譚忠冠

（廣東金泥華牛科技有限公司廣東陽江529500）

太陽能光熱資源化利用污泥處理技術

譚忠冠

（廣東金泥華牛科技有限公司廣東陽江529500）

我國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥主要特點是高含水率（一般脫水污泥含水率約為80%左右），此外，污泥中豐富的有機和無機物質也日益受到重視當今世界上，越來越多的人對“地球上的一切資源都是有限的”這一客觀存在的事實有了越來越深刻的認識。因此，如何充分利用污泥中的有機質，使污泥的處置過程同時變成資源化的過程，從而提高污泥的綜合利用價值，是當前污泥處置的前沿研究課題。本文對太陽能光熱資源化利用污泥處理技術的原因、特點進行了綜述，并比較了國內(nèi)外相似技術，并展望了其應用前景。

太陽能；光熱資源化；污泥處理

1 前言

在許多人的意識中，全球氣候變化，可能仍不過像是一個形象或寓言表達而已；聽多了，說久了就變得麻痹了，厭煩了。人們對環(huán)境氣候觀察，大多數(shù)是通過對于氣候變化直觀的感覺，或是來自宣傳或科學家推測和預言，仿佛它并非是一個直接影響人們生活的問題，離我們還很遠。然而，一次哥本哈根世界氣候大會，中美兩國相繼宣布減排行動目標，讓“哥本哈根”旋風一夜間刮便全球，讓人們對全球氣候問題又特別關注了起來，讓大家知道全球變暖形勢并不令人樂觀。為此，我國將在今年首次推出碳排放標準，前不久正式發(fā)布的《碳排放權交易管理暫行辦法》，作為第一個國家排放交易體系的官方文件的正式發(fā)布，表明了中國繼續(xù)推進碳減排的決心，也必將締造我國全新的一種節(jié)能減排經(jīng)濟發(fā)展模式及無窮的商機，APEC會議的北京藍將不再只是一個夢那么遙遠。

長期以來，受認識、資金、技術和政策等因素的影響，我國的污泥處理處置情況并不理想，很多地方單純追求較高的污水處理率，污泥處理處置單元較為簡化甚至沒有考慮。由于“重水輕泥”的思想，致使城鎮(zhèn)污水處理廠污泥的處理處置成為極其薄弱的環(huán)節(jié)。據(jù)不完全統(tǒng)計，有超過一半以上的污泥未經(jīng)過任何穩(wěn)定化處理即運出污水處理廠，45%的污泥未經(jīng)任何控制措施直接農(nóng)用，35%的污泥直接填埋或者混合填埋，14%的污泥中含有大量的重金屬物質、病原菌等有毒有害物質，而這些污泥最后又會回到環(huán)境中，不解決好污泥處理處置的問題，污水處理的效果只會“事倍功半”。

絕大多數(shù)污水處理廠對大量的污泥如何安全處理、處置束手無策，由于污水處理后產(chǎn)生大量的污泥無處堆放，很多污水處理廠已經(jīng)面臨“泥”滿為患的窘境。由污水處理廠產(chǎn)生的污泥問題也日益突出，已經(jīng)引起了社會各界的高度關注。廣東省已經(jīng)立法將生活污水廠剩余污泥列為嚴控廢物進行管理，因此，污泥的規(guī)范化處置已經(jīng)成為當前各級政府和多數(shù)污水處理廠亟待解決的難題之一。

實際上，污泥也是一種可以利用的資源，它可以產(chǎn)生沼氣、變成有機肥等等。國際上對污泥的處理原則都是“十二字”：減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化，而且是以“資源化”為導向。但由于我國的污泥監(jiān)管體系不健全，各級政府部門缺少信息溝通與數(shù)據(jù)共享，對污泥資源化利用重視還很不夠。而且由于污泥簡單填埋的費用過低，污泥的資源化利用至今缺乏足夠的市場驅動力，2015年我國年產(chǎn)生含水率80%左右的污泥將為3359×104t左右，國內(nèi)的絕大污水處理廠也缺少污泥處置設施和手段，大量的濕污泥隨意外運、簡單填埋或堆放，致使許多城市“污泥圍城”。

我國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥主要特點是高含水率（一般脫水污泥含水率約為80%左右），此外，污泥中豐富的有機和無機物質也日益受到重視，污泥中所含的有機物是有效的生物能源，污泥中的有機物分解產(chǎn)生的腐殖質可以改良土壤，避免板結，而污泥中豐富的氮、磷、鉀等則是植物和農(nóng)作物生長不可缺少的營養(yǎng)物。干燥的污泥可產(chǎn)生16.65～20.93MJ/t的熱能，是一種低熱值的燃料。干污泥中有機物質含量一般可達60%～80%，未消化的生污泥的有機物質中一般含20%～30%的蛋白質、6%~35%的脂肪和8%～15%的碳氫化合物。當今世界上，越來越多的人對“地球上的一切資源都是有限的”這一客觀存在的事實有了越來越深刻的認識。因此，如何充分利用污泥中的有機質，使污泥的處置過程同時變成資源化的過程，從而提高污泥的綜合利用價值，是當前污泥處置的前沿研究課題，污水污泥的處理處置與污泥資源化利用的相結合，將為全球碳減排作出重要貢獻，必將成為城市污水污泥唯一的最終出路。

2 國內(nèi)外污泥處理處置技術

目前國內(nèi)外廣泛采用的污泥處置技術可以歸納為五大類：（1）污泥土地利用，包括污泥農(nóng)用和應用于森林或園藝；（2）污泥填埋；（3）污泥建筑材料利用；（4）污泥焚燒；（5）熱解碳化利用。由于可使用土地面積、處理成本、越來越嚴格的環(huán)境標準以及資源回收政策的普及等因素，越來越多的國家普遍認識到污泥的填埋處置不是一種可持續(xù)的發(fā)展方法，在不久的將來，對于土地匱乏的一些國家，可能僅有污泥焚燒灰是適宜于填埋的污泥形式。污泥中含有豐富的氮、磷等營養(yǎng)元素可作為農(nóng)作物或植物的肥料，但由于污泥中含有一定量的重金屬，將污泥直接施加進入土壤可能會導致重金屬在土壤中的累積，并且會通過植物提取作用進入食物鏈對人類健康造成威脅，因此污泥直接施加到農(nóng)田土壤則存在重金屬的潛在生態(tài)風險。

污泥最終處置的方法主要有土地利用、填埋、建材利用以及焚燒、熱解碳化等，其應用范圍和條件見表1。

表1 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置分類

3 太陽能光熱資源化利用污泥處理技術

近年來，中國城市污水處理事業(yè)獲得了長足的進步，并且目前還處在加速發(fā)展過程中。但與此同時，人們始料未及的一個問題逐漸顯示出來：污水處理后產(chǎn)生了大量的活性污泥。據(jù)估算，目前中國每天產(chǎn)生的含水率80%的污泥，重量上幾乎占到城市產(chǎn)生垃圾總量的20%，而且年增長率大于10%。根據(jù)權威報告《2014-2018年中國環(huán)保工業(yè)深度分析及發(fā)展規(guī)劃征詢主張陳述》，到2015年，全國年將產(chǎn)生含水率80%的污泥達到3359× 104t。污泥中富含營養(yǎng)元素，此外還含有大量的有機質、重金屬、病原菌、寄生蟲（卵）等一系列的污染物質，很容易對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的二次污染。

污水處理廠所產(chǎn)生的剩余污泥處理處置是當今世界環(huán)保課題的一大難題，有效減低污泥含水率是課題中的一個技術瓶頸。目前，我國的污水處理廠普遍采用的機械脫水方式可將污泥含水率將至75%~80%之間，而環(huán)保部辦公廳2010年發(fā)布的《關于加強城鎮(zhèn)污水處理廠污泥污染防治工作的通知》（環(huán)辦【2010】157號）中規(guī)定：污水處理廠以貯存（即不處理處置）為目的將污泥運出廠界的，必須將污泥脫水至50%以下。含水率剩余污泥也是污水處理過程中的二次污染物。一方面，污泥中含有大量的病原菌、寄生蟲、致病微生物，以及砷、銅、鉻、汞等重金屬和二惡英、放射性核素等難以降解的有毒有害物質，由于污泥含水率高、體積大，給堆放和運輸帶來困難，城市污泥如果處理不當或不規(guī)范處理，如隨意棄置農(nóng)地濫用等，將對生態(tài)環(huán)境會造成嚴重的潛在威脅。另一方面，剩余污泥含有很高的有機營養(yǎng)質和燃燒值，污泥的土地利用與能量循環(huán)利用是一種具有廣闊前景的污泥處置方法，污泥作為再生資源的有效利用是世界各國共同重視的問題，代表了人類環(huán)境生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益均衡發(fā)展的方向。

熱干化及其它熱解技術由于污泥含水率較高，污泥熱值不能維持自身污泥干化運行需要增加外源能源，能耗很大，運行成本很高。電滲透干法存在設備投資、運行成本費用較高，設備的維護要求很高等不足之處。這些方法不是存在含水率不能達到要求就是存在運行成本過高或增加污泥容量等缺點而不能滿足現(xiàn)實所需。

因此，目前污泥深度脫水面臨的難題在于，現(xiàn)有的污泥處理技術存在工藝復雜，能耗、設備投資、運行成本過高，并未實現(xiàn)污泥減量化，容易影響污泥的再生或后續(xù)利用，環(huán)境效益差等缺點。

太陽能光熱資源化利用污泥處理技術采用將污泥的干燥與熱解分別在兩個獨立的空間進行。通過加熱的方式使污泥在干燥室進行階段性升溫（升至120℃左右），將污泥中的大部分水分蒸發(fā)，有機物逐漸固化和碳化。然后將半干的污泥投入到熱解室中。污泥熱解是在密封、無氧、非燃燒、高溫、高壓狀態(tài)下進行的化學反應過程，包括汽化、熱解、脫氫、熱縮化、炭化等反應，將污泥中剩余的水分蒸發(fā)，有機物轉化為可燃氣體和生物炭。

通過熱解處理，將污泥中的主要成分在熱解處理過程中轉化為可利用的冷凝水、可燃氣體和生物有機炭，使污泥成分價值最大化，使污泥處理過程中能夠產(chǎn)生剩余價值，變得有利可圖。將熱解產(chǎn)生的可燃氣體進行回收利用，不僅避免空氣的污染，而且還節(jié)約能源。

該工藝流程所需熱源來自如下幾個方面：第一，利用特殊的太陽能裝置將光能直接變?yōu)闊崮埽ǘ莻鹘y(tǒng)的太陽能先轉變?yōu)闊崮?，再將熱能轉化為電能，最后再將電能轉變?yōu)闊崮埽柲芾寐剩?0%），大大提高太陽能的利用率（太陽能利用率高達60% -80%）；第二，將熱解產(chǎn)生的可燃氣體回收，直接燃燒產(chǎn)生的熱量用于干燥階段；第三，將熱解產(chǎn)生的尾氣余溫通過熱交換器用于干燥階段。整個過程的能量來源于太陽光，故大大降低污泥炭化的成本，真正解決污泥炭化成本過高的難題（污泥炭化生產(chǎn)成本往往高于活性炭市場價格，致使以往的污泥炭化只是一個噱頭，一個口號，甚至是為了騙取政策扶持、科研經(jīng)費的一種手段），本技術的應用，使污泥炭化真正能做到市場化，也必將改寫污泥處理的歷史，成為一個里程碑式的污泥處理處置技術。

4 太陽能光熱資源化利用污泥處理技術的特點

與傳統(tǒng)的污泥處理技術、碳化技術相比，污泥太陽能熱解碳化技術具有無以倫比的技術和經(jīng)濟優(yōu)勢，能夠保證污泥處理徹底無害化，同時將污泥中的有機碳轉化成生物炭，從而達到可持續(xù)發(fā)展和資源的循環(huán)回用的目的。其特點在于：

4.1 真正實現(xiàn)徹底的無害化

由于熱解的溫度維持在400℃左右，污泥中的病原微生物和寄生蟲卵基本被殺死，所得產(chǎn)品—生物炭化學性能穩(wěn)定，不會帶來二次污染。

4.2 真正實現(xiàn)資源的利用化

本技術采用永恒的清潔能源—太陽能作為能耗供給，大大降低運行成本，且碳化的最終產(chǎn)品都是能利用的能源物質，大大提高其產(chǎn)品的價格優(yōu)勢，為其市場化打下堅實的基礎。

4.3 對處理污泥的全過程具有可控性

污泥可以在污水處理廠車間內(nèi)進行處理，使污泥處理完全獨立進行，不受任何外部環(huán)境影響，并且能使作為污泥處理責任主體的污水處理廠對污泥處理全過程具備可控能力，避免由于外部處理污泥單位發(fā)生的環(huán)境污染問題時，負上連帶責任。另外，處理污泥設施占地面積小，適合污泥分散處理，避免運輸過程中的環(huán)境污染問題，節(jié)約運輸費用。能替代不可再生能源，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。本技術能處理各種各樣的污水污泥，不受污泥內(nèi)含物的影響，這也是其它技術所不能比擬的。

4.4 經(jīng)濟技術指標有明顯優(yōu)勢

本技術與常見的污泥處理處置技術，如填埋、焚燒等在經(jīng)濟技術指標方面的對比如下?？偟膩碚f，本技術能處理各種各樣的污水污泥，不受污泥內(nèi)含物的影響，這也是其它技術所不能比擬的。在建設投資方面，其略高于堆肥和填埋，但是相當于焚燒的一半左右；占地面積最小，僅為填埋的1/10，堆肥的1/6；在經(jīng)營成本方面，由于本技術具有盈利的能力，這更不是其它技術所能比擬的。

而污泥熱解碳化技術的最終產(chǎn)品為10%左右的生物炭（市場價600元/噸）。1噸干泥通過碳化技術得出的產(chǎn)品效益為：產(chǎn)100kg生物炭，價值60元；節(jié)約污泥外運填埋成本275元；合計創(chuàng)收價值為335元。

5 國內(nèi)外同類技術比較

5.1 熱解技術能源路線選擇

熱解碳化的主要成本在于能耗，降低成本的關鍵在于是否能夠選擇和利用恰當?shù)臒嵩?，同時盡量提高系統(tǒng)內(nèi)的能量熱效率，減少熱損失。一般來說，間接加熱可以使用所有的能源，其差別僅在溫度、壓力和效率。按照能源的成本，從低到高，分列如下：

5.1.1 煙氣：來自大型工業(yè)、環(huán)?；A設施（垃圾焚燒爐、電站、窯爐、化工設施）的廢熱煙氣的利用是零成本能源，但受條件限制，并不是每個用戶都能擁有在這些設施附近的特殊條件，不具有廣泛應用性；

5.1.2 燃煤：較廉價的能源，以煙氣加熱導熱油或蒸汽，但相對于生產(chǎn)污泥熱解得出的產(chǎn)品廉價性而言，不具有經(jīng)濟性優(yōu)勢，且受二次污染、炭排放限制等問題的困擾；

5.1.3 熱干氣：來自化工企業(yè)的廢能，受條件限制，并不是每個用戶都能擁有在這些設施附近的特殊條件，不具有廣泛應用性；

5.1.4 沼氣：可以直接燃燒供熱，價格低廉，也較清潔，但供應不穩(wěn)定，不具有廣泛應用性；

5.1.5 蒸氣：清潔，較經(jīng)濟，可以直接全部利用，但是將降低系統(tǒng)效率，提高折舊比例，不具有廣泛應用性；

5.1.6 廢油脂：能夠達到“以廢治廢”的目的，但受到法制法規(guī)不完善的限制，且管理困難，相對于生產(chǎn)污泥熱解得出的產(chǎn)品廉價性而言，不具有經(jīng)濟性優(yōu)勢，且受二次污染、炭排放限制等問題的困擾；

5.1.7 燃油：以煙氣加熱導熱油或蒸汽，或直接加熱利用，相對于生產(chǎn)污泥熱解得出的產(chǎn)品廉價性而言，得不償失，不具有市場化的前景，且受二次污染、炭排放限制等問題的困擾；

5.1.8 天然氣：清潔能源，但是價格最高，以煙氣加熱導熱油或蒸汽，或直接加熱利用。相對于生產(chǎn)污泥熱解得出的產(chǎn)品廉價性而言，得不償失，不具有市場化的前景。

針對上述能源利用分析的結果，污泥資源化利用的產(chǎn)品的價值并沒有達到以上這些能源的利用價值，這也是污泥炭化處理處置得不到市場認可的重要原因之一，也是污泥資源化利用一直是一個口號、一個目標，而并沒有得到真正重視與實施的重要原因。在此背景下，本研究結果利用永恒的清潔能源——太陽能，作為熱能，通過特有的太陽能集熱裝置、特殊的高壓高溫污泥熱解碳化爐，將污泥真正變廢為寶，生產(chǎn)出生物炭、甲烷、氫氣、輕質建材材料等有用物質。本污泥太陽能熱解碳化處理技術已申請國家發(fā)明專利，本技術的問世，必將改寫污泥處理處置的歷史，將成為污泥處理里程碑式的技術。

5.2 幾種熱解碳化技術運行成本對比分析

表2 含水率80%剩余污泥幾種碳化技術運行成本對照表單位：元/噸污泥

5.3 太陽能光熱碳化污泥處理技術與其它技術經(jīng)濟比對分析則各種碳化技術經(jīng)濟盈利情況如表3：

表3 幾種碳化技術經(jīng)濟盈利表（1t含水率80%的污泥盈利情況）

表4 太陽能熱解技術與其它污泥處理技術的經(jīng)濟技術指標對比表

6 結語

太陽能熱解碳化技術作為一種全新的處理技術，其產(chǎn)物包括氣、液、渣三部分，都具有綜合利用的可能。其中可燃氣可以回收，冷凝水可以作為工業(yè)用水回用，殘渣——生物炭也具有廣泛的用途，起到真正的以廢治廢的資源化利用的目的。

隨著政策面“重水輕泥”的長期偏向性問題的逐漸改善，政策傾斜下污水處理費用的逐漸提高，污泥產(chǎn)量的不斷攀升以及技術的趨于成熟，未來幾年污泥行業(yè)的發(fā)展速度將逐漸增快。

預計到2015年，我國污泥產(chǎn)量將達到14.28×104t/d（含水80%），干泥產(chǎn)量1300×104t/a?！笆濉逼陂g，行業(yè)總投資規(guī)模將超過600億元。如果利用本技術，將至少產(chǎn)生100×104tce/a（按500元/噸計算，可創(chuàng)利5億元/年），50×104t天然氣/年（按2000元/噸計算，可創(chuàng)利10億元/年），850×104t建材原料（陶粒等）/年（按200元/噸計算，可創(chuàng)利17億元/年。還意味著至少每年減少78×104t的碳排放。

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