摘要：焦化企业污水处理过程中产生的剩余污泥属于危废，配煤炼焦是现阶段普遍采用的解决方案。由于污泥含水率高、黏性大，对焦炭生产带来不利影响。因此，应借鉴市政污泥的处理技术，在掺入煤料前最大程度的降低含水率。在充分调研我国市政污泥调理、脱水、干化处理技术及大中城市处理最新处理工艺的基础上，考虑焦化污泥最终处置的要求，建议采用“浓缩-厌氧消化-水热处理-化学药剂调理-板框压滤脱水-热干化”工艺。

　　关键词：焦化污泥；配煤炼焦；水热处理；调理；干化

　　0引言

　　剩余污泥是污水处理的必然产物，针对其处理处置问题，我国许多技术政策，如《城镇排水与污水处理条例》、《水污染防治行动计划》、《土壤污染防治行动计划》都提出了具体的要求：“污泥应进行减量化、稳定化、无害化和资源化处理处置，禁止处理处置不达标的污泥进入耕地、非法污泥堆放点一律予以取缔”。

　　中国是焦炭出口大国，焦化企业环保达标是生存发展的必备通行证，也是义不容辞的社会责任。焦化废水处理系统剩余污泥（以下简称焦化污泥）除了生化处理产生的污泥外，还包含炼焦过程中湿法熄焦工序废水处理（不包括生化处理）产生的污泥，其排放按国家《危险废物处理方案》执行，处理后配煤炼焦就成为独立焦化厂现阶段的唯一出路。

　　由于污泥含水率高、燃烧热值低、黏性大导致无法均匀配煤等原因，回配污泥对焦炭的质量、焦炉炉窑寿命、炼焦能耗等不利影响较大。因此，全面分析和掌握污泥的处理工艺及各处理单元的脱水效果，寻找适合焦化污泥配煤炼焦的处理工艺具有重要意义。

　　1焦化污泥的来源和组成

　　焦化污泥来自焦化废水处理系统，由一级、深度处理产生的物化污泥和二级生物处理产生的生物污泥以及熄焦废水处理产生的污泥混合而成。其中生物污泥占比最大，组分主要有微生物有机絮体、无机杂质以及其他有机污染物。生物污泥呈黄褐色，有流动性，与水分子的亲和力很强，含水率高，结构松散，很难通过沉降的方式将其固液分离。

　　2焦化污泥的处理技术

　　由于焦化污泥主要为生物污泥，含水率及脱水性能与市政污泥类似，通常采用与市政污泥相同的处理工艺，可分为浓缩、调理、脱水和干化四个步骤。

　　2.1浓缩

　　浓缩利用污泥中固体颗粒与水的比重差，依靠重力或施加外力使二者分离，实现降低污泥含水率、减少污泥体积的目的。重力浓缩、气浮浓缩和离心浓缩是传统的浓缩方式。其中离心浓缩后污泥的含水率范围可高至95%，低至80%以下，接近下限时则归类到脱水步骤中。

　　传统污泥浓缩占地面积大、效率低、效果差、上清液悬浮固体浓度高，用于市政污泥还存在释磷的问题。目前新开发了利用粗网材料（如无纺布、钢丝网等）、膜分离原理降低污泥含水率的技术，在保证浓缩效果的同时实现膜出水的达标排放甚至回用。钟慧慧等[1]进行了FO浓缩剩余污泥工艺研究，实现了剩余污泥的浓缩目标，出水达到了直接排放或者作为城市杂用水进行回用的要求。Xiawen Yi等[2]将新型的微滤膜，用于污泥浓缩的正向渗透，实现了混合液悬浮固体（MLSS）质量浓度从约7 g/L到50 g/L的污泥浓缩。王新华等[3]采用平板膜浓缩污泥，中试结果表明污泥质量浓度达到30 g/L左右，出水可以回用。比传统重力浓缩更具优势。现阶段，重力浓缩仍是市政及焦化污泥普遍采用的浓缩方式。

　　2.2调理

　　污泥具有亲水性的胶团结构，脱水性能差，影响后续的脱水与干化处理过程。污泥中所含水分大致分为4类：颗粒间的空隙水，约占总水分的70%；毛细水，即颗粒间毛细管内的水，约占总水分的20%；污泥颗粒吸附水和颗粒内部水，约占总水分的10%[4]。机械法只能去除空隙水和毛细水，不能去除吸附水和颗粒内部水，脱水后污泥含水率一般为78%~83%，难以进一步降低[5]。通过化学、物理、生物调理方式，改变污泥颗粒表面的物化性质和组分，破坏其胶体结构，可以减少其与水的亲和力、改善脱水性能[6]。

　　2.2.1化学调理

　　化学调理通过添加化学药剂改变污泥性质及污泥颗粒表面电性，破坏污泥的原有的胶体结构，减小颗粒与水的亲和力，便于泥水分离。按化学药剂所起的作用分为絮凝剂、助凝剂、酸/碱、氧化剂等。其中絮凝剂、助凝剂应用最多，通过压缩双电层、吸附架桥和网捕机理联合作用于污泥。按化学药剂的成分分为无机、有机调理剂。无机调理剂一般为铝系和铁系盐，应用广泛的有聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合氯化铝铁等。有机调理剂按带电性质可分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性型，常用的有聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚氧乙烯、聚乙烯胺等。天然絮凝剂接枝改性、多种絮凝剂复合或复配并加入表面活性剂是未来的发展方向。孟维举等[6]采用石灰、聚合硫酸铁和阳离子聚丙烯酰胺对污水厂浓缩池污泥进行化学调理，泥饼含水率降至59.0%。

　　2.2.2物理调理

　　物理调理有骨架材料调理、能量调理二大类。

　　2.2.2.1能量调理

　　能量调理指输入机械能或热能调理，包括冻融（冷冻）、加热、超声波或微波等行调理。

　　冻融调理将污泥冷冻到凝固点以下冻结后再消融。利用水与冰的密度差异，使得胞外聚合物和微生物细胞中水分结晶且在这一操作的反复过程中不断丧失自由水。颗粒被包裹在冰晶内发生体积膨胀，未凝结的水分在冷冻状态下携带部分破碎细胞析出，污泥脱水性能得到提升。微生物所含水分得以释放，颗粒变成致密的大颗粒。毛细作用促使颗粒发生物理性脱水，结合水大量流失。冷冻的脱水作用以及形成冷冻结构时的挤压力使细胞壁破裂，胶体结构被彻底的不可逆的破坏，易于凝结成相对大的凝聚物。细胞内部水变成自由水分，从而提高脱水性能，即使再用机械搅拌也不会使污泥颗粒重新回到胶体状态。李玉瑛等[7]采用冷融技术对城市污水处理厂的剩余污泥进行了预处理，结果表明剩余污泥经13h的冷冻作用后，污泥的沉降性能和脱水性能都有很大程度的提高。Yuejia Chen[8]研究了污水处理厂二沉池污泥冷冻/解冻对COD分解和随后用作微生物燃料电池基质的影响。结果表明，长冷冻时间（超过48 h）能有效分解污泥，增强COD的降解和发电性能。

　　污泥加热处理的原理是在加热过程中，胞外聚合物形成的絮体解散，释放有机物并水解，降低了污泥的黏度，对水的束缚能力降低。在加热至170℃及以上时，污泥中的细胞破裂，胞内的大分子有机物释放并水解，各类大分子结合的内部水被释放且更容易与污泥颗粒分离[9]。热水解后的污泥颗粒中可溶性有机物含量增多，含固率也增加，多糖、蛋白质的量减少，可脱水程度大大提高[10]。污泥的水热法即属于热处理范畴，是目前研究的重点。水热反应时控制其压力高于水的饱和蒸汽压，污泥中的水分以液体形式脱除，减少了水的汽化所消耗的能量。水热处理可在较低温度范围内使污泥的含水率降低到50%以下[11]。Matteo Grana等[12]研究了水热碳化预处理对下游污泥发酵的影响。结果表明，提高了发酵原料的可用性，可以提高转化效率。

　　超声波调理通过对污泥施加超声波产生超声波空化，污泥液体中的微小气泡破裂，产生局部高温高压形成强有力的水流喷射，强劲的剪切力瞬间击破微生物的细胞壁，释放出污泥中的高分子化合物和结合水，从而改善污泥的脱水性能。超声波调理还利用了超声波的其他二个特殊性质：一是海绵效应，超声波在污泥颗粒中传播形成通道使水更容易通过，促使污泥颗粒凝聚为更大的颗粒；二是凝固特性，超声波使污泥颗粒发生震动，强烈的粒子运动使颗粒之间更容易碰撞并发生聚合。Fang Zhao等[13]研究了不同超声波条件下污泥的孔结构。结果证实，超声处理对污泥内部的孔结构特征有积极影响，平均孔径随着超声能量水平的增加而增加。Mahdi Ghafarzadeh等[14]研究不同条件下超声波对污水处理厂生物污泥脱水的效率。结果表明，超声波显著提高了比阻。

　　微波调理是传统加热调理的升级，其对污泥的加热能穿透污泥并提升污泥颗粒内部的热量。它利用污泥导热性差的特点，使污泥内、外层形成温度差异，破坏EPS与结合水之间的作用力，打碎颗粒絮状结构，释放更多的结合水，污泥脱水性能得以改善。王光宇等[15]以煤泥作为微波吸收剂实现污泥低能耗和快速干燥。Piyabalo Kodom等[16]研究微波辐射对全规模污水处理厂获得的三种类型的污泥中微生物、含水量、有机物和营养素的影响，结果表明微波在灭菌和减少污泥体积方面效果明显。Yawei Wang等[17]用中试规模的MW分解装置评估微波（MW）-化学混合污泥处理系统的性能，结果表明，微波预处理使污泥产量大幅降低。

　　2.2.2.2骨架材料调理

　　骨架材料调理指向污泥中添加改变污泥结构性质的材料，包括碳基材料(如石墨[18]、活性炭[19]、粉煤灰[20]、褐煤[21]、木片[22]和稻壳[23]等)、工业矿渣（如钢渣[24]、石膏[25]等）。它们具有刚性和多孔的特点，作为骨架材料或助滤剂加入后，构建出具有良好过滤性能的刚性泥饼结构，降低污泥的压缩性和提供自由水过水通道，改善压缩过程中的渗透性。骨架材料分为生物质材料和矿物基质材料两大类。一般而言，生物质材料灰分含量低、发热量高且滤饼孔隙率较高，比矿物基质材料更具优势。

　　2.2.2.3洗涤调理

　　洗涤调理用洗涤水稀释污泥、搅拌、沉淀分离、撇除上清液，利用固体颗粒沉降速度因大小、密度、表面特性等不同而不同的特点，淘洗去污泥中重碳酸盐的碱度和部分颗粒细小、表面积较大的胶体颗粒，降低污泥的粘度，达到提高污泥浓缩和脱水性能的目的。

　　2.2.3生物调理

　　生物调理剂主要有生物絮凝剂和生物酶两大类。生物絮凝剂是由某些微生物在适宜的营养、温度等生理条件下产生的有絮凝活性的次生代谢产物。有直接用微生物细胞作为絮凝剂、微生物细胞提取物作为絮凝剂和微生物细胞的代谢产物作为絮凝剂3类。生物酶是生物体中产生的具有催化功能的蛋白质，可降低反应活化能，使反应更易进行，提高化学反应的速率，具有高效、专一、可回收性。向污泥中添加生物酶可加强EPS及其他生物黏性物质和胶体的降解，从而减小污泥脱水的阻力，提高了污泥脱水性能。罗璐等研究发现溶菌酶对污泥脱水反应有明显的促进作用[26]。

　　2.3脱水

　　污泥脱水是污水处理过程中生产的原污泥、消化污泥及其经浓缩后的污泥中的水分脱除，转化为半固态或固态泥饼的的过程，脱水后污泥含水率一般可降到80%以下。《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》（GB/T 23485—2009）规定，污泥用于混合填埋时，其基本指标中污泥含水率需小于60%。《关于加强城镇污水处理厂污泥污染防治工作的通知》中提出，污水处理厂以贮存（即不处理处置）为目的将污泥运出厂界的，必须将污泥脱水至含水率50%以下。将污泥含水率降到60%以下的污泥脱水过程一般称为深度脱水。传统的污泥机械脱水有压滤、离心、真空过滤和叠螺式脱水三类[27]。

　　压滤脱水是靠压力将污泥中的水分挤压出来，压滤脱水又分为带式压滤脱水和板框压滤脱水。带式压滤脱水是由滤布带叠加形成中间空腔，将污泥填入，把压力施加在滤布上，使滤布振动、滚轮旋转挤压，用滤布的压力和张力将污泥所含的水分脱出。板框式压滤是将污泥填充到滤板后挤压滤板，污泥中的水分通过滤布流出，固体物被滤布截留形成泥饼[28]。

　　离心脱水就是利用离心机转子高速旋转产生的强大离心力，加快污泥中不同沉降系数和浮力密度的物质分离，即固液分离。离心脱水机分为卧式和立式，通过空心螺旋输送配合转载进行操作。当泥浆从空心螺旋输送器进入脱水机腔体内部时，旋转运动产生巨大离心力将泥浆甩至转毂壁上形成固体层。水比重小，在固体层内表面形成液体层且与污泥固体之间粘附力不强，脱落流出[29]。

　　真空过滤脱水分为转鼓式、盘式、带式等多种，常用的是转鼓式真空滤机。它由空心转鼓、污泥贮槽、滤布等组成。转鼓分成很多扇形间格，处于真空状态，浸入污泥贮槽后污泥中的液体被吸入转鼓内，固体则被吸被附在滤布上形成滤饼，转至反吹区后由压缩空气吹脱[30]。

　　叠螺式脱水机是新型机械脱水设备，工作原理是将圆锥状螺旋轴与圆筒状金属外筒形成的间隙作为滤室，螺旋轴以低速旋转，污泥从入口到出口，过滤压榨区的容积逐渐减小，内部压力不断上升，实现压榨脱水[31]。

　　以上脱水方式中，脱水后的污泥泥饼含水率视污泥的性质和脱水设备的效能而定。其中板框压滤机辅以合理的调理及协同处理方式，可以实现对污泥的深度脱水。

　　2.4干化（干燥）

　　为了满足最终处置的要求如焚烧、建材利用，脱水后的泥饼进一步降低含水率则称之为污泥的干化或干燥，一般认为干化后终端产物的含水率低于10%。

　　2.4.1自然干化

　　自然干化是利用自然力(如太阳能)去除污泥中的水分，历史最为悠久、简便易行，以污泥干化床最为常用。由于占地面积大、受气候影响干化效果不稳定且对生态环境造成潜在威胁，基本不再使用。

　　2.4.2热干化

　　污泥热干化是利用热能将污泥烘干，烘干用的高温同时也会杀死污泥中的病原菌和寄生虫，避免了恶臭和有害物质的逸散对环境的危害[32]。污泥的热干化分为两种：直接热干化和间接热干化。

　　直接热干化的热介质如热空气、过热蒸汽、废烟气等低速流过污泥层，使其水分蒸发并被带走[33]。热介质与污泥直接接触时会产生二噁英等有害气体受到污染，须经无害化处理后才能排放。因此，直接热干化尾气尽可能的循环利用。

　　间接热干化热介质通过换热器给污泥传输热量、蒸发污泥中的水分。热介质不局限于气体，也可用热油等液体[34]。

　　2.4.3低温真空干化

　　低温真空干化在低温条件下利用真空脱除污泥中的水分。设备以板框压滤机为主，并增加抽真空系统和加热系统。在压滤结束后，向加热板和隔膜板中通入热水，加热腔室中的滤饼，同时开启真空泵抽真空，腔室负压条件下水的沸点降低，滤饼中的水分沸腾气化。真空泵抽出腔室内的气水混合物，经气水分离后，液态水定期排放，尾气经净化处理后排放[35]。

　　2.4.4低温除湿干化

　　低温除湿干化将低温干燥空气送入密封干化仓，通过除湿热泵使污泥受热，其中的水分汽化后进入冷凝装置，经冷却后排出系统，达到干燥目的[36]。

　　2.4.5电渗透干化

　　污泥中的固体与水相接触发生电离、离子吸附或溶解，使固体粒子表面带有一定的电荷并吸引附近溶液中带相反电荷的离子（反离子）形成双电层。在静电引力和离子热运动的共同作用下，反离子形成紧密吸附在固体粒子表面的紧密层和扩散到固体粒子周围的扩散层，二者的界面为滑移面。向污泥施加电场后，固体颗粒移动受限，反离子携带水分通过电渗透作用向阴极移动并排出，达到泥水分离的目的[37]。

　　2.4.6生物干化

　　生物干化脱水是利用污泥在好氧发酵过程中有机物降解产生的生物热能促使水分蒸发，并通过调控手段快速去除蒸发水分的干化工艺[38]。

　　3焦化污泥的最终处置

　　《国家危险废物名录》认定焦化废水处理产生的生化污泥属于一般固体废弃物，预处理物化反应产生的污泥含有重金属、酚、氰等有毒有害物质，属于危废。焦化企业将二类污泥混合后浓缩、脱水，泥饼可以外送至第三方有资质的单位进行处理，处理方式有安全土地填埋、焚烧、用（水泥、塑料、沥青等）凝结剂固化、化学无害化处理等。更多的焦化企业则是充分利用生产工艺条件，自行配煤炼焦、制作煤场覆盖剂作为出路。后者可消纳的污泥量有限且臭味影响环境，实际应用不多。

　　一些在研的处置途径还有固硫灰固化[39]、制备碳分子筛等[40]、制备耐火材料[41]。

　　4焦化污泥的处理处置路线

　　污泥处理终端产物交由第三方处置的费用高，焦化厂倾向于将配煤炼焦作为出路。目前各焦化厂使用较多的污泥处理工艺是浓缩后或不经浓缩直接加化学药剂调理脱水。泥饼含水率高、体积大，对焦炭产品的不利影响。因此，应充分借鉴市政污泥干化焚烧工程的处理经验，在配煤炼焦之前最大程度的减少污泥量，降低含水率。同时利用企业自身的条件，形成适用于焦化企业的污泥处理处置路线。

　　我国大中城市市政污泥处理设施由分散就地处置逐步向集中集约化发展。北京高安屯污泥处理中心采用热水解-厌氧消化-板框脱水处理工艺[42]；北京市小红门污水处理厂采用热水解-厌氧消化-板框脱水工艺[43]；天津津南污泥处理工程采用高浓度中温厌氧消化-高压板框脱水-污泥热干化-土地利用的处理流程[44]；上海白龙港污水处理厂有污泥消化干化处理工程和污泥干化焚烧处理工程，分别是污泥浓缩-中温厌氧消化-离心脱水-流化床干化和离心脱水-流化床干化-焚烧[45]；上海市石洞口片的污泥处为浓缩脱水-干化-焚烧-建材利用[46]；上海长兴岛污水处理厂集中式污泥处理处置中心采用脱水-干化-协同垃圾焚烧技术路线[47]；上海市竹园污泥处理工程采用了“干化-焚烧”处理工艺[48]；武汉市规划长山口污泥处理厂采用热干化、三金潭污泥处理厂采用消化和热干化、黄家湖污泥处理厂采用炭化、阳逻污泥处理厂采用热干化和混烧、新沟污泥处理厂采用热干化技术[49]。

　　可以看出，以干化焚烧为处置目的的市政污泥处理，通过逐级脱水干化最终将污泥的含水率降至最低。与传统的污泥处理工艺相比，水热处理和厌氧消化技术的使用增多。相对完整的污泥处理工艺路线为：“浓缩-水热处理-厌氧消化-化学药剂调理-脱水（板框压滤）-（热）干化-焚烧”。污泥经过重力浓缩，经水热处理改善污泥厌氧消化性能，厌氧消化减少污泥量和含水率，消化污泥加入铝盐或铁盐絮凝剂及聚丙烯酰胺助凝剂调理后，经板框压滤机脱水，再对泥饼热干化使含水率降到10%以下最终焚烧。其中，水热处理置于厌氧消化之前，可以改善污泥厌氧消化性能，提高污泥厌氧消化减量率和产气量。其缺点是污泥未经厌氧消化减量，水热反应设备处理的污泥量多，设备规格高、能耗大。置于厌氧消化之后，水热处理的污泥量相对较少，能耗少。水热过程使污泥破碎细胞内部水释放、使EPS降解污泥的粘滞性降低，脱水性显著改善。考虑到焦化污泥处理处置对厌氧消化产气需求不高，而是着重于污泥脱水的效果以保证焦化产品的质量，其处理处置路线宜为“浓缩-厌氧消化-水热处理-化学药剂调理-脱水-干化-焚烧”。

　　5结论

　　焦化污泥主要为焦化废水生化处理产生的污泥，其成分与市政污泥类似，可以借鉴市政污泥的处理路线。同时，因其含有有毒有害物质，属于危废，又不能完全照搬。通过对现有污泥处理处置技术的综合分析认为：

　　1）目前焦化污泥的最终出路以配煤炼焦为主，污泥的掺入影响焦炭产品质量和焦炉炉膛寿命。所以应最大程度的减少污泥的掺入量和污泥的含水率。

　　2）焦化污泥的处理可以借鉴以焚烧为最终处置目的的市政污泥处理路线，即“浓缩-水热处理-厌氧消化-化学药剂调理-脱水（板框压滤）-（热）干化-焚烧”。

　　3）焦化污泥配煤炼焦对含水率的要求更高，水热处理置于厌氧消化之前提高了厌氧消化减量率和产气量，但水热设备需处理的污泥量大、设备规格高、能耗大。水热处理置于厌氧消化之后可以减少水热设备的规模，降低能耗，直接提高厌氧消化污泥的脱水效果。因此，其处理工艺宜为“浓缩-厌氧消化-水热处理-化学药剂调理-脱水-干化-焚烧”。

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