張辰大師團隊：雙碳目標下城市多源污泥處理處置技術選擇與發展趨勢

時間： 2025-10-09 09:33

來源：環境工程

作者：張辰段妮娜趙水釬王峰譚學軍

污泥熱解碳化和焚燒同樣具有顯著減量[20]、集約高效無害化的優勢，并且具有更低的硫氧化物、氮氧化物和溫室氣體排放[21]，不產生二噁英，且固體產物中重金屬穩定性較高[22]。污泥碳化技術在日本被視為一種較焚燒更具資源化和碳減排潛力的替代技術，并已得到較多的工程應用。日本國土交通省評估了碳化技術的減碳效果。以處理規模為50000 m3的污水處理廠為例，與污泥焚燒相比，采用碳化技術后的碳排放量可降低75%[23]。近年來，我國污泥碳化的工程化呈現較快發展趨勢，在武漢、蕪湖、青島、上海等地均已得到應用。上海某污水處理廠擴建項目采用污泥熱解碳化技術，設計規模為100 t/d(含水率80%)，污泥干化到含水率約20%進入碳化爐，在400~600 ℃進行碳化處理，減量化程度高達87%，可產生約12 t/d的固體碳化產物，主要用于土地利用和建材加工。

2.2污泥無機質利用途徑和技術

污泥中無機質主要組成和黏土、砂土組成相似，可以替代天然黏土和砂土進行建材、工程利用。成熟工藝主要有2類：一類為生產燒結型建材，如燒制水泥、燒結制磚;另一種為生產免燒建材或工程材料，如免燒磚、回填材料。

2.2.1生產燒結型建材

燒結制磚瓦或陶瓷產品時，可使用污水污泥或河湖底泥部分替代天然黏土。在有氧、900~1400 ℃條件下，污泥等原料中的硅氧化物、鋁氧化物會失水并重新結晶，形成如3Al?O?·2SiO?等晶體。雜質生成的液相有助于固相之間的黏結，從而增加坯體密度、減少體積空隙，最終在冷卻后固化成形。而在燒制水泥熟料的過程中，污水污泥或河湖底泥同樣可以作為黏土的部分替代品。在1300~1500 ℃高溫下，污泥等原料中的硅、鋁氧化物和石灰石分解產生的CaO反應生成硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣等晶體，這些晶體通過重排、收縮和密實，最終形成色澤灰黑、結構致密的水泥熟料。污泥用于生產燒結型建材的碳排放主要來源于運輸、脫水或干化過程的能耗。如果采用熱干化預處理，則可利用磚廠、水泥窯余熱來顯著降低碳排放和處理成本。

2.2.2生產免燒建材或工程材料

免燒建材或工程材料的生產通常采用VS含量低于10%的污泥，如污泥焚燒灰渣、管渠污泥無機篩渣、河湖底泥等。污泥和其他原料按一定比例與水和固化劑(通常為水泥)混合，固化劑和水發生水化反應，生成凝膠水化物晶體和Ca(OH)2。Ca(OH)2能夠進一步和砂土等顆粒表面的硅、鋁、鐵氧化物反應，生成更多的凝膠狀水化物晶體。這些凝膠狀物質和顆粒物結合形成空間網絡結構，隨著水化反應的持續進行，晶體生長并相互黏結，形成緊密的結晶結構，最終硬化成為免燒磚、硬化混凝土或具有一定強度的回填材料等，不僅通過資源回收利用避免了污泥的無序處置，還通過替代天然原料減少了碳排放。

03.多元協同模式和減碳策略

雙碳目標下，傳統以簡單棄置為導向的粗放和單程式處理處置模式將逐漸被資源循環利用驅動的物質、設施、產業多元協同模式所取代。中國城鎮供水排水協會組織編寫的《城鎮水務系統碳核算與減排路徑技術指南》，從源頭控制、過程優化、工藝升級、低碳能源和植物增匯5個方面提出減碳策略[24];國家發改委、住建部、生態環境部印發《污泥無害化處理和資源化利用實施方案》(發改環資〔2022〕1453號)鼓勵處理設施共建共享，提出“統籌城市有機廢棄物的綜合協同處理，鼓勵將污泥處理設施納入靜脈產業園區”。以上均體現了多元協同、系統治理的理念，不但有助于促進資源高效回收和循環利用，還有利于在更廣泛的范圍內實現更顯著的減碳效益。

3.1多源物料協同

雙碳目標為多源污泥和其他物料協同處理與利用提供了發展契機。通過與城市有機廢棄物協同回收資源、與傳統礦物原料協同建材或工程利用，可以實現碳減排和經濟效益的雙重提升。

3.1.1有機物料協同

隨著垃圾分類工作有序推進，城鎮污水污泥和廚余垃圾等有機廢棄物協同資源化利用展現出廣闊的應用前景。采用厭氧消化協同處理污泥和廚余垃圾，將有機質高效轉化為沼氣，不僅可以利用基質互補優勢，提高厭氧消化的產氣效率，穩定厭氧消化工藝的運行，還能通過集中處理不同類型的廢棄物實現成本分攤，利用現有資金和基礎設施，更好地發揮規模效應，提高土地資源的利用效率，降低單位投資成本。以我國中等規模地級市的污泥和廚余垃圾產量為例，假設污泥和廚余產量各為150 t/d(含水率80%)，采用協同厭氧消化相較于2種物料分別獨立厭氧消化，總投資成本可節省20%~40%，占地可節省30%~50%，運行成本可節省10%~30%，因協同基質下產氣量增加、加熱保溫等實現的能源消耗降低可減少碳排放20%~30%。

位于美國威斯康辛州的希博伊根(Sheboygan)污水處理廠于2002年全面啟動能源回收計劃，將有機質含量高且易降解的奶酪垃圾、啤酒廠廢液等外源食品廢物和剩余污泥進行協同厭氧消化，產生的沼氣進行熱電聯產，電能用于污水處理運行，熱能用于消化池保溫和冬季污水廠建筑物取暖，沼渣用作農業肥料，于2013年基本實現了能源自給自足[25]。經過長期研究和工程實踐，污泥協同廚余垃圾等有機質資源利用在國內的推廣應用也日益廣泛，在鎮江、蘇州、泰州、北京、大連、重慶、九江、德陽和攀枝花等十余座城市成功應用，合計處理規模達8000 t/d以上，產生沼氣達30萬m3/d以上，按照每立方米沼氣發電2.0 kW·h計算，每年可發電2.19億kW·h，相應減少碳排放14萬t。

3.1.2無機物料協同

多源污泥中無機質的主要組成和黏土、砂土相似，可以協同其他無機材料用于建材制造，如制備水泥熟料、磚瓦、工程回填材料等。以污泥燒制水泥熟料為例，可協同利用脫水、深度脫水、半干化的污水污泥或脫水后的河湖底泥。生產1 t熟料需要1.3 ~1.6 t的生料，其中最多14%的生料可以用污水污泥(以干基計)替代，替代比例受限于P2O5和Fe2O3對熟料品質的影響[26]。若10%的生料由污泥替代，每利用1 t干污泥可減少CO2排放53 kg。若利用水泥窯余熱進行污泥干化，干化后的污泥熱值較高，還可替代部分燃煤，進一步增強減碳效果。此外，污泥焚燒灰渣、管渠污泥無機篩渣、河湖底泥等可與建筑垃圾、建筑渣土等協同制備免燒磚或再生回填材料。免燒磚由污泥、礦渣、砂石、石灰等原料加入少量水泥制成;再生回填材料則可用于地下工程、道路建設。例如，將河湖底泥與水泥、石灰和高爐礦渣按一定比例混合，固化處理后養護90 d作為填筑土材料[27];紐約、新澤西港通過在疏浚底泥中混入石灰石等材料消除了原硫礦中的酸性浸出液，使其可以充填露天礦石場[28]。通過這種方式，污泥部分替代了黏土、砂土等天然資源，減少對自然資源的開采，從而降低碳排放。

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編輯：趙凡

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