热解炭化技术应用于工业污泥处理的研究

张瑜

（九洲环境科技（天津）有限公司，天津300300）

1 工业污泥处理项目简介

某县工业污泥重金属含量严重超标，取样分析可知，该项目污泥重金属污染主要为铬、镍、铜、锌4种元素，含水率发化在60%以上，热值低，必须经过无害化脱毒处理，才能进行后续填埋及资源化利用。因此，项目拟建设300 t/d污泥脱毒处理系统，为该项目污泥的无害化、资源化利用提供国内领先的解决方案。

项目与一般的城市生活污水厂污泥处理有相似之处，但也存在较大不同。

1.1 工业污泥处理量大且成分复杂

1.1.1 污泥处理量大

污泥处理量300 t/d，按照80%含水率污泥的堆积密度0.8 t/m3折算，约处理污泥375 m3/d。

1.1.2 污泥污染物成分复杂

由于拟处理的污泥来源于不同的工业生产过程，其pH值、有机物、重金属等污染物种类繁杂。

1.2 污泥的无害化处理、资源化利用

工业污泥由“污染物”转化为可利用的“资源”，实现循环利用，必须解决以下根本性问题，才能真正避免污泥处理过程的污染转移，实现真正的稳定化、无害化和资源化。

（1）污泥中抗生素与有机污染物的完全消解；

（2）实现污泥中重金属的稳定固化，不再重新释放；

（3）彻底消灭污泥内有害病原菌；

（4）终端产物不能产生新的二次污染转移；

（5）处理过程实现近零排放；

（6）减量化彻底、显著。

因此，解决上述6点问题后，才真正实现了污泥的无污染处理处置，也可为污泥的后续资源化利用奠定基础。

根据拟处理污泥的特点，选择目前污泥资源化利用技术中，在国际上较先进环保的热点技术，即将污泥热解转化为污泥生物炭，实现重金属稳定化、资源循环利用的、近零排放的技术工艺路线，符合国内污泥处理处置的标准和要求[1]。

2 污泥热解炭化工艺

2.1 工艺介绍

在目前的污泥资源化利用技术中，国际上最先进环保的热点技术之一就是将污泥热解转化为污泥生物炭。

污泥热解炭化，就是将机械脱水后的污泥进行间接加热，使污泥在 450～600℃下进行热分解，固体产物冷却后成为污泥炭。热解产生含有大量甲烷、一氧化碳、氢气以及焦油的可燃气体，采用分级燃烧技术，在850～950℃下完全燃烧，产生的高温烟气加热炭化炉为炭化提供热量，尾部烟气净化后实现达标排放[1]。

2.2 技术优势

2.2.1 污泥处理量大

污泥热解炭化采用热化学处理技术，与其他非热化学处理技术如堆肥处理等相比，具有处理速度快、处理周期短、设备处理量大及占地面积小等优势。

2.2.2 减量化显著

减量化彻底，一次性减少污泥体积和总量达90%以上。

2.2.3 无害化彻底

热解炭化处理后可实现100%杀灭各种有害病原菌，对于有机污染物更是比其他方法具有更强的消减能力。

2.2.4 清洁生产

全程封闭作业，自动化控制。

2.2.5 彻底消除抗生素和有机污染物残留

热解炭化过程中，能将堆肥技术无法完全去除的残留抗生素和有机污染物彻底分解和无害化。

2.2.6 污染物产生量低

由于采用绝氧热解炭化以及耦合分级燃烧技术，最大限度地抑制了二恶英的前驱物以及二恶英的生成，排放标准优于国际及欧盟行业指标，大量减少CO2气体排放，无飞灰污染。与直接焚烧相比，在环保上具有明显的优越性。

2.2.7 重金属稳定化

热解炭化通过添加重金属固化剂，使重金属存在形态变得更加稳定，不会在后续利用中再释放，无害且有广泛的用途。

2.2.8 与焚烧相比，烟气产生量低

焚烧1 t污泥产生3 500 m3的烟气，而热解炭化只产生1 500 m3的烟气。尾气净化工艺简单，净化成本低于焚烧工艺。

2.3 污泥生物炭的用途

2.3.1 园林绿化肥料或有机肥基质

生物炭在国际上被称为“黑色黄金”，由于污泥炭自身具有较发达的孔隙结构和含有丰富的植物生长所必需的营养元素如氮、磷、钾，作为肥料及有机肥的基质，可起到土壤改良、肥料缓释、吸附重金属等作用[2]。其特点优势如下。

（1）含有N，P等养分，促进土壤养分循环和植物生长；

（2）一般呈碱性，降低土壤的酸度和有毒元素，对农药、重金属等吸附能力强，用于污染土壤修复；

（3）孔隙结构增加土壤的空隙度和保水能力，利于根系生长；

（4）较高的化学和生物稳定性，增强土壤的固碳作用；

（5）降低CH4，N2O向大气的释放，缓解温室效应。

2.3.2 燃料或者污水厂净化吸附剂

污泥炭几乎不含水，其主要成分为固定碳和灰分，可以作为燃料销售给电厂。同时，污泥炭具有一定的吸附性能，可作为吸附剂在污水处理厂内部对污水进行提标净化，如吸附难降解有机物或吸附磷等，实现厂内的循环利用。

3 项目工艺路线

3.1 总体工艺路线

污泥中碳氢含量较高，有机质成分多，无机组分与土壤中无机组分相似，可通过无害化脱毒处理，实现重金属的稳定与N，P，K等有效元素的保留，制备出性能良好的生物炭，用作土壤改良剂或生物炭肥料。因此，在利用大量研究的基础上，针对工业重金属污染污泥，创新性提出工业污泥脱毒稳定化及制备生物炭新技术，其工艺路线如图1所示。

图1 污泥脱毒稳定化及制备生物炭新技术

如图1所示，工业污泥脱毒稳定化及制备生物炭工艺流程可以简要描述为：工业污泥和市政污泥一定温度下进行水热均质预处理，实现重金属初步脱毒与稳定化；水热处理后采用高压脱水，实现固液分离，固体残渣经低温干化与中高温热解炭化，实现重金属进一步固化，制备出的生物炭用于土壤改良剂；压滤液送回污水处理厂进行处理后达标排放，也可用于厌氧发酵获得生物燃气；炭化热解产生的热解燃气作为炭化过程的热源，实现能源自供；烟气余热用于水热反应装置的热源和低温干化热源。整个工艺过程充分体现了循环经济理念，环境效益与能源效益显著。

污泥处理量为300 t/d，原始含水率为80%。项目建设地采取就近选址的原则，建设污泥机械脱水及热解炭化装置。项目采用“水热均质+机械脱水+热解炭化”的近零排放处理方案。该技术工艺为：污泥机械脱水+热解炭化制备生物炭（重金属固化+抗生素与有机污染物100%消除）+污泥炭利用。该工艺能最大限度缩小污泥体积并减轻质量，达到减量化和降低成本的目的，污泥炭中重金属彻底稳定化，实现近零排放的循环经济。

3.2 水热均质+机械脱水工艺装备

高含水率是污泥处置利用的瓶颈。含水率高造成污泥量巨大，污泥含水率从95%降低至 80%，污泥体积减少75%，从80%降低至45%，污泥体积还将减少60%。含水率高造成污泥热值低，干化环节是污泥处理处置系统耗能的主要环节。污泥脱水成本是关键，常规脱水设备一般把污泥脱到80%～85%，若脱到45%以下，需添加大量的石灰和药剂，对后续资源化利用产生不利影响。

3.2.1 目前板框脱水设备等存在的问题

挤压布料层太厚，一般在50 mm以上，而板框脱水如果将料层变薄，将会导致生产能力和生产率大幅度降低。

板框脱水按照进料、挤压和出料的流程，每个流程的时间是固定的，生产是间断的。如果想提高产能，唯一的办法是增加板框数量。

板框的滤布和滤板维修更换费用高。

3.2.2 脱水技术的创新

采用水热均质联合机械脱水，实现污泥中含水细胞快速破壁，提高机械脱水效率，降低干化能耗；同时，利用水热过程中的热效应，实现重金属的固化与稳定[2]。

改变挤压过程物料压力传导的过程，物料层控制在10 mm以下，滤布往复叠加过程中包裹物料层，超高压力下物料层均布挤压受力，并保持滤层间良好的渗水性能，确保物料脱水含水率更低。

生产连续。本技术设备设立了进料、脱水、出料3个工位，3个工位可同时工作，这样就使污泥脱水的生产实现了连续性，提高了设备的处理能力和效率。

3.2.3 工艺主要优点

项目采用水热均质联合高压机械深度脱水技术，其具有以下优点。

（1）重金属固化性。采用水热均质联合机械脱水，实现污泥中含水细胞快速破壁，提高机械脱水效率，降低干化能耗；同时，利用水热过程中的热效应，实现重金属的固化与稳定[2]。

（2）安全性。污泥处理过程，不需要添加石灰，不添加对人体有腐蚀性的FeCl3等，脱水过程对操作人员非常安全。

（3）经济性。污泥处理成本低，含水率可降低到40%以下，运行成本更经济，污泥减量60%～80%，减少运输成本。

（4）节能。污泥处理过程采用液压间歇工作的原理，系统能耗小于5 kWh/t湿污泥，非常节能。

（5）资源化。不添加FeCl3等化学药剂，处理后的污泥对焚烧不会产生腐蚀及二恶英等不利影响。

（6）处理量大。单台设备日处理污泥量为100～150 t，是普通板框和其他高压脱水的2～3倍，节省投资和占地。技术成熟可靠，已在污泥和废渣上应用验证。

热解炭化技术是国际上认可的污泥清洁处置的发展方向，脱水后的污泥进行炭化，在热解反应过程中固化重金属，消除了寄生虫和抗生素残留。经过热解处理后的污泥变成了炭材料，可作为园林肥料，经实践证明重金属不再释放，可安全使用。炭材料也可以作为吸附材料，返回污水处理环节中，吸附排水中的总磷和总氮等物质，使出水水质净化提标，对污水厂的原有处理设备无需进行提标改造，即可满足国家一级A标准的要求。吸附磷后的污泥炭，可作为磷矿石，实现磷资源的回收利用[3]。

污泥中的重金属问题是关键，在中温热解炭化过程中，将有机质转化为炭材料，实现重金属向残渣态转化，实现固化稳定化的目标，确保后续不再释放。

进入中温热解炭化炉，在500～700℃条件下发生热解反应，转化为燃气和生物炭，燃气回用燃烧放热作为热解热源。

污泥中的重金属在热解调控下，通过添加以废弃物为原料的固化剂得到了固化，变为稳定状态而不在后续应用中再次析出，避免了后续利用过程的污染问题。

3.2.4 工艺主要特点

（1）减量化彻底，减少污泥体积和总量90%以上；

（2）在污泥热值高的前提下，可利用燃烧热解气余热，配合其他热源对已部分脱水的污泥进一步干化，满足炭化要求；

（3）可适应集中和分散的灵活要求；

（4）污泥炭产物无害，且具有广泛的用途；

（5）处理时间短，占地面积小；

（6）无有害气体排放，大量减少CO2气体排放，无飞灰污染。

4 小结

项目采用的污泥热解炭化处理技术具有较强的先进性和领先性，成熟可靠。项目采用“水热均质+高压脱水+热解炭化”的技术路线；技术选用水热均质+高压机械脱水，吨污泥（80%含水率）脱水预处理成本150元/t，吨污泥（80%含水率）热力干燥及热解炭化成本约102元/t，设备折旧成本约27元/t，直接成本约279元/t；脱水后的污泥集中进行热解炭化处理，项目预期年产污泥生物炭材料10 950 t，污泥炭可以作为园林苗圃绿化原料。

处理研究实现了工业污泥重金属脱毒处理与稳定化，为该研究的工业化应用提供了基础，同时残渣中金属的浓度明显降低，说明处理后残渣可作为一般固体废弃物处理，因此本技术不仅具有明显的环境效益，而且具有一定的经济效益。同时，实施该项目，可实现近零排放、零污染和真正的循环经济，可彻底解决国内污泥填埋场的处理难题，具有明显的社会效益。