熱解炭化技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)污泥處理的研究

張瑜

（九洲環(huán)境科技（天津）有限公司，天津300300）

1 工業(yè)污泥處理項目簡介

某縣工業(yè)污泥重金屬含量嚴重超標(biāo)，取樣分析可知，該項目污泥重金屬污染主要為鉻、鎳、銅、鋅4種元素，含水率發(fā)化在60%以上，熱值低，必須經(jīng)過無害化脫毒處理，才能進行后續(xù)填埋及資源化利用。因此，項目擬建設(shè)300 t/d污泥脫毒處理系統(tǒng)，為該項目污泥的無害化、資源化利用提供國內(nèi)領(lǐng)先的解決方案。

項目與一般的城市生活污水廠污泥處理有相似之處，但也存在較大不同。

1.1 工業(yè)污泥處理量大且成分復(fù)雜

1.1.1 污泥處理量大

污泥處理量300 t/d，按照80%含水率污泥的堆積密度0.8 t/m3折算，約處理污泥375 m3/d。

1.1.2 污泥污染物成分復(fù)雜

由于擬處理的污泥來源于不同的工業(yè)生產(chǎn)過程，其pH值、有機物、重金屬等污染物種類繁雜。

1.2 污泥的無害化處理、資源化利用

工業(yè)污泥由“污染物”轉(zhuǎn)化為可利用的“資源”，實現(xiàn)循環(huán)利用，必須解決以下根本性問題，才能真正避免污泥處理過程的污染轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)真正的穩(wěn)定化、無害化和資源化。

（1）污泥中抗生素與有機污染物的完全消解；

（2）實現(xiàn)污泥中重金屬的穩(wěn)定固化，不再重新釋放；

（3）徹底消滅污泥內(nèi)有害病原菌；

（4）終端產(chǎn)物不能產(chǎn)生新的二次污染轉(zhuǎn)移；

（5）處理過程實現(xiàn)近零排放；

（6）減量化徹底、顯著。

因此，解決上述6點問題后，才真正實現(xiàn)了污泥的無污染處理處置，也可為污泥的后續(xù)資源化利用奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)擬處理污泥的特點，選擇目前污泥資源化利用技術(shù)中，在國際上較先進環(huán)保的熱點技術(shù)，即將污泥熱解轉(zhuǎn)化為污泥生物炭，實現(xiàn)重金屬穩(wěn)定化、資源循環(huán)利用的、近零排放的技術(shù)工藝路線，符合國內(nèi)污泥處理處置的標(biāo)準和要求[1]。

2 污泥熱解炭化工藝

2.1 工藝介紹

在目前的污泥資源化利用技術(shù)中，國際上最先進環(huán)保的熱點技術(shù)之一就是將污泥熱解轉(zhuǎn)化為污泥生物炭。

污泥熱解炭化，就是將機械脫水后的污泥進行間接加熱，使污泥在 450～600℃下進行熱分解，固體產(chǎn)物冷卻后成為污泥炭。熱解產(chǎn)生含有大量甲烷、一氧化碳、氫氣以及焦油的可燃氣體，采用分級燃燒技術(shù)，在850～950℃下完全燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧訜崽炕癄t為炭化提供熱量，尾部煙氣凈化后實現(xiàn)達標(biāo)排放[1]。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

2.2.1 污泥處理量大

污泥熱解炭化采用熱化學(xué)處理技術(shù)，與其他非熱化學(xué)處理技術(shù)如堆肥處理等相比，具有處理速度快、處理周期短、設(shè)備處理量大及占地面積小等優(yōu)勢。

2.2.2 減量化顯著

減量化徹底，一次性減少污泥體積和總量達90%以上。

2.2.3 無害化徹底

熱解炭化處理后可實現(xiàn)100%殺滅各種有害病原菌，對于有機污染物更是比其他方法具有更強的消減能力。

2.2.4 清潔生產(chǎn)

全程封閉作業(yè)，自動化控制。

2.2.5 徹底消除抗生素和有機污染物殘留

熱解炭化過程中，能將堆肥技術(shù)無法完全去除的殘留抗生素和有機污染物徹底分解和無害化。

2.2.6 污染物產(chǎn)生量低

由于采用絕氧熱解炭化以及耦合分級燃燒技術(shù)，最大限度地抑制了二惡英的前驅(qū)物以及二惡英的生成，排放標(biāo)準優(yōu)于國際及歐盟行業(yè)指標(biāo)，大量減少CO2氣體排放，無飛灰污染。與直接焚燒相比，在環(huán)保上具有明顯的優(yōu)越性。

2.2.7 重金屬穩(wěn)定化

熱解炭化通過添加重金屬固化劑，使重金屬存在形態(tài)變得更加穩(wěn)定，不會在后續(xù)利用中再釋放，無害且有廣泛的用途。

2.2.8 與焚燒相比，煙氣產(chǎn)生量低

焚燒1 t污泥產(chǎn)生3 500 m3的煙氣，而熱解炭化只產(chǎn)生1 500 m3的煙氣。尾氣凈化工藝簡單，凈化成本低于焚燒工藝。

2.3 污泥生物炭的用途

2.3.1 園林綠化肥料或有機肥基質(zhì)

生物炭在國際上被稱為“黑色黃金”，由于污泥炭自身具有較發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和含有豐富的植物生長所必需的營養(yǎng)元素如氮、磷、鉀，作為肥料及有機肥的基質(zhì)，可起到土壤改良、肥料緩釋、吸附重金屬等作用[2]。其特點優(yōu)勢如下。

（1）含有N，P等養(yǎng)分，促進土壤養(yǎng)分循環(huán)和植物生長；

（2）一般呈堿性，降低土壤的酸度和有毒元素，對農(nóng)藥、重金屬等吸附能力強，用于污染土壤修復(fù)；

（3）孔隙結(jié)構(gòu)增加土壤的空隙度和保水能力，利于根系生長；

（4）較高的化學(xué)和生物穩(wěn)定性，增強土壤的固碳作用；

（5）降低CH4，N2O向大氣的釋放，緩解溫室效應(yīng)。

2.3.2 燃料或者污水廠凈化吸附劑

污泥炭幾乎不含水，其主要成分為固定碳和灰分，可以作為燃料銷售給電廠。同時，污泥炭具有一定的吸附性能，可作為吸附劑在污水處理廠內(nèi)部對污水進行提標(biāo)凈化，如吸附難降解有機物或吸附磷等，實現(xiàn)廠內(nèi)的循環(huán)利用。

3 項目工藝路線

3.1 總體工藝路線

污泥中碳氫含量較高，有機質(zhì)成分多，無機組分與土壤中無機組分相似，可通過無害化脫毒處理，實現(xiàn)重金屬的穩(wěn)定與N，P，K等有效元素的保留，制備出性能良好的生物炭，用作土壤改良劑或生物炭肥料。因此，在利用大量研究的基礎(chǔ)上，針對工業(yè)重金屬污染污泥，創(chuàng)新性提出工業(yè)污泥脫毒穩(wěn)定化及制備生物炭新技術(shù)，其工藝路線如圖1所示。

圖1 污泥脫毒穩(wěn)定化及制備生物炭新技術(shù)

如圖1所示，工業(yè)污泥脫毒穩(wěn)定化及制備生物炭工藝流程可以簡要描述為：工業(yè)污泥和市政污泥一定溫度下進行水熱均質(zhì)預(yù)處理，實現(xiàn)重金屬初步脫毒與穩(wěn)定化；水熱處理后采用高壓脫水，實現(xiàn)固液分離，固體殘渣經(jīng)低溫干化與中高溫?zé)峤馓炕?，實現(xiàn)重金屬進一步固化，制備出的生物炭用于土壤改良劑；壓濾液送回污水處理廠進行處理后達標(biāo)排放，也可用于厭氧發(fā)酵獲得生物燃氣；炭化熱解產(chǎn)生的熱解燃氣作為炭化過程的熱源，實現(xiàn)能源自供；煙氣余熱用于水熱反應(yīng)裝置的熱源和低溫干化熱源。整個工藝過程充分體現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟理念，環(huán)境效益與能源效益顯著。

污泥處理量為300 t/d，原始含水率為80%。項目建設(shè)地采取就近選址的原則，建設(shè)污泥機械脫水及熱解炭化裝置。項目采用“水熱均質(zhì)+機械脫水+熱解炭化”的近零排放處理方案。該技術(shù)工藝為：污泥機械脫水+熱解炭化制備生物炭（重金屬固化+抗生素與有機污染物100%消除）+污泥炭利用。該工藝能最大限度縮小污泥體積并減輕質(zhì)量，達到減量化和降低成本的目的，污泥炭中重金屬徹底穩(wěn)定化，實現(xiàn)近零排放的循環(huán)經(jīng)濟。

3.2 水熱均質(zhì)+機械脫水工藝裝備

高含水率是污泥處置利用的瓶頸。含水率高造成污泥量巨大，污泥含水率從95%降低至 80%，污泥體積減少75%，從80%降低至45%，污泥體積還將減少60%。含水率高造成污泥熱值低，干化環(huán)節(jié)是污泥處理處置系統(tǒng)耗能的主要環(huán)節(jié)。污泥脫水成本是關(guān)鍵，常規(guī)脫水設(shè)備一般把污泥脫到80%～85%，若脫到45%以下，需添加大量的石灰和藥劑，對后續(xù)資源化利用產(chǎn)生不利影響。

3.2.1 目前板框脫水設(shè)備等存在的問題

擠壓布料層太厚，一般在50 mm以上，而板框脫水如果將料層變薄，將會導(dǎo)致生產(chǎn)能力和生產(chǎn)率大幅度降低。

板框脫水按照進料、擠壓和出料的流程，每個流程的時間是固定的，生產(chǎn)是間斷的。如果想提高產(chǎn)能，唯一的辦法是增加板框數(shù)量。

板框的濾布和濾板維修更換費用高。

3.2.2 脫水技術(shù)的創(chuàng)新

采用水熱均質(zhì)聯(lián)合機械脫水，實現(xiàn)污泥中含水細胞快速破壁，提高機械脫水效率，降低干化能耗；同時，利用水熱過程中的熱效應(yīng)，實現(xiàn)重金屬的固化與穩(wěn)定[2]。

改變擠壓過程物料壓力傳導(dǎo)的過程，物料層控制在10 mm以下，濾布往復(fù)疊加過程中包裹物料層，超高壓力下物料層均布擠壓受力，并保持濾層間良好的滲水性能，確保物料脫水含水率更低。

生產(chǎn)連續(xù)。本技術(shù)設(shè)備設(shè)立了進料、脫水、出料3個工位，3個工位可同時工作，這樣就使污泥脫水的生產(chǎn)實現(xiàn)了連續(xù)性，提高了設(shè)備的處理能力和效率。

3.2.3 工藝主要優(yōu)點

項目采用水熱均質(zhì)聯(lián)合高壓機械深度脫水技術(shù)，其具有以下優(yōu)點。

（1）重金屬固化性。采用水熱均質(zhì)聯(lián)合機械脫水，實現(xiàn)污泥中含水細胞快速破壁，提高機械脫水效率，降低干化能耗；同時，利用水熱過程中的熱效應(yīng)，實現(xiàn)重金屬的固化與穩(wěn)定[2]。

（2）安全性。污泥處理過程，不需要添加石灰，不添加對人體有腐蝕性的FeCl3等，脫水過程對操作人員非常安全。

（3）經(jīng)濟性。污泥處理成本低，含水率可降低到40%以下，運行成本更經(jīng)濟，污泥減量60%～80%，減少運輸成本。

（4）節(jié)能。污泥處理過程采用液壓間歇工作的原理，系統(tǒng)能耗小于5 kWh/t濕污泥，非常節(jié)能。

（5）資源化。不添加FeCl3等化學(xué)藥劑，處理后的污泥對焚燒不會產(chǎn)生腐蝕及二惡英等不利影響。

（6）處理量大。單臺設(shè)備日處理污泥量為100～150 t，是普通板框和其他高壓脫水的2～3倍，節(jié)省投資和占地。技術(shù)成熟可靠，已在污泥和廢渣上應(yīng)用驗證。

熱解炭化技術(shù)是國際上認可的污泥清潔處置的發(fā)展方向，脫水后的污泥進行炭化，在熱解反應(yīng)過程中固化重金屬，消除了寄生蟲和抗生素殘留。經(jīng)過熱解處理后的污泥變成了炭材料，可作為園林肥料，經(jīng)實踐證明重金屬不再釋放，可安全使用。炭材料也可以作為吸附材料，返回污水處理環(huán)節(jié)中，吸附排水中的總磷和總氮等物質(zhì)，使出水水質(zhì)凈化提標(biāo)，對污水廠的原有處理設(shè)備無需進行提標(biāo)改造，即可滿足國家一級A標(biāo)準的要求。吸附磷后的污泥炭，可作為磷礦石，實現(xiàn)磷資源的回收利用[3]。

污泥中的重金屬問題是關(guān)鍵，在中溫?zé)峤馓炕^程中，將有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為炭材料，實現(xiàn)重金屬向殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)固化穩(wěn)定化的目標(biāo)，確保后續(xù)不再釋放。

進入中溫?zé)峤馓炕癄t，在500～700℃條件下發(fā)生熱解反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為燃氣和生物炭，燃氣回用燃燒放熱作為熱解熱源。

污泥中的重金屬在熱解調(diào)控下，通過添加以廢棄物為原料的固化劑得到了固化，變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)而不在后續(xù)應(yīng)用中再次析出，避免了后續(xù)利用過程的污染問題。

3.2.4 工藝主要特點

（1）減量化徹底，減少污泥體積和總量90%以上；

（2）在污泥熱值高的前提下，可利用燃燒熱解氣余熱，配合其他熱源對已部分脫水的污泥進一步干化，滿足炭化要求；

（3）可適應(yīng)集中和分散的靈活要求；

（4）污泥炭產(chǎn)物無害，且具有廣泛的用途；

（5）處理時間短，占地面積小；

（6）無有害氣體排放，大量減少CO2氣體排放，無飛灰污染。

4 小結(jié)

項目采用的污泥熱解炭化處理技術(shù)具有較強的先進性和領(lǐng)先性，成熟可靠。項目采用“水熱均質(zhì)+高壓脫水+熱解炭化”的技術(shù)路線；技術(shù)選用水熱均質(zhì)+高壓機械脫水，噸污泥（80%含水率）脫水預(yù)處理成本150元/t，噸污泥（80%含水率）熱力干燥及熱解炭化成本約102元/t，設(shè)備折舊成本約27元/t，直接成本約279元/t；脫水后的污泥集中進行熱解炭化處理，項目預(yù)期年產(chǎn)污泥生物炭材料10 950 t，污泥炭可以作為園林苗圃綠化原料。

處理研究實現(xiàn)了工業(yè)污泥重金屬脫毒處理與穩(wěn)定化，為該研究的工業(yè)化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，同時殘渣中金屬的濃度明顯降低，說明處理后殘渣可作為一般固體廢棄物處理，因此本技術(shù)不僅具有明顯的環(huán)境效益，而且具有一定的經(jīng)濟效益。同時，實施該項目，可實現(xiàn)近零排放、零污染和真正的循環(huán)經(jīng)濟，可徹底解決國內(nèi)污泥填埋場的處理難題，具有明顯的社會效益。