太阳能光热资源化利用污泥处理技术

谭忠冠

（广东金泥华牛科技有限公司广东阳江529500）

太阳能光热资源化利用污泥处理技术

谭忠冠

（广东金泥华牛科技有限公司广东阳江529500）

我国城镇污水处理厂污泥主要特点是高含水率（一般脱水污泥含水率约为80%左右），此外，污泥中丰富的有机和无机物质也日益受到重视当今世界上，越来越多的人对“地球上的一切资源都是有限的”这一客观存在的事实有了越来越深刻的认识。因此，如何充分利用污泥中的有机质，使污泥的处置过程同时变成资源化的过程，从而提高污泥的综合利用价值，是当前污泥处置的前沿研究课题。本文对太阳能光热资源化利用污泥处理技术的原因、特点进行了综述，并比较了国内外相似技术，并展望了其应用前景。

太阳能；光热资源化；污泥处理

1 前言

在许多人的意识中，全球气候变化，可能仍不过像是一个形象或寓言表达而已；听多了，说久了就变得麻痹了，厌烦了。人们对环境气候观察，大多数是通过对于气候变化直观的感觉，或是来自宣传或科学家推测和预言，仿佛它并非是一个直接影响人们生活的问题，离我们还很远。然而，一次哥本哈根世界气候大会，中美两国相继宣布减排行动目标，让“哥本哈根”旋风一夜间刮便全球，让人们对全球气候问题又特别关注了起来，让大家知道全球变暖形势并不令人乐观。为此，我国将在今年首次推出碳排放标准，前不久正式发布的《碳排放权交易管理暂行办法》，作为第一个国家排放交易体系的官方文件的正式发布，表明了中国继续推进碳减排的决心，也必将缔造我国全新的一种节能减排经济发展模式及无穷的商机，APEC会议的北京蓝将不再只是一个梦那么遥远。

长期以来，受认识、资金、技术和政策等因素的影响，我国的污泥处理处置情况并不理想，很多地方单纯追求较高的污水处理率，污泥处理处置单元较为简化甚至没有考虑。由于“重水轻泥”的思想，致使城镇污水处理厂污泥的处理处置成为极其薄弱的环节。据不完全统计，有超过一半以上的污泥未经过任何稳定化处理即运出污水处理厂，45%的污泥未经任何控制措施直接农用，35%的污泥直接填埋或者混合填埋，14%的污泥中含有大量的重金属物质、病原菌等有毒有害物质，而这些污泥最后又会回到环境中，不解决好污泥处理处置的问题，污水处理的效果只会“事倍功半”。

绝大多数污水处理厂对大量的污泥如何安全处理、处置束手无策，由于污水处理后产生大量的污泥无处堆放，很多污水处理厂已经面临“泥”满为患的窘境。由污水处理厂产生的污泥问题也日益突出，已经引起了社会各界的高度关注。广东省已经立法将生活污水厂剩余污泥列为严控废物进行管理，因此，污泥的规范化处置已经成为当前各级政府和多数污水处理厂亟待解决的难题之一。

实际上，污泥也是一种可以利用的资源，它可以产生沼气、变成有机肥等等。国际上对污泥的处理原则都是“十二字”：减量化、稳定化、无害化、资源化，而且是以“资源化”为导向。但由于我国的污泥监管体系不健全，各级政府部门缺少信息沟通与数据共享，对污泥资源化利用重视还很不够。而且由于污泥简单填埋的费用过低，污泥的资源化利用至今缺乏足够的市场驱动力，2015年我国年产生含水率80%左右的污泥将为3359×104t左右，国内的绝大污水处理厂也缺少污泥处置设施和手段，大量的湿污泥随意外运、简单填埋或堆放，致使许多城市“污泥围城”。

我国城镇污水处理厂污泥主要特点是高含水率（一般脱水污泥含水率约为80%左右），此外，污泥中丰富的有机和无机物质也日益受到重视，污泥中所含的有机物是有效的生物能源，污泥中的有机物分解产生的腐殖质可以改良土壤，避免板结，而污泥中丰富的氮、磷、钾等则是植物和农作物生长不可缺少的营养物。干燥的污泥可产生16.65～20.93MJ/t的热能，是一种低热值的燃料。干污泥中有机物质含量一般可达60%～80%，未消化的生污泥的有机物质中一般含20%～30%的蛋白质、6%~35%的脂肪和8%～15%的碳氢化合物。当今世界上，越来越多的人对“地球上的一切资源都是有限的”这一客观存在的事实有了越来越深刻的认识。因此，如何充分利用污泥中的有机质，使污泥的处置过程同时变成资源化的过程，从而提高污泥的综合利用价值，是当前污泥处置的前沿研究课题，污水污泥的处理处置与污泥资源化利用的相结合，将为全球碳减排作出重要贡献，必将成为城市污水污泥唯一的最终出路。

2 国内外污泥处理处置技术

目前国内外广泛采用的污泥处置技术可以归纳为五大类：（1）污泥土地利用，包括污泥农用和应用于森林或园艺；（2）污泥填埋；（3）污泥建筑材料利用；（4）污泥焚烧；（5）热解碳化利用。由于可使用土地面积、处理成本、越来越严格的环境标准以及资源回收政策的普及等因素，越来越多的国家普遍认识到污泥的填埋处置不是一种可持续的发展方法，在不久的将来，对于土地匮乏的一些国家，可能仅有污泥焚烧灰是适宜于填埋的污泥形式。污泥中含有丰富的氮、磷等营养元素可作为农作物或植物的肥料，但由于污泥中含有一定量的重金属，将污泥直接施加进入土壤可能会导致重金属在土壤中的累积，并且会通过植物提取作用进入食物链对人类健康造成威胁，因此污泥直接施加到农田土壤则存在重金属的潜在生态风险。

污泥最终处置的方法主要有土地利用、填埋、建材利用以及焚烧、热解碳化等，其应用范围和条件见表1。

表1 城镇污水处理厂污泥处置分类

3 太阳能光热资源化利用污泥处理技术

近年来，中国城市污水处理事业获得了长足的进步，并且目前还处在加速发展过程中。但与此同时，人们始料未及的一个问题逐渐显示出来：污水处理后产生了大量的活性污泥。据估算，目前中国每天产生的含水率80%的污泥，重量上几乎占到城市产生垃圾总量的20%，而且年增长率大于10%。根据权威报告《2014-2018年中国环保工业深度分析及发展规划征询主张陈述》，到2015年，全国年将产生含水率80%的污泥达到3359× 104t。污泥中富含营养元素，此外还含有大量的有机质、重金属、病原菌、寄生虫（卵）等一系列的污染物质，很容易对生态环境造成严重的二次污染。

污水处理厂所产生的剩余污泥处理处置是当今世界环保课题的一大难题，有效减低污泥含水率是课题中的一个技术瓶颈。目前，我国的污水处理厂普遍采用的机械脱水方式可将污泥含水率将至75%~80%之间，而环保部办公厅2010年发布的《关于加强城镇污水处理厂污泥污染防治工作的通知》（环办【2010】157号）中规定：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50%以下。含水率剩余污泥也是污水处理过程中的二次污染物。一方面，污泥中含有大量的病原菌、寄生虫、致病微生物，以及砷、铜、铬、汞等重金属和二恶英、放射性核素等难以降解的有毒有害物质，由于污泥含水率高、体积大，给堆放和运输带来困难，城市污泥如果处理不当或不规范处理，如随意弃置农地滥用等，将对生态环境会造成严重的潜在威胁。另一方面，剩余污泥含有很高的有机营养质和燃烧值，污泥的土地利用与能量循环利用是一种具有广阔前景的污泥处置方法，污泥作为再生资源的有效利用是世界各国共同重视的问题，代表了人类环境生态效益、社会效益和经济效益均衡发展的方向。

热干化及其它热解技术由于污泥含水率较高，污泥热值不能维持自身污泥干化运行需要增加外源能源，能耗很大，运行成本很高。电渗透干法存在设备投资、运行成本费用较高，设备的维护要求很高等不足之处。这些方法不是存在含水率不能达到要求就是存在运行成本过高或增加污泥容量等缺点而不能满足现实所需。

因此，目前污泥深度脱水面临的难题在于，现有的污泥处理技术存在工艺复杂，能耗、设备投资、运行成本过高，并未实现污泥减量化，容易影响污泥的再生或后续利用，环境效益差等缺点。

太阳能光热资源化利用污泥处理技术采用将污泥的干燥与热解分别在两个独立的空间进行。通过加热的方式使污泥在干燥室进行阶段性升温（升至120℃左右），将污泥中的大部分水分蒸发，有机物逐渐固化和碳化。然后将半干的污泥投入到热解室中。污泥热解是在密封、无氧、非燃烧、高温、高压状态下进行的化学反应过程，包括汽化、热解、脱氢、热缩化、炭化等反应，将污泥中剩余的水分蒸发，有机物转化为可燃气体和生物炭。

通过热解处理，将污泥中的主要成分在热解处理过程中转化为可利用的冷凝水、可燃气体和生物有机炭，使污泥成分价值最大化，使污泥处理过程中能够产生剩余价值，变得有利可图。将热解产生的可燃气体进行回收利用，不仅避免空气的污染，而且还节约能源。

该工艺流程所需热源来自如下几个方面：第一，利用特殊的太阳能装置将光能直接变为热能（而非传统的太阳能先转变为热能，再将热能转化为电能，最后再将电能转变为热能，太阳能利用率＜10%），大大提高太阳能的利用率（太阳能利用率高达60% -80%）；第二，将热解产生的可燃气体回收，直接燃烧产生的热量用于干燥阶段；第三，将热解产生的尾气余温通过热交换器用于干燥阶段。整个过程的能量来源于太阳光，故大大降低污泥炭化的成本，真正解决污泥炭化成本过高的难题（污泥炭化生产成本往往高于活性炭市场价格，致使以往的污泥炭化只是一个噱头，一个口号，甚至是为了骗取政策扶持、科研经费的一种手段），本技术的应用，使污泥炭化真正能做到市场化，也必将改写污泥处理的历史，成为一个里程碑式的污泥处理处置技术。

4 太阳能光热资源化利用污泥处理技术的特点

与传统的污泥处理技术、碳化技术相比，污泥太阳能热解碳化技术具有无以伦比的技术和经济优势，能够保证污泥处理彻底无害化，同时将污泥中的有机碳转化成生物炭，从而达到可持续发展和资源的循环回用的目的。其特点在于：

4.1 真正实现彻底的无害化

由于热解的温度维持在400℃左右，污泥中的病原微生物和寄生虫卵基本被杀死，所得产品—生物炭化学性能稳定，不会带来二次污染。

4.2 真正实现资源的利用化

本技术采用永恒的清洁能源—太阳能作为能耗供给，大大降低运行成本，且碳化的最终产品都是能利用的能源物质，大大提高其产品的价格优势，为其市场化打下坚实的基础。

4.3 对处理污泥的全过程具有可控性

污泥可以在污水处理厂车间内进行处理，使污泥处理完全独立进行，不受任何外部环境影响，并且能使作为污泥处理责任主体的污水处理厂对污泥处理全过程具备可控能力，避免由于外部处理污泥单位发生的环境污染问题时，负上连带责任。另外，处理污泥设施占地面积小，适合污泥分散处理，避免运输过程中的环境污染问题，节约运输费用。能替代不可再生能源，满足可持续发展的要求。本技术能处理各种各样的污水污泥，不受污泥内含物的影响，这也是其它技术所不能比拟的。

4.4 经济技术指标有明显优势

本技术与常见的污泥处理处置技术，如填埋、焚烧等在经济技术指标方面的对比如下。总的来说，本技术能处理各种各样的污水污泥，不受污泥内含物的影响，这也是其它技术所不能比拟的。在建设投资方面，其略高于堆肥和填埋，但是相当于焚烧的一半左右；占地面积最小，仅为填埋的1/10，堆肥的1/6；在经营成本方面，由于本技术具有盈利的能力，这更不是其它技术所能比拟的。

而污泥热解碳化技术的最终产品为10%左右的生物炭（市场价600元/吨）。1吨干泥通过碳化技术得出的产品效益为：产100kg生物炭，价值60元；节约污泥外运填埋成本275元；合计创收价值为335元。

5 国内外同类技术比较

5.1 热解技术能源路线选择

热解碳化的主要成本在于能耗，降低成本的关键在于是否能够选择和利用恰当的热源，同时尽量提高系统内的能量热效率，减少热损失。一般来说，间接加热可以使用所有的能源，其差别仅在温度、压力和效率。按照能源的成本，从低到高，分列如下：

5.1.1 烟气：来自大型工业、环保基础设施（垃圾焚烧炉、电站、窑炉、化工设施）的废热烟气的利用是零成本能源，但受条件限制，并不是每个用户都能拥有在这些设施附近的特殊条件，不具有广泛应用性；

5.1.2 燃煤：较廉价的能源，以烟气加热导热油或蒸汽，但相对于生产污泥热解得出的产品廉价性而言，不具有经济性优势，且受二次污染、炭排放限制等问题的困扰；

5.1.3 热干气：来自化工企业的废能，受条件限制，并不是每个用户都能拥有在这些设施附近的特殊条件，不具有广泛应用性；

5.1.4 沼气：可以直接燃烧供热，价格低廉，也较清洁，但供应不稳定，不具有广泛应用性；

5.1.5 蒸气：清洁，较经济，可以直接全部利用，但是将降低系统效率，提高折旧比例，不具有广泛应用性；

5.1.6 废油脂：能够达到“以废治废”的目的，但受到法制法规不完善的限制，且管理困难，相对于生产污泥热解得出的产品廉价性而言，不具有经济性优势，且受二次污染、炭排放限制等问题的困扰；

5.1.7 燃油：以烟气加热导热油或蒸汽，或直接加热利用，相对于生产污泥热解得出的产品廉价性而言，得不偿失，不具有市场化的前景，且受二次污染、炭排放限制等问题的困扰；

5.1.8 天然气：清洁能源，但是价格最高，以烟气加热导热油或蒸汽，或直接加热利用。相对于生产污泥热解得出的产品廉价性而言，得不偿失，不具有市场化的前景。

针对上述能源利用分析的结果，污泥资源化利用的产品的价值并没有达到以上这些能源的利用价值，这也是污泥炭化处理处置得不到市场认可的重要原因之一，也是污泥资源化利用一直是一个口号、一个目标，而并没有得到真正重视与实施的重要原因。在此背景下，本研究结果利用永恒的清洁能源——太阳能，作为热能，通过特有的太阳能集热装置、特殊的高压高温污泥热解碳化炉，将污泥真正变废为宝，生产出生物炭、甲烷、氢气、轻质建材材料等有用物质。本污泥太阳能热解碳化处理技术已申请国家发明专利，本技术的问世，必将改写污泥处理处置的历史，将成为污泥处理里程碑式的技术。

5.2 几种热解碳化技术运行成本对比分析

表2 含水率80%剩余污泥几种碳化技术运行成本对照表单位：元/吨污泥

5.3 太阳能光热碳化污泥处理技术与其它技术经济比对分析则各种碳化技术经济盈利情况如表3：

表3 几种碳化技术经济盈利表（1t含水率80%的污泥盈利情况）

表4 太阳能热解技术与其它污泥处理技术的经济技术指标对比表

6 结语

太阳能热解碳化技术作为一种全新的处理技术，其产物包括气、液、渣三部分，都具有综合利用的可能。其中可燃气可以回收，冷凝水可以作为工业用水回用，残渣——生物炭也具有广泛的用途，起到真正的以废治废的资源化利用的目的。

随着政策面“重水轻泥”的长期偏向性问题的逐渐改善，政策倾斜下污水处理费用的逐渐提高，污泥产量的不断攀升以及技术的趋于成熟，未来几年污泥行业的发展速度将逐渐增快。

预计到2015年，我国污泥产量将达到14.28×104t/d（含水80%），干泥产量1300×104t/a。“十三五”期间，行业总投资规模将超过600亿元。如果利用本技术，将至少产生100×104tce/a（按500元/吨计算，可创利5亿元/年），50×104t天然气/年（按2000元/吨计算，可创利10亿元/年），850×104t建材原料（陶粒等）/年（按200元/吨计算，可创利17亿元/年。还意味着至少每年减少78×104t的碳排放。

[1]唐小辉,赵力.污泥处置国内外进展[J].环境科学与管理,2005 (03).

[2]郑宗和,牛宝联,雷海燕.利用太阳能进行污泥脱水干燥的试验[J].中国给水排水,2003(S1).

[3]王兴润,金宜英,聂永丰.国内外污泥热干燥工艺的应用进展及技术要点[J].中国给水排水,2007(08).

[4]王宝和,王喜忠.太阳能干燥[J].南京林业大学学报:自然科学版,1997(S1).

[5]丘锦荣,吴启堂,卫泽斌,王艳红.利用塑料棚和日光干燥废弃植物体和污泥的初步试验[J].农业工程学报,2006(05).

[6]马娜,陈玲,何培松,赵建夫.城市污泥资源化利用研究[J].生态学杂志,2004(01).

[7]王钊.北京污水处理厂污泥干化处理工艺选择的探讨[J].市政技术,2004(06).

[8]雷海燕,李惟毅,郑宗和.污泥的太阳能干燥实验研究[J].太阳能学报,2004(04).

[9]班福忱,刘明秀,李亚峰,张吉库.城市污水处理厂污泥资源化研究探讨[J].环境科学与管理,2006(05).

[10]邵立明,何品晶,胡龙,顾国维.城市污水厂污泥间壁热干燥过程实验研究[J].重庆环境科学,2001(02).

[11]王敦球,解庆林,李金城,张学洪,李全明.城市污水污泥的处理及综合利用[J].桂林工学院学报,1999(04).

[12]郑宗和,牛宝联,雷海燕.利用太阳能进行污泥脱水干燥的试验[J].中国给水排水,2003(S1).

[13]王兴润,金宜英,聂永丰.国内外污泥热干燥工艺的应用进展及技术要点[J].中国给水排水,2007(08).

[14]李爱民,曲艳丽,杨子贤,李润东.污水污泥干燥过程中表观形态变化及水分析出特性[J].化工学报,2004(06).

[15]叶子瑞.国内外污泥处置和管理现状[J].环境卫生工程,2002(02).

[16]周立祥,占新华,沈其荣,陈金和,王斌,张强,陶先兵.热喷处理污泥及其复混肥的养分效率与生物效应[J].环境科学学报,2001(01).

[17]刘瓒.污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点[D].浙江大学,2007.

[18]胡锋平,朱自伟,李伟民,邓荣森,何洪,黄祁,管晓涛.城市污水处理厂污泥浓缩工艺的应用与发展趋势[J].重庆建筑大学学报, 2004(05).

[19]林春野,董克虞,李萍,戴荣彩.污泥农用对土壤及作物的影响[J].农业环境保护,1994(01).

[20]陈茗.污泥真空干燥特性研究[D].沈阳航空工业学院,2006.