮、硫等元素占污泥比重及污泥燃燒值都符合焚燒處理要求。

關鍵詞：污泥焚燒；資源化；污泥成分

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）26-0072-03

污泥來源通常分為三種，即來自江河湖泊自然污泥、化工廠等產生工業污泥以及城市生活污泥，例如城市污水處理廠產生污泥。

傳統的污泥處理方法有農用堆肥、土地填埋、填海和焚燒等。與以上幾種污泥處理方法相比，采用焚燒法處理污泥具有減容化、無害化、快速化、便利化、能源化、多用性等特點。

以污泥處理效率高、污泥減量化效果明顯而著稱的污泥焚燒技術已被世界各國認定為污泥處理最佳途徑之一，其能源再利用的特性以及我國在污泥處理過程中提出的“資源化、減量化、無害化”三化原則也使其成為污泥處理的主流技術而被廣泛應用。

1 污泥焚燒處理工藝流程

工藝流程如圖1所示。從圖1中可見，污泥焚燒工藝所需的主要設備有流化床焚燒爐、干燥機、余熱鍋爐、靜電除塵器、準煙氣洗滌裝置、煙囪等幾部分。

經測定大連市某污水處理廠污泥的初始含水量為75%，干燥處理后，其含水量可縮減為15%。

試驗過程中觀察到，初始含水量為75%的污水處理廠污泥，不需借助外加助燃劑即可在流化床焚燒鍋爐中自行燃燒，而經干燥脫水后含水量減為15%的污泥更可進行自行燃燒，如此，在處理過程中可以使能源的浪費減到

最低。

圖1 污泥焚燒工藝流程

2 污泥成分分析試驗結果

以下試驗均以大連市某污水處理廠產生污泥為試驗

樣品。

2.1 污泥水分含量的測量

污泥中所含的水分包括外在水分、內在水分和結晶水三部分。

本次試驗水分的測定采用干燥前后重量比對的方法。

試驗原理為：將已稱重好的污水處理廠泥樣放置于干燥機內連續干燥2～3個小時，取出泥樣，進行再次稱重，則水分的含量便由泥樣在干燥前后的重量差值得出。

試驗操作步驟是：稱取10g左右的泥樣放置于110℃左右溫度的干燥機內，經2～3小時后取出泥樣，及時蓋好瓶蓋，置于空氣中冷卻片刻，再次放置于干燥機內冷卻，30分鐘后，降至室溫，再次對泥樣進行稱重。這種試驗方法測定的泥樣水分含量為除去結晶水、但包含外在水分和內在水分的污泥水分含量。

2.2 污泥灰分含量的測量

灰分是污泥在完全燃燒后殘留的物質。

本次試驗灰分含量的測量也是用重量比對的方法。

試驗原理為：將污水處理廠泥樣放置于溫度調節在815℃左右的電爐中，將其灼燒1小時左右，然后測量泥樣灼燒前后的重量，差值即為污泥灰分含量。

試驗操作步驟為：稱取1±0.1g的泥樣放入恒重器皿中，將其放入電爐中，先調節其溫度不超過100℃，然后將電爐爐門開啟約15mm的小縫隙，此時，將電爐的溫度在約30分鐘之內調節到500℃，在此溫度下，繼續加熱30分鐘后使電爐的溫度逐步升至815℃±10℃，關閉電爐爐門繼續灼燒1小時，然后將盛放泥樣的器皿取出并冷卻5分鐘，然后再次放入干燥機內使其冷卻至室溫，最后對泥樣再次稱重，重量減少值即為污泥中灰分含量。

2.3 污泥中的揮發物含量測量

污泥在被加熱過程中產生的所有氣態物質被統稱為污泥中揮發物質。

污泥中揮發污水含量的測定亦采用重量比較的方法。

試驗原理是：將泥樣放置在高溫900℃下，加熱10分鐘左右，然后稱重，與試驗前泥樣重量比較而求得污泥中揮發物的含量。

具體試驗步驟為：將1±0.1g的泥樣樣品放入帶有嚴密蓋子的干鍋之中，再將其放置于預先加熱至高溫900℃的電爐中，在電爐中加熱7分鐘左右將其取出，冷卻約5分鐘，再次放入干燥機中，經20～30分鐘后冷卻至室溫，最后對泥樣再次稱重，重量減少值即為污泥中揮發物質含量。

2.4 污泥的元素分析

2.4.1 碳、氫含量的測定。碳、氫含量的測定多采用“燃燒法”，即把污泥樣品置于燃燒管中濕氣完全燃燒，然后從燃燒生成物二氧化碳與水蒸汽的含量中計算出碳和氫的含量。具體操作為先將盛污泥樣品（0.2g）的瓷盤放入燃燒管中，通入氧氣，使樣品在800℃溫度下充分燃燒（為保證某些熱解產物充分燃燒，還需在燃燒管中填充氧化劑如加熱的氧化銅等）；燃燒生成物二氧化碳和水蒸汽分別用吸水劑（氯化鈣等）和二氧化碳吸附劑（鈉石灰等）予以吸收；然后根據吸收劑的增重計算出碳、氫的百分數含量。

2.4.2 氮含量的測定。測定氮的方法很多，但都不能獲得很準確的數據。目前應用較多的是常量測定方法（亦稱開氏法）：在濃硫酸中并在催化劑（硫酸銅等）的作用下，污泥中的有機質被氧化而生成二氧化碳和水等物質，氮則被轉化成氨，隨即與硫酸作用而生成硫酸氫銨（消化反應）；如加入過量的氫氧化鈉中和硫酸，氨則可以從氫氧化鈉中蒸餾出來（蒸餾反應）；然后利用吸收劑（硼酸等）將氨吸收（吸收反應）；再用酸堿滴定法求出污泥中的含氮量（滴定反應）。

2.4.3 硫含量的測定。全硫分測定通常用“艾氏法”，即用艾氏混合劑（碳酸鈉和氧化鎂的混合物）與污泥試樣混勻并緩慢燃燒促使其中的硫轉化成硫酸鈉和硫酸鎂。做法是把1g的污泥試樣與2g艾氏混合劑在坩堝中混勻，放入加熱爐中加熱至800℃～850℃；保溫灼燒1.5～2小時，然后取出冷卻；燃燒后應檢查是否有黑色顆粒，如有則再繼續灼燒。燃燒后的產物經過濾、清洗，并制成微酸性濾液（加甲基橙指示劑、鹽酸溶液）；加入10mL，10%的氯化鋇熱溶液（沉淀作用），使產生的硫酸鋇沉淀溶液加熱至微沸狀態，并保溫2小時，即可在進行過濾、清洗。然后將沉淀物與濾紙放入爐中，使濾紙灰化，并升溫使沉淀物灼燒（20分鐘），稱重。

2.4.4 氧含量的測定。氧的含量一般不直接測定，而是采用差減法予以確定，即：

式中：

Wf——試樣中水分的百分數含量

Af——試樣中灰分的百分數含量

2.5 污泥的發熱量的測定

發熱量測定的原理較簡明，即把試樣在一個充氧的容器（通稱氧彈）中燃燒，氧彈浸沒于水中，則可由水溫的升高值計算出污泥散發的熱量值。

在高壓、高溫的試驗條件下，氧彈中燃燒的泥樣，硫元素被氧化生成硫酸、氮元素被氧化生成硝酸都會釋放出大量的熱量，氣態水在高壓下變為液態水，也會釋放出熱量。而假設泥樣在空氣中燃燒，硫元素則生成二氧化硫氣體，氮元素會變為游離氮而蒸發，水蒸氣也不會變為液態水而釋放熱量。由此可見，污泥釋放的熱量分為下面三種情況：含括以上三方面釋放熱量的，被稱為氧彈發熱量（Qyd）；不包含硫酸和硝酸生成過程釋放熱量的，被稱為高位發熱量（Qgw）；以上幾種釋放熱量的情況都不包括的，被稱為低位發熱量（Qdw）。

一般情況下，在進行鍋爐熱力計算時，我們多采用低位發熱量。

目前，在國際上計算低位發熱量的公式很多，但基本都存在些許誤差，通過多方面比較，我們選擇煤炭科學研究院北京化學研究所推薦的公式，誤差一般不超過600kJ/kg。該統一半經驗公式可寫為：

Qrgw=335（327）Cr+1298（1256）Hr+63Sr-105Or-21（Ag-10）kJ/kg

公式中，對于Cr>95%或Hr≤1.5%的污泥，Cr前采用括號內的系數；對于Cr<77%的污泥，Hr前采用括號內的系數；對于Ar>10%的污泥，才減去最后一項灰分修正值。

經以上試驗，得出大連市某污水處理廠污泥的成分及元素含量如表1所示：

由以上數值可以通過煤炭科學研究院北京化學研究所推薦的統一半經驗公式計算出，污泥的熱值為

15124.76kJ/kg。

3 結語

經過對大連市某污水處理廠污泥焚燒工藝分析計算，初步得到如下技術指標：

（1）污泥中的碳、氫、氧、氮、硫元素等揮發分占污泥比重的57.82%。

（2）污泥燃燒熱值可達15124.76kJ/kg，在通風良好的條件下不需助燃劑即可燃燒。

（3）用焚燒法能夠大量處理該廠污泥，每天可處理大約120噸生污泥。

（4）處理5000kg污泥，焚燒后的剩余爐渣不足300kg，占地面積小，基本上達到了污泥的減容化處理。剩余灰渣可用于低凹地區的土地填埋，還可以用于制作建材如制磚等。

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