城镇污泥改性无氧碳化技术和焚烧技术的比较与分析

于永香　于　群

（1烟台市环境监测中心站山东烟台2640002烟台福缘环保科技山东烟台264000）

城镇污泥改性无氧碳化技术和焚烧技术的比较与分析

于永香1于群2

（1烟台市环境监测中心站山东烟台2640002烟台福缘环保科技山东烟台264000）

本文主要介绍了城镇污泥改性无氧碳化技术，并与常规污泥焚烧技术比较，分析了无氧碳化技术无害化处理城镇污泥在环保、经济和社会效益方面的优势。污泥焚烧是污泥处理技术的一种有效途径，但仍存在投资及处理成本高和二次污染问题；污泥改性无氧碳化技术不但具有污泥焚烧的优点，同时还可有效解决污泥焚烧技术所存在的经济和环保问题。

污泥改性无氧碳化；污泥焚烧；处理成本；二次污染

随着我国经济的高速发展和人们生活水平的不断提高，我国城镇污水处理厂污水污泥（简称污泥）量呈迅猛增长态势。污泥具有巨大环境污染危害及潜在利用价值，该如何妥善处理处置成为公众关注的焦点环境问题。2015年国务院关于印发水污染防治行动计划的通知：污水处理设施产生的污泥应进行稳定化、无害化和资源化处理处置，禁止处理处置不达标的污泥进入耕地；非法污泥堆放点一律予以取缔，现有污泥处理处置设施应于2017年底前基本完成达标改造，地级及以上城市污泥无害化处理处置率应于2020年底前达到90%以上。生态环境的日益恶化和国家法律法规对污泥处理处置要求的不断提高，促使相关领域的专家、学者都在积极探索新的行之有效的污泥处理处置新技术，污泥改性无氧碳化技术应势而生。

1　污泥改性无氧碳化技术简介

污泥改性无氧碳化技术是通过改性剂对城镇压滤污泥进行干化、改性，降低污泥含水率将污泥中的蛋白质和糖类转化为油脂并储存于污泥内部（详见专利：一种使生物质转化为原油的改性剂及生产方法和应用工艺，公布号：CN105001894A）。改性后污泥通过配套设备进行无氧碳化，实现污泥减量化、无害化和资源化处置。改性过程只需添加少量改性剂，并利用无氧碳化过程中产生的高温烟气和固定碳余热烘干，即可实现污泥含水率由80%降低至30%左右，又将污泥中的氮、硫等元素固定，减少氮氧化物和硫氧化物的排放。无氧碳化过程中：油脂以气体的形式挥发并燃烧，为整个碳化过程提供热量；燃烧产生的烟气在余热利用后经专有烟气处理技术处理达标排放，废水做冷却循环水，固定碳燃烧后剩余的灰分可填埋或做建材使用，污泥减量化90%以上，整个处理过程无有害废水、废气和废渣排放。

2　污泥改性无氧碳化技术与焚烧技术的对比

污泥焚烧是将脱水污泥送入焚烧炉焚烧，使有机物碳化，有效杀死病原体，最大限度地减小污泥体积，污泥焚烧技术存在投资大、处理费用高［1］。污泥改性无氧碳化技术利用污泥处理过程产生的清洁能源来进行污泥脱水干化和无氧碳化，无需额外能源，降低污泥处理成本，实现污泥焚烧减量化，资源化利用污泥中的碳、氮、硫元素，减少碳、氮、硫排放，根本上解决污泥焚烧技术的弊端。

2.1两种技术处理城镇污泥对环境影响的比较

2.1.1两种技术处理城镇污泥的主要温室气体排放量

污水污泥的产生量呈现快速增长趋势，污泥在处置过程中产生的大量温室气体（如CO2、N2O等），成为温室气体的一个重要来源，是影响全球气候增温的主要因素［2-3］。

（1）污泥焚烧技术处理城镇污泥主要温室气体排放量

污泥焚烧是在氧气充分及燃料的协助下，污泥中的有机质和氧反应，生成碳、氮、硫、氢及碱金属的氧化物，并释放出热量，伴随着粉尘等有害物质产生［4］。温室效应是世界难题，气温升高、海平面上升严重威胁着人类健康与安全。城镇生活污泥有机质及氮含量高，焚烧过程中会产生大量的二氧化碳和氧化亚氮等温室气体，引起温室效应。李艳霞等人对我国16个城市29个城镇污水处理厂污泥中的有机质和植物性养分含量进行的统计结果［5］如表1显示。

表1　城镇污水处理厂污泥中有机质及植物性养分含量（g/kg）

由表1可知，一吨城镇干污泥中有机物含量均值为384 kg，有机物以葡萄糖（C6H 12O6，含碳量40%）计，焚烧一吨城镇干污泥的二氧化碳的排放量为：384kg×40%×3.66=562.176 kg；按上表城镇污泥中总氮含量占干污泥重的2.71%，污泥焚烧产生的氮氧化物以氧化亚氮计，则焚烧一吨城镇干污泥的氧化亚氮排放量：27.1kg×1.57=42.547kg。则每焚烧一吨含水率80%的城镇污泥，二氧化碳排放量为562.17kg×0.2=112.44kg，氧化亚氮排放量为42.547kg×0.2=8.5094kg。据统计，现全国年产生含水率80%的污泥4000多×104t，我国污泥焚烧占总处理污泥量约3.45%［6］（按3.5%计算），则通过焚烧方式处理污泥所带来的二氧化碳和氧化亚氮排放量分别约为15×104t和1×104t。

（2）污泥改性无氧碳化技术处理城镇污泥主要温室气体排放量

污泥改性无氧碳化技术处理污泥主要包括两个过程：干化改性和无氧碳化。干化改性过程中，污泥中的氮、硫元素在改性剂作用下固定在污泥内部，其中氮被最终转化为简单的有机和无机铵盐，储存在污泥中。无氧碳化过程中，在干馏温度低于150℃时，氨、水和可燃气体馏出并引入冷却罐冷却，含氨溶液做碳酸铵生产原料（详见专利：一种利用污泥中蛋白质生产碳酸铵的方法，公布号：CN 104628013A）；在干馏温度150-350℃条件下，污泥中的油脂转换成油气并输入燃烧炉内燃烧，做污泥干馏热源；当干馏温度达到350℃～420℃时，污泥中含硫的胶质馏出，同时纤维类物质完全碳化，碳化后的固定碳燃烧为干化提供热量，燃烧后灰分可填埋或做建材。整个改性无氧碳化过程中，污泥中的氮、硫、碳均实现资源化利用，有效解决污泥焚烧过程易产生氮氧化物、硫氧化物、二氧化碳及粉尘等的二次污染问题。以2015年烟台市南郊生活污水处理厂5000吨含水率80%的压滤污泥采用改性无氧碳化技术处理前（改性前）和处理后（改性后，改性剂添加比例2‰、改性7天）实验数据分析，具体数据见表2。

表2　相同来源污泥经改性无氧碳化技术处理前后的数据对比

由表2可知，污泥经改性无氧碳化技术处理前后的出油率分别为2.45%和9.22%，改性后污泥的出油率较改性前提高了6.77%。改性后污泥出油率以9.22%计，油中的碳以十六烷计，采用改性无氧碳化技术处理一吨城镇绝干污泥所产生的二氧化碳量为：92.2kg×84.96%×3.66=286.7kg，即采用改性无氧碳化技术处理一吨含水率80%的污泥的二氧化碳排放量为：286.7kg× 0.2=57.34kg。污泥中的氮素资源化利用合成碳酸铵，整个碳化过程无氮氧化物的排放。

（3）两种技术处理城镇污泥对环境影响的小结

采用两种技术每处理一吨含水率80%的城镇污泥产生CO2和氧化亚氮量见表3。

表3　两种技术处理吨城镇污泥的二氧化碳和氧化亚氮排放量

由表3得出，处理一吨含水率80%的污泥，污泥改性无氧碳化技术CO2减排55.1kg，NO2减排8.51kg，比污泥焚烧技术明显降低CO2和氧化亚氮排放量，具良好环境效益。

（4）实例分析

2014年珠海市斗门区采用污泥改性无氧碳化技术，建一条日处理50t的含水率80%的污泥处理生产线，已成功试运行一年，各项指标均达到设计要求。结合以上计算数据，日处理量100t含水率80%污泥的生产线投入生产运行后，与污泥焚烧处理相比，珠海市每年可实现CO2减排1983.6t，氧化亚氮减排306.4t。

2.1.2两种技术对城镇污泥重金属的处理

1.2.1污泥焚烧技术对城镇污泥重金属的处理

据相关文献研究，国内城市污泥中重金属铬、镍、汞、砷的含量较高，在焚烧过程中产生的重金属污染较为严重［7］。研究表明，污泥经过焚烧后，Zn、Cu、Cr、Pb、Cd、Ni等金属绝大部分残留在灰渣中，而Hg、As等易挥发金属则大量富集在飞灰中，灰渣中含量很少［8-9］。随着焚烧温度的提高，Cu、Zn、Pb、Cd等中度挥发性金素挥发性有所增加，而Ni、Cr等难挥发性金属元素则变化不明显［10］。

1.2.2污泥改性无氧碳化技术对城镇污泥中重金属的处理

污泥改性无氧碳化技术可在处理过程中采用重金属处理技术（详见我公司申请的发明专利：一种污泥中重金属处理的方法，授权公告号：CN104649528B）进行处理。将改性完成后的污泥与一定量的葡萄糖粉和和氢氧化钙充分混合，在机械加热条件下，当污泥受热至温度在100℃以上时，NH 4+与氢氧化钙反应生成的氨气迅速与水蒸气混合后与污泥中的大部分重金属离子Cd、H g、Cr、Ni、Cu、Zn在碱性条件下发生络合反应，分别生成对应的氨络合物，络合物再与葡萄糖粉发生氧化还原反应，最终实现重金属离子化合价降低或直接还原成单质，降低污泥中重金属离子的毒性。

2.2两种技术处理城镇污泥的经济效益比较

2.2.1污泥焚烧技术处理污泥的成本

据测算利用热电厂锅炉焚烧污泥，每吨污泥处理成本近百元，若建造专门的焚烧系统，则每吨污泥处理成本将高达320元［11-12］。上海石洞口污水处理厂污泥处理量为64t/d干泥，采用“低温干化与高温焚烧联合处理”工艺，其建设投资为8000万元，污泥处置成本为238.8元/t［13］；温州市某污水处理厂污泥处理工艺为半干化+焚烧，湿污泥的处理成本在200~400元/t［14］。根据进入焚烧设备的污泥含水率控制的不同，污泥焚烧技术可分为两类：一类是将脱水污泥（含水率80%左右）直接送入焚烧炉焚烧，另一类是干化焚烧技术，即将脱水污泥干化后再焚烧［15］。脱水污泥直接焚烧虽然可节省前期处理成本，但高含水率使得污泥不能自持燃烧，需提高掺烧率，增加燃料消耗，无疑增加燃烧成本；干化焚烧技术在焚烧前需对污泥进行干化，成本同样很高。以珠海市污泥处置中心为例，含水率80%的城镇污泥需先添加硫酸亚铁、石灰粉等进行高压板框压滤脱水至含水率60%左右，成本约需100元/t；含水率60%的泥饼需粉碎后再经烘干机烘干至含水率30%以下，成本约需50~60元/t。由此可知，珠海市污泥处置中心每干化一吨含水率80%污泥至含水率30%以下，约需成本150元左右。

2.2.2污泥改性无氧碳化技术处理污泥成本

污泥改性无氧碳化技术是通过添加改性剂对污泥进行干化改性，再进行无氧碳化。污泥改性无氧碳化技术利用碳化过程产生的烟气（温度T≈350-400℃）和碳化后的固定碳（温度T≈400℃~500℃）做热源，将污泥含水率由80%干化至40%以下，随后添加改性剂生物脱水至含水率30%以下。整个干化过程不需要外加热源，干化一吨含水率80%的污泥至含水率30%以下约需约人民币40～90元。

2.3两种技术处理城镇污泥的社会效益比较

污泥焚烧技术在处理污泥过程中会产生大量氮氧化物、碳氧化物、粉尘等有毒有害性气体，对焚烧当地的生态环境和人类健康都造成严重的潜在威胁。污泥改性无氧碳化技术符合节能减排的要求和社会发展的需要，可有效避免污泥焚烧技术所存在的环境问题，降低因污泥焚烧而对当地水环境、大气环境和土壤环境的危害，从而改善城市环境的卫生风貌，提高城市人民生活和健康水平，对创建幸福、和谐的城市环境及吸引投资具有一定的助推作用。

3　结语

污泥焚烧技术处理城镇污泥可杀灭病原菌、减量化较为彻底，但存在投资大、处理成本高，会排放大量的氮氧化物、碳氧化物等有毒有害性气体，污泥焚烧后所存在的重金属会对排放区域的环境造成严重的二次污染，因此目前污泥焚烧技术还未能在全国大范围推广。污泥改性无氧碳化技术不但保留了污泥焚烧技术所具有的减量最大化、有效杀死病原菌等优点，同时还可解决污泥焚烧技术投资大、处理成本高及焚烧过程中会产生粉尘、、碳氧化物、氮氧化物和重金属等二次污染问题。污泥改性无氧碳化技术可满足污泥处理标准要求，符合越来越严格的环境要求，具有较高的环境、经济和社会效益，对促进循环经济的发展和生态城市的建设具有重要意义。

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