德國諾姆里希熱解污泥處理技術
Prof. Numrich GEV 曹臻/甄昕澤
隨著城市污水處理廠的普及和運行，城市污水處理廠污泥產量快速增加。污泥含有病原體、重金屬和持久性有機物等有毒有害物質，未經有效處理處置，極易對地下水、土壤等造成二次污染，直接威脅環境安全和公眾健康，使污水處理設施的環境效益大大降低。如何解決污泥的處理處置出路，已成為世界各國城市發展過程中亟待解決的重大課題。
國外發達國家污泥處理處置技術路線已相對成熟。特別是歐美國家技術手段先進，相關的法律法規及標準規范已比較完善。歐美國家將土地利用作為污泥處置的主要方式和鼓勵方向。土地利用主要包括三個方面：一是作為農作物、牧場草地肥料的農用；二是作為林地、園林綠化肥料的林用；三是作為沙荒地、鹽堿地、廢棄礦區改良基質的土壤改良。由于運輸距離、操作難度等客觀因素，污泥農用量又遠高于林用和土壤改良。另外，歐美普遍采用厭氧消化和好氧發酵技術對污泥進行穩定化和無害化處理，其中50%以上的污泥都經過了厭氧消化處理。美國還另外建設了700多套好氧發酵處理設施，污泥的厭氧消化或好氧發酵為污泥的土地利用、尤其是農用提供了較好的基礎。日本由于土地限制，污泥處理處置的主要技術路線是焚燒后建材利用為主，農用與填埋為輔。近年來，日本開始調整原有的技術路線，更加注重污泥的生物質利用，逐步減少焚燒的比例。另外，很多國家將污泥定義為生物固體，十分重視對有機物的資源回收，包括從污水和污泥中回收磷和氮的資源。因此，除了技術經濟分析外，碳足跡分析已成為國外比選和評價污水處理和污泥處理工藝技術路線的重要方法。
德國每年都會產生大約200萬噸（干物質 - TS）的城市污泥。 目前，其中近一半用于農業用途，其余部分是在單一或共同焚燒裝置中處理。 從長遠來看，德國政府已出臺聯合協議規劃和規定了農業污泥利用減排。根據德國2017年10月污泥處理新規定，德國必須從污泥殘渣中提取80%的磷，磷在德國具有戰略性的意義，現在德國磷100% 靠進口，所以規定各個污泥處理廠必須于2023年提交整改方案，只能生產能提取磷的污泥殘渣。這就意味著處理過程中污泥不能和其他物質比如褐煤等混合燃燒，只能進行單一燃燒或者熱解技術進行處理。在世界范圍內，磷是不可再生物質，磷的回收是保護有限能源的大趨勢。
現處理污泥的常用方法是流化床燃燒技術。 該技術投資成本相當高，只有相對較高的人員成本才能實現安全運行。作為替代方案熱解技術已得到德國政府有關部門的認可并加以推廣使用。
污泥熱解技術，是指生活或者工業污泥通過干燥后在熱解反應器中通過絕氧高溫條件下把污泥轉變成高燃值的熱解氣以及短鏈碳物質。生成的干燥污泥對地面不造成危害，可以直接進行填埋，用于農業堆肥或者做為提煉磷酸鹽等物質的原材料。生成的熱解氣可以燃燒供系統的熱能利用或輸出發電。與傳統的污泥單一燃燒技術相比，熱解的特點是操作更簡單，污染物排放更少。熱解設備可以模塊化組建, 顯示了較高的成本優勢，并且操作簡單。熱解技術較單一燃燒技術有較大的環保優勢，比如無二噁英的產生，固化重金屬，高能量利用以及低能量損失的特點。
盡管世界各地對污泥的處理處置和管理措施不盡相同，但最終的目的都是使污泥處理處置達到減量化、穩定化和無害化后作為資源加以綜合利用。污泥是一種有價值的資源，穩定化、無害化處理后再利用，既解決了污泥的出路問題，又開發了新的資源，滿足了可持續發展的需求。結合可持續發展的理念，污泥填埋處置技術將呈現明顯下降的趨勢，而污泥作為一種有價值的資源，進行穩定化、無害化處理后再利用將是污泥處理處置技術發展的必然趨勢。
諾姆里希能源過程公司利用污泥熱解技術為德國能源康采恩EON集團設計并組裝了污泥處理設備,運行并且實驗結果良好。諾姆里希能源過程公司是集環保科研、應用、技術服務為一體的公司，以德國帕德伯恩大學為科研背景，擁有專業科研人員、幾年來的科研成果及多項國家級專利，在污泥處理領域有豐富的科研及應用經驗。
熱解污泥處理技術工藝
1. 工藝過程描述
污泥處理采用“污泥干燥+熱解+自給自足（或燃氣發電）”的方案，處理后的污泥體積為初始污泥的5%-10%, 無毒無害，可進行填埋處理（在德國達到可填埋的II級; EWC代碼：19 01 18）或者可進行園林綠化等土地利用。工藝采用脫水后的污泥首先被熱干燥，然后在氣密條件下熱解。 這種氣體中灰塵顆粒，有害物質通過洗滌被凈化掉和汞和鎘等金屬在活性炭吸附器中被排掉。所產生的燃料氣體用作必要的熱干燥階段的能量源，實現熱能自給自足的過程。固體殘余物可以填埋，農業肥料或用于磷酸鹽回收。（加總設備圖）
圖 1: 淤泥熱解設備圖
（1） 污泥干燥過程
預脫水污泥臨時放置在儲藏室中。脫水后的污泥連續被輸進采用雙層加熱螺干燥器中。此干燥器污泥進行直接熱置換。 此干燥器的設計使污泥內外同時加熱與加熱介質有充分接觸增大了傳熱效率，同時避免了粘性較大污泥在加熱過程中在加熱壁上的黏連。屏棄了帶式干燥器和傳統滾筒式干燥器，使用傳統滾輪式干燥器容易使粘性較大的物質粘連在滾輪壁上從而影響導熱效果，使用帶式干燥器較難達到物質充分干燥，此外存在安全隱患曾經在德國的奧森那布呂克地區由于污泥中淀粉含量較高，用傳統的帶式干燥方法發生過燃燒現象。此項目使用的干燥器綜合換熱性能，效率，安全性以及設備成本都達到了最佳效果。高效污泥烘干含水率能有效的控制在5%-10%之間。干燥器煙氣在洗滌器中冷凝并去除灰塵顆粒，不會對大氣產生任何污染物， 洗滌水來自污水處理廠并循環使用。
圖 2: 舉例建成設備中的淤泥干燥設備
（2） 熱解過程
圖3: 舉例建成設備中的熱解設備
干燥的污泥隨后進入熱解反應器。 熱解過程在間接煅燒的反應器中約400-500 °C的溫度下進行。 在熱解過程中，在絕氧環境中形成了具有高熱值的短鏈烷烴和烯烴的氣體以及惰性氣體，避免了二噁英等有害氣體的產生。另外熱解氣中含有粉塵，油質，重金屬（汞和鎘）以及其他有害物質雜質。其他熱解產物是惰性的無機質碳質殘渣以及除汞和鎘以外的重金屬元素，極其穩定，在德國按照無害物進行處理或者作為提取磷的原材料。
（3）洗氣吸附過程
在反應器之后，為了熱解氣的再次利用以及排放氣體的清潔，熱解氣中的粉塵顆粒和有害物質如（HCl，NH3 等有害氣體）必須在接下來的洗氣過程中被去除掉，熱解氣進入氣體洗滌器以進一步冷卻和凈化，重金屬如汞（Hg）和鎘（Cd）在活性炭吸附器中被吸附并處理，避免了對大氣的污染。 洗滌水從污水處理廠收集，并從洗氣裝置收集返回污水處理廠。
（4）能源再利用或燃氣發電
經過洗氣后的合成燃氣具有很高的熱值 （實驗數據約6 KWh/kg），其主要成分為：甲烷、一氧化碳、氫氣、二氧化碳和氮氣。可以燃燒后用于自給自足的能源利用，或者用于發電。從而大大降低了運營成本。熱解氣完全燃燒后的產物是二氧化碳，水蒸氣，氮氣，氧氣等無毒無害氣體。經過降溫，排放到大氣中。
4. 處理實驗數據（來自EON的處理數據）
4.1未處理淤泥/濾餅
類型 2000 噸（每年）工業淤泥和1750噸（每年）城市淤泥的混合物
處理量 約 1 t/h（約 700 t/a）
干質含量 25%
有機干渣 58%
4.2灰/熱解焦炭
數量 約100 kg/h
填埋級別 根據TA市政垃圾可填埋的II級; EWC代碼：19 01 18
4.3熱解反應后的合成氣
類型 熱解氣體
數量 約105 kg/h
熱值 約6-7 kWh/kg
摩爾質量 約30 g/kmol
組成成分（重量比）
H2/N2 約10％
CO2 約30％
CO 約10％
鏈烷烴,烯烴 約50％
焦油/油 大約0.5％入口的濾餅
污染物（洗氣前）
Σ Schwefel 2620,0 mg/m³
Σ Chlor 14,1 mg/m³
Σ Fluor < 1,0 mg/m³
HCL 無法統計; 最大值 HCL = Σ Chlor
H2S 1,4 mg/m³
HCN 10,7 mg/m³
NH3 631,0 mg/m³
NOx 120,0 mg/m³
顆粒 3,6 g/m³
污染物（鼓風機后，負載1）吸附和洗氣）
污染物 負載 臨界值
HCL mg/m³ 4….15 10
H2S mg/m³ 0,2.…1,4 2)
HCN mg/m³ 2,0….11 2)
NH3 mg/m³ 0,3….630 2)
SF mg/m³ < 1 1
Hg mg/m³ 0,002……0,027 0,03
Cd mg/m³ 0,0082…..0,044 0,05
1）來源: Carl Fritz Noell – Konversionsverfahren, EF-Verlag, 1994
Numrich; VDI Wissensforum, Bamberg, Februar 2003
2) 低于質量流量
4.4 焦油/油
處理 焦油和油在氣體洗滌器中冷凝并分離。
數量 約為濾餅的0.5％ 約5 kg/h（額定載荷1000 kg/h濾餅）
4.5冷凝水
4.5.1 流量中冷卻水的要求
溫度 25 °C
固體 k.A.
ph值 k.A.
質量流量 7000 kg/h
4.5.2返回再利用冷卻水*負載
污染物 基于干物質 總量 基于回流
(TS: 225 kg/h)
CSB 65,3 g/kg 14,7 kg/h 2.100 mg/l
Hg 67,4 μg/kg 21,9 mg/h 3,1 μg/l
Cd 21,3 μg/kg 4,8 mg/h 0,7 μg/l
N** 12,8 g/kg 2,9 kg/h 414 mg/l
溫度出口最大溫度 35°C
*以上數據基于城市污水污泥指南。在泥漿混合物可能偏離這些值。 值只能在期間的試運行是絕對確定的。
**一般可以說氮負荷在10-15％之間，5-10％的CSB負荷通過熱解與處理裝置入口有所增加。
5. 位置說明
以經驗值，所建處理設備離污水處理廠的位置越近運營費用越低。下圖所示紅點位置為污泥處理設備位置。
6. 技術優勢
在前面已經在技術論述中提到過整套流程和設備的技術優勢，下面將從環保，過程工藝，設備，安裝，經濟性幾個方面把整套設備流程的做以下總結:
- 廢氣經過洗氣吸附為無毒無害氣體 （二氧化碳，氧氣，水蒸氣，氮氣）
- 污泥固體殘渣為惰性無機質，狀態穩定，在德國按無害處理，也可作為回收磷的原材料
- 洗氣水為污水處理廠廢水利用，產生廢水再返回污水處理廠，不會造成過程中污染
- 洗氣吸附過程去除部分重金屬以及氣體有害物質
- 螺桿式加熱器比傳統非接觸性常用加熱器，如履帶式干燥器熱效率更高，不容易發生高溫過干設備堵塞
- 洗氣裝置可有效的去除熱解氣中的顆粒雜質和有害物質
- 根據處理量進行模塊化設計，占地面積小
- 設備設計模塊化統一化，投資小
- 能量自循環利用，外界耗能依賴少，運營成本低
