污水處理廠污泥處理及資源化利用
——以某城市污水處理廠污泥制透水磚項目為例

周 曼

(湖北省機電研究設計院股份公司，湖北 武漢 430070)

1 引言

為提高污泥資源化利用效率，實現碳達峰目標，十部委聯合推出的《關于推進污水資源化利用的指導意見》(發改環資〔2021〕13號)中已明確將加快推動城鎮生活污水資源化利用列為一項重大的國家戰略需求。污泥作為污水處理的副產物，含有機物、營養元素和重金屬等，并且體積龐大，如何變廢為寶和最大化的釋放污泥中可利用成分的資源價值，是解決市政污泥污染的終極目標。

我國的污泥熱解技術及裝備研究經過近10年的發展，已取得了一定的進展，目前全國污泥熱解裝備制造企業20家左右，已運行的市政污泥熱解產業項目約5項，但是采用多級熱解碳化技術處理污泥并進行資源化利用的項目還較罕見。本文以某城市污水處理廠污泥處理及資源化利用項目為例，介紹了污泥資源化利用的常用工藝，重點闡述了在資源化利用領域中具有領先地位的多級熱解碳化技術制透水磚的效果及優勢，作為行業探索的一次有效嘗試，以期為一批類似企業進行項目建設進入市場提供參考。

2 污泥處理方法

目前污泥處理中常見的有填埋、焚燒、土地利用等傳統方法，以及多級熱解碳化等先進技術。

填埋對選址區域土質的物理力學性質要求高，且污泥總量越多選址越困難。污泥腐爛變質產生的廢氣造成大氣污染，有害成分滲透滲漏易污染地下水。焚燒占地小、處理量大、處理快速、生成無菌無臭的無機灰渣[1]，但投資大，需購置專用設備，運行維護費用高，且燃燒時會產生二噁英等劇毒物質，造成大氣污染。由于污泥含有大量的有機營養物，可有效改善土質，因此可接納并利用污泥的土地類型較多。但同時存在污泥中重金屬元素會污染土壤、氮磷濃度過高會污染地下水等風險。因此，上述傳統污泥處理方法已無法適應當前污泥處理和環境保護的要求。

多級熱解碳化設備占地面積小，利用污泥熱解碳化自身產生的熱量來烘干高水分的濕污泥，無需額外提供熱能。最終可使污泥減量88%，且產生的灰渣具有良好的活性，可與砂石等原料混合生產透水磚等建筑材料，可以真正實現污泥的穩定化、無害化和減量化。

3 污泥資源化利用方法

目前，城鎮污水處理廠污泥資源化利用方式，主要有生產建筑材料、污泥生產有機肥、生產沼氣、制備生物炭、污泥發電等。

3.1 生產建筑材料

城市污水處理廠污泥與黏土成分相似，除含有豐富的有機質外，還含有30%左右的無機物(包括Si、Ca、Al、Fe等元素)，可用于制磚、制輕質骨料和路基材料、制作水泥添加料等建筑材料[2～4]。利用污泥生產的建筑材料在強度、浸出毒性等符合國家標準的前提下，既消化了污泥，減少了土地占用，又降低了建筑成本。

3.2 生產有機肥

城市污水處理廠污泥中富含有機質，采用缺氧或好氧的堆肥方法可得到有機肥。堆肥過程中需要維持適宜的溫度和濕度，并進行為期分別為10 d和30 d的兩次發酵。經成功發酵后的城市污水處理廠污泥質軟且無臭味[5]。污泥堆肥的有機肥料可用于沙漠化土壤改良、礦山修復、園林綠化等，以提高植樹的成活率和生長速度，研究表明：城市污泥堆肥產生的有機肥能夠促進植物生長[6～8]，但是對于含有多環烴或富含重金屬等物質的城市污水處理廠污泥，不宜堆肥處置。

3.3 生產沼氣

污水處理廠污泥在一定的溫度、濕度、酸堿度和無氧條件下，污泥中的有機物被厭氧菌分解，生成沼氣資源[9,10]。同時沼渣和沼液可用作肥料，實現廢棄有機物的穩定化和資源化利用。我國污水處理廠污泥若單獨用于厭氧消化，普遍存在C/N低的問題，實際工程中通常將污水處理廠污泥與餐廚垃圾、動物糞便等進行共消化，從而提高沼氣產量。

3.4 制備生物炭

污泥制備生物炭是在缺氧或無氧條件下，經過高溫熱解，將污泥熱分解轉化為固態材料。通常分為兩種制備方法：一種是脫水污泥干化后，在無氧、高溫(>300 ℃)環境下熱解成為生物炭；另一種是脫水污泥經高溫(180～220 ℃)、高壓(30 MPa)水解，水解后的污泥再經脫水干化，在無氧、高溫(300～700 ℃)環境下熱解成為生物炭，且生物炭的品質隨著溫度升高而逐漸提高[11]。污泥制備的生物炭孔隙結構多、比表面積大、富含官能團，可以作為吸附劑、脫色劑、土壤改良劑和催化劑等。此外，污泥熱解后會生成一種穩定的礦物質硅酸鋁鈣，此物質可作為生產材料重復使用。

3.5 污泥發電

污泥中有機物較多，熱值為12～15 MJ/kg[12]，比煤略低，可作為輔助的供電能源。污泥發電方法主要為燃燒發電。發電廠大多選擇含水率為40%左右的污泥和煤按照一定比例摻和后用于燃燒發電。但該方法成本高，且對污泥的要求高，污泥摻和使用前需要提前處理。

4 某污水處理廠項目概況

某城市污水處理廠污泥資源化處置項目，項目原料主要為該污水處理廠及周邊其他生活污水處理廠經鑒定為一般固廢，且含水率低于80%的污泥。項目污泥用量為300 t/d，碳化后得到含水率為1%的碳粒60 t/d，低溫熱解后殘渣剩余率為12%，污泥減量達到88%，余下的36 t/d殘渣量作為透水磚原材料，實現污泥零排放。系統采用多級熱解碳化技術，該技術穩定性高，具有減量效果顯著、無害化徹底、資源利用率高等優點，結合一套完善的煙氣脫硫脫硝除塵凈化裝置，能確保SO2、NOx、二噁英、粉塵等污染物排放達到國家排放標準。

5 工藝方案

5.1 污泥碳化工藝方案

該項目將該廠和周邊各主要生活污水廠外運(經鑒定為一般固廢)的含水率80%的污泥分區封閉儲存，投加生石灰進行穩定化預處理；依次封閉輸送至多級熱解碳化一體化設備Ⅰ，含水率由80%降低至20%。經熱解后排出的煙氣溫度為110 ℃左右，收集后進入廢氣處理系統進行處理，達標后排放。再經過多級熱解碳化一體化設備Ⅱ，形成含水率1%、直徑10 mm以下的高熱值碳化顆粒；碳粒在低溫熱解熱風設備中利用自身熱值燃燒，實測污泥熱值為1300～1500 kcal/kg，產生的廢渣由料斗排出，產生的熱量攜帶在煙氣中，900 ℃煙氣輸送至多級熱解碳化一體化設備，實現熱量循環利用(圖1)。

圖1 工藝流程

5.2 煙氣處理工藝方案

項目廢氣主要為污泥堆放和處置過程中產生的臭氣，以及污泥熱解碳化過程中產生的煙塵、SO2、NOx、二噁英和VOCs等。采用選擇性非催化還原脫硝(SNCR)工藝，在低溫熱解熱風設備中900℃條件下向爐內噴入氨水實現脫硝；烘磚房排出的煙氣采用旋風除塵+濕法脫硫處理；脫硫后的煙氣利用水噴淋尾氣去除顆粒物和酸堿性氣體、利用紫外線光解和活性炭吸附去除VOCs，確保煙氣排放達標。

5.3 透水磚生產方案

該項目利用污泥熱解剩余殘渣36 t/d(64%)，加上砂石11.25 t/d(20%)、水泥9 t/d(16%)和顏料0.04 t/d通過一體化自動免燒制磚機生產透水磚、仿古磚，養護成型階段利用燃燒爐和烘干爐的熱廢氣在密閉烘干房內進行烘干(圖2)。生產的透水磚性質穩定，強度達標，透水性好，滿足《砂基透水磚》(JG/T 376-2012)的標準要求，且其重金屬浸出濃度遠低于《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)的要求。

圖2 透水磚生產工藝流程

6 經濟效益與社會效益

6.1 項目收入

污泥處理收入：年處理污泥量90000 t，單價200元/t，年收入1800萬元。透水磚銷售收入：年產量合計900萬塊，單價0.55元/塊，收入495萬元。以上合計年收入2295萬元。

6.2 項目支出成本

水泥、碎石和顏料采購和運輸成本150萬元，人力成本70萬元，水電成本300萬元，固定資產年折舊額300萬元，以上合計年總成本為820萬元。

在經濟效益方面，項目收入除去支出成本外還可以為企業帶來較大經濟收益。在社會效益方面，城市污泥制透水磚工藝的產業化，能夠形成規模化的生產和銷售機制，將污泥處理和透水磚生產有機結合，在為城市帶來極大的環保效益的同時，也為城市和企業帶來經濟效益，推進了城市環保產業發展，從根本上解決了污泥的處理問題。

7 結論與討論

本文介紹了某城市污水處理廠利用多級熱解碳化技術處理污泥并將殘渣用于制透水磚的案例，通過分析該項目的處理效果，發現多級熱解碳化技術作為一種新興的污泥處理方式，不僅能實現污泥的高效處理和資源化利用，而且具備較高的環境效益和經濟效益。同時，與文中其他傳統的污泥處理技術相比，具有以下優勢：①自動化程度高，可連續運行，有效節省了工作周期和占地面積；②所產生的二次污染低，污泥減量88%，效果顯著，且污泥熱解剩余殘渣具有良好的活性，可用于生產透水磚等建筑材料，污泥資源化效果好；③利用污泥熱解碳化產生的熱量烘干濕污泥，熱量維持整個熱解碳化裝置的運轉，無需額外提供熱能，降低了能源的消耗量，減少了運行投資成本；④系統運行收益高于成本，有良好的經濟效益、較高的實用價值和推廣價值。

綜上所述，多級熱解碳化技術處理污泥具有減量率高，無害化徹底，能量可循環利用等優點。項目的實施可大量消納城市污水處理廠污泥，緩解城市污泥處理處置現狀的緊迫性。項目滿足國家“提質增效”和“泥水并重”的要求，且兼顧污水處理與臭氣處理，打造了從污水輸送、污水處理、污泥處理處置資源化利用的全過程產業鏈，實現了污泥的減量化、無害化與資源化，無二次污染，促進了經濟利益和社會效益的同步增長。讓城市污水處理中污泥資源的再利用更高效，既有利于循環經濟的發展，又能實現廢棄物處理資源化和產業化的要求，也符合禁止毀田制磚、節約耕地的原則，具有廣闊的發展前景。