中國的污泥碳化技術研究和工程應用開始于2008年，在2017年以后工程化應用開始較快發(fā)展。

4.1 發(fā)展歷程

4.1.1 產(chǎn)學研研究方面

國內污泥碳化的研究相比歐美、日本發(fā)展較晚。根據(jù)中國知網(wǎng)2000-2020年公開發(fā)表的污泥碳化相關論文數(shù)量（圖31），可以看出院校及企業(yè)的產(chǎn)學研研究基本在2009年左右開始，在2015年以后呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。

圖31 國內污泥碳化產(chǎn)學研研究趨勢圖

研究發(fā)展過程可大致分為三個階段：

（1）2008年之前（萌芽期）：有少許關于污泥碳化方面的研究。2008年湖北博實城鄉(xiāng)環(huán)境能源工程有限公司聯(lián)合華中科技大學國家煤燃燒重點實驗室，以武漢市各污水處理廠的污泥為研究對象，開展了城市污水處理廠污泥干化、碳化的實驗室研究，研究內容涉及干化、碳化過程特征、過程安全性等方面，得到了對于污泥干化碳化的較完整認識。

（2）2009年~2015年（發(fā)展期）：院校及企業(yè)開始有一定數(shù)量的技術研究，該階段亦有部分工程化應用及國家科技課題。

2012年由同濟大學牽頭、戴曉虎教授任首席的國家“863計劃”項目“污泥熱解能源化利用成套技術及工程示范”開展了污泥熱解技術及裝備的開發(fā)相關研究，并在重慶綦江區(qū)三角鎮(zhèn)建成30t/d以螺旋推進反應器、污泥熱解+可燃氣重整、凈化為特點的示范工程。

湖北博實公司和華中科技大學國家煤燃燒實驗室聯(lián)合開展了污泥碳化物重金屬穩(wěn)定性研究。聯(lián)合武漢市蔬菜科學研究所，對污泥碳化物農用進行了研究。聯(lián)合武漢市林業(yè)科學研究所，對污泥碳化物作為土壤改良劑開展了研究。

中節(jié)能博實（湖北）環(huán)境工程技術股份有限公司承擔了“十二五”水專項課題-城市污水處理廠污泥處理處置技術裝備產(chǎn)業(yè)化課題的子課題-大規(guī)模污泥碳化技術及裝備國產(chǎn)化的研究。

2015年中節(jié)能博實開展了污泥碳化物活化方面的研究。

（3）2016年~2020年（高速增長期）：隨著在國內項目應用案例的增多，結合碳減排、鄰避效應等問題，該階段的研究及公開報道呈現(xiàn)高速增長趨勢。

4.1.2 國內公司及技術來源

國內污泥碳化技術產(chǎn)業(yè)化起步較晚，從2008年以后，國內公司通過技術引進和自主研發(fā)，陸續(xù)形成了各自的污泥碳化技術，并從2009年開始實現(xiàn)污泥碳化的工程應用。

（1）國內參與技術研發(fā)并具有碳化技術工程業(yè)績的公司見表10。

 表10 國內污泥碳化項目及技術公司統(tǒng)計表

（2）國內公司的技術來源分布

國內污泥碳化項目的技術來源大致分布情況如圖32所示。

圖32 國內污泥碳化技術來源分布情況

各個公司的碳化系統(tǒng)都包括了熱干化和碳化兩個核心的單元。

中節(jié)能博實（湖北博實）和武漢普樂從日本巴工業(yè)株式會社完整引進了連續(xù)高溫碳化工藝技術，包括了系統(tǒng)設計、設施建設管理、設施運行維護管理。該技術已有近20年項目運行經(jīng)驗。

江蘇碧諾在日本專家的協(xié)助下，參照日本標準開發(fā)了污泥碳化技術，采用了與日本月島機械相似的系統(tǒng)工藝方案。

其他公司的系統(tǒng)大多采用了以回轉窯碳化爐為核心的碳化工藝系統(tǒng)，與日本的技術相似。但在系統(tǒng)熱能回收利用、裝備開發(fā)等方面，仍有一定的差距。

4.2 國內污泥碳化工程技術的發(fā)展

2009年國內開始污泥碳化技術的首例工程化應用，主要發(fā)展歷程如圖33。

圖33 中國污泥碳化技術應用的發(fā)展過程

4.3 國內污泥碳化工程技術現(xiàn)狀

根據(jù)目前收集到的資料，我國污泥碳化代表性工程案例如表11。由于各項目進入干化碳化系統(tǒng)的污泥含水率差異較大，因此，不能用簡單比較的方式判斷工程能耗的水平。

表11 國內污泥碳化代表性工程案例表

4.3.1 工藝技術介紹

（1）武漢普樂環(huán)境技術有限公司

 表12 武漢普樂技術信息表

工藝流程和工程案例如圖34和圖35。

圖34 工藝流程圖

圖35 外熱多段式污泥碳化工程

（2）青島即墨污泥碳化項目

 表13 青島即墨污泥碳化項目

工藝流程和工程案例如圖36和圖37：

圖36 工藝流程圖

 圖37 污泥低溫碳化工程

（3）江蘇碧諾環(huán)�？萍加邢薰�司

表14 江蘇碧諾技術信息表

工藝流程見圖38：

圖38 工藝流程圖

（4）湖南鼎玖能源環(huán)境科技股份有限公司

表15 湖南鼎玖技術信息表

工藝流程和工程案例如圖39和圖40所示：

圖39 工藝流程圖

圖40 一體化污泥連續(xù)碳化工程

（5）安徽省通源環(huán)境節(jié)能股份有限公司

表16 安徽通源技術信息表

總體上，除普樂公司引進的日本技術采用以特殊螺旋管為特色的反應器外，其他公司主要是回轉窯反應器。

4.3.2 工程技術現(xiàn)狀及問題

目前，國內已建成十余個污泥碳化項目，從建成項目的運行情況看，除部分案例因各種原因處于停產(chǎn)或低負荷運行狀態(tài)，總體情況如下：

• 絕大部分項目都能運行，且未發(fā)生較大運營安全事故；

• 自主研發(fā)技術在系統(tǒng)設計的完整性、合理性方面存在較大的完善提升空間；

• 項目實際處理能力普遍未達到設計規(guī)模，處理能力冗余有待完善；

• 通過改善工藝設計和系統(tǒng)結構設計、強化運行管理，處理過程的能耗仍有進一步降低的空間；

• 國產(chǎn)裝備在產(chǎn)品設計、關鍵材料選用、加工制造、可靠性、預期使用壽命等方面，與進口裝備相比，有進一步提升的空間；

• 運營管理的制度和方法有待完善；

• 專業(yè)化運營人員的培訓有待加強；

• 排放標準及地方監(jiān)管強度參差不齊；

• 污泥碳化產(chǎn)品出路存在地方性差異，碳化物出路依然是共性的問題。多數(shù)項目在污泥碳化物產(chǎn)品化方面仍在持續(xù)探索中。

• 項目投資及運行成本存在較大差異，因設備質量、泥質等差異使污泥碳化項目投資及運行成本存在橫向差異，亦存在成本控制的縱向差異。

• 因無統(tǒng)一技術規(guī)范、排放標準等，工藝設計存在差異，有待研究和形成普適性標準。

5.1 日本相關法規(guī)和標準

日本在污泥碳化項目建設及運行管理中，通常應遵循以下相關法規(guī)，見表16：

表17 日本碳化項目相關法規(guī)

5.2 中國相關法規(guī)和標準

目前，國內污泥碳化沒有專門針對性的法規(guī)或標準，尚無統(tǒng)一的指導性技術規(guī)范。各碳化項目依據(jù)環(huán)評的要求執(zhí)行了不同的排放控制標準，所執(zhí)行指標差別較大，實際運行中污染物排放均能滿足相應標準的限值。

5.2.1 相關技術標準、規(guī)范、導則

國內目前污泥碳化相關的技術標準、規(guī)范及導則如下：

(1)   2017年，住建部頒布了《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理技術標準（征求意見稿）》，其中部分提及污泥碳化技術，對一般碳化系統(tǒng)組成、碳化系統(tǒng)燃料、基本的儀表配置、碳化類型及各自的技術參數(shù)控制做了簡單介紹。

(2)   2018年，由安徽省住建廳、安徽省通源環(huán)境、合肥學院編制了地標《安徽省城鎮(zhèn)污水處理廠污泥高干脫水碳化處置技術導則》，依托于安徽當?shù)靥蓟�項目，對工藝組成、各系統(tǒng)技術參數(shù)要求、設備要求、運營管理要求等做了相對細化的要求。

(3)   2019年，由安徽省市場監(jiān)督管理局編制了《污泥高效節(jié)能碳化工藝技術規(guī)范》，依托于安徽當?shù)匚勰嗵蓟�項目，對污泥碳化的工藝組成、主要技術參數(shù)、取樣檢測及過程控制進行了要求。

(4)   2020年，由湖南省住建廳、湖南鼎玖公司等編制了《湖南省城鎮(zhèn)市政污泥運輸和處置標準》，其中污泥碳化部分主要對含水率、粒徑、無氧條件、煙氣排放標準等作出要求。

表18 國內目前與污泥碳化相關技術標準規(guī)范

5.2.2 項目應用中執(zhí)行排放標準

（1）針對常規(guī)的顆粒物、SO2、NOx

根據(jù)項目地環(huán)保敏感程度，分別執(zhí)行《大氣污染物綜合排放標準》GB16297-1996和當?shù)氐貥舜髿馕廴疚锱欧艠藴省?/p>

（2）針對HCl、重金屬、二噁英

一般參照《生活垃圾焚燒污染物控制標準》GB18485-2014執(zhí)行。

（3）其他地方大氣污染物排放標準。

表19 國內現(xiàn)有污泥碳化項目執(zhí)行的排放標準

通過對國內外污泥碳化技術發(fā)展的梳理和總結發(fā)現(xiàn)，污泥碳化作為一項替代污泥焚燒的熱化學處理方式，在污泥能源利用、資源回收、污染物控制、溫室氣體減排等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

目前污泥碳化技術已經(jīng)在日本實現(xiàn)了大規(guī)模的工程應用，并建立了完善的技術標準規(guī)范體系。我國在污泥碳化技術引進吸收、工程示范等方面已經(jīng)具有一定的基礎，同時開展了相關產(chǎn)學研研究，但在關鍵技術裝備開發(fā)和工程推廣應用等方面還存在較大的發(fā)展空間，污泥碳化相關標準規(guī)范尚需進一步完善。

在本報告總結的基礎上，下一步將重點完成《污泥碳化技術導則》、《污泥碳化工程項目建設標準》等指導文件的編制。同時，還將開展污泥碳化分報告的編制工作，主要內容包括熱解碳化、碳化過程污染物以及碳化處理處置碳排放評價等方面。

歐美國家和日本自上世紀90年代便開始了污泥碳化的工程應用。總體來看，日本是污泥碳化工程應用開展最多的國家，歐美國家污泥碳化工程應用相對較少，主要在污泥熱解焚燒方面應用較多。

3.1 歐美污泥碳化技術及工程案例

3.1.1 涉及污泥碳化技術的公司

歐美國家參與污泥碳化技術開發(fā)的公司包括：

（1）德國的KOPF AG公司在德國曼海姆市污水處理廠建設了德國首個污泥熱解碳化示范工程，項目處理規(guī)模為100t/d（80%含水率污泥），采用“污泥厭氧消化-脫水-干化-熱解碳化”處理工藝，其中產(chǎn)生的熱解氣進入二燃室燃燒提供熱解干化所需要的能量。

（2）德國ELIQUO STULZ 公司研發(fā)了Pyreg® 污泥熱解技術，屬于高溫碳化。該技術通過污泥碳化的方式，達到污泥減量、穩(wěn)定的目標，并從污泥中回收磷。

該污泥熱解工藝采用螺旋反應器，熱解氣燃燒后產(chǎn)生的高溫煙氣（可達1250°C）返回加熱，余熱進一步用于污泥帶式干燥。在Pyreg® 工藝中，碳化溫度在500-700℃之間，污泥碳中的磷以生物有效磷為主，磷濃度高達15 % （以P2O5計算），植物有效P > 80 %。

（3）澳大利亞ESI公司開發(fā)了ENERSLUDGE™熱解技術，屬于低溫碳化。該技術通過污泥熱解得到碳化物和粗油，但為了平衡系統(tǒng)的能量需求，碳化過程產(chǎn)生的碳化物和粗油被送到高溫煙氣發(fā)生爐中進行焚燒。其工藝流程如圖19所示。目前該技術在澳大利亞Perth的項目已經(jīng)運行超過15年。

圖19 ENERSLUDGE™污泥熱解技術

（4）法國ETIA公司下屬的BIOGREEN®開發(fā)了Spirajoule®工藝，該設備的核心部件是由焦耳效應電加熱的無軸螺旋。該技術可用于有機廢棄物的碳化、熱解或氣化，產(chǎn)生碳化物、油和氣。由于采用和螺旋結合的電加熱圈，熱利用效率較高。產(chǎn)生的揮發(fā)分被冷凝后進行油、氣分離，油和氣可以分別進行利用。其工藝流程見圖12所示。

（5）荷蘭的Splainex Ecosystems Ltd公司開發(fā)了以回轉窯為核心設備的污泥中溫（450-500°C）碳化技術。該系統(tǒng)處理的對象是30%-35%含水率的半干污泥，經(jīng)過碳化處理后，產(chǎn)生的生物碳可用作生物燃料（Bio-fuel），也可用于磷回收。過程產(chǎn)生熱解氣經(jīng)燃燒用于發(fā)電、產(chǎn)熱。其設備見圖20所示。

圖20 Splainex工藝污泥碳化工程(200t/d)

（6）丹麥的AquaGreen公司開發(fā)了污泥高溫碳化（650°C左右）技術，包括污泥干化、碳化等單元，其目的是獲得可用于土壤改良的生物炭產(chǎn)品。其系統(tǒng)如圖21所示。

圖21 Aquagreen碳化系統(tǒng)

3.1.2 歐美工程案例

總體上，歐美國家污泥碳化技術的工程應用較少，根據(jù)有限資料，對相關工程案例統(tǒng)計如下：

表2 歐美碳化項目示例表

3.2 日本污泥碳化技術及工程案例

3.2.1 技術發(fā)展參與企業(yè)

日本污泥碳化技術是在國家宏觀發(fā)展政策的引導下開展起來的。上世紀90年代，在污染物減排和資源化利用的雙重壓力下，日本亟待研發(fā)新的污泥處理技術。

日本下水道協(xié)會在上世紀90年代末發(fā)起了由企業(yè)自主參與的污泥碳化工程技術研究，并建設了一批中試以上規(guī)模的污泥碳化設施及工程。

目前，日本已形成了完整的污泥碳化技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策支撐體系。

在日本污泥碳化技術發(fā)展的過程中，主要的參與企業(yè)見表3。

表3 日本污泥碳化技術主要參與企業(yè)表

3.2.2 碳化技術工程應用情況

從上世紀90年代末開始，日本陸續(xù)建設了一批中小型污泥碳化項目，項目基本信息見表4。

表4 日本小規(guī)模污泥碳化裝置項目清單

其中，雙葉地方廣域市町圈組合和K社（兵庫縣高砂市）兩個項目為商業(yè)化運行項目，其他均為技術驗證性項目。

以上項目的建設和運行，為日后確定污泥碳化資源化利用方向、大規(guī)模裝置的工程設計打下了良好的基礎。

2004年，日本下水道新技術推進機構發(fā)布《污泥碳化系統(tǒng)技術資料》，對上述項目做了全面的總結，對“技術分類、工程設計、運行管理、政策法規(guī)”等方面做出要求。

2008年開始，日本相繼新建了一批較大規(guī)模的污泥碳化設施，見表5。

表5 日本大規(guī)模污泥碳化項目清單

2010年，日本下水道新技術推進機構發(fā)布了《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術手冊》，對污泥熱解燃料化技術進行了專門的總結，并對相關的技術原理、工程規(guī)劃與設計、工程實施、運行管理、適用法規(guī)等做出了明確的規(guī)定。

同時，通過引進日本技術，韓國、中國也建設了一批污泥碳化處理項目，如表6所列。

表6 早期韓國、中國污泥碳化項目清單

3.2.3 日本碳化工程技術分類

按照碳化溫度劃分，污泥碳化分為低溫、中溫、高溫碳化三個大類，各類的主要特征見表7。

 表7 日本污泥碳化技術分類

（1）高溫碳化

高溫碳化技術的代表性公司為日本巴工業(yè)株式會社，采用立式多段外熱螺旋推進碳化爐，工藝系統(tǒng)包括污泥熱干化、污泥碳化、尾氣處理和熱量回收等核心單元。代表項目為2003年投產(chǎn)的雙葉地方廣域市町圈組合項目，見圖22。

圖22 雙葉地方廣域市町圈組合項目

（2）中溫碳化

中溫碳化技術的代表性公司包括三菱環(huán)境化學工程株式會社和美得華水務株式會社，代表性項目有東京都東部污泥處理中心和愛知縣衣浦東部中心。

中溫碳化裝置均采用外熱回轉窯碳化爐。碳化裝置包括污泥熱干化、污泥碳化、尾氣處理和熱量回收等核心單元，如圖23、24所示。

東京都東部污泥碳化二期工程采用了氣流干燥工藝，進一步提高了熱利用效率。

圖23 愛知縣中溫碳化工藝流程圖

圖24 東京都東部污泥碳化二期工藝流程圖

（3）低溫碳化

低溫碳化技術的代表性公司有月島機械株式會社，代表性項目有大阪平野污水處理廠項目和廣島西部污水處理廠項目，如圖25、圖26、圖27所示。

低溫碳化裝置均采用外熱回轉窯碳化爐。碳化裝置包括污泥熱干化、污泥碳化、尾氣處理和熱量回收等核心單元。

圖25 低溫碳化系統(tǒng)工藝

圖26 污泥干燥機、加熱爐

圖27 碳化爐及碳化產(chǎn)品顆粒

（4）污泥氣化碳化

污泥氣化碳化技術近年來也在日本得到工程化應用。氣化碳化技術的代表性公司為美得華水務株式會社，代表性項目為清瀨市水資源再生中心項目（100噸/日），如圖28、圖29、圖30所示。

該項目采用了流化床氣化爐，在產(chǎn)生熱解氣的同時，也得到碳化物。熱解氣被重整改質之后，用于內燃機發(fā)電，獲得電力。

圖28 污泥氣化工藝原理

圖29 污泥氣化碳化裝置

圖30 車間全景碳化爐設備圖

3.2.4 典型項目技術經(jīng)濟指標

日本已建設近30余個污泥碳化項目，典型項目的技術經(jīng)濟指標見表8。

表8 日本典型碳化項目主要技術經(jīng)濟指標

注：由于各項目受設計冗余、維護作業(yè)安排、運行管理的不同考慮，設計處理規(guī)模和年處理總量不能簡單折算而達到對應一致。

3.2.5 日本碳化技術發(fā)展總結

（1）宏觀技術總結

2004年、2010年、2015年日本下水道協(xié)會新技術推進機構組織相關方，共同對已建成的污泥碳化、熱解項目進行了三次總結，得出的主要結論包括：

污泥碳化在污染物排放方面，與焚燒相比有明顯的減排優(yōu)勢；

污泥碳化物在資源化利用方面有良好的前景；

污泥碳化處理技術是替代污泥焚燒的重要技術之一。

1） 2004年下水道新技術推進機構和14家碳化技術企業(yè)共同整理、匯總建成項目的情況，發(fā)布了《碳化系統(tǒng)技術資料》，主要是針對以市政污泥為對象的碳化裝置，在總結其技術概要、特點以及構造等基礎上，指明在進行碳化裝置的實施時所涉及的技術事項、注意事項：

① 對污泥碳化進行了明確的定義，包括碳化過程參數(shù)、碳化物評價等；

② 對污泥碳化的溫度劃分給出了明確的定義，劃分為低溫、中溫、高溫碳化；

③ 對碳化裝置進行了分類，分類準則包括有無干燥裝置、碳化爐的熱傳導方式、碳化爐內輸送方式等；

④ 對碳化物利用進行了總結，提出污泥碳化物有良好的資源化利用潛力，包括燃料化、土壤改良、建材利用、吸附材料、融雪劑等，并提出了不同利用方向的技術性指導意見；

⑤ 提出了碳化裝置設計流程的指導意見；

⑥ 對碳化裝置實際運行費用進行了總結，實際運行費用低于焚燒和堆肥；

⑦ 總結了碳化過程溫室氣體排放特征。將碳化裝置與污泥焚燒爐的每單位處理量所產(chǎn)生的溫室效應氣體排放量進行比較，碳化裝置比污泥焚燒爐產(chǎn)生的溫室氣體排放量少；

⑧對于資源化利用而產(chǎn)生的減排，提出了評估值的參考標準，見表9；

表9  基于碳化產(chǎn)品有效利用的能源削減效果

⑨ 對污泥碳化設施的建設、運行維護及適用性法規(guī)等提出了指導性意見。

2）2010年《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術手冊》

由于日本污泥有機物普遍很高，燃料化方向的碳減排效益明顯。2008年之后，燃料化利用成為日本污泥碳化資源化利用的主要方向。

2008年11月至2010年3月，下水道新技術推進機構基金會和東芝股份有限公司共同研究污泥熱分解燃料化系統(tǒng)的性能評價等成果，并總結成《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術手冊》。

《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術手冊》明確了“與高溫焚燒方式相比，熱分解燃料化系統(tǒng)能將污泥作為煤炭替代燃料進行利用，減少綜合能量收支，減少溫室氣體排放量，作為碳中和的燃料進行有效利用”。

①污泥碳化以污水廠污泥為原料，因此將污泥碳化物歸類到生物質資源，作為碳中和的燃料進行有效利用；

② 碳化物作為煤炭替代燃料進行有效利用的情況下，和直接進行焚燒處理相比，可削減綜合能耗。

（2）設施運行情況總結

日本的碳化技術從開始應用（在日本、韓國、中國）到現(xiàn)在已經(jīng)有18年，初步統(tǒng)計建成的項目超過30個，涵蓋了低溫、中溫及高溫碳化的工藝，目前最大的單體項目的處理能力達到150噸/天。最早的單體處理能力超過100噸/天的裝置（東京都東部）已經(jīng)運行17年。從已建成項目運行的實際情況看，總體情況如下：

①處理量普遍能達到設計能力；

②運營管理措施完善，設備狀況良好；

③未出現(xiàn)運行安全重大事故；

④未出現(xiàn)因排放超標導致的停產(chǎn)；

⑤污泥碳化物均得到妥善的資源化利用；

⑥項目投資及運行成本均得到很好的控制。

（3）環(huán)保對策總結

為保證碳化設施滿足環(huán)保要求，在與有關部門協(xié)商的基礎上，采取相應的污染物防治措施及安全對策。已建成運行項目在環(huán)保治理方面，均達到了相關標準的要求。

1）排放氣體對策

從碳化裝置中產(chǎn)生的大氣污染物，因裝置的型號規(guī)模、運行方式、燃料、污泥泥質等因素不同而異。

尾氣對策要遵守大氣污染防治法和二噁英類對策特別措施法等相關法令的五項標準。在大氣污染防治法規(guī)定對象內的設施，大氣污染防治法施行令第二條及二噁英類對策特別措施法中對其種類和規(guī)模進行了規(guī)定。在法令規(guī)定對象內的碳化裝置的排出物涉及SOx、粉塵、HCl、NOx及二噁英類。

2）臭氣對策

一般來說，污泥中產(chǎn)生的臭氣主要有硫化氫、甲硫醇、硫化醇、二硫化醇及氨等5種惡臭物質。臭氣對策須遵守惡臭防治法等有關法令。惡臭防治法根據(jù)每種特定的惡臭物質(政令規(guī)定)制定了控制標準。根據(jù)惡臭氣體成分及量級、產(chǎn)生場所及周邊環(huán)境的敏感度，設計符合《惡臭防治法》標準的設施。

3）噪音及防振對策

噪音及防振對策，需遵守噪音控制法和振動控制法等相關法令。

噪音控制法及振動控制法所規(guī)定的對象為工廠及作業(yè)場的設施中在發(fā)生明顯噪音或振動的設施中產(chǎn)生明顯的噪音或振動的作業(yè)，并由噪音控制法施行令及振動控制法施行令限定。

4）碳化物土地利用

碳化物如果作為土地利用原料，必須遵守日本肥料管理條例、土壤污染法和土壤生產(chǎn)力法等相關法令。

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的提升，污水產(chǎn)生和處理量日益增加，我國污水處理規(guī)模已經(jīng)躍居世界首位。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設部最新數(shù)據(jù)，截止到2020年，我國已建成城鎮(zhèn)污水處理廠4326座，污水處理量達到2.2億立方米/日，由此產(chǎn)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(chǎn)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(fā)力量，在生物穩(wěn)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(fā)布，逐步明確了污泥處理的要求和目標，污泥處理處置行業(yè)快速發(fā)展。目前，常用的處置方式主要包括土地利用、建材利用、衛(wèi)生填埋等，相應的處理技術主要包括污泥厭氧消化、好氧發(fā)酵、干化焚燒、深度脫水等，逐漸呈現(xiàn)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(fā)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(tǒng)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(xiàn)出一定的優(yōu)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(fā)展方向。

污泥碳化技術雖然在中國已有十幾年的發(fā)展，但依然未能得到大規(guī)模推廣應用。為了更好地了解該技術的適用性和發(fā)展?jié)摿�，本研究將從技術、經(jīng)濟、工程和政策法規(guī)等方面對國內外污泥碳化技術進行系統(tǒng)回顧，以期為我國污泥碳化技術的發(fā)展提供參考和指導。

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(chǎn)物為主要目標產(chǎn)物的污泥穩(wěn)定化過程。有機物在碳化過程會發(fā)生分解，產(chǎn)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(fā)和熱解氣體的揮發(fā)，逐漸形成表面和內部孔隙發(fā)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(wěn)定性，在多個領域均有較好的資源化利用前景。

圖1 污泥碳化處理過程示意圖

圖2 污泥處理狀態(tài)與單位質量熱值分布圖

1.2 技術發(fā)展背景

歐美國家和日本在發(fā)展過程中都經(jīng)歷過污水廠污泥處理處置的環(huán)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(huán)境污染。隨著經(jīng)濟發(fā)展和公眾環(huán)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(guī)。

以日本為例，污泥處理處置的主要方式經(jīng)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(wèi)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。

圖3 日本污泥處理處置現(xiàn)狀

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。

圖4 歐洲污水廠污泥處置情況(Eurostat, 2015)

歐盟28國污泥處理處置的情況見表1。

表1 歐盟28國污水廠污泥處置情況(2012–2015)

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(wěn)定化土地利用、焚燒建材利用、以及衛(wèi)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�？傮w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(wěn)步發(fā)展趨勢，而衛(wèi)生填埋由于環(huán)境負面影響較大，呈下降趨勢。

隨著環(huán)境管理政策的加強和社會經(jīng)濟的發(fā)展，到本世紀初，日本及歐美國家在污泥穩(wěn)定化、無害化處理方面已經(jīng)取得了長足的進步，污泥處理處置技術發(fā)展水平已經(jīng)能夠滿足社會及環(huán)境的基本要求。隨著污泥熱化學處理技術的發(fā)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(fā)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(chǎn)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(fā)新的污泥處理處置技術，污泥碳化技術迎來發(fā)展機遇。本世紀初，污泥碳化技術在日本得到開發(fā)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(fā)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(xiàn)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(fā)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(fā)展

歐洲發(fā)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(xù)開展污泥碳化方面的研究與工程示范。德國發(fā)展碳化技術的主要原因在于：

（1）污泥焚燒產(chǎn)生的復雜污染物處理難，環(huán)境健康效應不明確。而污泥熱解技術可以實現(xiàn)氣相產(chǎn)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(jīng)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(chǎn)量最大，2015年為180萬噸(干量)，占28個歐盟國家污泥產(chǎn)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(guī)定是：在規(guī)定的過渡期(12年或15年)之后，所有規(guī)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(jīng)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(guī)定，且含有N、 K、 Ca 等營養(yǎng)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(wěn)定固化作用，有利于降低后續(xù)利用過程的環(huán)境風險。

此外，歐洲已經(jīng)頒布生物炭的標準。The European Biochar Certifcate (EBC)是歐洲和瑞士生物炭的推薦性工業(yè)標準（Voluntary industry standard），它規(guī)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(fā)展

中國污泥碳化技術的出現(xiàn)，源于中國企業(yè)對于國外技術的引進，在引進之初并沒有明確的社會發(fā)展政策導向、行業(yè)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(xiāng)環(huán)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(fā)展的頂層設計，中國污泥碳化技術發(fā)展較為緩慢。

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(fā)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(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)過程的技術參數(shù)密切相關。能源回收系統(tǒng)是降低系統(tǒng)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(fā)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(jīng)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(huán)境

有機物的熱解反應只有在絕氧（或缺氧）的條件下才會發(fā)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(fā)生。熱解所需要的溫度通常根據(jù)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(fā)布的《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術手冊》提出污泥碳化過程發(fā)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(jù)污泥有機物含量、揮發(fā)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(chǎn)物分類

污泥碳化過程以獲得含碳固體產(chǎn)物為主要目的。根據(jù)污泥碳化的資源化產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)物，是污泥碳化技術工程應用的主流工藝。碳化過程中產(chǎn)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(jié)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。

圖5 污泥碳化基礎工藝

（2）污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝

污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝是污泥碳化基礎工藝的衍生工藝，過程的目標產(chǎn)物包括污泥碳化物和油（氣）兩種可回收利用的產(chǎn)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(fā)展方向之一。

污泥碳化產(chǎn)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。

圖6 污泥碳化衍生工藝

2、按碳化處理過程溫度分類

根據(jù)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。

圖7 不同溫度范圍污泥碳化分類

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(chǎn)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(wěn)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(chǎn)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(wěn)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(fā)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(chǎn)生的揮發(fā)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(yè)株式會社（TOMOE）。其系統(tǒng)概念和工藝如圖8和圖9所示。

圖8 日本TOMOE外加熱螺旋推進碳化爐

圖9 日本TOMOE高溫碳化系統(tǒng)

德國ELIQUO STULZ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。

圖10  PYREC®污泥熱解工藝

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(chǎn)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(fā)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(chǎn)生碳化物、油和氣。其反應器及系統(tǒng)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。

圖11 Spirajoule®反應器

圖12 Spirajoule®碳化系統(tǒng)

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(guī)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。

圖13 TSK碳化爐

圖14 外熱回轉窯污泥碳化系統(tǒng)

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(fā)展而來的。通過控制供氧使部分揮發(fā)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。

圖15 日本臟器制藥株式會社直接加熱回轉碳化爐

圖16 直接加熱回轉碳化系統(tǒng)

2.2.5 多膛爐

傳統(tǒng)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(jīng)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(xiàn)碳化或者氣化�？刂乒┤氲娘L量即可調整污泥碳化和氣化的程度。其設備形式及系統(tǒng)如圖17、圖18所示。

圖17 多膛爐結構示意圖

圖18 TSK多膛爐碳化系統(tǒng)