污泥水熱碳化處理技術(shù)及其工程化應(yīng)用
——以濟(jì)寧中山污泥處理工程項(xiàng)目為例

仲 璐，Marc Buttmann，王君琦

（1. 中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120；2. TerraNova Energy GmbH，德國(guó)杜塞爾多夫40211）

1 引言

污泥的熱化學(xué)處理是近年來(lái)頗受關(guān)注的熱門課題，它不僅可以改善傳統(tǒng)處理方法的不足之處，還可以穩(wěn)定碳源、重金屬、氮元素、磷元素，從而實(shí)現(xiàn)污泥處理的資源化。污泥熱化學(xué)處理分為熱解技術(shù)和水熱技術(shù)，污泥熱解是利用污泥中有機(jī)物的不穩(wěn)定性，在無(wú)氧條件下對(duì)其加熱，使有機(jī)物產(chǎn)生熱裂解，有機(jī)物根據(jù)其碳?xì)浔壤涣呀?，形成利用價(jià)值較高的氣相（熱解氣）和固相（固體殘?jiān)６勰嗨疅峒夹g(shù)是將污泥和水溶液混合置于密閉的體系中，在一定的溫度及壓力下，污泥中微生物細(xì)胞被破碎，細(xì)胞內(nèi)水分被釋放，同時(shí)大分子有機(jī)物發(fā)生水解，膠體結(jié)構(gòu)被破壞，經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的反應(yīng)最終轉(zhuǎn)化為碳材料的過(guò)程［1］。作為污泥水熱技術(shù)中的一種，污泥水熱碳化技術(shù)具有處理周期短，能源回收率高、占地面積小，產(chǎn)物可作為輔助燃料、肥料和土壤改良劑使用的優(yōu)點(diǎn)。本研究通過(guò)采用污泥水熱碳化技術(shù)處理某污水廠污泥，從應(yīng)用層面證明水熱碳化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)污泥處理減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化、資源化的有效途徑，具有較高的實(shí)踐指導(dǎo)意義和應(yīng)用前景。

2 水熱碳化技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)

2.1 技術(shù)原理

水熱碳化（HTC） 技術(shù)以水熱炭為主要產(chǎn)物，可以通過(guò)“固- 固轉(zhuǎn)化”和“固- 液- 固轉(zhuǎn)化”2種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖1 所示，“固- 固轉(zhuǎn)化”即污泥中的木質(zhì)素在水熱條件下通過(guò)脫揮發(fā)分、縮聚、脫氫、脫碳酸基等反應(yīng)直接生成水熱炭?！肮? 液- 固轉(zhuǎn)化”主要分為3 步進(jìn)行［2］：①污泥中的碳水化合物和蛋白質(zhì)通過(guò)水解反應(yīng)，生成葡萄糖、果糖和氨基酸；②糖類物質(zhì)進(jìn)行脫氫反應(yīng)生成5- 羥基甲糠醛（HMF） 等中間產(chǎn)物，氨基酸進(jìn)行美拉德反應(yīng)生成N 雜環(huán)化合物；③各中間產(chǎn)物發(fā)生聚合、芳構(gòu)化等反應(yīng)生成水熱炭。

圖1 生活污泥水熱碳化反應(yīng)原理示意

2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

我國(guó)污泥含水率較高，通常會(huì)達(dá)到70%～80%，這直接導(dǎo)致了污泥處理減量化效果差、處理能耗高等問(wèn)題。HTC 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，如不受含水率制約、無(wú)需提前干燥進(jìn)料污泥，能夠分解污泥中有機(jī)成分、改善污泥的脫水性能，產(chǎn)出熱值較高的水熱炭、提高污泥資源化利用價(jià)值等，恰好能夠解決污泥處理瓶頸問(wèn)題。

3 水熱碳化技術(shù)工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

濟(jì)寧中山污泥水熱碳化項(xiàng)目位于山東省濟(jì)寧市，設(shè)計(jì)采用特雷諾污泥水熱碳化（TerraNova?Ultra）整套設(shè)施，處理含水率約80%的市政污水廠污泥，設(shè)計(jì)年處理能力1.4×104t。經(jīng)過(guò)穩(wěn)定運(yùn)行條件下的多次測(cè)算，項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)污含水率平均80.26%，催化劑為工業(yè)用濃硫酸，產(chǎn)物生物炭含水率平均為30.45%，污泥體積減量達(dá)75%。

3.2 工藝流程

特雷諾污泥水熱碳化工藝是基于HTC 法的創(chuàng)新型污泥處理及資源化技術(shù)，主要用于處理市政污水廠污泥和廢棄生物質(zhì)。它在模仿自然界煤炭生成過(guò)程的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)工藝進(jìn)行改良，加速了從生物質(zhì)向煤炭的轉(zhuǎn)化過(guò)程，從而提高污泥處理速度。特雷諾污泥水熱碳化反應(yīng)基本原理如圖2所示［3］。

圖2 特雷諾污泥水熱碳化基本原理示意

含固率為5%～30%的預(yù)脫水污泥通過(guò)高壓污泥泵輸送到進(jìn)泥熱交換器中。在催化劑作用下，高溫180～220 ℃、高壓2 MPa 環(huán)境中，預(yù)熱污泥在反應(yīng)釜中碳化4 h。反應(yīng)釜通過(guò)熱油從外部加熱，熱源也可以利用廢熱，例如熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）的廢熱。反應(yīng)后的煤漿在出料熱交換器內(nèi)降溫。借助于獨(dú)立的熱油回路將所收集的熱量返回到進(jìn)泥熱交換器處對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)熱。在脫水環(huán)節(jié)，可使用普通的膈膜壓濾機(jī)進(jìn)行固液分離，將產(chǎn)物含固率提升至70%。出料與進(jìn)料體積相比，污泥減量至少66%。脫水過(guò)程中產(chǎn)生的濾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體肥料，也可以用于回收磷和氮。濾液中COD 含量較高，且可生化性強(qiáng)，若濾液重新返回厭氧消化罐中發(fā)酵，沼氣產(chǎn)量可增加15%。

在碳化過(guò)程中從生物質(zhì)到生物煤炭的轉(zhuǎn)化主要發(fā)生的3 種化學(xué)反應(yīng)包括［4］：①水解，主要是生物質(zhì)通過(guò)水解反應(yīng)被消化，生物質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)被破壞；②脫水和脫羧，水解產(chǎn)物經(jīng)脫水和脫羧二次反應(yīng)，進(jìn)一步分解，在酸的催化作用下，水解產(chǎn)物有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步分離水（脫水）、CO2（脫羧）和CO（脫羰基），也會(huì)生成有機(jī)酸，生物質(zhì)被進(jìn)一步分解；③聚合和生物炭的生成，隨后，中間產(chǎn)物通過(guò)聚合和縮合反應(yīng)溶解或開(kāi)始形成固體顆粒，最終形成生物炭。

3.3 項(xiàng)目分析

3.3.1 減量化情況

對(duì)于大多數(shù)污水處理廠而言，減少污泥的質(zhì)量是節(jié)省處置成本的最佳途徑。傳統(tǒng)方法是采用熱干化技術(shù)，將機(jī)械預(yù)脫水污泥的水含量降低至10%左右。而特雷諾污泥水熱碳化技術(shù)，可通過(guò)HTC 反應(yīng)進(jìn)一步減少污泥干物質(zhì)，特雷諾污泥水熱碳化導(dǎo)致固體烴類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳，濾液中的氣態(tài)和液態(tài)化合物，具有相當(dāng)高的化學(xué)含氧量且生物降解度可達(dá)90%以上，并可促使消化池中產(chǎn)生更多沼氣。隨著非有機(jī)鹽（主要是氮化合物） 的進(jìn)一步稀釋，最終固態(tài)產(chǎn)物中的干物質(zhì)總量減少了25%。在是否存在最終干化步驟的情況下，熱干化和特雷諾污泥水熱碳化的質(zhì)量降低的比較見(jiàn)表1。

表1 不同污泥處理技術(shù)處理后污泥碳化質(zhì)量比較

特雷諾污泥水熱碳化技術(shù)的處理結(jié)果可與熱干化技術(shù)相媲美。通過(guò)純機(jī)械方法去除了脫水污泥中最初含水量的85%以上。如果在特雷諾工藝后端進(jìn)行進(jìn)一步的熱干化，則產(chǎn)物的干物質(zhì)含量提高到90%，即可達(dá)到75%以上的減量效果。

3.3.2 運(yùn)行情況

濟(jì)寧中山污泥水熱碳化項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入連續(xù)運(yùn)營(yíng)的第3 年。輸入污泥的平均干物質(zhì)含量為23%，脫水污泥的平均干物質(zhì)含量為68%，產(chǎn)物的質(zhì)量減少約為75%。進(jìn)料泵和泄壓系統(tǒng)之間的高壓部分等核心設(shè)備處理每噸污泥耗電量為12 kWh。如將污泥輸送機(jī)和存儲(chǔ)系統(tǒng)、壓濾機(jī)操作和工藝氣體處理等過(guò)程考慮在內(nèi)，則處理每噸污泥消耗的總電能為18 kWh。熱能由天然氣爐提供，處理每噸污泥消耗的天然氣為13 m3。項(xiàng)目使用工業(yè)酸作為催化劑，并以2%的配比添加至污泥輸入料中。倘若提取水以每噸水為基礎(chǔ)（tEW），則特雷諾污泥水熱碳化工藝的熱能耗為174 kWh/tEW，電能消耗為24 kWh/tEW。相比之下，被普遍認(rèn)為最節(jié)能的熱干化技術(shù)，其熱量消耗水平為800 kWh/tEW，電能消耗為80 kWh/tEW。因此，濟(jì)寧項(xiàng)目每年節(jié)省相當(dāng)于7.5×106kWh一次能源，相當(dāng)于340 戶家庭1 a 的用電量。

3.3.3 經(jīng)濟(jì)分析

根據(jù)污泥處理BOT 項(xiàng)目調(diào)查研究，厭氧消化+土地利用整體技術(shù)路線的投資成本約為50～60 萬(wàn)元/t，運(yùn)行成本80～120 元/t；好氧發(fā)酵+土地利用整體技術(shù)路線的投資成本約為30～50 萬(wàn)元/t，運(yùn)行成本約為100～120 元/t；污泥干化焚燒的投資成本為30～50 萬(wàn)元/t，運(yùn)行成本為200～350 元/t；污泥建材利用的投資成本為30～50 萬(wàn)元/t，運(yùn)行成本為250～350 元/t。而污泥水熱碳化的建設(shè)投資約35～45 萬(wàn)元/t，運(yùn)行成本為90～120 元/t，投資費(fèi)用適中，運(yùn)行成本較低，加上產(chǎn)品可用于輔助燃料的附加價(jià)值，污泥水熱碳化投資項(xiàng)目的內(nèi)部收益率可達(dá)10%以上。幾種常用污泥處理工藝建設(shè)投資、運(yùn)行成本的對(duì)比見(jiàn)表2［5］。

表2 主要污泥處理工藝成本

4 結(jié)論

HTC 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)污泥處理減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化、資源化的有效途徑。相對(duì)于傳統(tǒng)污泥處理技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯：①處理周期短，處理過(guò)程僅4 h；②處置能耗低，含水率80%的污泥噸耗電量約為18 kWh，消耗天然氣13 m3；③能源回收率高，生物質(zhì)能源回收率可達(dá)80%；④占地面積小，可實(shí)現(xiàn)原位處理和模塊化設(shè)置；⑤中間排放少，封閉式生產(chǎn)線尾氣產(chǎn)生量極低；⑥產(chǎn)品用途廣，生物炭可應(yīng)用于燃料、肥料、建材等多個(gè)領(lǐng)域。