（市政工程专业论文）流化床焚烧炉污泥处理特性及污染机理研究.pdf

摘要 目前焚烧工艺被世界各国认为是污泥处理中的最佳实用技术之一。在欧洲、 美国、日本等国家，该工艺已日渐成熟，它以处理速度快，减量化程度高，能源 再利用等突出特点而著称。并且由于近年来，世界各国的环境条件均对废弃物处 理所花费的时间和所占的空间提出了更为严格的要求，因而污泥焚烧技术已经成 为处理污泥的主流，愈来愈受到世界各国的青睐。我国在废物焚烧的研究中起步 较晚，特别是在污水厂污泥焚烧这一领域更是缺乏基础性的研究，因此对污泥处 理中焚烧这一技术的研究就显得f f 益重要。 本论文是以德国h a u p t k l a r 、v e r ks t u t t g a n m t l l l l h a u s e n 污水处理厂的两座鼓泡 式流化床焚烧炉为主要研究对象，针对该厂的污泥焚烧区，从离心脱水、干燥、 焚烧、烟气洗涤装置等一系列处理单元的工作原理、工艺流程、热量平衡计算的 分析，来全面认识流化床焚烧工艺的最佳焚烧工况及运行参数( 炉温、过量空气 比等) 。并通过i n s t i t u t ep r o f d lj a g e r 环境监理公司所提供的近两年对m n h l h a u s e n 污水处理厂烟气检测的四组报告，比较分析了烟气中的各种有害成分可能对环境 造成的二次污染，并针对n o x 的排放规律、控制措施，进行了较为系统的研究。 关键词：污泥焚烧；流化床焚烧炉；n o x 排放 a b s t r a c t a tp r e s e n tt h ej n c i n e r a t i o nt e c h n 0 1 0 9 yj s t 王l o u 曲ta so n eo ft h em o s tp r a c t i c a b i e t e c h n o l o g yi n t h e 丘e l do fs e w a g es l u d g et r e a t m e mi nt h ew o r l d i nt h e m o s to f c o u i l 埘e s ，s u c ha se u r o p e a i lc o 吼仃i e s ，a m e r i c a ，j a p a n ，e t c ，t h i st e c h n o l o g yh a sb e e n v e r yp o p u l a ra n d 叩e r a t e ds u c c e s s m l l ys t e pb ys t e p i t so b v i o u sa d v a l l t a g e sa r ef a s t d i s p o s a ls p e e d ，d e c r e a s i n gc o m p o n e n t se 衔c i e m l ya 1 1 dr e c ”1 ee n e r g ya sw e l i a n di n t h er e c e n ty e a r sm o s to fc o u n t r i e sm a k em u c hm o r es t r i c tr e g u l a t i o n so nt h et i m ea 1 1 d s p a c eo fd i s p o s i n gw a s t e s ，s oi n c i n e r a t i o nt e c l l i l o l o g yh a sb e e nam a i nm e t h o do f s e w a g es l u d g et r e a t m e n t i nc h i n a ，t h es t u d yo nw a s t e si n c i n e r a t i o ni sb e h i n do f d e v e l o p e dc o u n t r i e s ，e s p e c i a l l yl a c k i n go f 如n d 锄e n t a lr e s e a r c h o nt h ef i e l do f s e w a g es l u d g e i n c i n e r a t i o n t h e 耐o r e ， t l l e t c c h n o l o g y o fi n c i n e r a t i o nb e c o m e s i n c r e a s i n g l yn e c e s s a r y i nm ep a p e r ，t w o b u b b l i n g n u i d i s e db e di n c i n e m t o r s ，w h i c h b e l o n g t ot h e h a u p u c l a r 、v e r ks t u t t g a n m 油l h a u s e ns e w e r a g ep l a n ti ng e 衄a i l y a r em a i ns t u d y o b j e c t s ia 1 1 a l y z e 、v o r k i n gt h e o n o 、i n gd i a g r a p hd e s i g i l ，h e a tb a l a l l c ec a l c u l a t i o n o fe v e r yd i s p o s a lu i l i to fs e w a g es l u d g ei n c i n e r a t i o n ，w h i c hi n c l u d e d e w a t e r i n g ， d r y i n g ，i n c i n e r a t i o na n dn u eg a sc l e a l l i n gd e v i c e s ，i no r d e rt ou i l d e r s t a n dt h eo p t i o n a l i n c i n e r a t i o nc o n d i t i o n sa 1 1 do p e r a t i o np a r 锄e t e r s ( s u c ha si n c i n e r a t i o nt e m p e r a t u r e ， e x c e s s i v ea i re t c ) a c c o r d i n gt of o u rf l u eg a sm e a s u r i n gr e p o r t so nt h em n h l h a u s e n s e w e r a g ep l a n ti n2 0 0 la i l d2 0 0 2b yi n s t i t u t ep r o f d r j 始e r ic o m p a r ea i l da i l a l y z e e v e r yk i n do f h a z a r d o u sc o m p o n e n t si nm en u eg a s ，w h i c hp o s s i b l ym a k es e c o n d p o l l u t i o nf o re n v i r o 姗e n t e s p e c i a l l ym yp a p e rf o c u s e so nt l l e r e l a t i o n so fn o x e m i s s i o n sa 1 1 dc o n 仃0 1m e t h o d s a uo ft h ew o r k sw i l lo 腩ro p t i o n a l d e s i g n a n d o p e r a t i o np a r 锄e t e r sa 1 1 dw i l lb ec o n t r i b u t e dt oi m p r o v et 1 1 ec o m b u s t i o no fs e w a g e s l u d g e k e y w o r d s s e w a g es l u d g ei n c i n e r a t i o n ； f l u i d i s e db e di n c i n e r a t o r n o xe m i s s i o n s 第章污泥焚烧工艺的研究与应用概况 第一章 污泥焚烧工艺的研究与应用概况 1 1 概述 1 1 1 污泥处理、处置的方法 污水中的污染物质作为污泥从净化处理的过程中被分离出来，污水净化的 程度越高，污泥的量就越大。污泥，可以说是被浓缩的污染物质。 无论是进行有效利用还是填埋处置，污泥处理的目的与其他废弃物的处理 一样，都是以减量化、资源化、无害化为原则。要达到这一目的，可以通过各 种机械装置的组合，组成污泥处理、处置系统。污泥处理、处置系统常用的基 本单元操作如表l 一1 “1 所归纳的那样。 表l 一1 污泥的处理目的与单元操作 处理目的单元操作 浓缩重力式，气浮式，离心式，反浸透 式，蒸发式 消化厌氧，好氧 前处理 药品石灰，铁盐，硫酸铝，高分子絮凝剂 执 高温高压式，低温加压式，冷冻熔解 式 脱水重力式，真空式，毡式，离心式，加 压式 干燥自然式，回转炉式，多段炉式，气流 式，流化床式 焚烧多段炉，回转炉，流化床炉，喷射式 焚烧炉， a s t 法湿式氧化法，热分解燃烧炉 处置填埋，肥料，资源化 若将这些单元操作组合，用流程图的形式表示，则如图1 一l 所示。污泥处 理的基本流程为：浓缩、脱水、干燥和焚烧。这些单元操作均起缩减污泥体积 的作用。在污泥处理过程中，影响污泥性质稳定的是污泥中的有机物，因此需 要积极的利用这些有机物( 用作肥料等) 或者通过热处理分解有机物，使之无 机化。最终处置的脱水泥饼和焚烧残渣( 灰) 一般很少需要进行有害性鉴别， 但当由于工业排水等影响会致害时，则泥饼和残渣就必须进行无害化处理。在 焚烧处理过程中尤其要注意的问题是：若将含铬化合物的污泥添加石灰进行脱 水焚烧时，污泥中三价铬化合物往往容易成为六价铬化合物，变得易溶而超过 有害物的允许标准；以及污泥中有机态氮生成的n o x 和煤灰中的重金属要采取 措施，以防止发生二次污染。针对这些问题，最近正在开发由添加消石灰改为 北京工业大学工学硕士学位论文 添加高分子絮凝剂处理含铬化合物以及热分解处理和煤灰焚烧处理等的新技 术。其次是进行填埋，研究减少处置量和残渣稳定化的熔融处理技术。 喷嚣燃烧- ，上击厂肥料_ 1 娌改良枘 泓式l 化一脱水一 一自然l 蠼一 化木洗一鼬摘 _ 雠 气浮l 热调制 l 冷冻 叫篡 1 一 帮式，k 游帆l 市式多段炉 1 离心机l 一刚转炉 1 眶滤机l 漉神层 i 口式垃滤机l 一喷诋增联 1 螺朴n i 榨机l 机动炉特 集抖资榔 埙蝌 蒜 刊凿 图卜1 污泥处理的基本流程 d r a w i n g1 一l b a s i cc o u r s eo fs e w a g e s l u d g e 仃e a t m e m 烧瑚 b 溉凝l ：川化 与塑辩熔融 牡他坩化址j 攀 1 1 2 污泥焚烧工艺的兴起与发展 污泥的焚烧，是污泥处理中最普遍采用的热处理方法，近年来热分解工艺 也已经实用化。剩余污泥中约有9 9 进行脱水处理，这种倾向今后也不会改 变，所以污泥的热处理对象主要是脱水泥饼。 焚烧工艺在脱水泥饼的处理、处置方法中所占的比例来看，已成为污水处 理系统中必不可少的重要技术。这是因为污泥脱水后的滤饼含水率仍达4 5 8 6 “，含水率高，体积大，用作肥料或土壤改良剂回用于农田使水分偏高， 不利于分散及装袋运输。为了便于进一步的利用与处理，可将其进行干燥处理 或焚烧。干燥处理后，污泥含水率可降至2 0 4 0 。焚烧处理，含水率可降至 o ，体积很小，便于运输与处置。目前世界各国的环境条件对废弃物处理所花费 的时间和所占的空间都提出了十分严格的要求，宁肯消耗一定的能源，但要求 处理速度快，减量化程度高的工艺。德国在1 9 9 6 年明确提出了污泥减量化、资 源化、和无害化处置的优先顺序。污泥减量化是对剩余污泥处置的新概念，是 在对剩余污泥资源化基础上进一步提出的要求。因此，在许多城市的污水处理 厂，今后脱水泥饼的处理将不得不依靠热处理工艺( 数百度以上的高温处 理) 。 焚烧法与其它方法相比具有突出的优点： ( 1 ) 大大地减少了污泥的体积和重量，因而最终需要处理的物质很少，有时 焚烧灰可制成有用的产品； ( 2 ) 污泥处理速度快，不需要长期储存； ( 3 ) 污泥可就地焚烧，不需要长距离运输； ( 4 ) 可以回收能量用于发电和供热。 但是，另一方面随着焚烧工艺的引进使用，它所存在的若干基本问题也日 渐暴露出来。其一，能源价格不断上涨：其二，更为严格的环境保护意识在日 益形成。所以，开发热效率高，并能把环境污染控制在最小限度的热处理工艺 成为当务之急。作为种解决方法，就是近年来实用化了的热分解工艺。下面 将略为详细的叙述它的开发过程。 污泥脱水泥饼热分解的初期研究，是由美国的诺亚克( n o a c k ) ( 于 1 9 5 9 年) 、施莱辛格( s c h l e s i n g e r ) 等人( 于1 9 6 0 年) 在彼得堡能源中心 ( p i t t s b u r ge n e r g yc e m e r ) 开始的，其共同的特点是以回收能源为目的。但是 从污泥处理的观点来看，污泥的热处理是从脱水污泥开始的。脱水污泥( 水分 6 5 一8 5 ，其固体热值为7 5 0 0 1 5 0 0 0 l ( j ，l ( g ) 的热值低，因此，热处理过程 中必需添加辅助燃料，所以应该设计辅助燃料最少的流程。 1 9 7 0 年以后，从日本研究者平冈“1 等人1 9 7 3 年所进行的基础研究开始， 美国的奥利克塞( o l e x s e y ) 于1 9 7 4 年、卡林斯克( k a l i n s k e ) 于1 9 7 5 年都指 出了热分解工艺的优越性。1 9 7 6 年1 0 月在悉尼举行的第8 届国际水质污染研究 会议上由马吉玛( m a j i m a ) 等人发表了多段炉分解的应用性研究报告。塔凯达 ( t a i ( e d a ) 等人及布拉肯( b r a c k e n ) 等人也提出了同样的报告。1 9 7 7 年4 月在 日本东京举行的日美下水道技术会议上，由卡希娃亚( k a s h i w a y a ) 发表了大阪 府川俣处理场的多段炉应用研究的成果报告，报告中证实了多段炉热分解工艺 的实用性。从此，川俣处理场及其他多处都建起了剩余污泥热分解装置，现正 在运行中。 焚烧( 热分解) 的定义，一般来说含义比较广泛，但是在污泥处理领 域，平冈常狭义的解释为以下的内容：污泥固形物在无氧气或者理论空气量以 下的低氧气氛中加热到高温( 5 0 0 一1 0 0 0 ) ，固形物热分解成：( 1 ) 包括可燃 成分在内的气体；( 2 ) 常温下为液体状的焦油；( 3 ) 灰等残渣。分解成这三部分的 过程称为焚烧。 目前焚烧工艺被世界各国认为是污泥处理中的最佳实用技术之一。 1 1 3 污泥焚烧流程的选择 1 1 3 1 焚烧炉的型式 焚烧工艺很久以前就在工业上得到应用。最近，重油的气化，以及煤炭和 固体废弃物的气化技术等都进行了大量研究，开发了不同形式的反应装置。 焚烧装置可以采用的方式有直接加热的热风加热方式以及部分燃烧加热方 法等。其炉型有回转型、多段型及流化床型等。所谓热风加热是把氧分压为零 的可燃气体通入炉内作为热源；部分燃烧加热是除热风以外，并向炉内供给比 泥饼可燃部分理论燃烧量少的空气，使一部分分解气体燃烧作为热源。这些加 热方式可以通过改进原来作为污泥焚烧装置的回转炉、多段炉与流化床炉而加 以利用。 最近，在剩余污泥脱水泥饼的焚烧装置中，流化床的应用研究日益增多， 这是因为对低水分泥饼( 干燥泥饼) 的处理，流化床炉具有单位处理能力大等 优点。在探讨焚烧装置时，必须充分考虑设置条件，再选择型式。 下面列举几种常用的焚烧炉 ( 1 ) 立式多段炉( 多段竖炉) 北京工业大学工学硕士学位论文 自十九世纪五十年代开始，多段竖炉就用于化学工业作为焙烧炉。现在在 环境工程上经常把它用在固体废物的焚烧处理过程中。立式多段炉由很多段的 燃烧空间( 炉膛) 所构成，炉膛内衬有耐火材料，外包铁皮。按照各段的功 能，可以把炉体分成三个操作区：最上部是干燥区，温度在3 l o 一5 4 0 之间； 中部为焚烧区，温度在7 6 0 一9 8 0 之间，固体废物在此区燃烧；最下部为焚烧 后灰渣的冷却区。 立式多段炉这种构造不太复杂，操作弹性大，适应性强，是一种可以长 期连续运行、可靠性相当高的焚烧装置，特别适用于处理污泥和泥渣。现代几 乎7 0 以上的焚烧污泥设备是使用多段焚烧炉的。这是因为这类废物太粘稠， 难于雾化，不能在一般的带有喷嘴雾化加料的液体焚烧炉内处理。另外像污泥 这类废物，不单热值太低，而且在点燃之后容易结成饼或灰覆盖在燃烧表面 上，使火焰熄灭。所以需要连续不断的搅拌，反复更新燃烧面，使污泥得以充 分氧化。在多段炉内各段都设有搅拌杆，物料在炉体内的停留时间也很长，正 适用于这种要求。多段焚烧炉存在的问题主要是由于机械设备较多，需要较多 的维修与保养。搅拌杆、搅拌齿、炉床、耐火材料均易受损伤。另外，通常需 设二次燃烧设备，以消除恶臭污染。 ( 2 ) 回转式焚烧炉 回转炉原来是用在水泥和石灰的烧制工艺过程的。按气流与物料流动方向 分为并流式与逆流式两种。回转窑的温度分布大致为：干燥区2 0 0 一4 0 0 ，燃 烧区7 0 0 一9 0 0 ，高温熔融烧结区l 】0 0 一1 3 0 0 。 回转炉的优点“1 是比其它炉型操作弹性大，可以耐废物性状( 粘度、水 分) ，发热量、加药量等条件变化的冲击，是处理多种混合固体废料的较好设 备。另外由于回转炉机械结构简单很少发生事故，能长期连续运转。 回转式焚烧炉的缺点是热效率低，只有3 5 4 0 左右。因此在处理较低热 值固体废物时，必须加入辅助燃料。其次，高粘度污泥在于燥区容易在炉内粘 附结块，也影响传热效率。由于从回转炉体排出的尾气经常带有恶臭味，此时 应加设高温后燃室，燃烧温度应在7 5 0 一9 0 0 。或者导入脱臭装置脱臭。 回转炉可处理多种物料，除污泥外，还能焚烧处理各类塑料、废树脂、硫 酸沥青渣、城市垃圾等等。 ( 3 ) 流化床焚烧炉 流化床自从作为气体发生炉工业化以来，广泛用于以化学工业为主的各种 工业的各个工艺过程，例如多相催化、吸附、吸收、蒸发、干燥、焙烧、干馏 等单元操作。在固体废物焚烧处理过程中，流化床焚烧炉能够处理污泥、油渣 以及多种有机性废液和废物。 流化床焚烧炉的构造很简单，主体设备是一个圆形塔体，下部设有分配 气体的分配板，塔内壁衬耐火材料，并装有一定量的耐热粒状载体。气体分配 板有的由多孔板作成，有的平板上穿有一定形状和数量的专业喷嘴。气体从下 部通入，并以一定速度通过分配板，使床内载体“沸腾”呈流化状态。废物从 塔测或塔顶加入，在流化床层内进行干燥、粉碎、气化等过程后，迅速燃烧。 燃烧气从塔顶排出，尾气中夹带的载体粒子和灰渣一般用除尘器捕集后，载体 可返回流化床内。若载体使用十几孔目的石英砂，则流化床的流化起始速度u 。f 为1 0 2 0 厘米秒，空塔速度u a 是u 。f 的2 8 倍。若u 。 1 5 u 。f 时，载体的带 4 第一章污泥焚烧工艺的研究与应用概况 出量非常大，同时床层压力将减少；若u 。 8 5 0 ) ：在高温区送入二次空气，燃烧，减少c 0 、不完全燃烧 产物和前躯体的生成量，从而抑制二恶英的生成量。未燃烧的碳粒或多环芳烃 等在定条件下会合成二恶英，这种合成在3 0 0 附近最显著，因此为防止这 种合成，让除尘器低温化，即将除尘器入口气体温度降至2 0 0 以下；延长气 体在高温区的停留时间( 2 s ) 等，改善燃烧状况，使废物完全充分搅拌混合提 北京工业大学工学硕士学位论文 高湍流程度。另外还可通过选用合适的焚烧炉炉型( 如流化床焚烧) 开发改进 自动焚烧炉控制系统等更先进的系统，达到抑制二恶英的生成。 1 4 研究目的与研究内容 1 4 1 研究目的 以流化床焚烧炉工艺为对象，较全面地考察运行条件对流化床焚烧炉运行 特性的影响，分析影响系统运行的关键因素，为该工艺的优化设计和稳定操作 运行提供科学依据，并针对污泥焚烧过程中所产生的污染物之控制提供切实可 行的解决方案。 1 4 2 研究内容 一m 豇h l h a u s e n 污水处理厂污泥焚烧系统 全面认识m n h l h a u s e n 污水厂污泥焚烧系统运行的工艺流程、烟气洗涤系 统、能量回用流程及热量平衡计算。 二流化床焚烧炉中的热解产气的分析研究 综合考虑大型流化床焚烧炉运行的各个参数，选取合适的采样点，并对采 得的烟气样品进行常规分析和仪器分析。通过所获得的试验数据，分析焚烧炉 燃烧室中热解产气的情况。并考虑流化床焚烧炉运行参数与烟气成分之间的相 互关系，以控制流化床焚烧污泥时产生的二次污染问题。 三焚烧过程中所产生的氮氧化物( n o x ) 的控制研究 焚烧过程中所产生的n o x 与c o 、o r g c 等污染物之间的相互关系，并根据 多组试验数据考察n 0 x 随季节的排放变化规律，以期为流化床焚烧炉实际运行 过程中对污染物的控制提供切实可行的指标和方法。 1 6 第二章德国h a u p t k l 俐e r ks t l l n g a n m n h l h a u s e n 污水处理厂概况 第二二章德国h a u p t k ia r w e r ks t u t t g a r t m u hih a u s e n 污水处理厂概况 2 1 h a u p t ki 菹r w e r ks t u t t g a r t m u h ih a u s e n 污水处理厂 2 1 1 斯图加特市排水管网概况 斯图加特是德国巴登符得堡州( b a d e n w n m e m b e r g ) 州府所在地，位于德国 的西南部”“，是著名的葡萄酒出产区，同时也是奔驰汽车、保时捷汽车、b o s c h 工具的原产地，堪称高科技之城，人口约5 5 万，全年气候潮湿多雨。 斯图加特排水管网是按照合流制设计的，即污水和雨水经由一个共同的管 道系统排放。在此种方式下，每年平均会有9 0 的混合污水经由污水厂处理净 化。斯图加特污水管网约1 7 0 0 公里长口”，包括1 4 0 个特别建筑如溢流池、降 水滞留池、泵站及特别井道，利用体积约1 7 00 0 0m 3 。斯图加特排水管网总价 值计1 5 亿马克。 2 1 2m u h i h a u s e n 污水处理厂概况 斯图加特污水处理总厂m 曲i h a u s e n ( d a sh a u p t l 【i 柳e r ks t u t t g a r t - m 曲l h a u s e n ) 负责1 6 3 平方公里的污水处理排放。其中四分之三源于斯图加特界内，另四分 之一来自周边接入乡镇e s s l i g l l e n ，f e l l b a c h ，k o m t a l 和k o n w e s t h e i m 。斯图加特 西部和南部的污水则经其他三个外部污水处理厂m 曲r i n g e n ，p l i e n i n g e n 和 d i t z i n g e n 处理完成。 现代污水处理厂由三个功能领域构成：入流时的物理处理阶段、生化处理阶 段及对由此产生的污泥进行的净化及处理。此外斯图加特污水处理总厂 m n h l h a u s e n 还拥有一个砂滤装置，这是污水处理技术中的创新。两条入流管道 将污水导入斯图加特污水处理总厂，一条来自b a dc a i l l l s t a t t 方向，负责斯图加 特市中心区、东南部及部分e s s l i n 譬e n 、f e l 】b a c h 的污水收集排放；另一条污水 主干道经由f e u e r b a c h 山谷至此，则负责斯图加特市西北部、k o m t a l m n n c h i n g e n 市及k o m w e g 也e i m s 的一部分。在两条入流管通向污水处理厂的入 口处各有一个格栅及沉砂池，对入流的污水进行物理预处理。污水厂内，污水 经过预曝气池后进入圆形初沉池，彻底完成物理净化过程，污泥沉淀至池底， 送至消化池。污水继续流向长方型曝气池进行生化处理，然后进入二沉池。二 沉池中产生的污泥一部分作为回流污泥会再次流入曝气池，剩余污泥则进入浓 缩池。斯图加特污水处理总厂中的污水还会进入第三级净化阶段一砂滤池，达 到9 8 净化后排放到内卡河中。 平均来看，斯图加特污水处理总厂m t i h l h a u s e n 每年处理污水捌8 5 0 0 00 0 0 m 3 ，即平均每天2 3 3o o om 3 。雨季处理量大约是旱季的两倍。 污水厂全景图如图2 1 所示3 1 1 ，平面图如图2 2 所示m 1 。 图2 一l 污水厂全景图 图2 2 污水厂平面图 下面就该污水处理厂各部分工艺作一简要介绍。 2 2h a u d t kia r w e r ks t u t t g a r t 一h ih a u s e n 污水处理厂 工艺流程 2 2 1 hlh a u s e n 污水处理厂污水处理工艺流程 m n h l h a u s e n 污水处理厂污水处理工艺是由物理处理( 格栅，沉砂池，预曝气池，初 沉池) ，生物处理( 曝气池，二沉池) 和砂滤池等几部分所组成。 1 8 第二章德国h a u p t l 【i 州e r ks n l n g a n - m u h l h a u s e n 污水处理厂概况 2 2 1 1 物理处理工艺 原则上污水要经过两级处理：物理净化和生物净化。物理净化是以物质分 离的物理过程为依据。不溶于水的物质会因为其大小及密度的关系从水中分 离。这个过程先是发生在格栅处，然后是沉砂池，预曝气池和初沉池。其物理 处理工艺流程如图2 3 所示“”。 格栅将纸片、粪便、木材、石头从水中分离出来，沉砂池中分离的则是砂 子或细砂。这种污水处理初始时进行的粗处理或精细处理防止了管道及水泵中 的沉积阻滞。这也是为什么要在内卡河右岸的h o f e n 修建一处格栅和沉砂池的 原因：它杜绝了内卡河底水道阻塞的可能性。f e u e r b a c h 山谷的格栅和沉砂池也 是类似功能。 经过预处理后，污水进入污水处理厂，经预曝气池后，细砂和轻质物体在 初沉池中得到分离。初沉池承担着物理净化中最后一个阶段也是最重要的任 务：池中水流流速非常低，以使轻质物体可以沉淀( 如果它们比水重) 或浮游 ( 如果它们比水轻) 。池底的沉淀污泥通过水泵输送至消化池。m n h l h a u s e n 污 水处理总厂中有两个预曝气池，容量1 8 5 0m 3 ，和三个初沉池，直径分别为6 0 米，容量总计为2 34 0 0 m 3 ，日处理量2 3 30 0 0 m 3 ，停留时间约2 小时。经初沉 池处理后约有l2 0 0m 3 的污泥被分离出来。 图2 3 物理处理工艺流程 d r a w i n g2 3 t h et e c h n 0 1 0 9 yc o u r s eo fp h y s i c a lt r e a t m e n t 2 2 1 2 生物处理工艺 物理净化后是生物净化。它由两个阶段组成：污水先后进入曝气池和二沉 池。其生物处理的工艺流程如图2 4 所示”“。 扩建工程后m u h l h a u s e n 污水处理厂拥有1 8 座长方形曝气池，每个长1 2 0 米，容量总计达9 00 0 0m 3 。1 0 个二沉池每个直径5 0 米，总计可容污水7 00 0 0 m 3 。经物理净化后的污水通过分流器进入曝气池，在曝气池中的平均停留时间 为4 小时。数以亿计的微生物( 霉菌、细菌、原生动物及其他微生物) 构成了 活性污泥，将污水中的有机物作为养料吸取利用：非细胞的有机物质转化为细 胞物质，同时微生物繁殖增多。生化降解过程需要多种通过养料的氧化反应而 获得的能量。由此所需的空气是由涡轮鼓风机通过微孔陶瓷管输入到污水及活 性污泥的混合物中，这样不仅微生物得到氧气，同时污水和活性污泥也得以彻 底混合。 生物降解后的物质会在二沉池中被沉淀下来。和初沉池中一样，污水在这 里也是被缓慢搅动，污泥悬浮物因此可以沉淀至池底。沉淀后的部分污泥f 回流 污泥) 被重新输送回曝气池，在那里继续进行生化降解过程。因微生物繁殖而产 生的剩余污泥从净化循环中分离出来，送至污泥处理部分。生物净化后的污水 流向砂滤装置。 图2 4 生物处理工艺流程 22 1 3 砂滤池处理出水工艺 迄今为止，欧洲境内只有少数污水处理厂设有砂滤装置，m t i l l l h a u s e n 污水 处理厂是其中之一。在污水处理技术领域内，这是一项革新。它使污水在排放 至内卡河前可以达到9 8 的净化程度。在砂滤装置的帮助下，河流的悬浮物污 染大幅度降低，水体质量得以进一步改善。砂滤池是该水厂自1 9 8 5 年后才开始 正式运转的处理单元。其结构如图2 5 所示u 2 】。 图2 5 砂滤池剖面图 d r a w i n g2 5 t h es e c t i o n a ld r a w i n go fs a n df “t e rt a n k 在1 9 8 5 年前，m 曲l h a u s e n 污水处理厂按照传统的污水处理工艺，即自二沉 池排出的水经消毒后排放到内卡河道。但自1 9 7 3 年，德国环保局提高了对污水 排放值的要求，排放入河流中的污水日乎均b o d 5 值必须低于l o n 珂l ”。但在 当时，德国水处理技术还未完全成熟，经二沉池沉淀处理后的水体中仍然含有 少量的溶解性和悬浮态的污染物，其b o d 5 的值不能达到环保要求。因而德国 针对这一问题进行了大量研究，并且得到了食品，农业，环境和林业等政府部 门的资金支持，最后采纳了微孔细筛作用原理的砂滤池来处理二沉池的出水。 这样，在1 9 8 2 年，德国巴符州投入了约4 千2 百万马克在m n h l h a u s e n 污水处 第二章 德国h a u p t k ln e r ks m n g a n m u h l h a u s e n 污水处理厂概况 理厂建造了砂滤池。经过了3 0 个月的部分运转后，自1 9 8 5 年底砂滤池开始正 式全面投入运转。 m n h l h a u s e n 污水处理厂中的污水经由5 个中央排列式的螺旋泵( 直径2 6 m ， 流量2 2 m 3 s ) 提升自二沉池排放的出水至砂滤池，如图2 6 所示。 图2 6 砂滤池螺旋泵 d r a w i n g2 6 t h es p i r a lp u m po fs a n df il t e rt a n k 原水从砂滤池中问流过，分配到两边的滤室( 共1 2 个滤室，一边6 个1 。池 中的双层滤床上层由大孔的轻质膨胀页岩，下层是精细但较重的石英砂。该滤 床高度为1 4 5 m ”。它们下面是由石英卵石构成的分配层。再往下是有风口的 过滤基质。经过生物净化的污水在l o 分钟内顺序流过滤床。在最上层的起到滤 网作用的过滤层里，以及颗粒间的缝隙里，悬浮物被大量阻截。过滤后的污水 经过过滤基质中的片式喷嘴到达汇集室，并由此进入内卡河。该厂平均每两天 就要通过所谓的“空气一水一冲洗”清理一次每个滤室中的阻滞物：空气和水 经由相反的方向一即由下而上通过过滤层。作为冲洗的用水是已经净化后的污 水。经过筛滤作用后的砂滤池出水，b o d 5 大规模减少，水质得到了很大改善， 其澄清度如图2 7 所示”。 图2 7从不同的净化阶段取样 d r a w i n g2 6 t h es a m p l e so fd i f f e r e n tt r e a t m e n tp h a s e s 2 l 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 1 4 除磷脱氮工艺 氮磷化合物在目前使用的工艺方法中只能部分地去除，这部分是由微生物 的物质交换所需的量来决定。然而更大一部分会被排放至水体中，成为那里的 藻类和微生物的养料，其后果之一就是植物和微生物迅速增长。它们影响了阳 光入射，死后导致大量的发酵过程，因此大量消耗水中的氧气，即所谓的“富 营养化”现象。新的技术发展使控制污水中的氮磷含量成为可能。该工艺方法将 在污水处理总厂的扩建项目中予以考虑”。其工艺流程如图2 8 所示”。 脱氮是生化过程。因此必需两种特殊细菌，亚硝化单胞菌和硝化细菌。只有 如此，在空气氧的帮助下，污水中的氨态氮才可以转化为硝酸盐( 硝化作 用) 。为了造成该细菌的有利生长环境，曝气池是必须的。每个曝气池中又有 部分无曝气区( 厌氧池) ，活性污泥中的其他菌类可以在此进行反硝化反应。 除磷依生化和化学方法进行。水中的磷绝大部分是以溶解态存在。通过沉 积在微生物上或化学沉淀，磷可以作为固态物质自污水中分离。当污水在曝气 池中流经曝气和非曝气部分的时候，沉积效果可以显著提高。这种情况下微生 物的磷摄取量高于其所需要量。降低水中磷浓度的另一个方法只能是通过添加 凝聚剂。 图2 8 除磷脱氮工艺( a a o 工艺) 2 2 2m i i hih a u s e n 污水处理厂污泥处理工艺流程 m n h i h a u s e n 污水处理厂每年产生的污泥量啦! 为5 4 0 0 0 0 m 3 ，即每日所产生 的污泥量为1 5 0 0 m 3 ，污泥分别经过消化浓缩一离心脱水一干燥一焚烧而被最终处 理。其工艺流程如图2 9 所示1 。 图2 9 污泥处理工艺流程 初沉池中产生的原污泥被运至消化池，在无氧环境中发酵。每座消化池可 盛装7 5 0 0m 3 污泥，消化时间为1 5 天。消化过程是卫生处理、减少气味和降低 体积的过程。消化过程中微生物将有机物降解。由此产生的消化气体三分之二 由沼气组成，三分之一是二氧化碳。日产气1 20 0 0m 3 ，经由一低压罐收集并存 储于一高压罐中。 以前，消化气体作为燃料在污水处理厂内利用。新的污泥流化床焚烧炉投 入使用后，因为焚烧炉不再需要气体作为能源，消化气体也就另行利用了。消 化气体因其大量余热而用于厂内供热。自1 9 8 6 年起消化气体经净化处理后加入 城市供气管网。出于运转原因，净化处理是在一位于污泥燃烧装置近处的净化 装置内完成的。为达到质量要求，要将二氧化碳及少量硫化氢在化学气体洗涤 器中去除。净化后的气体无味，故须经干燥后与某一气味浓重的警告气体混 合。该气体净化装置作为欧盟的示范装置得到资助。 初沉池产生的、经消化池发酵的污泥及二沉池产生的剩余污泥在浓缩池中 在重力作用下预脱水，由此污泥体积降为原体积的一半左右。接下来的脱水由 离心机和干燥机完成。尽管由此已经可以大幅度降低污泥体积，剩下的污泥量 对于可用的有限面积来说仍然太大了。因此经过脱水和干燥的污泥还是要送去 焚烧。 目前的脱水及焚烧装置共计”2 1 有8 座污泥浓缩池，体积总计1 14 0 0m 3 ；4 个离心机，最大功率为1 6 0 m 3 l l ；3 个污泥干燥机，功率为1 8t l 。流化床焚烧 炉的每日干燥污泥焚烧量为7 2 吨。 2 3 小结 德国h a u p t k l a 州e r ks t i l t t g a n - m n h l h a u s e n 污水处理厂工艺流程 污水处理工艺由物理处理、生物处理和砂滤池处理三部分组成。 砂滤池处理出水可达到9 8 的净化程度，出水日平均b o d 5 值 1 0 m l 。 污泥处理工艺由消化、浓缩、离心脱水、干燥和焚烧五部分组成。 北京工业大学工学硕士学位论文 第三章德国h a u p t k ia r w e r ks t u t t g a r t m u hih a u s e n 污水处理厂污泥焚烧工艺 3 1 德国污泥焚烧工艺的发展现状 在德国污泥焚烧工艺已经具有4 0 年的历史。1 9 6 2 年第一台焚烧炉在德国 投入使用”。与垃圾焚烧相比，污泥焚烧炉的抗干扰性更强，而且污水污泥 中不含有庞大的成分物质，便于人们设计出比较牢固的炉膛。目前在德国，每 年约有2 5 3 百万吨的污水污泥产生( 其中3 0 用于农业( 堆肥) ；5 6 填埋；1 4 焚烧) ”，不久便达到4 百万吨年。由于污泥中含有有害重金属，加之农民不 愿接受，预计用于农业方面的比例会逐年下降。又因填埋土地有限，而对这方 面的卫生标准日趋严格，特别是t h e t e c l l i l i c a l d i r e c t i v e f o r m u n i c i p a l w a s t e t a s i e d l u n gs a b f a l l 带来了更加严格的规定。此已经通过的新版本明文规定”，禁 止填埋有机物含量超过5 的污泥。由于这一法令的颁布，当前被认为最重要的 处理路线没有无机化的填埋，将不再实用。对于污泥无机化处理的唯一出路就 是污泥焚烧工艺。而且近年来，焚烧工艺变得越来越成熟，也越来越适应环保 的要求。特别是在焚烧炉烟气净化这一重要的领域，烟气中的有害成分经过一 系列气体再处理设备的处理后，己完全达到德国严格的大气环保要求。当然， 石油危机的影响也不能被忽视，人们在设计焚烧炉时，有意识的考虑到对能源 的回用。 目前在德国境内，已有将近4 0 个污水处理厂已经拥有多年的污泥焚烧工艺 的实际运行经验3 。其中l o 家工厂混烧生活垃圾和污水污泥，2 0 多家焚烧城 市污水污泥，9 家工厂专门进行工业废水污泥的焚烧处理。在德国，污泥焚烧 炉首先始于多段竖炉，而后流化床炉逐渐取代了多段竖炉。目前，流化床焚烧 炉的市场占有率超过了9 0 ，焚烧污泥的含水率在4 5 一8 0 之间。另外，在燃 煤c f b 锅炉中也正在考虑混烧污泥。图3 1 是典型的流化床焚烧装置”1 。 w a s t em a t e r i a li n i e 【 图3 一l典型的德国污泥f b 焚烧装置 i n l e t 第三章德国h a u p t k ln v e r k s t l l n g a n m u h l h a u s c n 污水处理厂污泥焚烧工艺 在柏林“1 自1 9 8 5 年来运行着欧洲最大的活性污泥流化床焚烧炉，其炉格面 积为2 5 m 2 ，处理7 5 水分的污泥1 5 泊。在法兰克福，有一家德国最现代化的 污泥焚烧厂，在e s s e n 的一台流化床，以0 5 1 m m 的石英砂为床料，只使用一 次风。德国r e n l ( u m 悄e t h e r l a i l d s 的p a r e n c o 造纸厂流化床锅炉用于发电。燃料有 四种：( 1 ) 废水污泥，每年有2 0 0 0 0 t ；( 2 ) 脱墨污泥，2 0 0 0 0 以：( 3 ) 树皮( b a r k ) ， 4 0 0 0 0 t ；( 4 ) 辅助燃料为垃圾球( r e m s ep e l l e t s ) ，它主要由废纸和木材组成，另外 含有8 的塑料废弃物，其灰分含量大约为ll 。锅炉的最大连续输出量 2 2 仆，最大工作压力7 5 b a r ，蒸汽压力5 0 6 5 b a r ，蒸汽温度4 7 0 ，给水温度 1 0 5 。排放气体温度1 8 0 ；灰含量( m a 】【) ，3 0 m 咖3 ：n o x ( m a ) ( ) ， 2 0 0 m m 3 ：s 0 2 ( m a x ) ，2 0 0 m m 3 ；h c l ( m a x ) ，l o o m m 3 ；c 0 ( m a x ) ， 5 0 0 m m 3 。德国h 锄b l l r g h a r b u r g 技术大学建立的流化床与循环床试验台系 统，主要开展了流化床和循环床燃用污泥污染排放特性的比较研究。 3 2h a u p t kia r w e r ks t u t t g a r t m u hih a u s e n 污水处理厂 流化床焚烧工艺 h a u p t k l a n e r ks t u t t g a r t m l h l h a u s e n 污水处理厂是德国第一个使用焚烧工艺 来处理污水污泥的水厂3 ”。在1 9 8 2 年，该污水处理厂投入使用了两台流化床 焚烧炉，从而取代了原来那两个已有2 0 年历史的多段竖炉。这是由于 m n h l h a u s e n 污水处理厂的人们考虑到了原来的多段竖炉在运行过程中，所排放 的烟气对空气造成了严重污染( 产生大量臭气) ，无法达到环保要求；其次它的 运行还需要大量的热油和天然气作为助燃剂，从而花费巨大；此外，在炉膛内 部不能保证炉内的栅后物质和悬浮污泥完全混合，一起被燃烧。基于以上劣 势，人们决定采用流化床这种新的炉型来实现以上要求。 m n h l h a u s e n 污水处理厂污泥焚烧区如图3 2 所示“”。 图3 2 啪h l h a u s e n 污水处理厂污泥焚烧区 该污泥焚烧区运行的主要技术数据以及所包括的主要处理设备，分别如表3 1 ，3 2 所示3 ”。 北京工业大学工学硕士学位论文 表3 1m u h l h a u s e n 污水处理厂污泥焚烧区主要技术数据 t a b l e3 1m a i nt e c h n 0 1 0 9 yd a t a so f s e w a g es l u d g ei n c i n e r a t i o na r e a 处理污泥量( 流化床焚烧炉)4 讹g t s + l t i l 栅后物质 残渣量 2 0 4