1 什么是污泥碳化

　　市政污泥中含有可燃物質(zhì)，尤其是生化污泥（二沉池排出的剩余污泥），由于其中含有大量的活性污泥細(xì)菌，可燃物質(zhì)量更大。根據(jù)上海、天津等地的污泥發(fā)熱量試驗(yàn)，中國(guó)市政污泥中的發(fā)熱量約為2200－3300大卡/噸干物質(zhì)。其中消化后的污泥發(fā)熱量較低，一般僅為未消化污泥的70％左右。夏季污泥的發(fā)熱量比冬季低。

　　所謂污泥碳化，就是通過給污泥加溫和加壓，使生化污泥中的細(xì)胞裂解，將其中的水分釋放出來，同時(shí)又最大限度地保留了污泥中碳質(zhì)的過程。污泥碳化的優(yōu)勢(shì)在于，污泥碳化是通過裂解方式將污泥中的水分脫出，能源消耗少，剩余產(chǎn)物中的碳含量高，發(fā)熱量大，而其它工藝大多數(shù)是通過加熱，蒸發(fā)的方式去除污泥中的水分，耗能大，灰分中的碳質(zhì)低，利用價(jià)值小。

　　1.2 污泥碳化的發(fā)展世界上污泥碳化技術(shù)的發(fā)展分為以下三個(gè)階段。

　?。?）理論研究階段（1980－1990年）。

　　這個(gè)階段的研究集中在污泥碳化機(jī)理的研究上。這個(gè)階段一個(gè)突出特點(diǎn)就是大量的專利申請(qǐng)。Fassb ender, A.G等人的STORS專利，Dickinson N.L污泥碳化專利都是在這期間申請(qǐng)和批準(zhǔn)的。

　　（2）小規(guī)模生產(chǎn)試驗(yàn)階段（1990－2000年）。

　　隨著污泥碳化理論研究的深入和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的成功，人們開始思考將污泥碳化技術(shù)轉(zhuǎn)變成為真正商業(yè)化污泥處理的裝置。在大規(guī)模商業(yè)化之前，為了減少投資風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)性試驗(yàn)（Pilot Trial）。通過這些試驗(yàn)，污泥碳化技術(shù)開始從實(shí)驗(yàn)室走向工廠。這期間設(shè)計(jì)和制造了許多專用設(shè)備，解決了大量實(shí)際工廠化的技術(shù)問題。這個(gè)階段的特點(diǎn)如下：

　　規(guī)模小。例如1997年日本三菱在宇部的污泥碳化廠規(guī)模為20噸/天；1992年，日本ORGANO公司在東京郊區(qū)建了一個(gè)污泥碳化試驗(yàn)廠；1997年Thermo Energy 在加利福尼亞州Colton市建立了一個(gè)污泥碳化實(shí)驗(yàn)廠規(guī)模為每天處理5噸干泥。

　　試驗(yàn)資金來自大公司和政府，而不是商業(yè)用戶。例如，在日本的試驗(yàn)均來自大公司，在加州的試驗(yàn)資金是來自美國(guó)EPA。

　?。?）大規(guī)模的商業(yè)推廣階段（2000－）。

　　除了污泥碳化技術(shù)逐漸成熟的因素以外，導(dǎo)致污泥碳化技術(shù)大規(guī)模商業(yè)推廣還有其他因素。

　　在日本，80％的污泥的最終處置方法是焚燒。但由于近年來發(fā)現(xiàn)焚燒存在二惡英污染的隱患，所以日本環(huán)保部門對(duì)焚燒排除的氣體提出了更加嚴(yán)格的要求，使得本來成本就很高的焚燒工藝的成本更加提高。為了取代焚燒工藝，目前，日本已經(jīng)有多家公司生產(chǎn)和銷售碳化裝置。比較著名的有荏原公司的碳化爐，三菱公司橫濱制作所的污泥碳化裝置，巴工業(yè)公司每天處理10噸，30噸的污泥碳化裝置。2005年日本東京下水道技術(shù)展覽會(huì)上，日本日環(huán)特殊株式會(huì)社甚至推出了標(biāo)準(zhǔn)的污泥碳化減量車。該車可以隨時(shí)到任何有污泥的場(chǎng)所對(duì)污泥進(jìn)行碳化。這些發(fā)展表明，碳化技術(shù)已趨于成熟。同時(shí)可以查看中國(guó)污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

　　在美國(guó)，很多州的污泥過去都采用填埋。由于發(fā)現(xiàn)污泥中包含的有害物質(zhì)對(duì)地下水的污染，未處理污泥填埋后造成填埋場(chǎng)對(duì)環(huán)境的危害，美國(guó)EPA頒布了新的填埋標(biāo)準(zhǔn)。過去的未達(dá)標(biāo)的污泥（Class B污泥）將不再允許填埋，只有達(dá)標(biāo)污泥（Class A污泥）才允許填埋。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的頒布，使得現(xiàn)有的污水處理廠只有投入巨大的污泥處置成本，才能對(duì)其污泥進(jìn)行處置。另外，現(xiàn)有的填埋場(chǎng)已經(jīng)接近飽和，開辟新的填埋廠越來越困難。為了達(dá)到EPA新的污泥處置標(biāo)準(zhǔn)和解決填埋場(chǎng)逐漸用盡的問題，2000年以后，在美國(guó)各個(gè)州，各個(gè)縣（County）的政府內(nèi)都建立了專門的污泥處置研究機(jī)構(gòu)，對(duì)可能的解決方案進(jìn)行可行性研究。在研究了一些傳統(tǒng)的污泥處置方案（如焚燒，堆肥，干化）的同時(shí)，新的污泥碳化技術(shù)開始進(jìn)入了政府的考慮范圍，例如在南加州大洛杉磯地區(qū)，經(jīng)過近2年的考察、比較，已經(jīng)決定要建立一個(gè)每天處理675噸污泥的碳化廠，由能源技術(shù)公司（Enertech Environmental Co.）建設(shè)、運(yùn)行。

　　1.3污泥碳化的分類:

　　（1）高溫碳化

　　碳化時(shí)不加壓，溫度為1,200 – 1,800°F（649－982℃）。先將污泥干化至含水率約30％，然后進(jìn)入炭化爐高溫碳化造粒。碳化顆?？梢宰鳛榈图?jí)燃料使用，其熱值約為2000－3000大卡/公斤（在日本或美國(guó)）。技術(shù)上較為成熟的公司包括日本的荏原，三菱重工，巴工業(yè)以及美國(guó)的IES等。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于其技術(shù)復(fù)雜，運(yùn)行成本高，產(chǎn)品中的熱值含量低，目前尚未有大規(guī)模的應(yīng)用。最大規(guī)模的為30噸濕污泥/天。

　?。?）中溫碳化

　　碳化時(shí)不加壓，溫度為800 – 1000°F（426－537℃）。先將污泥干化至含水率約90％，然后進(jìn)入炭化爐分解。工藝中產(chǎn)生油，反應(yīng)水（蒸汽冷凝水），沼氣（未冷凝的空氣）和固體碳化物。該技術(shù)的代表為澳大利亞ESI公司。該公司在澳州建設(shè)了一座100噸/日的處理廠。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于污泥最終的產(chǎn)物過于多樣化，利用十分困難。另外，該技術(shù)是在干化后對(duì)污泥實(shí)行碳化，其經(jīng)濟(jì)效益不明顯，除澳洲一家處理廠外，目前尚無其他潛在的用戶。

　?。?）低溫碳化

　　碳化前無需干化，碳化時(shí)加壓至10MPa左右，碳化溫度為600℉左右（315℃），碳化后的污泥成液態(tài)，脫水后的含水率達(dá)50％以下，經(jīng)干化造粒后可以作為低級(jí)燃料使用，其熱值約為3600－4900大卡/公斤（在美國(guó)）。

　　該技術(shù)的特點(diǎn)是，通過加溫加壓使得污泥中的生物質(zhì)全部裂解，僅通過機(jī)械方法即可將污泥中75％的水分脫除，極大地節(jié)省了運(yùn)行中的能源消耗。污泥全部裂解保證了污泥的徹底穩(wěn)定。污泥碳化過程中保留了絕大部分污泥中熱值，為裂解后的能源再利用創(chuàng)造了條件。

　　注：該分類為傳統(tǒng)意義上的分類，主要區(qū)別在于溫度控制范圍的不同以及是否增加壓強(qiáng)。

　　1.4污泥低溫碳化技術(shù)的廠家:

　?。?）EnerTech（能源技術(shù)）：

　　該公司1992年成立，技術(shù)名稱為SlurrycarbTM，該工藝是連續(xù)式的。其工藝是將污泥加壓至1000-1500 psig（70-100kg/cm2），通過熱交換器，加溫至400-450°F（204-232℃）。熱化分解反應(yīng)時(shí)，污泥中的有機(jī)物被分解，二氧化碳?xì)鈴墓腆w中被分離。

　　1999年8月美國(guó)能源部（DOE）撥款50萬美元，支持能源技術(shù)公司的污泥碳化技術(shù)開發(fā)，制造碳化中試裝置PDU（Process Development Unit）；2001年1月，能源技術(shù)公司與美國(guó)太空總署簽訂了2年的合同。能源公司利用污泥碳化技術(shù)開發(fā)出在太空倉轉(zhuǎn)化太空垃圾的原型裝置；2005年4月，在美國(guó)加州Railto建立一座每天處理625噸污泥的處理廠。工廠占地2.6公頃（6.4 arces），建在Rialto污水處理廠旁，每天約可生產(chǎn)140噸干的碳化顆粒。該工廠已經(jīng)于2006年4月在Rialto破土動(dòng)工，加州共有5個(gè)地區(qū)向該廠提供污泥，已經(jīng)全部與Enertech簽署了協(xié)議書。該廠已經(jīng)于2009年初完工投產(chǎn)。該廠生產(chǎn)的碳化物全部銷售給據(jù)該廠50英里外的三菱水泥廠。

　?。?）ThermoEnergy（熱能）：

　　熱能的工藝與EnerTech的工藝類似，熱能用活塞壓力系統(tǒng)，污泥（steam）是注入的而不是泵入的，有熱交換器。要求的溫度是600°F（315℃），壓力是2,000 psig（138kg/cm2）。

　　熱能的工藝是批處理，每批需20分鐘的反應(yīng)時(shí)間，有兩個(gè)并行的壓力活塞和反應(yīng)罐，這樣可以使整個(gè)工藝連續(xù)。處理后的污泥經(jīng)過壓力釋放系統(tǒng)，然后用離心方式脫水至50％的含固率。這個(gè)工藝產(chǎn)生的碳化物與EnerTech的產(chǎn)生的碳化物相同。該公司曾在美國(guó)加州Colton污水處理廠做了一個(gè)試驗(yàn)廠，目前沒有推廣的報(bào)導(dǎo)。