污泥炭化处理技术综述

刘佩垚 赵 俊 田 伟 朱准平

（1中联西北工程设计研究院有限公司 陕西西安 710082 2南昌航空大学材料科学与工程学院 江西南昌 330063 3青岛博迈斯环保技术有限公司 山东青岛 266071）

引言

随着我国城市化进程的加快，城市污水处理率逐年提高，城市污水处理厂的污泥产量急剧增加[1]。截至2015年，全国城镇污水处理能力已达到2.17亿立方米/日，城市污水处理率达到92%。污水中的污染物和营养成分在大量繁殖的细菌和化学药剂的作用下形成聚集，逐渐增大的团粒结构最终在水中沉淀下来，形成污泥。添加高分子絮凝剂，采用物理方法浓缩，可以脱去大部分或一部分所谓的自由态水，形成我们所见到的脱水污泥。细菌及大部分寄生生物留存在污泥中，病毒吸附在污水中的颗粒上，随颗粒的沉淀也沉积到污泥中[2]。生活污泥中病原菌的数量每克以亿计，未经恰当处理处置的污泥进入环境后，污泥中携带的病原微生物和寄生虫卵，加上很难处理的重金属和持久性有机物，将直接给水体和大气带来二次污染。显然，如果污泥处置不当，不但降低了污水处理系统的有效处理能力，对生态环境和人类活动构成了严重威胁[3]。目前国内污泥的处理主要有弃置、填埋、堆肥、焚烧等方法，但只有不到1%的污泥通过堆肥等技术处理后回再次利用。长久以来，这些传统的处理方法在对待污泥问题上发挥着重要的作用，但是随着近年来环境标准的变化和污泥产率的日益增加，其中隐藏的弊端就逐渐暴露在公众面前[4]。

1 污泥处理

1.1 污泥处理技术

传统的污泥处理方法主要包括填埋、堆肥、焚烧和干化。由于污泥填埋会对地下水造成很大影响，2005年欧洲开始完全禁止填埋。而运用堆肥方式处置污泥占地面积大，有害物污染扩散快，处理时间长，对周围环境产生臭气影响，堆肥后产生的有机肥仍不能达到无害的目的，重金属也无法获得有效控制。焚烧方式由于是在有氧状态下的剧烈化学反应，产生大量二氧化碳气体，另外会产生氮氧化物、硫氧化物、二噁英等有毒气体，虽然实现了减量化、稳定化处理，但污泥的可利用资源如磷、钾等元素无法获得有效利用，是纯投入型处置方式，产生二次污染严重。污水处理所产生的污泥具有较高的含水量，由于水分与污泥颗粒结合的特性，采用机械方法脱除具有一定的限制，污泥中的有机质含量、灰分比例特别是蓄凝剂的添加量对于最终含固率有着重要影响[5]。一般来说，采用机械脱水可以获得20%-30%的含固率，所形成的污泥也被称为泥饼。泥饼的含水率仍然较高，具有流体性质，其处置难度和成本较高，因此有必要进一步减量[5]。此时，在自然风干之外，只有通过输入热量形成蒸发，才能够实现大规模减量[2]。采用热量进行干燥的处理就是热干化。但是干化处置方式，无法实现稳定化，不能达到最大减量化，处置成本高[6]。

石灰投加技术是将污泥脱水后进入料斗，料斗中加入湿泥量的10%～15%的石灰和投量约为石灰投量的1%的氨基璜酸[7]。实际运行中因石灰投加造成滤沙板结的倾向，对滤池的过水流量产生限制，降低污水回用量[8]。并且投加石灰后，污水的PH值会有一个明显的增高过程，此时溶液中含大量CO32-会产生CaCO3沉淀而导致滤沙板结，影响后续循环水产生。污泥水热干化技术通过将污泥加热，在一定温度和压力下破坏污泥的胶体结构，微生物细胞被破坏,有机物水解,病原菌被杀灭,污泥的脱水性和厌氧消化性能都得到提高[9-10]。剩余污泥或者浓缩污泥含水率高，热水解加热污泥的能耗也很高，且厌氧消化只能将污泥减量一半左右，大量剩余污泥残渣需要处理，配套处理设施仍需要大量额外投资及运行成本[11]。污泥炭化是通过燃烧可燃性干馏气体产生的热量来蒸发污泥中的水分，大量减少污泥的重量与体积（减容率90%以上），同时回收利用污泥的热能，达到节能目的。与堆肥技术相比：实现了污泥的彻底处理，而不是半处理；有效减低重金属、病毒和细菌等危害；投资成本均低于堆肥；产物资源化利用价值大于堆肥产物。与干化技术相比：实现了彻底处理，不含水分；成本极大降低；产物应用更为广泛。与焚烧技术相比：无二次污染、节能；投资和运营成本低。

1.2 污泥炭化技术的原理与特点

污泥炭化是指通过一定的手段，使污泥中的水分释放出来，同时又最大限度地保留污泥中的碳值，使最终产物中的碳含量大幅提高的过程[12]。污泥炭化技术的原理有如下两点：

（1）破坏污泥细胞,释放细胞内水分——基于对污泥细胞结构和水分布的原理[13]。

（2）热作用下有机物水解,破坏胶体结构——基于对污泥胶体结构和物理化学降粘度的原理[13]。

污泥炭化的方法采用在无氧环境下升温，通过干馏和热解的作用，其中的有机质转化为水蒸气、不凝性气体和碳。主要分为高温炭化、中温炭化和低温炭化三种。

（1）高温炭化。温度范围在649～982℃，不需要加压。先将污泥干化，含水率约为30%后进行高温炭化造粒。

（2）中温炭化。温度范围为426～537℃，不需要加压。先对污泥干化使其含水率约90%，再进入炭化炉分解产生油、反应水（蒸汽冷凝水）、沼气（未冷凝的空气）和固体炭化物。

（3）低温炭化。炭化温度约为315℃，需要加压约6～8Mpa，炭化前无需干化。污泥经过炭化含水率50%以下，呈液态，经干化造粒后可作为低级燃料使用。该技术通过加温加压使得污泥中的生物质全部裂解，实现了污泥的稳定化[7]。污泥炭化过程中保留了绝大部分污泥中热值，为裂解后的能源再利用创造了条件[14]。

污泥炭化技术能耗比传统干燥技术和直接焚烧的能耗至少低一半，在无氧（或低氧）的状态下高温加热，其产物主要为水蒸气、干馏气体和炭粒。炭化过程中产生的尾气可导回炭化炉内充分燃烧，少量尾气经过燃烧处理进行热能直接利用后，再经过安定化和脱臭处理后最终达标排放。有机废弃物中的重金属95%以上经过高温炭化处理后可与碳作用转化为结晶态存在，起到固化的作用。

1.3 污泥炭化技术优势

与现有的堆肥、干化、焚烧等技术相比，污泥炭化技术具有以下优势[7]：

①技术领先——炭化技术可实现污泥的最终化处理，产物不含水而且可以再利用。②节能——对生产过程中的处理产物二次利用。③无二次污染——还原反应不产生二噁英，另外干馏释放的气体又通回到炉内进行燃烧。④减排——由于炭化处理是利用有机物还原分解，大部分碳被固于渣料中。⑤产物附加值高——处理产物具有类似活性炭的性质，应用广泛。

2 国内外研究现状

以污泥为主的固废炭化（热解）技术研究在20世纪80年代始于德国，其研发的主要目的是为了产热解油，因此将温度控制在500℃以下。20世纪90年代为该技术工业化应用发展阶段，美国、日本、澳大利亚等国相继研发出各种不同的污泥炭化装置。这一阶段主要发展在日本，以三菱、川崎、日立、松下等为代表的公司，迄今已建设有机固体废弃物炭化处理设施超过60余个（其中污泥炭化设施约50余个，垃圾炭化设施10余个，其他稻壳炭、木炭、竹炭等生产项目未计入在内），遍布全日本各个县府。如日本爱知县田原市“炭生馆”，项目建成于2005年，占地面积11,400平方米，日处理能力60吨（2台30吨处理能力的炭化炉），24小时运行（每年330天），2006年处理垃圾18400吨，产物用于炼钢厂的增碳剂和保温材料。日本在德国对炭化技术的研究基础上，将炭化过程简单化，提高炭化温度，使产物仅为固态和气态，降低了产物分离的难度，同时使得炭化过程可控性更高、更方便。日本的高温炭化技术和美国的低温炭化技术已经逐步走向成熟。

从八十年代开始，北京、天津、广州、深圳、杭州、西安、太原、大连等城市污水处理厂相继建成投产，特别是进入九十年代以后，发展迅速，全国各地一大批大型城市污水处理厂开始建设并相继投产。实际上2005年日本的高温炭化技术开始在中国进行推广，但污泥处置问题的忽视使得其在中国难以进行推广和普及。目前，我国污水处理厂产生的污泥，大多采用填埋的方式处理，与污水处理系统相比污泥处理严重脱节。污泥不同于其它的固体废物，其含水率高达70%以上，难以焚烧，运输保存成本大，直接施用或弃置又可能会污染食物链和土壤，污泥中的超细粉末在热干化和处理过程中存在较大的危险，这些特殊的性质使污泥处理面临诸多难题。而目前所谓的安全处置方式大多带来各种各样的二次污染，其本质并不是污染源的治理，而是将污染源进行转移。北京市清河污水处理厂于2008年投产使用流化床干燥工艺[15]；北京水泥厂有限责任公司于2009年投入运行涡轮薄层污泥干化工艺（意大利VOMM公司）。青岛博迈斯环保技术有限公司于2010年正式采用BMS炭化系统。唐榕等[16]在北京真空电子技术总公司提出新型程控真空碳化设备，传统工艺是将碳氢化合物高温分解产生的碳沉积到钍一钨阴极上。其基于程控闭环方法在碳化压力、阴极电流、碳化时间等方面存在的瓶颈问题进行突破，在±0.5%偏移量要求下新型程控真空碳化设备的产品合格率达到97%以上。谭忠冠等[17]利用太阳能高温集热系统，采用碟式太阳能+熔盐蓄热的形式进行处理。通过设计高效可靠的高温蓄热加热系统很大程度上降低传统方式处理污泥所需要的加热成本，同时也从根本上排除了对环境的二次污染。

3 污泥炭化设备

国内外经过几十年的发展，污泥炭化设备常见的有以下几种类型：

三菱公司设备结构简单，燃气热源，但温度不均匀，稳定性差。日立和川崎公司设备采用燃气作为热源，外热式能耗高，设备体积大，反应釜需吹入大量空气和燃气，部分污泥被燃烧，反应不稳定，烟尘量大。博迈斯采用电能作为预热能源，无需燃气管道，设备适应性高，炭化过程可控，结构合理，热效率提高，燃烧室独立占地面积小，产品稳定，品质均匀。

其中青岛博迈斯环保技术有限公司BMS炭化系统污泥类处理整体图如下：

图1 青岛博迈斯BMS炭化系统污泥类处理整体示意图

4 污泥产物二次利用

有机质含量较高的固体废弃物经过高温炭化形成的碳粒称为再生碳，具有多孔结构，孔隙最小近2nm，比表面积大（如农林业废弃物经炭化后比表面积可达450m2/g），因此具有强大的吸附能力。污泥再生碳的物化特点：含40～60%固定碳，碘吸附能力每克 100～300mg，比表面积达 10～90m2/g，燃点为 350～400℃，氮含量1～3%，磷含量4～15%，钾含量1～3%。主要具有下列用途：①具有吸附VOC（挥发性有机化合物）的能力；②具有吸附重金属和各种农药残留的能力；③具有促进微生物降解的能力，可以为微生物提供适宜的生态环境；④碳粒为弱碱性，具有酸性土壤的中和效果；⑤可修复农作物连作种植对土壤的伤害；⑥其多孔性形成的透水性、通气性可修复粘土质土壤；⑦其多孔性形成的保水性、保肥性可修复砂化土壤。

结语

污泥炭化作为一种新型的污泥处理技术在这样的背景下应运而生，在实现污泥的减量化、无害化和资源化的同时，还可以产生碳基产物，以解决污泥生物可利用性差的问题，但大量污泥的安全处置理论研究和技术系统建设问题亟待探索和解决，已成为目前国内外污泥处理技术研究的热点[18-19]。新的污泥处理工艺开发研究，根据不同污泥的特性完善污泥炭化工艺，最终实现多种污泥的炭化处理，并在生产过程完全达到环保和生产安全要求。污泥炭化处理技术及相应炭化设备，对污泥炭化系统进行信息化改造，能够实现远程监控和指挥，并能够实现自动化控制。将污泥炭化系统划分成多个模块、确定各模块任务、分析模块间关系并确定各模块技术指标，实现目标分解。针对不同的污泥处理工艺，进行参数更新，形成数据库系统。寻求相关企业进行现场试用，为进一步推广应用和今后的产业化和批量生产提供生产样机和经验。