一：什么是污泥碳化

    將市政生化污泥中的細胞裂解，強制脫出污泥中水分，使污泥中碳含量比例大幅度提高的過程叫做污泥碳化。由于生化污泥中大量生物細胞的存在，采用機械方法將其中的水分脫出十分困難，若將其中的細胞破解，其中的固體物質(zhì)和水分將很容易分離。脫水后的污泥碳化物含水量極小，發(fā)熱值相對較高，孔隙率大，松散，黑色，與煤炭外觀極為相似。

    日本在最初研究時，將這種處理技術(shù)稱為“炭化”，示意處理后的生物質(zhì)固體有如木炭一般。歐美等國在最初研究時，使用了“Carbonization”一詞，譯為“碳化”，后來日本的資料中也多采用“碳化”代替“炭化”。學(xué)術(shù)界將此項技術(shù)歸為“熱分解”或“裂解”，英文均為Pyrolysis。

    二：污泥碳化發(fā)展的歷史

    早在上世紀80年代，美國、加拿大和日本的科學(xué)家就開始了污泥碳化的研究。1980年，加拿大曾經(jīng)建設(shè)了一個每天可處理25噸污泥的碳化試驗工廠；1986年，日本通產(chǎn)省開展了污泥碳化的研究；1978至1990年間，美國有許多關(guān)于污泥碳化的專利。上世紀90年代，美國、日本、澳大利亞等國相繼研發(fā)出各種各樣的污泥碳化裝置。2000年以后日本的高溫碳化技術(shù)和美國的低溫碳化技術(shù)已經(jīng)相繼成熟。各種各樣的生產(chǎn)性裝置相繼投入運行。2008年10月，美國Enertech公司在加州Rialto建設(shè)了日處理能力達到750噸脫水污泥的低溫碳化廠。

    中國在2000年以前目前還沒有一個真正的污泥熱分解試驗裝置。1996年，何品晶，顧國維，紹立明等人就曾經(jīng)在《中國環(huán)境科學(xué)》雜志上介紹過污泥熱分解技術(shù)。在這之后，武漢工業(yè)大學(xué)和上海同濟大學(xué)均在試驗室中進行過污泥熱分解的試驗。試驗結(jié)果與目前國外幾個廠家所得出的結(jié)論基本相同

    2005年，日本高溫碳化技術(shù)開始在中國幾個大城市宣傳和推廣，但由于當(dāng)時污泥處置問題在各個城市中尚未得到高度重視，加之高溫碳化設(shè)備價格高昂，技術(shù)推廣在中國受阻。2012年初，采用日本高溫碳化技術(shù)，日處理能力為10噸脫水污泥的生產(chǎn)線在武漢正式投產(chǎn)運行。

    2006年，天津機電進出口有限公司開始了污泥低溫碳化的研究。2009年3月，日處理能力為5噸脫水污泥的生產(chǎn)線通過了天津科學(xué)技術(shù)中心的鑒定。2010年，山西國際能源集團與天津機電成立了以推廣污泥低溫碳化技術(shù)為主要目標(biāo)的正陽環(huán)境工程有限公司，天津機電以污泥低溫碳化技術(shù)入股。山西國際能源自有污水處理廠9座，2010年6月，山西國際能源決定在其自有的晉中市第二污水處理廠內(nèi)建設(shè)一座日處理脫水污泥100噸的污泥低溫碳化車間，并得到山西省發(fā)改委的批準和部分資助。2011年8月，中國第一座采用污泥低溫碳化技術(shù)的污泥處置工廠正式運行。2012年10月，該項目通過了山西省發(fā)改委組織的晉中市城區(qū)污泥處置試點工程項（污泥低溫碳化技術(shù)）后評價會議。

    三：晉中污泥低溫碳化工程的成果

    項目概況：

    項目名稱：晉中市城區(qū)污泥處置試點工程

    項目建設(shè)單位：山西正陽污水凈化有限公司（國際能源全資控股）

    工程規(guī)模：100噸脫水污泥/天

    項目地點：山西省晉中市第二污水處理廠內(nèi)

    占地面積：1500平方米（其中車間占地864平方米）

    開工日期：2010年12月


完工日期：2011年6月

    投入運行：2011年8月

    經(jīng)濟指標(biāo)：

    項目概算：3591萬元

    運行費：126元/噸濕污泥（燃煤），180元/噸濕污泥（燃天然氣）

    其中：

    若采用煤炭合計：35元

    若采用天然氣合計：89元

    電力合計：32元

    藥劑合計：28元

    人工及管理：31元

    技術(shù)指標(biāo)：

    進水污泥含水率：80%±5%

    碳化脫水后含水率：50%以下

    碳化物烘干后含水率：30%以下

    低位發(fā)熱值

    原始脫水污泥：1.74MJ/kg（415大卡/kg，一般400~500大卡/kg）

    裂解脫水污泥：9.01MJ/kg（2152大卡/kg，一般2000~2200大卡/kg）

    裂解烘干污泥：12.16MJ/kg（2904大卡/kg，一般2500~3000大卡/kg）

碳化后污泥脫水裂解液指標(biāo)（回流至污水處理廠反硝化段）：

    BOD5：8950mg/L

    COD：19200mg/L

    TN：1810mg/L

    TP：199mg/L

    其他指標(biāo)：

    臭氣排放：合格

    煙氣（硫）：合格

    煙氣（顆粒）：合格

    四：污泥低溫碳化工藝原理

    污泥低溫碳化的原理非常簡單，由于市政污水處理廠多數(shù)采用活性污泥法處理污水，剩余污泥脫水后，內(nèi)部含有大量的生物細胞，機械方法很難將其中與細胞有聯(lián)系的水分脫出。污泥低溫碳化就是采用低溫（300℃以下），中壓（10MPa以下），將污泥中的細胞裂解，裂解后的污泥再次脫水，水分很容易脫出，使污泥含水率降至50%以下。脫出水后的污泥樣似砂狀，很容易干燥，強制風(fēng)干可使含水率進一步降低至30%以下，自然風(fēng)干（3-5天）含水率可達10%以下。

    含水約80％的污泥首先切碎，進入高壓泵，經(jīng)過預(yù)熱和加熱進入反應(yīng)釜，在反應(yīng)釜反應(yīng)一定時間后，就變成了裂解液，污泥從原來的半固體狀態(tài)變成了液態(tài)。液態(tài)裂解液經(jīng)普通脫水裝置即可將其中75％的水分脫出，達到含水率50％，體積減小為原來的40％以下。如果脫水后的污泥進一步烘干，即可達到含水率30%以下。

    污泥低溫碳化原理很簡單，做一個污泥低溫碳化試驗很容易，很多大學(xué)的實驗室都可以完成。但由于污泥的粘稠度很高，流動性很差，要制作一套連續(xù)運行的系統(tǒng)，絕非易事。污泥低溫碳化的許多專利和技術(shù)，大部分都是在解決污泥流動性的問題。晉中市第二污水處理廠的污泥低溫碳化系統(tǒng)就是在解決了污泥流動性問題的基礎(chǔ)上完成的

    污泥中有多種雜質(zhì)，對設(shè)備的損害很大，一些堅硬的雜質(zhì)（如石塊、金屬），會造成設(shè)備的快速磨損。污泥低溫碳化工藝中使用了許多加壓泵、閥門和換熱器。在項目的實施過程中，通過制造廠家的通力協(xié)作，在一些關(guān)鍵設(shè)備中，設(shè)計了許多過濾設(shè)備和耐磨材質(zhì)，使得設(shè)備的磨損問題得到了很好的解決，設(shè)備得以長期連續(xù)運行。

    六：污泥低溫碳化技術(shù)的前景

    污泥低溫碳化是一種低成本污泥處理技術(shù)，它的低成本體現(xiàn)在兩個方面。一方面是投資成本低，由于它的技術(shù)簡單、工藝流程短，工藝中使用的絕大部分設(shè)備為中國目前已經(jīng)非常成熟的化工設(shè)備（如換熱器，反應(yīng)釜，柱塞泵等），使得該技術(shù)的投資大大減少；另一方面是運行成本低，通過連續(xù)運行中的熱量回收，污泥實際的凈升溫不超過100℃，整個工藝中污泥中的水分不蒸發(fā)，避免了蒸發(fā)熱所需要的大量能量。

    污泥低溫碳化工藝占地面積很小，與污水處理廠原有的脫水機房相當(dāng)。這就為在污水處理廠內(nèi)進行污泥處置創(chuàng)造了條件。

    污泥低溫碳化技術(shù)的前景有如下幾個方面：

    （1）取代傳統(tǒng)工藝，獨立實現(xiàn)污泥的處理和處置；

    （2）作為干化、焚燒和堆肥的前處理工藝，用很低的投資和很小的運行費用首先將污泥總體積減少60%，極大的降低了污泥處置的總投資和運行成本；

    （3）該技術(shù)可以應(yīng)用于對其他類似的生物質(zhì)固體的處理，例如秸稈，椰殼等。