污水處理廠污泥處理及資源化利用
——以某城市污水處理廠污泥制透水磚項(xiàng)目為例

周 曼

(湖北省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院股份公司，湖北 武漢 430070)

1 引言

為提高污泥資源化利用效率，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，十部委聯(lián)合推出的《關(guān)于推進(jìn)污水資源化利用的指導(dǎo)意見》(發(fā)改環(huán)資〔2021〕13號(hào))中已明確將加快推動(dòng)城鎮(zhèn)生活污水資源化利用列為一項(xiàng)重大的國家戰(zhàn)略需求。污泥作為污水處理的副產(chǎn)物，含有機(jī)物、營養(yǎng)元素和重金屬等，并且體積龐大，如何變廢為寶和最大化的釋放污泥中可利用成分的資源價(jià)值，是解決市政污泥污染的終極目標(biāo)。

我國的污泥熱解技術(shù)及裝備研究經(jīng)過近10年的發(fā)展，已取得了一定的進(jìn)展，目前全國污泥熱解裝備制造企業(yè)20家左右，已運(yùn)行的市政污泥熱解產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目約5項(xiàng)，但是采用多級(jí)熱解碳化技術(shù)處理污泥并進(jìn)行資源化利用的項(xiàng)目還較罕見。本文以某城市污水處理廠污泥處理及資源化利用項(xiàng)目為例，介紹了污泥資源化利用的常用工藝，重點(diǎn)闡述了在資源化利用領(lǐng)域中具有領(lǐng)先地位的多級(jí)熱解碳化技術(shù)制透水磚的效果及優(yōu)勢(shì)，作為行業(yè)探索的一次有效嘗試，以期為一批類似企業(yè)進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)入市場提供參考。

2 污泥處理方法

目前污泥處理中常見的有填埋、焚燒、土地利用等傳統(tǒng)方法，以及多級(jí)熱解碳化等先進(jìn)技術(shù)。

填埋對(duì)選址區(qū)域土質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)要求高，且污泥總量越多選址越困難。污泥腐爛變質(zhì)產(chǎn)生的廢氣造成大氣污染，有害成分滲透滲漏易污染地下水。焚燒占地小、處理量大、處理快速、生成無菌無臭的無機(jī)灰渣[1]，但投資大，需購置專用設(shè)備，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，且燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生二噁英等劇毒物質(zhì)，造成大氣污染。由于污泥含有大量的有機(jī)營養(yǎng)物，可有效改善土質(zhì)，因此可接納并利用污泥的土地類型較多。但同時(shí)存在污泥中重金屬元素會(huì)污染土壤、氮磷濃度過高會(huì)污染地下水等風(fēng)險(xiǎn)。因此，上述傳統(tǒng)污泥處理方法已無法適應(yīng)當(dāng)前污泥處理和環(huán)境保護(hù)的要求。

多級(jí)熱解碳化設(shè)備占地面積小，利用污泥熱解碳化自身產(chǎn)生的熱量來烘干高水分的濕污泥，無需額外提供熱能。最終可使污泥減量88%，且產(chǎn)生的灰渣具有良好的活性，可與砂石等原料混合生產(chǎn)透水磚等建筑材料，可以真正實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化、無害化和減量化。

3 污泥資源化利用方法

目前，城鎮(zhèn)污水處理廠污泥資源化利用方式，主要有生產(chǎn)建筑材料、污泥生產(chǎn)有機(jī)肥、生產(chǎn)沼氣、制備生物炭、污泥發(fā)電等。

3.1 生產(chǎn)建筑材料

城市污水處理廠污泥與黏土成分相似，除含有豐富的有機(jī)質(zhì)外，還含有30%左右的無機(jī)物(包括Si、Ca、Al、Fe等元素)，可用于制磚、制輕質(zhì)骨料和路基材料、制作水泥添加料等建筑材料[2～4]。利用污泥生產(chǎn)的建筑材料在強(qiáng)度、浸出毒性等符合國家標(biāo)準(zhǔn)的前提下，既消化了污泥，減少了土地占用，又降低了建筑成本。

3.2 生產(chǎn)有機(jī)肥

城市污水處理廠污泥中富含有機(jī)質(zhì)，采用缺氧或好氧的堆肥方法可得到有機(jī)肥。堆肥過程中需要維持適宜的溫度和濕度，并進(jìn)行為期分別為10 d和30 d的兩次發(fā)酵。經(jīng)成功發(fā)酵后的城市污水處理廠污泥質(zhì)軟且無臭味[5]。污泥堆肥的有機(jī)肥料可用于沙漠化土壤改良、礦山修復(fù)、園林綠化等，以提高植樹的成活率和生長速度，研究表明：城市污泥堆肥產(chǎn)生的有機(jī)肥能夠促進(jìn)植物生長[6～8]，但是對(duì)于含有多環(huán)烴或富含重金屬等物質(zhì)的城市污水處理廠污泥，不宜堆肥處置。

3.3 生產(chǎn)沼氣

污水處理廠污泥在一定的溫度、濕度、酸堿度和無氧條件下，污泥中的有機(jī)物被厭氧菌分解，生成沼氣資源[9,10]。同時(shí)沼渣和沼液可用作肥料，實(shí)現(xiàn)廢棄有機(jī)物的穩(wěn)定化和資源化利用。我國污水處理廠污泥若單獨(dú)用于厭氧消化，普遍存在C/N低的問題，實(shí)際工程中通常將污水處理廠污泥與餐廚垃圾、動(dòng)物糞便等進(jìn)行共消化，從而提高沼氣產(chǎn)量。

3.4 制備生物炭

污泥制備生物炭是在缺氧或無氧條件下，經(jīng)過高溫?zé)峤?，將污泥熱分解轉(zhuǎn)化為固態(tài)材料。通常分為兩種制備方法：一種是脫水污泥干化后，在無氧、高溫(>300 ℃)環(huán)境下熱解成為生物炭；另一種是脫水污泥經(jīng)高溫(180～220 ℃)、高壓(30 MPa)水解，水解后的污泥再經(jīng)脫水干化，在無氧、高溫(300～700 ℃)環(huán)境下熱解成為生物炭，且生物炭的品質(zhì)隨著溫度升高而逐漸提高[11]。污泥制備的生物炭孔隙結(jié)構(gòu)多、比表面積大、富含官能團(tuán)，可以作為吸附劑、脫色劑、土壤改良劑和催化劑等。此外，污泥熱解后會(huì)生成一種穩(wěn)定的礦物質(zhì)硅酸鋁鈣，此物質(zhì)可作為生產(chǎn)材料重復(fù)使用。

3.5 污泥發(fā)電

污泥中有機(jī)物較多，熱值為12～15 MJ/kg[12]，比煤略低，可作為輔助的供電能源。污泥發(fā)電方法主要為燃燒發(fā)電。發(fā)電廠大多選擇含水率為40%左右的污泥和煤按照一定比例摻和后用于燃燒發(fā)電。但該方法成本高，且對(duì)污泥的要求高，污泥摻和使用前需要提前處理。

4 某污水處理廠項(xiàng)目概況

某城市污水處理廠污泥資源化處置項(xiàng)目，項(xiàng)目原料主要為該污水處理廠及周邊其他生活污水處理廠經(jīng)鑒定為一般固廢，且含水率低于80%的污泥。項(xiàng)目污泥用量為300 t/d，碳化后得到含水率為1%的碳粒60 t/d，低溫?zé)峤夂髿堅(jiān)Ｓ嗦蕿?2%，污泥減量達(dá)到88%，余下的36 t/d殘?jiān)孔鳛橥杆u原材料，實(shí)現(xiàn)污泥零排放。系統(tǒng)采用多級(jí)熱解碳化技術(shù)，該技術(shù)穩(wěn)定性高，具有減量效果顯著、無害化徹底、資源利用率高等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合一套完善的煙氣脫硫脫硝除塵凈化裝置，能確保SO2、NOx、二噁英、粉塵等污染物排放達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

5 工藝方案

5.1 污泥碳化工藝方案

該項(xiàng)目將該廠和周邊各主要生活污水廠外運(yùn)(經(jīng)鑒定為一般固廢)的含水率80%的污泥分區(qū)封閉儲(chǔ)存，投加生石灰進(jìn)行穩(wěn)定化預(yù)處理；依次封閉輸送至多級(jí)熱解碳化一體化設(shè)備Ⅰ，含水率由80%降低至20%。經(jīng)熱解后排出的煙氣溫度為110 ℃左右，收集后進(jìn)入廢氣處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，達(dá)標(biāo)后排放。再經(jīng)過多級(jí)熱解碳化一體化設(shè)備Ⅱ，形成含水率1%、直徑10 mm以下的高熱值碳化顆粒；碳粒在低溫?zé)峤鉄犸L(fēng)設(shè)備中利用自身熱值燃燒，實(shí)測污泥熱值為1300～1500 kcal/kg，產(chǎn)生的廢渣由料斗排出，產(chǎn)生的熱量攜帶在煙氣中，900 ℃煙氣輸送至多級(jí)熱解碳化一體化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)熱量循環(huán)利用(圖1)。

圖1 工藝流程

5.2 煙氣處理工藝方案

項(xiàng)目廢氣主要為污泥堆放和處置過程中產(chǎn)生的臭氣，以及污泥熱解碳化過程中產(chǎn)生的煙塵、SO2、NOx、二噁英和VOCs等。采用選擇性非催化還原脫硝(SNCR)工藝，在低溫?zé)峤鉄犸L(fēng)設(shè)備中900℃條件下向爐內(nèi)噴入氨水實(shí)現(xiàn)脫硝；烘磚房排出的煙氣采用旋風(fēng)除塵+濕法脫硫處理；脫硫后的煙氣利用水噴淋尾氣去除顆粒物和酸堿性氣體、利用紫外線光解和活性炭吸附去除VOCs，確保煙氣排放達(dá)標(biāo)。

5.3 透水磚生產(chǎn)方案

該項(xiàng)目利用污泥熱解剩余殘?jiān)?6 t/d(64%)，加上砂石11.25 t/d(20%)、水泥9 t/d(16%)和顏料0.04 t/d通過一體化自動(dòng)免燒制磚機(jī)生產(chǎn)透水磚、仿古磚，養(yǎng)護(hù)成型階段利用燃燒爐和烘干爐的熱廢氣在密閉烘干房內(nèi)進(jìn)行烘干(圖2)。生產(chǎn)的透水磚性質(zhì)穩(wěn)定，強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，透水性好，滿足《砂基透水磚》(JG/T 376-2012)的標(biāo)準(zhǔn)要求，且其重金屬浸出濃度遠(yuǎn)低于《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)的要求。

圖2 透水磚生產(chǎn)工藝流程

6 經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益

6.1 項(xiàng)目收入

污泥處理收入：年處理污泥量90000 t，單價(jià)200元/t，年收入1800萬元。透水磚銷售收入：年產(chǎn)量合計(jì)900萬塊，單價(jià)0.55元/塊，收入495萬元。以上合計(jì)年收入2295萬元。

6.2 項(xiàng)目支出成本

水泥、碎石和顏料采購和運(yùn)輸成本150萬元，人力成本70萬元，水電成本300萬元，固定資產(chǎn)年折舊額300萬元，以上合計(jì)年總成本為820萬元。

在經(jīng)濟(jì)效益方面，項(xiàng)目收入除去支出成本外還可以為企業(yè)帶來較大經(jīng)濟(jì)收益。在社會(huì)效益方面，城市污泥制透水磚工藝的產(chǎn)業(yè)化，能夠形成規(guī)模化的生產(chǎn)和銷售機(jī)制，將污泥處理和透水磚生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合，在為城市帶來極大的環(huán)保效益的同時(shí)，也為城市和企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益，推進(jìn)了城市環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從根本上解決了污泥的處理問題。

7 結(jié)論與討論

本文介紹了某城市污水處理廠利用多級(jí)熱解碳化技術(shù)處理污泥并將殘?jiān)糜谥仆杆u的案例，通過分析該項(xiàng)目的處理效果，發(fā)現(xiàn)多級(jí)熱解碳化技術(shù)作為一種新興的污泥處理方式，不僅能實(shí)現(xiàn)污泥的高效處理和資源化利用，而且具備較高的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，與文中其他傳統(tǒng)的污泥處理技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：①自動(dòng)化程度高，可連續(xù)運(yùn)行，有效節(jié)省了工作周期和占地面積；②所產(chǎn)生的二次污染低，污泥減量88%，效果顯著，且污泥熱解剩余殘?jiān)哂辛己玫幕钚?，可用于生產(chǎn)透水磚等建筑材料，污泥資源化效果好；③利用污泥熱解碳化產(chǎn)生的熱量烘干濕污泥，熱量維持整個(gè)熱解碳化裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)，無需額外提供熱能，降低了能源的消耗量，減少了運(yùn)行投資成本；④系統(tǒng)運(yùn)行收益高于成本，有良好的經(jīng)濟(jì)效益、較高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

綜上所述，多級(jí)熱解碳化技術(shù)處理污泥具有減量率高，無害化徹底，能量可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)。項(xiàng)目的實(shí)施可大量消納城市污水處理廠污泥，緩解城市污泥處理處置現(xiàn)狀的緊迫性。項(xiàng)目滿足國家“提質(zhì)增效”和“泥水并重”的要求，且兼顧污水處理與臭氣處理，打造了從污水輸送、污水處理、污泥處理處置資源化利用的全過程產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)了污泥的減量化、無害化與資源化，無二次污染，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益的同步增長。讓城市污水處理中污泥資源的再利用更高效，既有利于循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，又能實(shí)現(xiàn)廢棄物處理資源化和產(chǎn)業(yè)化的要求，也符合禁止毀田制磚、節(jié)約耕地的原則，具有廣闊的發(fā)展前景。