污泥水热碳化处理技术及其工程化应用——以济宁中山污泥处理工程项目为例

仲 璐，Marc Buttmann，王君琦

（1. 中国城市建设研究院有限公司，北京 100120；2. TerraNova Energy GmbH，德国杜塞尔多夫40211）

1 引言

污泥的热化学处理是近年来颇受关注的热门课题，它不仅可以改善传统处理方法的不足之处，还可以稳定碳源、重金属、氮元素、磷元素，从而实现污泥处理的资源化。污泥热化学处理分为热解技术和水热技术，污泥热解是利用污泥中有机物的不稳定性，在无氧条件下对其加热，使有机物产生热裂解，有机物根据其碳氢比例被裂解，形成利用价值较高的气相（热解气）和固相（固体残渣）。而污泥水热技术是将污泥和水溶液混合置于密闭的体系中，在一定的温度及压力下，污泥中微生物细胞被破碎，细胞内水分被释放，同时大分子有机物发生水解，胶体结构被破坏，经过一系列复杂的反应最终转化为碳材料的过程［1］。作为污泥水热技术中的一种，污泥水热碳化技术具有处理周期短，能源回收率高、占地面积小，产物可作为辅助燃料、肥料和土壤改良剂使用的优点。本研究通过采用污泥水热碳化技术处理某污水厂污泥，从应用层面证明水热碳化技术是实现污泥处理减量化、稳定化、无害化、资源化的有效途径，具有较高的实践指导意义和应用前景。

2 水热碳化技术原理及优势

2.1 技术原理

水热碳化（HTC） 技术以水热炭为主要产物，可以通过“固- 固转化”和“固- 液- 固转化”2种方式来实现。如图1 所示，“固- 固转化”即污泥中的木质素在水热条件下通过脱挥发分、缩聚、脱氢、脱碳酸基等反应直接生成水热炭。“固- 液- 固转化”主要分为3 步进行［2］：①污泥中的碳水化合物和蛋白质通过水解反应，生成葡萄糖、果糖和氨基酸；②糖类物质进行脱氢反应生成5- 羟基甲糠醛（HMF） 等中间产物，氨基酸进行美拉德反应生成N 杂环化合物；③各中间产物发生聚合、芳构化等反应生成水热炭。

图1 生活污泥水热碳化反应原理示意

2.2 技术优势

我国污泥含水率较高，通常会达到70%～80%，这直接导致了污泥处理减量化效果差、处理能耗高等问题。HTC 技术的优势，如不受含水率制约、无需提前干燥进料污泥，能够分解污泥中有机成分、改善污泥的脱水性能，产出热值较高的水热炭、提高污泥资源化利用价值等，恰好能够解决污泥处理瓶颈问题。

3 水热碳化技术工程应用实例

3.1 项目概况

济宁中山污泥水热碳化项目位于山东省济宁市，设计采用特雷诺污泥水热碳化（TerraNova®Ultra）整套设施，处理含水率约80%的市政污水厂污泥，设计年处理能力1.4×104t。经过稳定运行条件下的多次测算，项目实际进污含水率平均80.26%，催化剂为工业用浓硫酸，产物生物炭含水率平均为30.45%，污泥体积减量达75%。

3.2 工艺流程

特雷诺污泥水热碳化工艺是基于HTC 法的创新型污泥处理及资源化技术，主要用于处理市政污水厂污泥和废弃生物质。它在模仿自然界煤炭生成过程的基础上，通过对工艺进行改良，加速了从生物质向煤炭的转化过程，从而提高污泥处理速度。特雷诺污泥水热碳化反应基本原理如图2所示［3］。

图2 特雷诺污泥水热碳化基本原理示意

含固率为5%～30%的预脱水污泥通过高压污泥泵输送到进泥热交换器中。在催化剂作用下，高温180～220 ℃、高压2 MPa 环境中，预热污泥在反应釜中碳化4 h。反应釜通过热油从外部加热，热源也可以利用废热，例如热电联产（CHP）的废热。反应后的煤浆在出料热交换器内降温。借助于独立的热油回路将所收集的热量返回到进泥热交换器处对污泥进行预热。在脱水环节，可使用普通的膈膜压滤机进行固液分离，将产物含固率提升至70%。出料与进料体积相比，污泥减量至少66%。脱水过程中产生的滤液含有污泥中大部分的氮和磷，甚至含有植物可利用形式的Fe-Cl3沉淀物，它既可以直接用作液体肥料，也可以用于回收磷和氮。滤液中COD 含量较高，且可生化性强，若滤液重新返回厌氧消化罐中发酵，沼气产量可增加15%。

在碳化过程中从生物质到生物煤炭的转化主要发生的3 种化学反应包括［4］：①水解，主要是生物质通过水解反应被消化，生物质的物理结构被破坏；②脱水和脱羧，水解产物经脱水和脱羧二次反应，进一步分解，在酸的催化作用下，水解产物有机质进一步分离水（脱水）、CO2（脱羧）和CO（脱羰基），也会生成有机酸，生物质被进一步分解；③聚合和生物炭的生成，随后，中间产物通过聚合和缩合反应溶解或开始形成固体颗粒，最终形成生物炭。

3.3 项目分析

3.3.1 减量化情况

对于大多数污水处理厂而言，减少污泥的质量是节省处置成本的最佳途径。传统方法是采用热干化技术，将机械预脱水污泥的水含量降低至10%左右。而特雷诺污泥水热碳化技术，可通过HTC 反应进一步减少污泥干物质，特雷诺污泥水热碳化导致固体烃类物质转化为二氧化碳，滤液中的气态和液态化合物，具有相当高的化学含氧量且生物降解度可达90%以上，并可促使消化池中产生更多沼气。随着非有机盐（主要是氮化合物） 的进一步稀释，最终固态产物中的干物质总量减少了25%。在是否存在最终干化步骤的情况下，热干化和特雷诺污泥水热碳化的质量降低的比较见表1。

表1 不同污泥处理技术处理后污泥碳化质量比较

特雷诺污泥水热碳化技术的处理结果可与热干化技术相媲美。通过纯机械方法去除了脱水污泥中最初含水量的85%以上。如果在特雷诺工艺后端进行进一步的热干化，则产物的干物质含量提高到90%，即可达到75%以上的减量效果。

3.3.2 运行情况

济宁中山污泥水热碳化项目已经进入连续运营的第3 年。输入污泥的平均干物质含量为23%，脱水污泥的平均干物质含量为68%，产物的质量减少约为75%。进料泵和泄压系统之间的高压部分等核心设备处理每吨污泥耗电量为12 kWh。如将污泥输送机和存储系统、压滤机操作和工艺气体处理等过程考虑在内，则处理每吨污泥消耗的总电能为18 kWh。热能由天然气炉提供，处理每吨污泥消耗的天然气为13 m3。项目使用工业酸作为催化剂，并以2%的配比添加至污泥输入料中。倘若提取水以每吨水为基础（tEW），则特雷诺污泥水热碳化工艺的热能耗为174 kWh/tEW，电能消耗为24 kWh/tEW。相比之下，被普遍认为最节能的热干化技术，其热量消耗水平为800 kWh/tEW，电能消耗为80 kWh/tEW。因此，济宁项目每年节省相当于7.5×106kWh一次能源，相当于340 户家庭1 a 的用电量。

3.3.3 经济分析

根据污泥处理BOT 项目调查研究，厌氧消化+土地利用整体技术路线的投资成本约为50～60 万元/t，运行成本80～120 元/t；好氧发酵+土地利用整体技术路线的投资成本约为30～50 万元/t，运行成本约为100～120 元/t；污泥干化焚烧的投资成本为30～50 万元/t，运行成本为200～350 元/t；污泥建材利用的投资成本为30～50 万元/t，运行成本为250～350 元/t。而污泥水热碳化的建设投资约35～45 万元/t，运行成本为90～120 元/t，投资费用适中，运行成本较低，加上产品可用于辅助燃料的附加价值，污泥水热碳化投资项目的内部收益率可达10%以上。几种常用污泥处理工艺建设投资、运行成本的对比见表2［5］。

表2 主要污泥处理工艺成本

4 结论

HTC 技术是实现污泥处理减量化、稳定化、无害化、资源化的有效途径。相对于传统污泥处理技术优势明显：①处理周期短，处理过程仅4 h；②处置能耗低，含水率80%的污泥吨耗电量约为18 kWh，消耗天然气13 m3；③能源回收率高，生物质能源回收率可达80%；④占地面积小，可实现原位处理和模块化设置；⑤中间排放少，封闭式生产线尾气产生量极低；⑥产品用途广，生物炭可应用于燃料、肥料、建材等多个领域。