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.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也產生了大量剩余污泥，其數量約占處理水量的0.3％～0.5％左右(以含水率為97％計)，而且不穩定、易腐敗、有惡臭。城市污水處理廠產生的大量污泥，經沉淀分離、濃縮、消化、脫水及最終處置等的常規污泥處理和處置工藝，需要大量的基建投資和高昂的運行費用，其運行費用約為污水處理廠總運行費用的40％(烘干)～65％(焚燒)左右。北京最大的高碑店污水實際運行處理規模70萬t／d，產生污泥量約為500t／d(含水率86％)，每天有40輛卡車將這些污泥餅外運，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行的最關鍵因素。據北京市規劃，2010年污水處理規模將達到340萬t／d，處理率達到90％以上，其產生污泥量將達到1.36萬t／d(含水率97.5％)。今后隨著我國污水處理設施的普及、處理率的提高和處理程度的深化，污泥的產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列出世界各發達國家污泥處置方式所占比例。由表1，農用和填埋是各發達國家的污泥處置的主要方式，而焚燒所占的比例相對較小。但人們逐漸考慮到填埋要占用大量的土地和花費大量的運輸費用，而且填埋場周圍的環境也會惡化，遭受滲瀝液、臭氣的困擾。在許多國家和地區，人們堅決反對新建填埋場，美國環保局估計今后20年內，美國6500個填埋場中將有5000個被關閉。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業，所有污水廠的污泥都要進行焚燒處理，因為若長期將剩余污泥用于農業堆肥，有可能會因為有害物質諸如重金屬、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，海岸國家受此協議的限制，已紛紛轉用焚燒法。
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、焦油以及灰等殘渣這3部分的過程。污泥焚燒的處理對象主要是脫水泥餅，脫水泥餅含水率仍達45％～86％，含水率高，體積大，可將其進行干燥處理或焚燒。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，所以應該設計輔助燃料最少的流程。世界上第1臺焚燒污泥的流化床鍋爐在1962年建于美國Lynnword Washington，至今仍在運行。1970年以后，從日本研究者平岡等人1973年所進行的基礎研究開始，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越性。1976年10月在悉尼舉行的第8屆國際水質污染研究會議上由馬吉瑪(Majima)等人發表了多段爐分解的應用性研究報告。1977年4月在日本東京舉行的日美下水道技術會議上，由卡希娃亞(Kashiwaya)發表了大阪府川俁處理場的多段爐應用研究的成果報告，報告中證實了多段爐焚燒工藝的實用性，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，至今運行良好。
韓國正在Kyungki省的Kwangdong-Li污水處理廠試運行由Samsung建筑公司最近開發的污泥焚燒新工藝。泰國的Samutprakam正在建設東南亞規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，只有深圳特區污水處理廠用于焚燒。對工業廢水污泥的焚燒，國內應用的也很少，由化工部第三設計院設計的齊魯20萬t乙烯污水處理廠，污泥量為2100kg／h，采用二段串聯的臥式灰磚焚燒爐焚燒。北京燕山石油化工總廠自行設計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，燃燒燃料要與空氣混合造成熱風。但此爐現未能連續運行。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備。預計將在2007年。第1組設備將投入使用。
焚燒爐型有回轉型如回轉式焚燒爐、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：①由于流化層內粒子處于激烈運動狀態，粒子與氣體之間的傳質與傳熱速度很快，單位面積的處理能力很大；②由于流化床層內處于完全混合狀態。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，并且處于流動狀態，所以床層反應溫度均勻，很少發生局部過熱現象，床內溫度容易控制。即使一次投入較多量的可燃性廢棄物，也不會產生急冷或急熱現象；④在處理含有大量易揮發性物質時(如含油污泥)，也不會像多段爐那樣有引起爆炸的危險；⑤流化床的結構簡單，設有機械傳動部件，故障少，建造費用低；⑥空氣過剩系數可以較少；⑦特別是流化床焚燒爐還具有其本身獨特的優點，如燃料適應性廣、易于實現對有害氣體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已經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點：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、有機物等都被分解，只剩下很少量的無機物成為焚燒灰，因而最終需要處置的物質很少，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品，是相對比較安全的一種污泥處置方式；③污泥處理速度快，不需要長期儲存；④污泥可就地焚燒，不需要長距離運輸；⑤可以回收能量用于發電和供熱。
2污泥焚燒工藝存在的問題和對策
雖然焚燒法與其它方法相比具有突出的優點，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。而能源價格又不斷上漲，焚燒的成本和運行費均很高；其二，存在煙氣污染、噪聲、震動、熱和輻射以及產生成為環境熱點的二惡英污染問題。各發達國家都在制定更嚴格地固體焚燒爐煙氣的排放標準，這也將給剩余污泥的焚燒提出更高的要求。所以，開發熱效率高，并能把環境污染控制在最小限度的焚燒工藝成為當務之急。
眾所周知，在污泥焚燒的過程中會產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對空氣造成嚴重的危害。針對這一問題，歐洲各國都制定了嚴格的標準，如表2所示。
表2焚燒爐有毒有害物質的釋放限制（mg／m3）
美國紐約州能源研究和發展機構(NYSERDA)就增加氧氣量的污泥焚燒技術進行了研究。研究結果表明：富氧氣系統的焚燒爐運行更具靈活性且反應速度快，一方面可使產率提高(可提高約55％左右)，另一方面又可使燃氣消耗量減少，并且在燃燒過程中所產生的氮氧化物(NOx)，一氧化碳(CO)或總碳氫化合物(THC)和異味不會增加；2001年意大利研究者lotito等人針對循環式流化床焚燒爐處理污泥的工藝進行了研究。多核芳香族碳氫化物(PAH)的產生量要比意大利10g／m3的標準限量低得多。并且發現，二惡英(PCDDs)以及PCDFs這些有毒物質的濃度雖然超過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和爐燃燒溫度的關系，并為運行參數的最優化設計提供了非常寶貴的建議；加拿大McGill大學和加拿大能源與礦物研究中心碳化燃燒實驗室對污泥的鼓泡流化床和循環流化床焚燒都進行了能量回收和污染排放分析，結果表明采用流化床技術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保要求，既提高了污泥處理廠的經濟性又保護了環境；曾庭華在1997年就污泥的凝聚結團特性、燃燒過程、熱解特性及流化床焚燒污泥時產生的二次污染進行了相關研究；奉華在2001年以高碑店污水廠的污泥為主要研究對象，分析了污泥的成分特點和燃燒特性，并在預防二次污染方面，通過分析重金屬元素在污泥中的存在形式及對污泥焚燒前后重金屬含量的變化進行檢測，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污泥中的殘余金屬(如Pb、Zn、Cd等)，他們采用了一個90mmI.D.的實驗室規模的流化焚燒爐，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。在試驗過程中，通過改變爐溫、吸收物的種類、空氣流速以及燃燒時間，來觀察各種吸收物的性能。經過原子吸收光譜的測定結果表明，火山灰對于Zn的吸收效果最好，而礬土對于Pb又有極佳的效果，并且在流化焚燒爐內的污泥量能夠減少約40％。
3污泥焚燒工藝的主要影響因素
焚燒的目的側重于減量(或減容)和燃燒后產物的安全化、穩定化方面，這一點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，要使燃料完全燃燒。支配燃燒過程的有3個因素：時間、溫度、廢物和空氣之間的混合程度。這3個因素有著相互依賴的關系，而每一個因素又可單獨對燃燒產生影響。
3.1時間
燃燒反應所需的時間就是燒掉固體廢物的時間。這就要求固體廢物在燃燒層內有適當的停留時間。燃料在高溫區的停留時間應超過燃料的燃燒所需的時間。一般認為，燃燒時間與固體廢物粒度的1～2次方成正比，加熱時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，停留時間將取決于燃燒室的大小和形狀。反應速度隨溫度的升高而加快，所以在較高的溫度下燃燒時所需的時間較短。因此，燃燒室越小，在可利用的燃燒時間內氧化一定量的燃料的溫度就必須愈高。
固體粒度愈細，與空氣的接觸面愈大，燃燒速度快，固體在燃燒室內的停留時間就短。因此，確定廢物在燃燒室內的停留時間時，考慮固體粒度大小很重要。
3.2溫度
燃料只有達到著火溫度(又稱起燃點)，才能與氧反應而燃燒。著火溫度是在氧存在下可燃物開始燃燒所必須達到的最低溫度，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，燃燒過程才能繼續進行，并使燃燒溫度不斷提高。一般來說，溫度高則燃燒速度快，廢物在爐內停留的時間短，而且此時燃燒速度受擴散控制，溫度的影響較小，即使溫度上升40℃，燃燒時間只減少1％，但爐壁及管道等容易損壞。當溫度較低時，燃燒速度受化學反應控制，溫度影響大，溫度上升40℃，燃燒時間減少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。對具體的廢物燃燒過程，需要根據物料的特性和設備的類型等因素確定過剩氣量。但除了空氣供應充足，還要注意空氣在燃燒室內的分布，燃料和空氣中氧的混合如湍流程度，混合不充分，將導致不完全燃燒產物的生成。對于廢液的燃燒，混合可以加速液體的蒸發；對于固體廢物的燃燒，湍流有助于破壞燃燒產物在顆粒表面形成的邊界面，從而提高氧的利用率和傳質速率，特別是擴散速率為控制速率時，燃燒時間隨傳質速率的增大而減少。
4污泥焚燒污染物控制的研究現狀
焚燒過程包括分解、氧化、聚合等反應。燃燒所產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。未完全燃燒產物有CO、H2、醛、酮和稠環碳氫化合物，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，燃燒產物也有一定差異，以下就幾種主要污染物進行討論。
4.1氮氧化物的形成與控制
燃燒時氮氧化物是由空氣中的氮及廢物中的氮生成。燃燒時主要生成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化成NO2，所以NOx排放以NO2表示。
燃燒過程中產生的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。另一類是爐內空氣中的氮在高溫狀態下氧化生成的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生。HC1去除的方法大體分為干法和濕法。干法是反應生成物以干燥狀態排出，濕法是以水溶液排出。干法又進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劑，半干法用水溶液或漿料作反應劑。
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產生，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生反應使之固定下來。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
廢物燃燒時不可避免的會產生煙塵，它包括黑煙和飛灰兩部分。由于廢物中含有重金屬，因此它們在燃燒過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采用恰當的爐膛尺寸和形狀，使焚燒條件合適；④對煙氣進行洗滌、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。二惡英的形成機理比較復雜，它發生的前提可概括為：①要有有機和無機氯；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方面進行：①改善燃燒條件，減少不完全燃燒大分子有機產物和碳的殘量；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生和發生后有效去除兩個途徑來努力。抑制燃燒時二惡英的生成量，首先是改善焚燒爐內的燃燒狀況，采用“3T”技術，即提高爐溫(>850℃)；在高溫區送入二次空氣，燃燒，減少CO、不完全燃燒產物和前軀體的生成量，從而抑制二惡英的生成量。未燃燒的碳粒或多環芳烴等在一定條件下會合成二惡英，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；延長氣體在高溫區的停留時間(>2s)等，改善燃燒狀況，使廢物完全充分攪拌混合提高湍流程度。另外還可通過選用合適的焚燒爐爐型(如流化床焚燒)開發改進自動焚燒爐控制系統等更先進的系統，達到抑制二惡英的生成。
5結論與建議
目前有關污泥焚燒工藝的研究大多集中在燃燒時重金屬和一些有毒有害氣體的去除效果方面，而有關污泥焚燒工藝操作條件對處理效果的影響以及操作條件的優化方面(缺乏確切的數學模型)尚未見有系統的研究報道。
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域更是缺乏基礎性的研究，應以流化床焚燒爐工藝為對象，較全面地考察運行條件對流化床焚燒爐運行特性的影響，分析影響系統運行的關鍵因素，為該工藝的優化設計和穩定操作運行提供科學依據，并針對污泥焚燒過程中所產生的污染物之控制提供切實可行的解決方案。
參考文獻略
