污泥炭化處理技術綜述

劉佩垚 趙 俊 田 偉 朱準平

（1中聯西北工程設計研究院有限公司 陜西西安 710082 2南昌航空大學材料科學與工程學院 江西南昌 330063 3青島博邁斯環保技術有限公司 山東青島 266071）

引言

隨著我國城市化進程的加快，城市污水處理率逐年提高，城市污水處理廠的污泥產量急劇增加[1]。截至2015年，全國城鎮污水處理能力已達到2.17億立方米/日，城市污水處理率達到92%。污水中的污染物和營養成分在大量繁殖的細菌和化學藥劑的作用下形成聚集，逐漸增大的團粒結構最終在水中沉淀下來，形成污泥。添加高分子絮凝劑，采用物理方法濃縮，可以脫去大部分或一部分所謂的自由態水，形成我們所見到的脫水污泥。細菌及大部分寄生生物留存在污泥中，病毒吸附在污水中的顆粒上，隨顆粒的沉淀也沉積到污泥中[2]。生活污泥中病原菌的數量每克以億計，未經恰當處理處置的污泥進入環境后，污泥中攜帶的病原微生物和寄生蟲卵，加上很難處理的重金屬和持久性有機物，將直接給水體和大氣帶來二次污染。顯然，如果污泥處置不當，不但降低了污水處理系統的有效處理能力，對生態環境和人類活動構成了嚴重威脅[3]。目前國內污泥的處理主要有棄置、填埋、堆肥、焚燒等方法，但只有不到1%的污泥通過堆肥等技術處理后回再次利用。長久以來，這些傳統的處理方法在對待污泥問題上發揮著重要的作用，但是隨著近年來環境標準的變化和污泥產率的日益增加，其中隱藏的弊端就逐漸暴露在公眾面前[4]。

1 污泥處理

1.1 污泥處理技術

傳統的污泥處理方法主要包括填埋、堆肥、焚燒和干化。由于污泥填埋會對地下水造成很大影響，2005年歐洲開始完全禁止填埋。而運用堆肥方式處置污泥占地面積大，有害物污染擴散快，處理時間長，對周圍環境產生臭氣影響，堆肥后產生的有機肥仍不能達到無害的目的，重金屬也無法獲得有效控制。焚燒方式由于是在有氧狀態下的劇烈化學反應，產生大量二氧化碳氣體，另外會產生氮氧化物、硫氧化物、二噁英等有毒氣體，雖然實現了減量化、穩定化處理，但污泥的可利用資源如磷、鉀等元素無法獲得有效利用，是純投入型處置方式，產生二次污染嚴重。污水處理所產生的污泥具有較高的含水量，由于水分與污泥顆粒結合的特性，采用機械方法脫除具有一定的限制，污泥中的有機質含量、灰分比例特別是蓄凝劑的添加量對于最終含固率有著重要影響[5]。一般來說，采用機械脫水可以獲得20%-30%的含固率，所形成的污泥也被稱為泥餅。泥餅的含水率仍然較高，具有流體性質，其處置難度和成本較高，因此有必要進一步減量[5]。此時，在自然風干之外，只有通過輸入熱量形成蒸發，才能夠實現大規模減量[2]。采用熱量進行干燥的處理就是熱干化。但是干化處置方式，無法實現穩定化，不能達到最大減量化，處置成本高[6]。

石灰投加技術是將污泥脫水后進入料斗，料斗中加入濕泥量的10%～15%的石灰和投量約為石灰投量的1%的氨基璜酸[7]。實際運行中因石灰投加造成濾沙板結的傾向，對濾池的過水流量產生限制，降低污水回用量[8]。并且投加石灰后，污水的PH值會有一個明顯的增高過程，此時溶液中含大量CO32-會產生CaCO3沉淀而導致濾沙板結，影響后續循環水產生。污泥水熱干化技術通過將污泥加熱，在一定溫度和壓力下破壞污泥的膠體結構，微生物細胞被破壞,有機物水解,病原菌被殺滅,污泥的脫水性和厭氧消化性能都得到提高[9-10]。剩余污泥或者濃縮污泥含水率高，熱水解加熱污泥的能耗也很高，且厭氧消化只能將污泥減量一半左右，大量剩余污泥殘渣需要處理，配套處理設施仍需要大量額外投資及運行成本[11]。污泥炭化是通過燃燒可燃性干餾氣體產生的熱量來蒸發污泥中的水分，大量減少污泥的重量與體積（減容率90%以上），同時回收利用污泥的熱能，達到節能目的。與堆肥技術相比：實現了污泥的徹底處理，而不是半處理；有效減低重金屬、病毒和細菌等危害；投資成本均低于堆肥；產物資源化利用價值大于堆肥產物。與干化技術相比：實現了徹底處理，不含水分；成本極大降低；產物應用更為廣泛。與焚燒技術相比：無二次污染、節能；投資和運營成本低。

1.2 污泥炭化技術的原理與特點

污泥炭化是指通過一定的手段，使污泥中的水分釋放出來，同時又最大限度地保留污泥中的碳值，使最終產物中的碳含量大幅提高的過程[12]。污泥炭化技術的原理有如下兩點：

（1）破壞污泥細胞,釋放細胞內水分——基于對污泥細胞結構和水分布的原理[13]。

（2）熱作用下有機物水解,破壞膠體結構——基于對污泥膠體結構和物理化學降粘度的原理[13]。

污泥炭化的方法采用在無氧環境下升溫，通過干餾和熱解的作用，其中的有機質轉化為水蒸氣、不凝性氣體和碳。主要分為高溫炭化、中溫炭化和低溫炭化三種。

（1）高溫炭化。溫度范圍在649～982℃，不需要加壓。先將污泥干化，含水率約為30%后進行高溫炭化造粒。

（2）中溫炭化。溫度范圍為426～537℃，不需要加壓。先對污泥干化使其含水率約90%，再進入炭化爐分解產生油、反應水（蒸汽冷凝水）、沼氣（未冷凝的空氣）和固體炭化物。

（3）低溫炭化。炭化溫度約為315℃，需要加壓約6～8Mpa，炭化前無需干化。污泥經過炭化含水率50%以下，呈液態，經干化造粒后可作為低級燃料使用。該技術通過加溫加壓使得污泥中的生物質全部裂解，實現了污泥的穩定化[7]。污泥炭化過程中保留了絕大部分污泥中熱值，為裂解后的能源再利用創造了條件[14]。

污泥炭化技術能耗比傳統干燥技術和直接焚燒的能耗至少低一半，在無氧（或低氧）的狀態下高溫加熱，其產物主要為水蒸氣、干餾氣體和炭粒。炭化過程中產生的尾氣可導回炭化爐內充分燃燒，少量尾氣經過燃燒處理進行熱能直接利用后，再經過安定化和脫臭處理后最終達標排放。有機廢棄物中的重金屬95%以上經過高溫炭化處理后可與碳作用轉化為結晶態存在，起到固化的作用。

1.3 污泥炭化技術優勢

與現有的堆肥、干化、焚燒等技術相比，污泥炭化技術具有以下優勢[7]：

①技術領先——炭化技術可實現污泥的最終化處理，產物不含水而且可以再利用。②節能——對生產過程中的處理產物二次利用。③無二次污染——還原反應不產生二噁英，另外干餾釋放的氣體又通回到爐內進行燃燒。④減排——由于炭化處理是利用有機物還原分解，大部分碳被固于渣料中。⑤產物附加值高——處理產物具有類似活性炭的性質，應用廣泛。

2 國內外研究現狀

以污泥為主的固廢炭化（熱解）技術研究在20世紀80年代始于德國，其研發的主要目的是為了產熱解油，因此將溫度控制在500℃以下。20世紀90年代為該技術工業化應用發展階段，美國、日本、澳大利亞等國相繼研發出各種不同的污泥炭化裝置。這一階段主要發展在日本，以三菱、川崎、日立、松下等為代表的公司，迄今已建設有機固體廢棄物炭化處理設施超過60余個（其中污泥炭化設施約50余個，垃圾炭化設施10余個，其他稻殼炭、木炭、竹炭等生產項目未計入在內），遍布全日本各個縣府。如日本愛知縣田原市“炭生館”，項目建成于2005年，占地面積11,400平方米，日處理能力60噸（2臺30噸處理能力的炭化爐），24小時運行（每年330天），2006年處理垃圾18400噸，產物用于煉鋼廠的增碳劑和保溫材料。日本在德國對炭化技術的研究基礎上，將炭化過程簡單化，提高炭化溫度，使產物僅為固態和氣態，降低了產物分離的難度，同時使得炭化過程可控性更高、更方便。日本的高溫炭化技術和美國的低溫炭化技術已經逐步走向成熟。

從八十年代開始，北京、天津、廣州、深圳、杭州、西安、太原、大連等城市污水處理廠相繼建成投產，特別是進入九十年代以后，發展迅速，全國各地一大批大型城市污水處理廠開始建設并相繼投產。實際上2005年日本的高溫炭化技術開始在中國進行推廣，但污泥處置問題的忽視使得其在中國難以進行推廣和普及。目前，我國污水處理廠產生的污泥，大多采用填埋的方式處理，與污水處理系統相比污泥處理嚴重脫節。污泥不同于其它的固體廢物，其含水率高達70%以上，難以焚燒，運輸保存成本大，直接施用或棄置又可能會污染食物鏈和土壤，污泥中的超細粉末在熱干化和處理過程中存在較大的危險，這些特殊的性質使污泥處理面臨諸多難題。而目前所謂的安全處置方式大多帶來各種各樣的二次污染，其本質并不是污染源的治理，而是將污染源進行轉移。北京市清河污水處理廠于2008年投產使用流化床干燥工藝[15]；北京水泥廠有限責任公司于2009年投入運行渦輪薄層污泥干化工藝（意大利VOMM公司）。青島博邁斯環保技術有限公司于2010年正式采用BMS炭化系統。唐榕等[16]在北京真空電子技術總公司提出新型程控真空碳化設備，傳統工藝是將碳氫化合物高溫分解產生的碳沉積到釷一鎢陰極上。其基于程控閉環方法在碳化壓力、陰極電流、碳化時間等方面存在的瓶頸問題進行突破，在±0.5%偏移量要求下新型程控真空碳化設備的產品合格率達到97%以上。譚忠冠等[17]利用太陽能高溫集熱系統，采用碟式太陽能+熔鹽蓄熱的形式進行處理。通過設計高效可靠的高溫蓄熱加熱系統很大程度上降低傳統方式處理污泥所需要的加熱成本，同時也從根本上排除了對環境的二次污染。

3 污泥炭化設備

國內外經過幾十年的發展，污泥炭化設備常見的有以下幾種類型：

三菱公司設備結構簡單，燃氣熱源，但溫度不均勻，穩定性差。日立和川崎公司設備采用燃氣作為熱源，外熱式能耗高，設備體積大，反應釜需吹入大量空氣和燃氣，部分污泥被燃燒，反應不穩定，煙塵量大。博邁斯采用電能作為預熱能源，無需燃氣管道，設備適應性高，炭化過程可控，結構合理，熱效率提高，燃燒室獨立占地面積小，產品穩定，品質均勻。

其中青島博邁斯環保技術有限公司BMS炭化系統污泥類處理整體圖如下：

圖1 青島博邁斯BMS炭化系統污泥類處理整體示意圖

4 污泥產物二次利用

有機質含量較高的固體廢棄物經過高溫炭化形成的碳粒稱為再生碳，具有多孔結構，孔隙最小近2nm，比表面積大（如農林業廢棄物經炭化后比表面積可達450m2/g），因此具有強大的吸附能力。污泥再生碳的物化特點：含40～60%固定碳，碘吸附能力每克 100～300mg，比表面積達 10～90m2/g，燃點為 350～400℃，氮含量1～3%，磷含量4～15%，鉀含量1～3%。主要具有下列用途：①具有吸附VOC（揮發性有機化合物）的能力；②具有吸附重金屬和各種農藥殘留的能力；③具有促進微生物降解的能力，可以為微生物提供適宜的生態環境；④碳粒為弱堿性，具有酸性土壤的中和效果；⑤可修復農作物連作種植對土壤的傷害；⑥其多孔性形成的透水性、通氣性可修復粘土質土壤；⑦其多孔性形成的保水性、保肥性可修復砂化土壤。

結語

污泥炭化作為一種新型的污泥處理技術在這樣的背景下應運而生，在實現污泥的減量化、無害化和資源化的同時，還可以產生碳基產物，以解決污泥生物可利用性差的問題，但大量污泥的安全處置理論研究和技術系統建設問題亟待探索和解決，已成為目前國內外污泥處理技術研究的熱點[18-19]。新的污泥處理工藝開發研究，根據不同污泥的特性完善污泥炭化工藝，最終實現多種污泥的炭化處理，并在生產過程完全達到環保和生產安全要求。污泥炭化處理技術及相應炭化設備，對污泥炭化系統進行信息化改造，能夠實現遠程監控和指揮，并能夠實現自動化控制。將污泥炭化系統劃分成多個模塊、確定各模塊任務、分析模塊間關系并確定各模塊技術指標，實現目標分解。針對不同的污泥處理工藝，進行參數更新，形成數據庫系統。尋求相關企業進行現場試用，為進一步推廣應用和今后的產業化和批量生產提供生產樣機和經驗。