污泥活性炭制取技术

前言

《2013-2017年中国污泥处理处置深度调研与投资战略规划分析报告》统计2010年我国城镇污水处理厂已经建有2500多座，城市污水处理能力已达到每天1.22亿吨，污水厂的建设及运行伴随产生了大量剩余污泥，以含水率80%计，2016年全国年污泥总产量已突破3000万吨，预计 2020 年我国的污泥产量将突破 6000 万吨（含水率 80%）。污泥处理的形势十分严峻。

从开启中央环保督察开始，污泥处理成为跟各厂、企业负责人的乌纱帽有密切关系的问题。在中央环保督察中，一些大的公司因为污泥问题倒闭了，很多污泥堆在厂里不敢出去，导致污泥的处理处置问题非常严重。“水十条”中明确指出，现有污泥处理处置设施应于2017年底前基本完成达标改造，地级及以上城市污泥无害化处理处置率应于2020年底前达到90%以上。污泥处理处置，我国出台了一系列的政策、法规和技术规范。政策明晰，要求明确，标准也完善，但目前污泥的处理率却只有30%，远远达不到国家90%的要求。污泥的处理与处置是污水处理系统运行中最复杂、且花费最高的一部分。污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化应是压在各地政府和污水处理企业头上的一座大山。

一、我国目前污泥处置方式

污泥处置是指污泥经处理后的最终去向。中国目前主要的污泥处置方法有卫生填埋、土地利用、焚烧后建材利用等，

卫生填埋是最常用的方式，但国家有关标准越来越严格，卫生填埋的方式不可持续，不受政策鼓励，我国土地资源的严重紧缺限制了其未来的发展。同时约有80%的污泥未经稳定化处理，污泥中含有恶臭物质、病原体、持久性有机物等污染物从污水转移到陆地，导致污染物进一步扩散。

土地利用较为宽泛，包括园林绿化用土、土壤改良修复、农业利用等。但我国的农业准入许可十分严格，脱水污泥作为农用的可能性不大。土地利用主要考虑园林绿化利用等方式，但市场需求不大，真正意义上的土地利用比例很低。

污泥焚烧的方式包括利用现有垃圾焚烧炉焚烧，利用工业用炉焚烧，利用火力发电厂焚烧炉焚烧，利用水泥窑掺烧和单独焚烧等。其优点主要是较大程度地实现污泥减量化、安全稳定化和无害化。在水泥窑焚烧的产物可以直接以水泥的形式被利用，而以其他方式焚烧产生的灰渣可作为建材的补充。如灰渣制砖、制水泥等。但是其缺点在于处理设施投资大，处理费用高，设备维护成本高，而且产生强致癌有害物质二恶英、呋喃和重金属。

目前处置方式中，土地填埋占63.0%、污泥好氧发酵+农用约占13.5%、污泥自然干化综合利用占5.4%、污泥焚烧占1.8%、污泥露天堆放和外运各占1.8%和14.4%。事实上土地填埋、露天堆放和外运的污泥绝大部分属于随意处置，真正实现安全处置的比例不超过20%。

面对严峻的现实，必须大力的推进污泥的资源化利用，推广新技术，真正实现污泥处置的减量化、无害化、稳定化和资源化。

我公司经过数年的研发和实验室的反复实践，已研制开发了系统的利用污水处理厂的污泥制作活性炭的完备技术、成套工艺及专用设备。现做一简单介绍。

三、污泥活性炭制取技术的基本原理和工艺过程

1.基本概念

污泥是由细菌类、真菌类、原生动物等异种个体群所组成的混合物，污泥中的主要物质是这些微生物及其死亡后的残留物，即大部分物质是有机物，其中含有60~70%的粗蛋白质，25%左右的碳水化合物，而无机灰分仅占5%左右；另一方面，活性污泥含碳量较高，理论含碳量约为53%。因此，污泥具有制备活性炭的客观条件。虽然从相关参数上比较不如商业活性炭，但应用效果却与商业活性炭接近，甚至有时会超过它。

2基本原理：

污泥活性炭制取技术是一种污泥综合处理的方法，充分利用污泥的热值和活性炭生产系统的余热，对污泥进行干化、碳化、活化等等制作活性炭的工艺技术。污泥经干燥、热解、活化后可获得含有一定孔隙结构的活性炭产品。热解过程产生的气体经净化后可以用作燃料气。污泥热解是一个净输出过程。制得的活性炭吸附剂可运用于各种有害气体的吸附，废水中有机物、有色物质和重金属的去除，也解决了污泥本身处理过程中的需求。

3.工艺描述：

污泥活性炭制取技术其系统主要包括储运系统、干化系统、活性炭制取系统、余热利用系统、烟气净化系统、电气自控仪表系统及其辅助系统等。它的一般工艺流程如下图：

图1   生产生活废水污泥活性炭制取技术原理图

储运系统：污水处理厂的栅渣经过粉碎、剩余活性污泥进行初步机械干燥，两者混合后输送至干化系统。

干化系统：利用蒸汽锅炉及余热热源对污泥进行高温加热。通过我公司自主研发的污泥干化脱水装置将污泥中的水分控制在5%以下时再进入干化污泥仓，随后再送至干馏系统。同时在干化过程中可将污泥制为成型颗粒，提高产品使用性能。

活性炭制取系统：本系统是在无氧条件下将污泥制取为活性炭。自干化系统来的干污泥颗粒进入自主研发的污泥活性炭制取系统（分碳化和活化两部分），通过燃烧设备提供热量，调整装置碳化和活化的温度和压力等条件，从而控制产品比表面积和微孔比例等指标，得到所需要的活性炭产品。不凝气经净化处理后为燃烧系统的热量来源，烟气则进入余热回收系统进行热量回收再利用。

余热利用系统：系统整体能量直接或间接的来源于净化过的不凝气的燃烧。系统中按照能量需求不同分成能量梯度，按能量梯度以燃烧、换热等方式供应能量，从而达到能量最优化设计。梯度供应能量是由余热系统完成。

烟气净化系统：烟气净化系统主要目的为去除可燃气、烟气中的二氧化硫、氮氧化物、VOCs、烟尘等物质。其中VOCs不仅有很高的致癌、致死、致畸性的能力，同时还是雾霾的主要形成因素。焓晨新能源研究院技术通过自主研发的VOCs生物去除装置、燃烧炉和烟气脱硫脱硝装置等设备做到对VOCs的“零”排放标准。烟气则经过除尘及脱硫脱硝装置后达标排放。其中的脱硫脱硝装置利用本研究院自主研发的微生物脱硫脱硝装置进行处理，在达到环保指标的前提下进一步提高副产品（生物硫磺）的使用价值。

4.关键装置特点及介绍：

1）污泥干化系统：

污泥干燥系统是污泥制取活性炭总工艺中的关键环节。直接影响污泥进入后续工艺环节的含水量，从而对整个工艺能耗、工艺中焦油处理的参数、可燃气组分以及产品活性炭的孔隙率、微孔直径、孔径分布和活性炭产出率等均造成很大的影响。因此，干燥装置的性能状况直接关系着系统工艺的优劣。

从污泥中水分干燥的难易程度一般可将水分分为四种类型，从易到难分别为：自由水、间隙水、表面黏附水和水合水。

（1）自由水：自由水是污泥颗粒悬浮的载体，这部分水很容易去除，一般的污泥快速干燥设备只能干燥的这部分自由水。

（2）间隙水：间隙水被束缚于污泥絮状物和污泥有机物的间隙之间。干燥这部分水分要比干燥自由水要消耗更多的能量和时间。

（3）表面黏附水：多层水分子吸附于污泥固体颗粒表面或生物体细胞内部，短程的距离导致水分子结构高度变形，干燥它所用能量已经超出物理能量范畴，其更接近于化学键能。

（4）水合作用水：水合水是完全以化学键能的形式存在于污泥颗粒中的，干燥它所需能量远大于前三种。

根据上述污泥中水分的分类情况可看出，单一的污泥干燥设备无法实现最少的能量和最小的时间消耗。研究院通过大量的实验测试，针对污泥中四种不同的水分，寻找出了各自最优的干燥方法以及条件，并研发出了专有的污泥干燥设备。在同等能耗和时间的情况下，经过我研究院专有干燥设备处理的污泥，其水分可控制到最低（≤5%）。

2）活性炭制取系统：

（1）污泥碳化系统

由于污泥区别于其他原材料，其固定碳含量少，但官能团含量高，灰分中重金属含量高。针对上述特点我研究院自主研发的污泥活性炭制取系统通过污泥碳化和活化两个步骤可满足以下几点：

① 最大程度保留其固定碳含量；

② 最大程度保留和吸附有关的活性官能团；

③ 完全去除轻质油成分并且使油成分完全生成不凝气；

④ 完全避免焦油的产生；

⑤ 使灰分达到玻璃化点以上最大程度固化重金属。

（2）污泥活化系统：

采用物理化学耦合活化法，将原料污泥先进行化学改性浸渍，在原料污泥内部形成通道从而提高原料的活性，这有利于活化剂刻蚀，并且生成孔隙结构更加合理、吸附性能更加优越的活性炭。由我研究院特殊定制的活化炉，有以下几方面优势：

① 无焦油产出，首先由于我国污泥产焦油。焦油呈酸性，工业利用时严重腐蚀设备，而弃用时又会产生比污泥更要严重的污染，其次焦油中含有大量的能量，弃用会造成很大的浪费，此设备合理的分段控温、控压、控制升温速率，使焦油前期全部生成可燃气，最终完全供给设备使用。

② 保护吸附官能团，由于污泥基活性炭和煤等物质制作活性炭有很大区别，污泥基活性炭主要的吸附作用为化学吸附，吸附程度更为牢固，这种牢固的吸附作用是官能团提供的，此设备通过合理的化学药剂浸渍和相应的温度压力在开辟微孔的同时，可保护污泥微孔中的化学官能团。

③ 通过大量实验验证选用材料与化学制剂之间无腐蚀作用，可增加设备使用年限，避免了运行过程中的设备腐蚀隐患。

研究院专有的污泥干燥装置、污泥基活性炭活化炉保证了污泥制活性炭系统的实现。

四、污泥活性炭产品主要技术指标

1、产品用途

污泥制作的活性炭可作为气体、水等的吸附净化介质。

2、产品参数指标

（1）污泥活性炭基本参数表

表2 研究院污泥制取的活性炭基本参数表

（2）活性炭孔结构表

表3 研究院污泥制取的活性炭活性炭孔结构表

（3）活性炭粒径分布数据表

表4 实验室以4mm为生产标准进行生产得到粒径分布表

（4）重金属离子浸出统计表

表5 焓晨研究院污泥制取活性炭重金属离子浸出统计表

五、焓晨研究院污泥活性炭制取技术的特点

焓晨研究院污泥活性炭制取技术真正做到污泥的资源化和环保化，具体优点如下：

1、生产过程全封闭，除干化的水汽凝液及可燃气燃烧所致的净化烟气外，无其他新生物质外排，整个过程经工艺处理后无二次污染；污泥处理速度快，能够使有机物全部碳化，100%杀死病原体。

2、生产过程无需外供燃料，过程中的可燃气足够满足生产过程中的能源需求；

3、生产过程中无需担心焦油带来系列问题，焦油可完全降解为可燃气并回收利用；

4、重金属离子被固定到活性炭中，浸出度达标，没有二次污染问题；

5、工艺中将污水处理厂中栅渣一并处理，减少污水处理厂中此部分处理成本；

6、污泥无需出厂，活性炭产品可本厂使用，减少其中的运输费用以及所产生的二次污染问题；

7、焓晨研究院的活性炭在制取过程中可根据需要直接成型，可满足活性炭产品的要求，且吸附效果好。

六、工程定位和投资收益分析

1、污泥制造活性炭工程定位

1）工程建设地定位：可单独建设污泥制造活性炭工厂。但最优化的方案是，与污水处理厂（或自来水厂）配套建设，专职处理污水处理厂的污泥。

2）工程规模定位：工程建设规模和污水处理厂（或自来水厂）处理量（等同为污泥产生量）配套产能建设。

3）对现有倾倒地中已经倾倒的污泥，可以考虑制作半固定式的处理设备来处理。

2、污泥制造活性炭工程经济效益分析

以10万m³/d的污水处理厂配套建设污泥活性炭制取装置按330天运行进行计算（以下是概算，不同地区会有较大差异）。

1、原料消耗

表7 焓晨研究院污泥制取活性炭原料消耗统计表

2、项目造价预算

表8 焓晨研究院污泥制取活性炭项目造价预算表

备注：本投资不含政府拆迁费、电力接入系统及界外取水管网系统等。

3、经济分析

表9 焓晨研究院污泥制取活性炭经济效益分析

4、节省原污水厂开销部分

a、栅渣倾倒费

每日产生栅渣为10m³，全年可产栅渣3650m³。每立方垃圾从收集到末端处理共计400元，可得全年处理栅渣为146万元。

b、污泥处置费

每日产生污泥（80%含水量）为243吨，全年可产污泥为88695吨。每吨污泥运输加妥善处理费用为260元/吨，可得全年妥善处理污泥费用为2306.07万元。

综上，一套10万m³/d的污水处理厂配套的污泥活性炭制取装置的一次投入为2584万元，年直接收入为1627.17万元，年运行成本为423.53万元。由此可得年盈利为1203.64万元，回收期为2.15年。除此以外，还可以每年为污水处理厂节约开支2452.07万元。