通源环境：市政污泥高干脱水热解炭化组合工艺的开发和应用

“绿色生态，和谐自然”是环境人的共同梦想，环境企业为绿色发展都贡献着自身力量。在自身领域精专做强，这其中少不了企业的核心技术团队的努力奉献，昼夜拼搏。作为圈层企业技术专家开放长期发声平台，E20通过征文形式汇集多企业的核心技术特点、优势以及与该技术匹配的经典案例，E20愿以企业为核心建立企业技术团队专家库，促进企业的技术优势在实际项目中的应用以及该技术的发展方向和创新。后续E20旗下中国水网/中国固废网/中国大气网微信和网站，将持续发布此系列内容。今天特别发布安徽省通源环境节能股份有限公司的技术及案例。

来源：中国水网    

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一．前言

市政污泥指在城镇污水处理过程中产生的半固态或固态物质，污泥的不当处置将对环境造成恶劣的影响。据E20研究院数据显示，2018年中国市政污泥产生量超过4500万吨，2020年总产生量将超过5000万吨，“十四五”期间年复合增长率将达到5%左右。但由于行业内长期“重水轻泥”，导致污泥处置无害化、资源化面临诸多难题，污泥处置未同步跟上，我国污水处理厂所产生的污泥有80%以上没有得到妥善处理，随意倾倒、堆放和填埋导致二次污染严重、污染减排效果大打折扣。

近年来，随着环保部将污泥妥善处理处置纳入污水总量减排考核，将促进综合建设投入低、运营效果稳定、资源化利用高的技术发展，污泥市场有望迎来高速增长，政策由“重水轻泥”向“泥水并重”转变，驱动污泥处置的资源化与无害化进程。

前期市政污泥处理处置主要集中在脱水减量化、石灰稳定化后进行生活垃圾混合填埋，由于污泥脱水稳定技术投资低，运维价格低，被各地方政府采用，其主要占污泥处理处置项目的80%。但由于市政污泥脱水稳定后混合填埋存在占用土地资源、存在二次污染风险，污泥脱水稳定混合填埋近年来逐渐被取缔。近年来，市政污泥已经从过去单一的脱水稳定后混合填埋处置转变为填埋、高温堆肥或者厌氧消化后产物土地利用、热处理（热干化、热解炭化、焚烧、协同焚烧）后产物进行建材利用等兼而用之的多种处置利用方式。但由于存在土地利用，公众担心有毒有害物质，园林绿化也无法消纳过多污泥，导致市政污泥处置后未能真正实现资源化利用的目的。同时，市政污泥处置过程中存在的二次污染风险和处置利用成本过高等问题制约了污泥处置利用行业的发展。

公司研发的市政污泥“高干脱水+热解炭化技术”解决了前期污泥处置利用的瓶颈，真正实现了市政污泥的减量化、无害化和稳定化，最终产物污泥基生物炭能够有效利用在园林营养土复配材料、土壤修复基质土和吸附材料复配原料。

二．工艺技术的依据

湿污泥含水率较高，通常≥80%，若通过加热蒸发该部分水分，热量需求很高，能耗成本高，且易产生臭气污染，故采用机械脱水的方式先脱出大部分水分，再进行热解炭化。

国外学者Vesilind 和Marte 提出污泥中所含的水分主要有四种，即自由水、间隙水、表面水和结合水。自由水是指没有与污泥颗粒结合的水分，它可以通过重力浓缩去掉。间隙水是指胶羽和有机物之间的裂缝、间隙中的水分，它需要通过机械脱水才能脱除。表面水是指由于水分子的分子结构，被固定在污泥颗粒表面的水分，它不能被机械脱水去除。结合水是指经过水合作用，通过化学方式与颗粒结合的水分，可以加热破坏颗粒而释放。

由于不同水分与污泥颗粒的结合方式和能力各不相同，去除它们所需要的能耗也不同。自由水或调质释放出来的吸附水可通过重力浓缩去除，所需要的能耗约为10^-3kWh/m³;结合水通过机械脱水去除，所需要能耗约为1kWh/m³；细胞水通过热处理去除，所需要能够约为10³kWh/m³。由此可见，浓缩工艺的能耗大大低于机械脱水工艺的能耗，机械脱水工艺的能耗又大大低于热处理工艺的能耗，因此我们可以得出这样的污泥处理原则：尽量采用浓缩法和机械脱水法去除更多的水分，来减少后续热处理的污泥量和蒸发量，可以大大节省总能耗。

三．工艺技术

3.1工艺技术的理论基础

污泥热解是利用污泥中有机物的热不稳定性，在无氧条件下对其加热，使有机物产生热裂解，有机物根据其碳氢比例被裂解，形成利用价值较高的气相（热解气）、和固相（固体残渣），这些产品具有易储存、易运输及使用方便等特点,给污泥的减量化、稳定化、无害化、资源化提供了有效途径。

根据热解过程操作温度的高低可分为低温、中温和高温热解，在500℃以内的为低温热解，500℃-800℃为中温热解，800℃以上的为高温热解。影响热解过程及产物产率及组成的因素有热解温度、压力、升温速率、气固相停留时间及物料的尺寸等，其中热解温度是最主要影响因素。

3.2工艺系统组成

高干脱水+热解炭化技术是由“高干脱水系统、干化炭化系统、生物炭资源化利用系统、主供热系统、辅助供热系统、烟气处理系统”等组成，实现市政污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化。

3.3工艺流程

 “高干脱水系统”使用化学方法或电化学方法对污泥进行调理改性，改善污泥脱水性能，然后通过高干脱水设备使污泥含水率降低至50%左右，初步实现减量化。“干化炭化系统”利用有机物的热不稳定性将有机物热解，热解产生的热解气引入主供热系统燃烧作为补充热源，残碳固定在污泥基生物炭中，热解气和补充燃料燃烧产生的高温烟气提供热解炭化的能源需求，热解炭化的余热烟气提供干化的能源需求，分梯度对热量进行高效利用，污泥经干化、炭化处理后得到的污泥基生物炭可作为资源化利用。干化炭化过程中产生的废热烟气经烟气处理系统处理后达标排放，高干脱水产生的滤出水和烟气喷淋产生的喷淋废水经水处理设施处理后达标排放。

3.4工艺技术创新点

（1）选用符合炭化工艺的聚硅铝铁盐和聚醚胺类复配药剂进行调理，满足干化炭化工艺前的调理脱水要求，形成高干脱水热解炭化组合处置技术。

（2）在无二次动力的情况下将污泥热解气直引入二次燃烧炉内燃烧，在管道外设置电热装置进行伴热并进行保温设计，保证热解焦油呈现气化状态，在管内设置无轴反转切刀螺旋进行间歇式管道清理，避免焦油在管道内结焦。

3.5技术特点

（1）将污泥高干脱水和污泥炭化有效结合，形成污泥高干脱水炭化处置技术，污泥脱水调理采用不含氯离子的无机调理剂和有机调理剂复合进行高压板框脱水后，污泥泥饼含水率降低至60%以下，减少了污泥水分的蒸发量，将获得后的泥饼进行热解炭化，极大地降低了热解炭化的热能耗。

（2）污泥热解过程中产生的热解气烷类（C_mH_n）、一氧化碳（CO）、焦油等可燃气体及水蒸气（H₂O）通过保温伴热管引入二燃室进行燃烧，通过高温风机风压梯度变化在炭化炉体内和二次燃烧炉之间形成负压差，在无二次动力的情况下将热解气由炭化炉体内引入二次燃烧炉内进行燃烧。此工艺技术既解决了副产物焦油的二次处理问题，又将污泥中一部分有机质的热值充分利用，降低了干化炭化过程中外部热源的能耗，同时通过燃烧将热解气中的大分子化合物转化为二氧化碳（CO₂）和水蒸汽（H₂O）简化了排放烟气组分。

（3）通过高干脱水炭化处置技术工艺组合可将污泥含水率降低至3%以下，形成的污泥基生物炭水溶性低，减容率达到85%以上，性能满足园林营养土的标准，实现了污泥最终的减量化、无害化、稳定化和资源化。运行过程中能耗充分利用，彻底实现了低成本高效处置污泥的目标。

四．工程案例

无为市城区污水处理厂污泥处理处置工程

工程规模：50吨/日污泥（含水率80%计）。

占地面积：3300m²。

图4-1 无为项目外景及炭化系统

4.1工艺路线：

采用高干脱水+热解炭化的工艺路线，具体如下：

将城东污水处理厂含水率99.2%的污泥浓缩后与无城污水处理厂污泥（含水率80%）混合，通过投加调理药剂改变污泥的亲水性能，使污泥高压深度脱水变的可行。调质后的污泥进入改性储罐，然后经过过高压进料泵送入高压板框压滤机进行深度脱水，使污泥的含水率降到60%以下，通过输送系统运输至炭化车间进行进一步处理。利用生物质燃料为热量来源先对污泥进行干化，含水率降低到20%左右，然后在炭化炉中进行热解炭化反应并最终得到炭化物；同时产生的热解气回收供炭化炉供热系统使用，节约辅助能源消耗量。

4.2性能指标和关键参数

表4-1 无为项目主要性能指标和参数

4.3二次污染控制情况

污泥处理过程中，对废气、废水、噪音、固废经过处理处置及控制措施，保证各项指标排放符合标准要求和环评要求，主要内容如下：

（1）有组织废气经过SNCR+旋风除尘+酸碱喷淋洗涤+冷凝工艺，烟气达到《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)表2中二级标准限值要求；

（2）脱水车间废气经收集系统收集进入离子除臭系统处理后符合《恶臭污染物排放标准》（GB14554-93）表1中二级标准限值要求；

（3）脱水车间产生的压滤液及炭化车间喷淋塔产生的废水经混凝调节工艺处理后符合《污水综合排放标准》（GB8978-1996）表4中三级标准要求，排放城东污水厂处理排放；

（4）污泥热解炭化产物（污泥基生物炭）满足《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》GBT23486-2009要求,外运至周边生物肥厂家作为园林绿化用肥生产原料资源化利用；

（5）对产生声音较大的风机和设备隔音处理，保证噪音满足《工业企业厂界环境噪声排放标准》(GB12348-2008)中 2 类标准限值要求。

4.4.投资和运行费用分析

表4-2 无为项目投资和运行费用

4.5.项目获奖情况

无为市污泥集中处置中心项目获得中国战略性新兴产业环保联盟颁发的《固体废物处理及污染治理典型技术案例奖》

图4-2荣誉证书

本文作者

何光亚，高级工程师，毕业于合肥工业大学环境工程专业，硕士学位。长期从事固废资源化的技术研发和工程应用工作，目前就职于安徽省通源环境节能股份有限公司，担任技术总监。

从业期历任工艺工程师、技术部经理和技术研发总监等岗位，期间获批多项工艺技术专利，并在国内外刊物发表多篇论文，参与国家重点基础研究发展规划(973)项目《秸秆为碳源硫酸盐还原菌生物矿化动力学和介观尺度研究》 ，作为主要完成人参加安徽省重大科技专项《污泥高干脱水炭化一体化技术和设备》，参与的《基于污泥机械高干脱水的钢结构板框压滤机关键装备研制与应用》技术获得安徽省科技进步三等奖。带领团队开发了市政污泥“高干脱水+热解炭化处置利用技术”并顺利进行工程应用，并主持编写了《安徽省城镇污水处理厂污泥高干脱水炭化处置技术导则》。

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2020年，E20研究院重磅发布系列报告，近日推出水务领域战略规划指南（总裁报告）、固废领域战略规划指南（总裁报告），水务领域总裁报告对2019年水务行业的政策指向、市场机会、项目模式、合作态势之间的变化情况进行系统性分析，涉及污水、管网、供水、村镇污水、水环境、工业污水、市政污泥等领域；固废领域总裁报告追踪2019年固废行业热点焦点话题，分析行业趋势走向，政策、市场、项目、合作等进行系统分析，涉及无废城市、垃圾分类、生活垃圾焚烧、生活垃圾填埋、环卫、有机废弃物、危险废弃物、建筑垃圾、土壤修复等各大热点领域，为企业战略决策提供价值参考。