污水处理厂污泥处理及资源化利用——以某城市污水处理厂污泥制透水砖项目为例

周 曼

(湖北省机电研究设计院股份公司，湖北 武汉 430070)

1 引言

为提高污泥资源化利用效率，实现碳达峰目标，十部委联合推出的《关于推进污水资源化利用的指导意见》(发改环资〔2021〕13号)中已明确将加快推动城镇生活污水资源化利用列为一项重大的国家战略需求。污泥作为污水处理的副产物，含有机物、营养元素和重金属等，并且体积庞大，如何变废为宝和最大化的释放污泥中可利用成分的资源价值，是解决市政污泥污染的终极目标。

我国的污泥热解技术及装备研究经过近10年的发展，已取得了一定的进展，目前全国污泥热解装备制造企业20家左右，已运行的市政污泥热解产业项目约5项，但是采用多级热解碳化技术处理污泥并进行资源化利用的项目还较罕见。本文以某城市污水处理厂污泥处理及资源化利用项目为例，介绍了污泥资源化利用的常用工艺，重点阐述了在资源化利用领域中具有领先地位的多级热解碳化技术制透水砖的效果及优势，作为行业探索的一次有效尝试，以期为一批类似企业进行项目建设进入市场提供参考。

2 污泥处理方法

目前污泥处理中常见的有填埋、焚烧、土地利用等传统方法，以及多级热解碳化等先进技术。

填埋对选址区域土质的物理力学性质要求高，且污泥总量越多选址越困难。污泥腐烂变质产生的废气造成大气污染，有害成分渗透渗漏易污染地下水。焚烧占地小、处理量大、处理快速、生成无菌无臭的无机灰渣[1]，但投资大，需购置专用设备，运行维护费用高，且燃烧时会产生二噁英等剧毒物质，造成大气污染。由于污泥含有大量的有机营养物，可有效改善土质，因此可接纳并利用污泥的土地类型较多。但同时存在污泥中重金属元素会污染土壤、氮磷浓度过高会污染地下水等风险。因此，上述传统污泥处理方法已无法适应当前污泥处理和环境保护的要求。

多级热解碳化设备占地面积小，利用污泥热解碳化自身产生的热量来烘干高水分的湿污泥，无需额外提供热能。最终可使污泥减量88%，且产生的灰渣具有良好的活性，可与砂石等原料混合生产透水砖等建筑材料，可以真正实现污泥的稳定化、无害化和减量化。

3 污泥资源化利用方法

目前，城镇污水处理厂污泥资源化利用方式，主要有生产建筑材料、污泥生产有机肥、生产沼气、制备生物炭、污泥发电等。

3.1 生产建筑材料

城市污水处理厂污泥与黏土成分相似，除含有丰富的有机质外，还含有30%左右的无机物(包括Si、Ca、Al、Fe等元素)，可用于制砖、制轻质骨料和路基材料、制作水泥添加料等建筑材料[2～4]。利用污泥生产的建筑材料在强度、浸出毒性等符合国家标准的前提下，既消化了污泥，减少了土地占用，又降低了建筑成本。

3.2 生产有机肥

城市污水处理厂污泥中富含有机质，采用缺氧或好氧的堆肥方法可得到有机肥。堆肥过程中需要维持适宜的温度和湿度，并进行为期分别为10 d和30 d的两次发酵。经成功发酵后的城市污水处理厂污泥质软且无臭味[5]。污泥堆肥的有机肥料可用于沙漠化土壤改良、矿山修复、园林绿化等，以提高植树的成活率和生长速度，研究表明：城市污泥堆肥产生的有机肥能够促进植物生长[6～8]，但是对于含有多环烃或富含重金属等物质的城市污水处理厂污泥，不宜堆肥处置。

3.3 生产沼气

污水处理厂污泥在一定的温度、湿度、酸碱度和无氧条件下，污泥中的有机物被厌氧菌分解，生成沼气资源[9,10]。同时沼渣和沼液可用作肥料，实现废弃有机物的稳定化和资源化利用。我国污水处理厂污泥若单独用于厌氧消化，普遍存在C/N低的问题，实际工程中通常将污水处理厂污泥与餐厨垃圾、动物粪便等进行共消化，从而提高沼气产量。

3.4 制备生物炭

污泥制备生物炭是在缺氧或无氧条件下，经过高温热解，将污泥热分解转化为固态材料。通常分为两种制备方法：一种是脱水污泥干化后，在无氧、高温(>300 ℃)环境下热解成为生物炭；另一种是脱水污泥经高温(180～220 ℃)、高压(30 MPa)水解，水解后的污泥再经脱水干化，在无氧、高温(300～700 ℃)环境下热解成为生物炭，且生物炭的品质随着温度升高而逐渐提高[11]。污泥制备的生物炭孔隙结构多、比表面积大、富含官能团，可以作为吸附剂、脱色剂、土壤改良剂和催化剂等。此外，污泥热解后会生成一种稳定的矿物质硅酸铝钙，此物质可作为生产材料重复使用。

3.5 污泥发电

污泥中有机物较多，热值为12～15 MJ/kg[12]，比煤略低，可作为辅助的供电能源。污泥发电方法主要为燃烧发电。发电厂大多选择含水率为40%左右的污泥和煤按照一定比例掺和后用于燃烧发电。但该方法成本高，且对污泥的要求高，污泥掺和使用前需要提前处理。

4 某污水处理厂项目概况

某城市污水处理厂污泥资源化处置项目，项目原料主要为该污水处理厂及周边其他生活污水处理厂经鉴定为一般固废，且含水率低于80%的污泥。项目污泥用量为300 t/d，碳化后得到含水率为1%的碳粒60 t/d，低温热解后残渣剩余率为12%，污泥减量达到88%，余下的36 t/d残渣量作为透水砖原材料，实现污泥零排放。系统采用多级热解碳化技术，该技术稳定性高，具有减量效果显著、无害化彻底、资源利用率高等优点，结合一套完善的烟气脱硫脱硝除尘净化装置，能确保SO2、NOx、二噁英、粉尘等污染物排放达到国家排放标准。

5 工艺方案

5.1 污泥碳化工艺方案

该项目将该厂和周边各主要生活污水厂外运(经鉴定为一般固废)的含水率80%的污泥分区封闭储存，投加生石灰进行稳定化预处理；依次封闭输送至多级热解碳化一体化设备Ⅰ，含水率由80%降低至20%。经热解后排出的烟气温度为110 ℃左右，收集后进入废气处理系统进行处理，达标后排放。再经过多级热解碳化一体化设备Ⅱ，形成含水率1%、直径10 mm以下的高热值碳化颗粒；碳粒在低温热解热风设备中利用自身热值燃烧，实测污泥热值为1300～1500 kcal/kg，产生的废渣由料斗排出，产生的热量携带在烟气中，900 ℃烟气输送至多级热解碳化一体化设备，实现热量循环利用(图1)。

图1 工艺流程

5.2 烟气处理工艺方案

项目废气主要为污泥堆放和处置过程中产生的臭气，以及污泥热解碳化过程中产生的烟尘、SO2、NOx、二噁英和VOCs等。采用选择性非催化还原脱硝(SNCR)工艺，在低温热解热风设备中900℃条件下向炉内喷入氨水实现脱硝；烘砖房排出的烟气采用旋风除尘+湿法脱硫处理；脱硫后的烟气利用水喷淋尾气去除颗粒物和酸碱性气体、利用紫外线光解和活性炭吸附去除VOCs，确保烟气排放达标。

5.3 透水砖生产方案

该项目利用污泥热解剩余残渣36 t/d(64%)，加上砂石11.25 t/d(20%)、水泥9 t/d(16%)和颜料0.04 t/d通过一体化自动免烧制砖机生产透水砖、仿古砖，养护成型阶段利用燃烧炉和烘干炉的热废气在密闭烘干房内进行烘干(图2)。生产的透水砖性质稳定，强度达标，透水性好，满足《砂基透水砖》(JG/T 376-2012)的标准要求，且其重金属浸出浓度远低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3—2007)的要求。

图2 透水砖生产工艺流程

6 经济效益与社会效益

6.1 项目收入

污泥处理收入：年处理污泥量90000 t，单价200元/t，年收入1800万元。透水砖销售收入：年产量合计900万块，单价0.55元/块，收入495万元。以上合计年收入2295万元。

6.2 项目支出成本

水泥、碎石和颜料采购和运输成本150万元，人力成本70万元，水电成本300万元，固定资产年折旧额300万元，以上合计年总成本为820万元。

在经济效益方面，项目收入除去支出成本外还可以为企业带来较大经济收益。在社会效益方面，城市污泥制透水砖工艺的产业化，能够形成规模化的生产和销售机制，将污泥处理和透水砖生产有机结合，在为城市带来极大的环保效益的同时，也为城市和企业带来经济效益，推进了城市环保产业发展，从根本上解决了污泥的处理问题。

7 结论与讨论

本文介绍了某城市污水处理厂利用多级热解碳化技术处理污泥并将残渣用于制透水砖的案例，通过分析该项目的处理效果，发现多级热解碳化技术作为一种新兴的污泥处理方式，不仅能实现污泥的高效处理和资源化利用，而且具备较高的环境效益和经济效益。同时，与文中其他传统的污泥处理技术相比，具有以下优势：①自动化程度高，可连续运行，有效节省了工作周期和占地面积；②所产生的二次污染低，污泥减量88%，效果显著，且污泥热解剩余残渣具有良好的活性，可用于生产透水砖等建筑材料，污泥资源化效果好；③利用污泥热解碳化产生的热量烘干湿污泥，热量维持整个热解碳化装置的运转，无需额外提供热能，降低了能源的消耗量，减少了运行投资成本；④系统运行收益高于成本，有良好的经济效益、较高的实用价值和推广价值。

综上所述，多级热解碳化技术处理污泥具有减量率高，无害化彻底，能量可循环利用等优点。项目的实施可大量消纳城市污水处理厂污泥，缓解城市污泥处理处置现状的紧迫性。项目满足国家“提质增效”和“泥水并重”的要求，且兼顾污水处理与臭气处理，打造了从污水输送、污水处理、污泥处理处置资源化利用的全过程产业链，实现了污泥的减量化、无害化与资源化，无二次污染，促进了经济利益和社会效益的同步增长。让城市污水处理中污泥资源的再利用更高效，既有利于循环经济的发展，又能实现废弃物处理资源化和产业化的要求，也符合禁止毁田制砖、节约耕地的原则，具有广阔的发展前景。