城鎮(zhèn)污泥改性無氧碳化技術和焚燒技術的比較與分析

于永香　于　群

（1煙臺市環(huán)境監(jiān)測中心站山東煙臺2640002煙臺福緣環(huán)保科技山東煙臺264000）

城鎮(zhèn)污泥改性無氧碳化技術和焚燒技術的比較與分析

于永香1于群2

（1煙臺市環(huán)境監(jiān)測中心站山東煙臺2640002煙臺福緣環(huán)保科技山東煙臺264000）

本文主要介紹了城鎮(zhèn)污泥改性無氧碳化技術，并與常規(guī)污泥焚燒技術比較，分析了無氧碳化技術無害化處理城鎮(zhèn)污泥在環(huán)保、經濟和社會效益方面的優(yōu)勢。污泥焚燒是污泥處理技術的一種有效途徑，但仍存在投資及處理成本高和二次污染問題；污泥改性無氧碳化技術不但具有污泥焚燒的優(yōu)點，同時還可有效解決污泥焚燒技術所存在的經濟和環(huán)保問題。

污泥改性無氧碳化；污泥焚燒；處理成本；二次污染

隨著我國經濟的高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，我國城鎮(zhèn)污水處理廠污水污泥（簡稱污泥）量呈迅猛增長態(tài)勢。污泥具有巨大環(huán)境污染危害及潛在利用價值，該如何妥善處理處置成為公眾關注的焦點環(huán)境問題。2015年國務院關于印發(fā)水污染防治行動計劃的通知：污水處理設施產生的污泥應進行穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置，禁止處理處置不達標的污泥進入耕地；非法污泥堆放點一律予以取締，現有污泥處理處置設施應于2017年底前基本完成達標改造，地級及以上城市污泥無害化處理處置率應于2020年底前達到90%以上。生態(tài)環(huán)境的日益惡化和國家法律法規(guī)對污泥處理處置要求的不斷提高，促使相關領域的專家、學者都在積極探索新的行之有效的污泥處理處置新技術，污泥改性無氧碳化技術應勢而生。

1　污泥改性無氧碳化技術簡介

污泥改性無氧碳化技術是通過改性劑對城鎮(zhèn)壓濾污泥進行干化、改性，降低污泥含水率將污泥中的蛋白質和糖類轉化為油脂并儲存于污泥內部（詳見專利：一種使生物質轉化為原油的改性劑及生產方法和應用工藝，公布號：CN105001894A）。改性后污泥通過配套設備進行無氧碳化，實現污泥減量化、無害化和資源化處置。改性過程只需添加少量改性劑，并利用無氧碳化過程中產生的高溫煙氣和固定碳余熱烘干，即可實現污泥含水率由80%降低至30%左右，又將污泥中的氮、硫等元素固定，減少氮氧化物和硫氧化物的排放。無氧碳化過程中：油脂以氣體的形式揮發(fā)并燃燒，為整個碳化過程提供熱量；燃燒產生的煙氣在余熱利用后經專有煙氣處理技術處理達標排放，廢水做冷卻循環(huán)水，固定碳燃燒后剩余的灰分可填埋或做建材使用，污泥減量化90%以上，整個處理過程無有害廢水、廢氣和廢渣排放。

2　污泥改性無氧碳化技術與焚燒技術的對比

污泥焚燒是將脫水污泥送入焚燒爐焚燒，使有機物碳化，有效殺死病原體，最大限度地減小污泥體積，污泥焚燒技術存在投資大、處理費用高［1］。污泥改性無氧碳化技術利用污泥處理過程產生的清潔能源來進行污泥脫水干化和無氧碳化，無需額外能源，降低污泥處理成本，實現污泥焚燒減量化，資源化利用污泥中的碳、氮、硫元素，減少碳、氮、硫排放，根本上解決污泥焚燒技術的弊端。

2.1兩種技術處理城鎮(zhèn)污泥對環(huán)境影響的比較

2.1.1兩種技術處理城鎮(zhèn)污泥的主要溫室氣體排放量

污水污泥的產生量呈現快速增長趨勢，污泥在處置過程中產生的大量溫室氣體（如CO2、N2O等），成為溫室氣體的一個重要來源，是影響全球氣候增溫的主要因素［2-3］。

（1）污泥焚燒技術處理城鎮(zhèn)污泥主要溫室氣體排放量

污泥焚燒是在氧氣充分及燃料的協助下，污泥中的有機質和氧反應，生成碳、氮、硫、氫及堿金屬的氧化物，并釋放出熱量，伴隨著粉塵等有害物質產生［4］。溫室效應是世界難題，氣溫升高、海平面上升嚴重威脅著人類健康與安全。城鎮(zhèn)生活污泥有機質及氮含量高，焚燒過程中會產生大量的二氧化碳和氧化亞氮等溫室氣體，引起溫室效應。李艷霞等人對我國16個城市29個城鎮(zhèn)污水處理廠污泥中的有機質和植物性養(yǎng)分含量進行的統計結果［5］如表1顯示。

表1　城鎮(zhèn)污水處理廠污泥中有機質及植物性養(yǎng)分含量（g/kg）

由表1可知，一噸城鎮(zhèn)干污泥中有機物含量均值為384 kg，有機物以葡萄糖（C6H 12O6，含碳量40%）計，焚燒一噸城鎮(zhèn)干污泥的二氧化碳的排放量為：384kg×40%×3.66=562.176 kg；按上表城鎮(zhèn)污泥中總氮含量占干污泥重的2.71%，污泥焚燒產生的氮氧化物以氧化亞氮計，則焚燒一噸城鎮(zhèn)干污泥的氧化亞氮排放量：27.1kg×1.57=42.547kg。則每焚燒一噸含水率80%的城鎮(zhèn)污泥，二氧化碳排放量為562.17kg×0.2=112.44kg，氧化亞氮排放量為42.547kg×0.2=8.5094kg。據統計，現全國年產生含水率80%的污泥4000多×104t，我國污泥焚燒占總處理污泥量約3.45%［6］（按3.5%計算），則通過焚燒方式處理污泥所帶來的二氧化碳和氧化亞氮排放量分別約為15×104t和1×104t。

（2）污泥改性無氧碳化技術處理城鎮(zhèn)污泥主要溫室氣體排放量

污泥改性無氧碳化技術處理污泥主要包括兩個過程：干化改性和無氧碳化。干化改性過程中，污泥中的氮、硫元素在改性劑作用下固定在污泥內部，其中氮被最終轉化為簡單的有機和無機銨鹽，儲存在污泥中。無氧碳化過程中，在干餾溫度低于150℃時，氨、水和可燃氣體餾出并引入冷卻罐冷卻，含氨溶液做碳酸銨生產原料（詳見專利：一種利用污泥中蛋白質生產碳酸銨的方法，公布號：CN 104628013A）；在干餾溫度150-350℃條件下，污泥中的油脂轉換成油氣并輸入燃燒爐內燃燒，做污泥干餾熱源；當干餾溫度達到350℃～420℃時，污泥中含硫的膠質餾出，同時纖維類物質完全碳化，碳化后的固定碳燃燒為干化提供熱量，燃燒后灰分可填埋或做建材。整個改性無氧碳化過程中，污泥中的氮、硫、碳均實現資源化利用，有效解決污泥焚燒過程易產生氮氧化物、硫氧化物、二氧化碳及粉塵等的二次污染問題。以2015年煙臺市南郊生活污水處理廠5000噸含水率80%的壓濾污泥采用改性無氧碳化技術處理前（改性前）和處理后（改性后，改性劑添加比例2‰、改性7天）實驗數據分析，具體數據見表2。

表2　相同來源污泥經改性無氧碳化技術處理前后的數據對比

由表2可知，污泥經改性無氧碳化技術處理前后的出油率分別為2.45%和9.22%，改性后污泥的出油率較改性前提高了6.77%。改性后污泥出油率以9.22%計，油中的碳以十六烷計，采用改性無氧碳化技術處理一噸城鎮(zhèn)絕干污泥所產生的二氧化碳量為：92.2kg×84.96%×3.66=286.7kg，即采用改性無氧碳化技術處理一噸含水率80%的污泥的二氧化碳排放量為：286.7kg× 0.2=57.34kg。污泥中的氮素資源化利用合成碳酸銨，整個碳化過程無氮氧化物的排放。

（3）兩種技術處理城鎮(zhèn)污泥對環(huán)境影響的小結

采用兩種技術每處理一噸含水率80%的城鎮(zhèn)污泥產生CO2和氧化亞氮量見表3。

表3　兩種技術處理噸城鎮(zhèn)污泥的二氧化碳和氧化亞氮排放量

由表3得出，處理一噸含水率80%的污泥，污泥改性無氧碳化技術CO2減排55.1kg，NO2減排8.51kg，比污泥焚燒技術明顯降低CO2和氧化亞氮排放量，具良好環(huán)境效益。

（4）實例分析

2014年珠海市斗門區(qū)采用污泥改性無氧碳化技術，建一條日處理50t的含水率80%的污泥處理生產線，已成功試運行一年，各項指標均達到設計要求。結合以上計算數據，日處理量100t含水率80%污泥的生產線投入生產運行后，與污泥焚燒處理相比，珠海市每年可實現CO2減排1983.6t，氧化亞氮減排306.4t。

2.1.2兩種技術對城鎮(zhèn)污泥重金屬的處理

1.2.1污泥焚燒技術對城鎮(zhèn)污泥重金屬的處理

據相關文獻研究，國內城市污泥中重金屬鉻、鎳、汞、砷的含量較高，在焚燒過程中產生的重金屬污染較為嚴重［7］。研究表明，污泥經過焚燒后，Zn、Cu、Cr、Pb、Cd、Ni等金屬絕大部分殘留在灰渣中，而Hg、As等易揮發(fā)金屬則大量富集在飛灰中，灰渣中含量很少［8-9］。隨著焚燒溫度的提高，Cu、Zn、Pb、Cd等中度揮發(fā)性金素揮發(fā)性有所增加，而Ni、Cr等難揮發(fā)性金屬元素則變化不明顯［10］。

1.2.2污泥改性無氧碳化技術對城鎮(zhèn)污泥中重金屬的處理

污泥改性無氧碳化技術可在處理過程中采用重金屬處理技術（詳見我公司申請的發(fā)明專利：一種污泥中重金屬處理的方法，授權公告號：CN104649528B）進行處理。將改性完成后的污泥與一定量的葡萄糖粉和和氫氧化鈣充分混合，在機械加熱條件下，當污泥受熱至溫度在100℃以上時，NH 4+與氫氧化鈣反應生成的氨氣迅速與水蒸氣混合后與污泥中的大部分重金屬離子Cd、H g、Cr、Ni、Cu、Zn在堿性條件下發(fā)生絡合反應，分別生成對應的氨絡合物，絡合物再與葡萄糖粉發(fā)生氧化還原反應，最終實現重金屬離子化合價降低或直接還原成單質，降低污泥中重金屬離子的毒性。

2.2兩種技術處理城鎮(zhèn)污泥的經濟效益比較

2.2.1污泥焚燒技術處理污泥的成本

據測算利用熱電廠鍋爐焚燒污泥，每噸污泥處理成本近百元，若建造專門的焚燒系統，則每噸污泥處理成本將高達320元［11-12］。上海石洞口污水處理廠污泥處理量為64t/d干泥，采用“低溫干化與高溫焚燒聯合處理”工藝，其建設投資為8000萬元，污泥處置成本為238.8元/t［13］；溫州市某污水處理廠污泥處理工藝為半干化+焚燒，濕污泥的處理成本在200~400元/t［14］。根據進入焚燒設備的污泥含水率控制的不同，污泥焚燒技術可分為兩類：一類是將脫水污泥（含水率80%左右）直接送入焚燒爐焚燒，另一類是干化焚燒技術，即將脫水污泥干化后再焚燒［15］。脫水污泥直接焚燒雖然可節(jié)省前期處理成本，但高含水率使得污泥不能自持燃燒，需提高摻燒率，增加燃料消耗，無疑增加燃燒成本；干化焚燒技術在焚燒前需對污泥進行干化，成本同樣很高。以珠海市污泥處置中心為例，含水率80%的城鎮(zhèn)污泥需先添加硫酸亞鐵、石灰粉等進行高壓板框壓濾脫水至含水率60%左右，成本約需100元/t；含水率60%的泥餅需粉碎后再經烘干機烘干至含水率30%以下，成本約需50~60元/t。由此可知，珠海市污泥處置中心每干化一噸含水率80%污泥至含水率30%以下，約需成本150元左右。

2.2.2污泥改性無氧碳化技術處理污泥成本

污泥改性無氧碳化技術是通過添加改性劑對污泥進行干化改性，再進行無氧碳化。污泥改性無氧碳化技術利用碳化過程產生的煙氣（溫度T≈350-400℃）和碳化后的固定碳（溫度T≈400℃~500℃）做熱源，將污泥含水率由80%干化至40%以下，隨后添加改性劑生物脫水至含水率30%以下。整個干化過程不需要外加熱源，干化一噸含水率80%的污泥至含水率30%以下約需約人民幣40～90元。

2.3兩種技術處理城鎮(zhèn)污泥的社會效益比較

污泥焚燒技術在處理污泥過程中會產生大量氮氧化物、碳氧化物、粉塵等有毒有害性氣體，對焚燒當地的生態(tài)環(huán)境和人類健康都造成嚴重的潛在威脅。污泥改性無氧碳化技術符合節(jié)能減排的要求和社會發(fā)展的需要，可有效避免污泥焚燒技術所存在的環(huán)境問題，降低因污泥焚燒而對當地水環(huán)境、大氣環(huán)境和土壤環(huán)境的危害，從而改善城市環(huán)境的衛(wèi)生風貌，提高城市人民生活和健康水平，對創(chuàng)建幸福、和諧的城市環(huán)境及吸引投資具有一定的助推作用。

3　結語

污泥焚燒技術處理城鎮(zhèn)污泥可殺滅病原菌、減量化較為徹底，但存在投資大、處理成本高，會排放大量的氮氧化物、碳氧化物等有毒有害性氣體，污泥焚燒后所存在的重金屬會對排放區(qū)域的環(huán)境造成嚴重的二次污染，因此目前污泥焚燒技術還未能在全國大范圍推廣。污泥改性無氧碳化技術不但保留了污泥焚燒技術所具有的減量最大化、有效殺死病原菌等優(yōu)點，同時還可解決污泥焚燒技術投資大、處理成本高及焚燒過程中會產生粉塵、、碳氧化物、氮氧化物和重金屬等二次污染問題。污泥改性無氧碳化技術可滿足污泥處理標準要求，符合越來越嚴格的環(huán)境要求，具有較高的環(huán)境、經濟和社會效益，對促進循環(huán)經濟的發(fā)展和生態(tài)城市的建設具有重要意義。

［1］王濤，污泥焚燒技術現狀、存在問題與發(fā)展趨勢［J］.西南給排水，2007，29（1）：7-11.

［2］顧朝林，譚縱波，劉宛，等.氣候變化、碳排放與低碳城市規(guī)劃研究進展［J］.城市規(guī)劃學刊，2009（3）：38-45.

［3］彭潔，袁興中，江洪煒，等.城市污水污泥處置方式的溫室氣體排放比較分析［J］.環(huán)境工程學報，2013，7（6）：2285-2290.

［4］李博，王飛，嚴建華，等.污水處理廠污泥干化焚燒處理可行性分析環(huán)境［J］.工程學報，2012，6（10）：3399-3404.

［5］李艷霞，陳同斌，羅維，等.中國城市污泥有機質及養(yǎng)分含量與土地利用［J］.生態(tài)學報，2003，23（11）：2464-2474.

［6］方平，岑超平，唐子君，等.污泥焚燒大氣污染物排放及其控制研究進展［J］.環(huán)境科學與技術，2012，35（10）：70-80.

［7］徐強，張春敏，趙麗君.污泥處理處置技術及裝置［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2003.

［8］張衍國，奉華，鄧高峰，等.城市污水污泥焚燒過程中的重金屬遷移特性［J］.環(huán)境保護，2000（12）：35-36.

［9］李愛民，曲艷麗，姚偉.污泥焚燒底灰中重金屬殘留特性的實驗研究［J］.環(huán)境污染治理技術與設備，2002，3（11）：20-24.

［10］張巖，池涌，李建新.污泥焚燒過程中重金屬排放特性試驗研究［J］.電站系統工程，2005，21（3）：27-29.

［11］于飛.南京專利用污泥發(fā)電［N］.金陵晚報，2006，8，3.

［12］楊新海，張辰.上海市石洞口城市污水處理廠污泥干化焚燒工程［J］.給水排水，2003，29（9）：19-22.

［13］周蕓.“取經”上海石洞口污泥干化焚燒工藝.2009，9，17.

［14］程振敏，包松考，顧堅，等.干化焚燒工藝用于溫州市城市污水處理廠污泥處置［J］.中國給水排水，2012，28（22）：95-98.