污泥碳化技术
浙江科技学院 建工学院 毛敏敏 给排水072
指导老师 宋亚丽
摘要 随着城市人口的增加，工业化、城市污废水处理厂的增设，污泥产生量逐渐增加，污泥处理成了环境的焦点。原有技术包括干燥、填埋、堆肥等工艺只是对污泥进行简单的处理。而污泥干燥碳化技术不仅能有效处理污泥，还能将其制成具有高附加值的活性炭，真正实现了废弃物的资源化处置。污泥碳化主要利用污泥在炭化炉中，在无氧或微氧的条件下，使污泥中的水分蒸发出来，同时又最大限度地保留了污泥中的碳值过程。污泥中的有机物被碳化，碳化后的污泥性质类似于活性炭，可以广泛用于吸附除臭脱水等用途。而且碳化后的污泥体积小，污泥中无有毒气体等，不会造成二次污染。所以污泥碳化是一种既不会损坏环境又能资源回用的经济型方法。
关键字 污泥碳化技术 优点 缺点 经济 对比 应用
一、前言
自从2007年国家发改委提出节能减排的法案以后，越来越多的人们提出了节能减排的金点子。加上近年来频频发生的自然灾害和气候变化大的现象，国家又于2008年提出了“低碳”的概念，到了今年也越来越多的人宣扬低碳生活了。作为给排水专业的学生，我们应该致力于寻求一种利国利民，维护环境的方法去解决我们现有处理方法中所存在的不足。
随着经济的快速发展，我国的城市污水和工业废水的处理率也在逐年地提高，同时也伴随着处理污废水中也产生了大量的污泥，据了解，2009年，我国城镇污水处理厂统计有1992座，全年污水处理量达280亿m3，相比“十五”初期增加一倍，产生含水率80%的污泥约2005万吨。我国各城市污水处理厂产生的湿污泥将达3000多万吨，占我国年总固体废弃物排放量的5%以上。如果污泥处置不当，不但占用大量的有限耕地，还会对地表环境和地下水造成严重的污染。据统计，现阶段我国的城市生活污泥和工业污泥的处理利用率不足10%，距发达国家如美国的处理利用率60%~70%相差甚远。在污水处理总投资中，污泥处理设施的成本占到50%~75%。而且国家每年用于污泥填埋的费用大约为
50~100元/吨左右，由上面知，2009年我国产生2500万吨的污泥，那么总费用大约为125000~250000万元，计12亿~25亿元，这是一笔多大的数目啊。所以开发新的、先进的技术，对污泥有效地处理处置，使之变废为宝，又不损害环境，危害人体健康，开辟环境友好道路，走上良性发展的轨道是我们持之以恒的目标。所以这里介绍一种新型的污泥处理技术----污泥碳化技术。
二、污泥碳化技术应用现状及研究发展
污泥碳化技术是在上世纪90年代出现的，其理论基础研究阶段是在1980—1990。到了九十年代中期，已经陆陆续续有小规模的生产阶段。97年日本三菱在宇部的污泥碳化厂规模为20吨/天；同年Thermo Energy 在加利福尼亚州Colton市建立了一个污泥碳化实验厂规模为每天处理5吨干泥。因污泥碳化有其明显的优越性，于是从2000年开始，污泥碳化技术在国外已经进入大规模的商业推广阶段。 目前，日本已经有多家公司生产和销售碳化装置。比较著名的有荏原公司的碳化炉，三菱公司横滨制作所的污泥碳化装置，巴工业公司每天处理30吨的污泥碳化装置。2005年日本东京下水道技术展览会上，日本日环特殊株式会社甚至推出了标准的污泥碳化减量车。该车可以随时到任何有污泥的场所对污泥进行碳化。近期日本巴工业公司还研发了污泥连续碳化技术。在此期间，美国也在不断地完善污泥碳化技术。目前在南加州大洛杉矶地区，经过近2年的考察、比较，已经决建立了一个每天处理675吨污泥的碳化厂，由能源技术公司（Enertech Environmental Co.）建设、运行。除了日本和美国，澳大利亚ESI公司也建设了一座100吨/日的碳化处理厂。
近几年来，我国也在不断的向国际接轨，碳化技术进入国内市场。2009年1月11日，中国通用技术咨询顾问有限公司，日本巴工业株式会社，湖北搏实城乡环境能源工程有限公司协办的“关于中日污泥碳化技术研讨会”在湖北省武汉市洪广大酒店成功举办。会上，中国准备引进日本先进的碳化技术并经消化吸收优化，用于武汉污泥处置项目上。同时，哈尔滨凝智科技有限公司也推出了污泥干燥碳化设备。
1. 污泥碳化技术的提出
污泥处理处置的方法有很多，传统的污泥处置总共有以下几个：
地还原，填埋
土地还原地还原式多段炉
转炉化床炉炉建筑材料
埋填埋
① 生污泥→浓缩→前处理（加药剂或冷冻）→脱水→好氧堆肥→土地还原 ② 生污泥→浓缩→前处理（加药剂或冷冻）→脱水→干燥→土地还原（填
埋）
③ 生污泥→浓缩→前处理（加药剂或冷冻）→脱水→焚烧（或热分解）→
灰分填埋
④ 生污泥→浓缩→前处理（加药剂或冷冻）→脱水→干燥→熔融烧结→做
建材
⑤ 生污泥→浓缩→前处理（加药剂或冷冻）→脱水→干燥→做燃料
⑥ 生污泥→浓缩→厌氧消化→前处理（加药剂或冷冻）→脱水→土地还原 ⑦ 生污泥→浓缩→蒸发干燥→做燃料
⑧ 生污泥→浓缩→湿法氧化→脱水→填埋
以上各种污泥处置方法各有其优缺点。
对于第①种方法，就是我们平常所说的堆肥技术。主要采用在好氧条件下，污泥中的微生物进行发酵，把有机废物转化为稳定性较高的腐殖质。
优点是：在好氧消化过程中产生了大量的热，这些热产生的高温有效地杀死病原微生物及各种蠕虫卵，另一方面由于在好氧消化时污泥都要跟一些垃圾
木屑（统称调理剂）混在一起发酵，此时调理剂能改善污泥的胶体团粒结构，降低含水率。同时因为变成腐殖质，挥发性成分减少，臭味减少，重金属有效态的含量也降低。
其缺点是：污泥中的重金属，难降解有机物并未从根本上得到去除。堆肥化过程没有实现体积减量化，而且处理、储存、缓冲区占地面积很大。而且臭味处理过程复杂，易受气候温度的变化，尤其对于南方，因经常下雨，所以储存和堆肥化的场地设施难。
对于第②种方法，就是目前国内用的较广的污泥浓缩，压滤脱水后排放法。对于这种方法，其优点是操作简便，运行费用低。缺点是：填埋中会有渗滤液和气体的形成。渗滤液是一种被严重污染的液体，如果填埋场选址或运行不当，这种液体就会进入地下水层，污染地下水环境。另外填埋场产生的气体主要是甲烷，若不采取适当措施会引起爆炸和燃烧。此外，随着城市的发展，适合污泥填埋的场地也越来越有限。如果用作土地还原，则污泥中的二噁英及重金属也会造成二次污染。
对于第③种方法，就是我们所说的焚烧法。污泥的焚烧是指对脱水或干燥后的污泥依靠其自身的热值或辅助燃料，送入焚烧炉进行热处理，这是由于污泥中的有机物含量高，其热值也相当高15000~20000KJ/KG。其优点是：该处理方法是最彻底的污泥处理方法，污泥最终转化为CO2,H2O,N2.能杀死病原体，可最大限度地减少污泥体积；但是其缺点在于处理设施投资大，处理费用高，而且最近显示焚烧会产生二噁英。
对于第④⑤种方法来说，因污泥中能用于做建材和燃料的成分有限，而且技术设备还不能很好的掌握，只能在实验阶段，另外投资设备也比较大。
对于第⑥种处置方法，就是采用厌氧消化，其主要是利用微生物在厌氧条件下发酵产生沼气。其主要优点是运行费用低，产生的沼气又能作为能源。但其缺点是污泥属于难降解生物固体,厌氧消化存在反应速度慢,消化时间长,池
体体积庞大,生物气中甲烷含量低。
第⑧种的湿法氧化又称部分焚烧，属于焚烧类型。其主要缺点是工程运行设备较高，耗电大，噪音大，容器要耐腐蚀性强，反应塔热交换器需常清洗，不能除臭。
针对上面的污泥处理过程中产生的缺点，于是提出了污泥碳化技术。
污泥在无氧或低浓度氧下被加热使之蒸发焚烧，污泥中的水分被蒸发出来，同时污泥中的有机物也被碳化了。和其他污泥处置方法相比，污泥碳化的主要优点是：① 污泥减量化：碳化后的污泥含水率很低，污泥体积减少很多； ② 无臭味，无有毒气体；
③ 碳化后的污泥可以做活性炭，资源再利用；
④ 没有二次污染；
⑤ 碳化污泥可以做脱水剂，甚至燃烧；
⑥ 碳化污泥可以做建材，如吸水式陶瓷；
⑦ 产生可燃气可回收做热源，无爆炸着火危险；
2.污泥碳化技术的工艺介绍及过程
①.污泥碳化的分类： 1.高温碳化：碳化时不加压，温度为649-982度，先
将污泥干化至含水率约30％，然后进入炭化炉高温
碳化造粒。
2.中温碳化：碳化时不加压，温度为426－537℃，先
将污泥干化至含水率约90％，然后进入炭化炉分
解。工艺中产生油，反应水（蒸汽冷凝水），沼气
（未冷凝的空气）和固体碳化物。
低温碳化：碳化前无需干化，碳化时加压至10MPa
左右，碳化温度为315℃，碳化后的污泥成液态，
脱水后的含水率达50％以下，经干化造粒后可以
作为低级燃料使用。
②.污泥碳化设备：①外热式转炉
②外热多级螺旋式
③内热式转炉
体体积庞大,生物气中甲烷含量低。
第⑧种的湿法氧化又称部分焚烧，属于焚烧类型。其主要缺点是工程运行设备较高，耗电大，噪音大，容器要耐腐蚀性强，反应塔热交换器需常清洗，不能除臭。
针对上面的污泥处理过程中产生的缺点，于是提出了污泥碳化技术。 污泥在无氧或低浓度氧下被加热使之蒸发焚烧，污泥中的水分被蒸发出来，同时污泥中的有机物也被碳化了。和其他污泥处置方法相比，污泥碳化的主要优点是：① 污泥减量化：碳化后的污泥含水率很低，污泥体积减少很多； ② 无臭味，无有毒气体；
③ 碳化后的污泥可以做活性炭，资源再利用； ④ 没有二次污染；
⑤ 碳化污泥可以做脱水剂，甚至燃烧； ⑥ 碳化污泥可以做建材，如吸水式陶瓷； ⑦ 产生可燃气可回收做热源，无爆炸着火危险； 2.污泥碳化技术的工艺介绍及过程
①.污泥碳化的分类： 1.高温碳化：碳化时不加压，温度为649-982度，先
将污泥干化至含水率约30％，然后进入炭化炉高温碳化造粒。
2.中温碳化：碳化时不加压，温度为426－537℃，先
将污泥干化至含水率约90％，然后进入炭化炉分解。工艺中产生油，反应水（蒸汽冷凝水），沼气（未冷凝的空气）和固体碳化物。
低温碳化：碳化前无需干化，碳化时加压至10MPa
左右，碳化温度为315℃，碳化后的污泥成液态，脱水后的含水率达50％以下，经干化造粒后可以作为低级燃料使用。
②.污泥碳化设备：①外热式转炉 ②外热多级螺旋式 ③内热式转炉
下面以外热式转炉为例，列举其工作过程。 1.碳化炉的构造：如下图所示：
2.碳化过程： 在碳化过程中，脱水污泥的投加方式有两种，一种是干燥投加法，另一种是直接投加法。对于干燥投加法来说，脱水污泥先在带有搅拌器的回转干燥机中，干燥到40%，形成mm级颗粒，然后加入到炭化炉中，隔绝空气，加温到700℃~800℃，碳化30分钟~60分钟。而对于直接投加法来说，则不需要经过干燥。两者在处理过程中的挥发成分差别不大，但碳化污泥的粒径有所差别，详见下图。
下面是具体的干燥碳化流程见下图。
外热式转炉内设有内筒和外筒，经干化的污泥由投加机的螺旋进料器送至炭化炉。在碳化过程中，内筒缓慢的转动，污泥在内筒受热进行热分解。起先温度达到200℃~500℃时约有75%的有机物分解成干化气（水，二氧化碳，一氧化碳），加温到800℃时产生干馏气和碳化物，其中干馏中含有一氧化碳、氰基、氨等。热分解产生的干馏气用鼓风机导致热风炉。热风炉排出的干馏气会在850℃完全燃烧除臭。气体的热量以不自然为宜，所以可用煤油、柴油、LPG等作为辅助燃料。热风炉排出的气体送至转炉外筒，从内筒壁间接加热的污泥排出。这样利用燃烧气加热污泥，可以大大减少能源成本。
3.污泥碳化成果技术分析
① 和焚烧相比，污泥碳化的一个最大优点就是没有二次污染。下表为某运行过程中排气分析成果：
从上面列表中可以看出，所排放的气体各物质浓度均很低，尤其是二噁英几乎不存在，使得排气处理更为简单。
②.碳化污泥成分：经过炭化炉的碳化，约有80%的有机物被分解汽化，剩余的20%有机物被碳化。在剩余碳化污泥中，固定碳占25%~40%，灰分占50%~70%，粒径为1mm~5mm的黑色粒状碳化物。这些粒状碳化物具有以下特性： ① 密度小，质量轻；② 孔隙多，比表面大； ③湿润时可吸附污泥体积30%~40%的水分；④良好的脱色除臭性能；⑤吸收太阳光热量的效能高；⑥富含热值；⑦适合微生物在其表面生长；
从上面的特性中我们可以看出，该黑色粒状碳化物性能和木炭，活性炭类似。经统计实验得，该黑色粒状碳化物的比表面积比活性炭小，大致和木炭相同（约10-90M2/g）.总微孔容积为活性炭的1/5~1/10左右。相对密度为0.35~0.45，重量和木炭相似。具体参数见下表：
③.碳化污泥的有效利用：根据上述黑色粒状碳化物的特性，目前碳化污泥有着很广的应用前景。
① 利用其孔隙多比表面积大的特性经常用于污泥活性炭，做吸附剂和用来除臭。 和传统的商品活性炭相比，污泥活性炭的含碳量略显低些，只有177~700mg/g。但是实际的实验表明污泥活性碳在处理有机废水时，COD吸附容量和吸附平衡时间却优于商品活性炭。而且用过的污泥活性炭如果不能再生，可以用于燃料。另外，污泥活性炭对含铅废水的吸附具有很高的效率，最高去除率能达到70%左右。在除臭方面，碳化污泥对污泥处理过程产生的硫化氢和甲基硫醇具有良好的脱臭效果。
② 因其吸收太阳光热量的效能高，本身在空气中会吸收氧而发热升温，所以常用于融雪剂。
③ 绿化利用：碳化污泥可以改进土壤的透水性、透气性、保水性，有吸附肥料成分而缓慢释放的性能，常用于土壤改良和园艺用土。例如，金鱼草的栽培和报春花等园艺栽培用土，施肥超量时碳化会控制供给养分，不受浓度的影响。而且用碳化物改进时，植物生长比常规方法要茁壮。
④ 因其湿润时可吸附污泥体积30%~40%的水分的特性，常用于吸湿剂和脱水剂。在压滤机脱水过程中，通常我们需要助剂，一般使用的是消石灰和氯化亚铁。如果在压滤机中加入碳化污泥，脱水污泥将降低1%~3%。下图为压滤机脱水碳化物添加效果：
⑤ 因污泥中的灰分成分较多，而且其具有吸水的作用，所以也可以用来做材料，目前应用较多的是做成吸水性陶管，工业产值较高。
⑥ 燃烧：根据美国一家能源公司生产出来的碳化物知，经碳化后的污泥仍有很大的比热能，其燃烧值和褐煤相当，而且燃烧时的污染物排放比煤要少的多。所以碳化物作为燃烧物也有很大的潜能。
4.污泥碳化技术的应用举例
日本静冈县污泥碳化工艺：主要由污泥贮存设备、干化设备、碳化设备、排气净化设备等组成。原脱水污泥的含水率为85%，干燥设备的处理能力为5.6M3/d,运转时间为15小时，加热方式为热风间接加热，燃料采用柴油，集尘机采用袋滤机，碳化设备为外热式旋转炉。污泥碳化工艺流程如下图所示：
从污泥加料口投入脱水污泥，在进泥斗下部的输送装置将污泥送至干燥设备。脱水污泥在干燥机内一边搅拌一边从热风炉供给热风进行有效的干燥。从干燥机排出的气体，部分进入热风炉，作为干燥热源的利用。干燥后的污泥在污泥斗内停留后送至碳化设备。炭化炉为圆筒状和加热套管构成，是外热式旋转炉。炉内投入干燥污泥由燃烧炉的热风间接加热。由于颅内加热产生的气体吸附排放减压，在低氧环境下运转。生成的碳化污泥经冷却装置冷却排出。 碳化产生的臭气、分解气导入干馏燃烧炉，在燃烧的同时脱臭。燃烧气可作为热源有效的利用。排气冷却后由集尘装置排出。为稳定的运转，采用监视控制，对温度、压力进行最佳的控制，以确认风门的开度、设备温度、排气浓度等运转状况。
碳化后的污泥作为处理厂附近的高尔夫球场化雪材料，每年用量为60吨，几年来已使用100吨左右，主要是利用碳化物的黑色吸热性能。
三、我国碳化技术应用的可行性分析
根据调查发现，目前我国有80%的污水处理厂都是采用简单的浓缩，脱水来处理污泥的，只有不到20%的污水厂是采用稳定化处理污泥。而且污水处理厂即使对污泥进行了浓缩脱水处理，往往也达不到要求，污泥的含水率较高，污泥处理的不到位不但增加了运输的难度，而且对运输路线周边环境带来威胁。更为严重的是给后续的污泥处置带来极大的不便：堆肥时，满足不了含水率的要求；填埋时，达不到垃圾填埋场的准入条件，垃圾场拒收污泥；焚烧时，达不到污泥焚烧时的热值，同时耗费过多的热量，造成严重的大气污染。现以杭州七格污水厂为例，分析碳化技术在我国的可行性研究分析：
杭州七格污水厂位于杭州市下沙经济技术开发区迎宾路南侧七格村内，紧邻钱塘江江堤。污水处理工艺采用具有脱氮除磷功能的A/A/O法，总规模为日处理60万左右。七格污水厂采用的工艺也是污泥浓缩脱水。从初沉池和二沉池出来的污泥先经浓缩，含水率从99%降到96%，然后经由泵送至压滤机和离心机上脱水，从原来的96%降到70%到75%左右。七格污水厂每天产生含水率70%~75%的污泥1200吨。这些污泥最终的去向主要是外运和填埋。
根据我国目前污泥填埋的费用知，当前污泥填埋的费用大约在50~100元/吨，这里取65元每吨，因七格污泥现在外运很少，所以假设污泥全部填埋，则七格每天用于填埋的成本为：65120078000元。如果采用污泥碳化技术则：如果污泥采用先干燥再碳化的处理工艺，那么需要燃料费用为124元/吨，电费和药剂费等15元人民币/吨左右，人工费5元/吨左右，仪器设备取二十年计算，则每吨污泥的折价费用为40元左右，所以碳化成本最终大约为：124+15+5+40=184元/吨。
碳化污泥的回收成本：平均每吨污泥能产生140千克碳化污泥，在这140千克污泥中，固定碳占了25%~40%，取35%，如果全部用作污泥活性炭则每吨污泥最终能产生1400.354kg9污泥活性炭。按照市场价，污泥活性炭能卖到3000~5000元/吨，取3500，则能回收成本：493500/1000171元。则最终每天获利：78000(184171)120062400元。
另外还可以利用一些无用热源去降低更低成本。例如，如果污水处理厂边上有热
如果污水处理厂的旁边有热电厂，那么我们就可以利用热电厂的烟气去干化脱水污泥，碳化后的污泥如果不用做污泥活性炭，那么也可以当作燃料作为热电厂的辅助燃料，这样碳化成本将降低很多，而且也可以为热电厂每年节约上百万的能源费。由此可以看出，污泥的碳化技术在我国还是有很大的发展潜力的。
四、总结
在当前这种能源危机，环境恶化的条件下，污泥碳化因其没有二次污染，因其变废为宝，因其实现资源的再生化必将会成为新一代污泥处理技术的新辟。作为给排水学者，我们要做的就是发扬污泥碳化，或者在污泥碳化的基础上，寻找一种更简单有效的方法，更进一步的去研究污泥碳化，例如研究能否在低压低温的条件下进行碳化，又或者用活化剂等。希望在未来污泥碳化能成为主流。
参考资料：
1.《污泥处理技术及资源化利用》 化学工业出版社
2.《污泥处置》 中国建筑工业出版社
3.《污泥资源化技术》 化学工业出版社
4．《水处理新技术与能源自给途径》机械工业出版社
5．《城市污泥处理》
6．《城市污泥处置及资源化》
7．《中国建设信息水工业市场》-数字杂志