導讀
污泥碳化技術是近年來發展的污水廠污泥熱化學處理的方法之一。為促進污泥碳化技術發展和應用，由北控水務杭世珺工作室牽頭、聯合同濟大學和武漢普樂環境技術有限公司，依托國家污泥處理處置產業技術創新戰略聯盟，設立了污泥碳化技術的宏觀研究課題，開展污泥碳化技術發展、技術標準、工程建設標準等方面的研究。
課題負責人：戴曉虎杭世珺
技術負責人：羅臻陳德珍
課題組成員：陳云關春雨許文波楊東海劉志剛羅弘熙楊海余斌
報告分污泥碳化技術發展背景、技術與設備、國內外技術發展、相關法規和標準、總結與展望六個章節，內容非常詳實豐富，共分為三期推送，本期為前兩章。
隨著我國經濟的高速發展和城鎮化水平的提升，污水產生和處理量日益增加，我國污水處理規模已經躍居世界首位。根據住房和城鄉建設部最新數據，截止到2020年，我國已建成城鎮污水處理廠4326座，污水處理量達到2.2億立方米/日，由此產生的污泥量已突破6500萬噸/年（以含水率80%計）。污泥作為污水處理的過程產物，濃縮匯集了污水中的30%~50%污染物，具有“污染”和“資源”的雙重屬性，污泥的安全處理處置與資源化一直是污水處理領域的國際研究熱點。由于我國污泥處理起步較晚，長期以來以填埋處置方式為主，造成嚴重的二次污染和資源浪費。污泥處理處置是我國水污染防治中面臨的重大瓶頸問題，也是我國污水處理的短板之一。
近年來，隨著我國對污泥問題的重視，投入了大量的資金及研發力量，在生物穩定、脫水減量、熱化學處理處置等方面突破了一系列關鍵技術與重大裝備，相關國家政策相繼發布，逐步明確了污泥處理的要求和目標，污泥處理處置行業快速發展。目前，常用的處置方式主要包括土地利用、建材利用、衛生填埋等，相應的處理技術主要包括污泥厭氧消化、好氧發酵、干化焚燒、深度脫水等，逐漸呈現多元化的處理處置方式。
污泥碳化技術是上世紀90年代在日本和歐美發展而來的污泥處理新技術，2008年以后中國也逐步開展了污泥碳化的技術研究和工程應用。國內外工程應用的結果表明，和傳統的堆肥、焚燒等污泥處理技術相比，污泥碳化在能源有效利用、資源化、溫室氣體減排等方面表現出一定的優勢。因此，污泥碳化技術逐漸成為國際上污泥處理的研究熱點和新的發展方向。
污泥碳化技術雖然在中國已有十幾年的發展，但依然未能得到大規模推廣應用。為了更好地了解該技術的適用性和發展潛力，本研究將從技術、經濟、工程和政策法規等方面對國內外污泥碳化技術進行系統回顧，以期為我國污泥碳化技術的發展提供參考和指導。
01、污泥碳化技術發展背景/Sludge
1.1污泥碳化技術原理
污泥碳化是在無氧或缺氧條件下進行熱解處理，以獲得含碳固體產物為主要目標產物的污泥穩定化過程。有機物在碳化過程會發生分解，產物包括由低分子有機物、水蒸氣等組成的熱解氣、焦油、以及由固定碳和無機物為主的固體碳化物（日本、德國均將污泥碳化物歸類到生物炭（Biochar）（圖1）。由于水分的蒸發和熱解氣體的揮發，逐漸形成表面和內部孔隙發達、且富含固定碳的污泥碳化物（圖2）。污泥碳化物在生物、化學、物理等方面具有良好的穩定性，在多個領域均有較好的資源化利用前景。
1.2技術發展背景
歐美國家和日本在發展過程中都經歷過污水廠污泥處理處置的環境問題，對中國具有一定的借鑒意義。早期污泥處理處置方法簡單，以填埋、投海為主，由此帶來了嚴重的環境污染。隨著經濟發展和公眾環保意識的增強，各國政府對污泥處理處置的要求也逐步提高，并制定了相應的法規。
以日本為例，污泥處理處置的主要方式經歷如下變遷：
上世紀60年代以前：自然干化、直接填埋；
60年代：脫水、衛生填埋；
70年代：堆肥、土地利用；
80年代：開始焚燒，最大限度減量，焚燒灰填埋；
90年代：推廣厭氧消化，以回收污泥的能源；
90年代后期：提出污泥碳化技術方向，深度資源化利用。
目前，污泥焚燒仍然是日本污泥的主要處理方式，占70%以上，如圖3所示。
在歐洲一些國家，如德國、荷蘭、瑞典、瑞士、奧地利等，焚燒也是污泥的主要處理方法，而部分國家則以污泥農用為主要處置方式，如圖4所示。
歐盟28國污泥處理處置的情況見表1。
世界各國對污泥處置的方法各有不同的側重點，目前污泥的處理處置方式主要包含穩定化土地利用、焚燒建材利用、以及衛生填埋，其中美國、英國等主要采用土地利用的處置方式，日本土地面積較小，主要采用焚燒建材利用的方式，德國近年來重視污泥磷回收，焚燒比例有所增加。總體上，國際污泥處理處置以土地利用和焚燒為主，其中土地利用呈逐漸增加的趨勢，焚燒呈穩步發展趨勢，而衛生填埋由于環境負面影響較大，呈下降趨勢。
隨著環境管理政策的加強和社會經濟的發展，到本世紀初，日本及歐美國家在污泥穩定化、無害化處理方面已經取得了長足的進步，污泥處理處置技術發展水平已經能夠滿足社會及環境的基本要求。隨著污泥熱化學處理技術的發展，日本和歐美國家率先提出了污泥碳化再利用的概念，以達到更好的減排和資源化利用的目標。在這樣的需求驅動下，污泥碳化技術應運而生。
1.2.1日本碳化技術的發展
上世紀90年代末，隨著污水處理量的增加，日本市政污泥的產量也隨之增加，對污泥的處理處置方式提出了更高的要求。各種綜合因素促使日本開始尋求開發新的污泥處理處置技術，污泥碳化技術迎來發展機遇。本世紀初，污泥碳化技術在日本得到開發應用，主要驅動力如下：
（1）土地及填埋場容量限制
廢棄物最終處置（包括焚燒灰）所涉及的填埋場新開發用地難等因素，使得填埋場（包括焚燒灰填埋場）的剩余容量變得極為有限。
（2）溫室氣體減排
隨著《京都議定書》的簽訂和生效，溫室氣體減排需求日益突出，因此需要尋找污泥處理領域實現碳減排的新路徑。
（3）消除二噁英污染隱患
焚燒是日本污泥的主要處理方式，而二噁英排放主要來自于廢棄物焚燒（包括污泥焚燒）和鋼鐵冶煉，因此，對污泥焚燒二噁英排放也開始強制管理。實際上，80年代以來固體廢棄物（包括污泥）焚燒迅速發展所帶來的二噁英排放已成為大氣污染的重要隱患，亟需尋找二噁英排放量低的污泥處理技術。
（4）資源化利用的目標
日本在污泥碳化資源化利用方面，關注的重點不是熱解氣而是碳化處理得到的污泥碳化物。其目標是推進污泥碳化物在燃料、土地利用、建材利用等各方面得到應用。
1.2.2歐洲碳化技術的發展
歐洲發展污泥碳化技術的驅動力來源于尋找比焚燒更清潔的處理技術以及對污泥中磷的有效回收利用。
早在上世紀90年代，德國投入了大量的科研力量，持續開展污泥碳化方面的研究與工程示范。德國發展碳化技術的主要原因在于：
（1）污泥焚燒產生的復雜污染物處理難，環境健康效應不明確。而污泥熱解技術可以實現氣相產物燃燒，降低持久性污染物的排放；
（2）德國要求污泥焚燒后灰渣中磷回收率大于80%，但目前從污泥焚燒灰渣中提取磷經濟性較差，而污泥碳化除了比焚燒過程更清潔之外，還能為污泥中磷資源的回收利用提供有利條件。
歐盟國家中德國的污泥產量最大，2015年為180萬噸(干量)，占28個歐盟國家污泥產量的20.4%。2017年10月修訂的“德國污泥條例”正式頒布，其重要的規定是：在規定的過渡期(12年或15年)之后，所有規模超過5萬人口當量的污水廠都必須從污泥或者污泥灰進行磷回收，同時對今后過渡時期內還進行“土地利用”的污泥處置提出了更嚴格的要求。因此，必須找到有效的污泥磷回收技術。
磷可以從污泥中直接回收（要求回收率不得低于50%）或者在污泥熱處理（如焚燒）后回收。如果在污泥焚燒后回收灰渣中的磷,要求回收率大于80%。目前從污泥焚燒灰渣中回收磷成本要高于從磷礦石中提取磷，所以從污泥焚燒灰渣中提取磷經濟性較差。而污泥碳化物中的含磷水平明顯高于歐盟對于磷肥中含磷水平的規定，且含有N、K、Ca等營養元素，并具有多孔、吸附性等特征，可以用作肥料或者土壤改良劑。同時碳化對污泥重金屬具有一定的穩定固化作用，有利于降低后續利用過程的環境風險。
此外，歐洲已經頒布生物炭的標準。TheEuropeanBiocharCertifcate(EBC)是歐洲和瑞士生物炭的推薦性工業標準（Voluntaryindustrystandard），它規定了生物炭的含碳量必須超過50%，含碳量小于50%的含碳固體被認為是熱解含碳材料(PCM)。
1.2.3中國碳化技術的發展
中國污泥碳化技術的出現，源于中國企業對于國外技術的引進，在引進之初并沒有明確的社會發展政策導向、行業技術政策導向或明確的資源化利用目標的驅使。2006-2008年，湖北博實城鄉環境能源工程公司從日本引入污泥碳化技術；同期，密西西比國際水務(中國)公司從美國引入污泥碳化技術。但由于缺乏技術發展的頂層設計，中國污泥碳化技術發展較為緩慢。
02、污泥碳化技術與設備/Sludge
污泥碳化技術最早來源于生物質熱解碳化。世界范圍內，日本污泥碳化技術發展較快，已得到了較多的工程應用，目前最大的污泥碳化裝置處理能力為150噸/日。
2.1污泥碳化技術
2.1.1污泥碳化系統組成
污泥碳化工藝主要由污泥干化、污泥碳化、尾氣處理和能源回收利用等單元組成。其中，干化是碳化的預處理單元，碳化是核心單元。
由于污泥干化過程會釋放臭氣，同時在熱解過程中也會產生多種氣體成分，因此，尾氣處理單元不可或缺。尾氣處理技術措施與污泥的組成性質以及整個系統過程的技術參數密切相關。能源回收系統是降低系統能耗的保障。在日本的實際工程中，能源回收和尾氣處理兩個部分的設備投資占到設備總投資的30%-40%。
2.1.2污泥碳化反應條件
污泥碳化是采用熱解的方法處理污泥。在以下四個條件同時具備的情況下，碳化過程才能發生或技術可行：
（1）有機物含量
污泥碳化的熱解反應對象是污泥中有機物，有機物含量會直接影響污泥碳化過程能耗水平、碳化物成分等。日本市政污泥的有機物含量通常達到70%-85%，而目前中國市政污泥的有機物含量通常只有40%-60%。當污泥有機物含量過低時，污泥碳化過程經濟性較差，且污泥碳化物可利用性差，不宜采用碳化工藝進行處理。
（2）絕氧（或缺氧）環境
有機物的熱解反應只有在絕氧（或缺氧）的條件下才會發生。
（3）熱解反應溫度
污泥有機物受熱達到一定的溫度之后，熱解反應才開始發生。熱解所需要的溫度通常根據污泥有機物含量、成分以及資源化利用途徑而確定。通常污泥熱解的溫度范圍為250-700°C。
2010年日本下水道新技術推進機構發布的《污泥熱分解燃料化系統技術手冊》提出污泥碳化過程發生的基本溫度為250℃（污泥顆粒應達到的溫度）。同時提出，當脫水污泥的熱值高、有足夠熱值殘留在碳化污泥中時，碳化溫度設為500℃，促進裂解氣生成以降低碳化過程運營成本。當脫水污泥熱值低、沒有足夠熱值殘留在碳化污泥中時，碳化溫度控制在500℃以下，以盡量將熱值保留在碳化污泥中。
（4）足夠的反應停留時間
污泥碳化處理反應停留時間，需根據污泥有機物含量、揮發份特性以及熱解溫度等確定。在相同的碳化溫度條件下，如果保持碳化物中碳、氫、氧等元素的最終殘留率一致，污泥有機物含量越高，所需要的熱解反應停留時間越長。
2.1.3污泥碳化工藝分類
1、按資源化產物分類
污泥碳化過程以獲得含碳固體產物為主要目的。根據污泥碳化的資源化產物種類，可將污泥碳化工藝分為污泥碳化基礎工藝和污泥碳化產油（氣）工藝。
（1）污泥碳化基礎工藝
污泥碳化基礎工藝是以污泥碳化物為唯一產物，是污泥碳化技術工程應用的主流工藝。碳化過程中產生的干餾氣被燃燒利用釋放熱量，以減少整個過程的能量補充，達到節約能源的目的。
基礎工藝通常由污泥干化、污泥碳化、尾氣處理等主要單元組成，如圖5所示。
（2）污泥碳化產油（氣）工藝
污泥碳化產油（氣）工藝是污泥碳化基礎工藝的衍生工藝，過程的目標產物包括污泥碳化物和油（氣）兩種可回收利用的產物。衍生工藝是通過對污泥的熱解碳化處理，最大限度回收污泥中可資源化利用的物質，而達到這個目標的首要條件是污泥的有機物含量足夠高。目前，污泥碳化衍生工藝應用的案例很少，但是未來的發展方向之一。
污泥碳化產油（氣）工藝通常由污泥干化、污泥碳化、尾氣處理、油（氣）改質等主要單元組成，如圖6所示。
2、按碳化處理過程溫度分類
根據碳化的操作溫度，將污泥碳化技術劃分為低溫、中溫和高溫碳化，如圖7所示。
該分類主要是基于碳化物資源化利用方向的差別：
（1）高溫碳化的產物主要應用于土壤改良、建材利用等方面，為了資源化利用的安全，污泥必須得到最大限度的穩定化和無害化，因此采用高溫的熱解條件；
（2）低溫、中溫碳化產物主要的資源化利用方向為燃料化，將碳化物作為替代煤的輔助燃料。在保證污泥碳化物的性質得到基本穩定的前提下，盡量保存碳化物熱值，因此采用低溫、中溫的熱解條件，保留一部分揮發分。
2.2污泥碳化設備
污泥碳化爐（反應器）主要包括以下幾種形式：
外加熱螺旋推進碳化爐、直接加熱螺旋推進碳化爐、外加熱回轉窯碳化爐、直接加熱回轉窯碳化爐和多膛爐。
2.2.1外加熱螺旋推進碳化爐
采用間接加熱和螺旋驅動物料前進的管式熱解爐，裂解產生的揮發份在裂解管上開口噴出后立即燃燒，高溫煙氣除供熱解能耗外還能干燥污泥。
該類碳化爐能適用于高溫、中溫和低溫碳化，代表性公司為日本巴工業株式會社（TOMOE）。其系統概念和工藝如圖8和圖9所示。
德國ELIQUOSTULZ公司提供的Pyreg?碳化工藝也采用了外熱螺旋推進碳化反應器，如圖10所示。
2.2.2直接加熱螺旋推進碳化反應器
該類設備采用導電螺旋直接加熱污泥，使污泥產生熱解反應。
該類設備的代表公司是法國的ETIA，其下屬公司BIOGREEN?開發了Spirajoule?碳化工藝，該設備的核心部件是由焦耳效應電加熱的無軸螺旋。原理上該技術可用于有機廢棄物的碳化、熱解或氣化，產生碳化物、油和氣。其反應器及系統如圖11、圖12所示。
目前，尚未見該技術在污泥碳化工程應用方面的報道。
2.2.3外加熱回轉窯碳化爐
該類設備的主體為回轉窯，外部設有利用高溫煙氣作為加熱介質的夾套。該類設備通常用于低溫或中溫碳化，當用于高溫碳化時，只能應對小規模的處理。
該類設備的代表性公司為日本月島機械、三菱重工，主要在日本污泥碳化燃料化工程中得到應用。其設備及工藝如圖13、圖14所示。
2.2.4直接加熱回轉（窯）碳化爐
直接加熱回轉（窯）碳化爐是從回轉焚燒爐發展而來的。通過控制供氧使部分揮發分燃燒，直接給污泥提供碳化過程所需的熱量，達到污泥碳化的目標。該類設備的代表性公司是日本臟器制藥株式會社，其設備及工藝如圖15、圖16所示。
2.2.5多膛爐
傳統的多膛爐主要用于廢棄物的熱解焚燒。通過改變反應條件，多膛爐可以用于污泥碳化。污泥經過預先干燥或者不干燥，從上部進入逐層降落，在爐內隔層裝有燃燒器對污泥進行加熱實現碳化或者氣化。控制供入的風量即可調整污泥碳化和氣化的程度。其設備形式及系統如圖17、圖18所示。