三个案例分析污泥分质实现资源化利用的可行性

天津壹新环保工程有限公司（以下简称“壹新环保”），成立于2015年2月，是一家专业化从事环保领域污泥处理处置业务的综合服务提供商，拥有一批核心高端技术人才及独有的业内领先的污泥处理处置资源化利用技术。经过多年良性发展，壹新环保已具备可提供多种商业合作模式的实力，可集项目投资、设计、工程建设施工及运营管理于一体，为客户提供全方位的污泥处理解决方案和服务。

2023年3月，在北控水务杯第二届生态环境科技创投大赛中，壹新环保凭借“污泥有机无机分离及精准资源化利用技术”获得冠军，受到行业专家认可。

 

“壹新环保目前累计融资5000多万，有三个典型案例，即两个焚烧项目和一个堆肥项目。十年磨一剑，壹新环保今年已经到第9个年头了。”王学科介绍说。

 

 

 

壹新环保围绕核心技术申请相关专利122项，其中64项发明，58项实用新型，授权专利68项，11项发明，57项实用新型。壹新环保目前已申请成为“天津市高新技术企业”“国家级高新技术企业”和“天津市专精特新中小企业”，同时也是天津市瞪羚企业（证书正在下发中），且被选入天津市“千企万人”支持计划，于2020年再次复审通过“国家级高新技术企业”。

一、“重水轻泥”现象普遍，污泥长居环保督察“榜单”

市政污泥是由污水厂产生，平均每处理1万吨污水，每天产生5-8吨污泥（以含水率80%计算），我国每年市政污泥产量约为6000万吨。

 

“以前是按一级A的排放标准，按照现在准IV类排放标准算，需投入大量的碳源和有机除磷药剂，因此污泥产量会翻倍或者翻几倍，这跟碳源的投加量有关系。”王学科介绍。

城镇污泥产量大，处理率低，“重水轻泥”现象普遍存在，污泥缺乏规范有效的处理。2015年来我国污水处理厂的数量基本保持逐渐增加的趋势，2022年末，我国共有污水处理厂19220座，年处理污水量881.2亿吨。2022年中国市政污泥的产量约为6000万吨，污泥年处理处置行业总体规模可达到千亿级。

根据实际调研结果显示，我国污水处理厂所产生的污泥处理率不足30%，未处理的污泥量达到3800万吨/年以上，国内新一轮环保督察显示，污泥问题十分突出，污泥处理处置现状与我国污水处理差距甚大、远远落后发达国家。

2022年10月，国家发展改革委、住房城乡建设部、生态环境部联合印发《污泥无害化处理和资源化利用实施方案》，方案中提出污泥处理处置的主要目标为：“到2025年，全国新增污泥（含水率80%的湿污泥）无害化处置设施规模不少于2万吨/日，城市污泥无害化处置率达到90%以上，地级及以上城市达到95%以上。污泥土地利用方式得到有效推广。京津冀、长江经济带、东部地区城市和县城，黄河干流沿线城市污泥填埋比例明显降低”。实施方案中提出要因地制宜，合理选择处理处置技术路线，应遵循“绿色、循环、低碳、生态”理念；积极推广并实现污水污泥能量协同利用；积极推广污泥焚烧灰渣建材利用，氮磷营养物质回收利用，特别关注不可再生的战略性磷资源的回收。

壹新环保提出的污泥分质资源化利用技术完全契合了实施方案中的技术重点方向和原则。

二、污泥分质结合常规工艺，困境迎刃而解

目前，国内的污泥处理有四个主流工艺，包括干化焚烧、厌氧消化、好氧堆肥以及碳化工艺，王学科将各工艺目前面临的困境做了详细介绍。

1.干化焚烧：污泥自身热值低，含水率高，独立焚烧不能满足干化焚烧热平衡，需要掺加大量燃料；协同焚烧也存在相同困境。成本较高，目前国内污泥焚烧处理成本大都在300~500元/吨。

2.厌氧消化：投资大，如不结合热水解，则实际产沼率偏低，最终的沼液和沼渣处理处置难度高。

3.好氧堆肥：受污泥含水率高影响，辅料掺加量大，处理效率低，臭气产生量大，最终肥后的产品，出路受限。辅料成本高，且受政策影响。

4.碳化工艺：投资和运行成本高，碳化过程需要大量辅助热能，需配套外加热源或消耗大量外加燃料。

污泥成分复杂，其中包括细菌菌体、有机残片及胞外聚合物等有机物，还有无机金属盐类、泥砂等无机物，其中的无机成分占比超过50%。

 

 

 

王学科介绍，壹新环保通过九年的试验积累，将全国各省份的污泥都做了成分分析试验。总结发现，我国污泥存在有机质含量低、泥砂含量高；无机金属盐含量高；粘度大，难脱水；易腐败，臭气产量大等特点。

是否可以寻求一些方法，使污泥处置遇到的问题从源头上进行破解？能否通过污泥分离预处理，实现去除污泥粘性、分离无机金属盐、去除泥沙等目的？污泥组分分离能否实现？突破上述技术，成为壹新环保研发的出发点。

壹新环保经过多年积累，形成了一整套污泥路线。分质资源化技术反应原理是利用复配药剂，使污泥中铁、铝及磷等无机组分还原成离子态溶入液相中，再依靠固液分离的沉淀过程，使固相污泥沉淀并排出含有无机盐的上清液，对排出的固相污泥继续反复淋洗，使其中溶解入液相的无机盐类最大程度的转移至淋洗液中。再将上清液与淋洗液收集并加入还原性药剂，使其中溶解性盐类析出沉淀，沉淀物即为分离出的无机盐类成分。

对原泥进行无机盐提取的同时也对污泥进行了改性，使微生物、细菌和病毒全部灭活，满足对污泥进行病毒消杀的相关要求。药剂同时会破坏污泥EPS的粘性，使泥砂得到释放，为重选除砂创造条件。

污泥除砂方面，预处理后的固相污泥继续进入泥砂分离装置（该装置借鉴部分矿选行业分砂设备原理），利用固相污泥中，有机污泥颗粒与泥砂颗粒的比重差导致的离心力差异（比重差在2～3倍左右），对其进行旋流分离，在分离器的流道截面上，污泥中的无机泥砂颗粒因自身比重大，受到的离心力大，会逐渐被甩到流道的外侧，而有机质颗粒自身比重轻，受到的离心力小的多，会逐渐汇集到流道的内侧，最终在流道的末端，内侧即为分离后的轻质部分，就是有机污泥，外侧即为分离后的重质部分，即为泥砂。经分离工艺处理并脱水后得到的有机泥饼和无机泥饼检测报告显示，原泥干基高位热值为2024.7kcal/kg，分离后有机泥饼的热值为3779.4kcal/kg，相比提高86.6%。分离后无机泥饼的有机质含量稳定低于3%。

 

 

 

分离后污泥有四个资源化方向：

1.生物质燃料：将污泥中有机质分离出后，可作为生物质燃料使用，也可堆肥后作为肥料使用。

2.磷资源化产品：将污泥中提取出的磷盐制成磷肥，纯度可达20~30%。

3.除磷药剂：将污泥中提取出的铝铁盐，将来通过进一步研发，可以作为除磷药剂循环利用。

4.建材原料：将污泥中泥砂等无机物分离出后制成建筑基材原料或绿化土作为使用。

 

会上，王学科将磷资源化产品的回收效果进行了详细介绍。他表示采用有机无机分离工艺分离出的无机磷可以继续进行回收利用作为磷资源产品的原料，回收率达到70%以上，回收磷资源产品有效磷（以P2O5计）含量接近30%。打破了国内污泥处理磷难以回收的现状。此外，采用有机无机分离工艺分离出的铁铝盐可以回收至水厂前端作为除磷药剂循环利用，可减少后续PAC的投加量50-70%，实现污水污泥的协同处理。将得到的除磷药剂按照不同的比例和污水进行混合后，污水中磷的去除效果显著，混合的比例越高，磷的去除效果越理想。从实验数据可知，除磷剂加药量比例为0.5%时，1号实验组污水中总磷含量由3.23降至1.19，2号实验组污水中总磷含量由3.55降至1.31。由此可证污泥中分离出的铝、铁除磷药剂具有良好的除磷效果，加药比例为0.5%时除磷率即可达到63%。

 

 

 

不仅如此，分离技术与常规工艺结合后，原有工艺的各种问题均迎刃而解。“污泥实现有机无机分离后，可与原工艺充分结合，不推翻现有工艺设施。结合干化焚烧工艺时，可不再需要添加任何辅助燃料；结合好氧堆肥工艺，可不掺或低比例掺加有机辅料；结合厌氧产沼气工艺，可提高有机负荷、扩大产能；结合碳化等其他工艺，减少外加燃料使用量。”王学科介绍道。

三、三个案例，详细阐述污泥分离工艺优势

工程化应用方面，王学科详细介绍了天津市武清区污泥处理厂项目、宜昌市夷陵区污泥资源化项目、武汉市黄陂区污泥资源化项目三个项目案例。

1.天津市武清区污泥处理厂项目

项目处理工艺为“污泥改性除砂+脱水+干化焚烧”，设计污泥日处理能力130吨（含水率80%计），占地15亩。项目自2017年8月投产至今已稳定运行了6年时间。项目分离单元直接处理成本为50元/吨，全工艺流程直接处理成本为170元/吨，远低于国内其他污泥焚烧项目成本。

该项目工艺有以下亮点：

在工艺最初环节加入污泥灭菌单元，使得微生物全部灭活，杜绝了污泥在后续工艺段恶臭气体的产生。

通过前端改性除砂，实现了利用污泥自身热值即可自持焚烧，并实现干化焚烧全系统热能平衡。

经改性除砂工艺处理过的污泥，最终产物对比来泥减量了90%，减量化效果明显。

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工艺流程图

 

 

分离脱水干化焚烧工艺

污泥经分离脱水干化焚烧工艺分离后，有机泥饼中有机质含量最多可高于75%，无机泥饼中的有机质含量最低可低于5%。此外，王学科还将分离脱水干化焚烧工艺与直接干化焚烧工艺、常规脱水干化焚烧工艺进行了对比：

 

直接干化焚烧工艺是从80%含水率原泥直接干化到30%，在干化工艺段需要蒸发大量水，为满足干化焚烧工艺段热能平衡需外加大量能源。

 

 

直接干化焚烧工艺

常规脱水干化焚烧工艺虽然在脱水工艺段使污泥含水率降低，但引入的无机成分同时使原泥热值大幅降低，因此为满足干化焚烧工艺段热能平衡仍需外加大量能源。

 

 

常规脱水干化焚烧工艺

基于污泥自身具有含水率高、燃点高、挥发份含量高、灰分高的特点，壹新环保针对性的将常规倾斜阶梯型往复炉排式焚烧炉进行了全新优化，优化后的焚烧炉在炉膛内前端延长了物料的预热环节，充分利用炉膛后端焚烧热能将前端物料进行预热干化，物料被升温到600度以上，解决了污泥燃点高的难题，污泥连续焚烧不再出现断火的情况。焚烧炉内的物料床采用机械往复式炉排结构，污泥在进入炉体一直到燃尽出炉，全过程被炉排推动翻滚前进，有效杜绝了焚烧过程中的结焦现象。同时污泥在预热工段，污泥中的大量挥发分受热析出，与焚烧段火焰相遇后，进行了一次燃烧，有效保持了炉膛内的焚烧温度，焚烧后的烟气进入二燃室，通过补风，进行二次燃烧，使得二噁英彻底分解，减少后续烟气处理难度。根据已有项目在线监测系统可反映出本工艺烟气处理效果，经处理后烟气满足《GB18485-2014 垃圾焚烧污染控制标准》中相关限值。

2.宜昌市夷陵区污泥资源化项目

该项目采用的处理工艺为“污泥有机无机分离+脱水+堆肥”，设计污泥日处理能力100吨（含水率80%计），该项目于2021年初完成工艺调试。

目前因肥料出路困境，计划增加干化焚烧工艺。

该项目具有以下亮点：

因分离后有机质含量提高到70%以上，污泥堆肥效率提升产品肥料品质提升，肥料安全保障性提升。通过前端分离工艺，将污泥中絮体结构破坏，污泥脱水性提升，出料含水率65%，直接满足堆肥进料要求，无需添加外购辅料，堆肥系统设施规模减少三分之二，堆肥效率提升。

3.武汉市黄陂区污泥资源化项目

该项目采用的处理工艺为“污泥有机无机分离+脱水+干化焚烧”，设计污泥日处理能力120吨（以含水率80%计），总占地面积约18亩，直接运行成本较现节省三分之一以上，该项目目前已进入试生产阶段。

污水处理厂厂内剩余污泥就地资源化正积极推进中。

王学科说：“该项目将在国内率先实现污泥组分的分离及全面精准资源化利用，同时污泥中的有机成分实现利用自身热能完全焚烧，分离出的泥砂作为建材原料利用，分离出的铁铝盐作为除磷剂回收利用，分离出的磷作为磷肥原料利用，打破国内磷不可回收的困境。”

 

 

工艺流程图

四、做“负碳”工艺，将污染变为资源

降碳减排方面，王学科将分离工艺碳排放核算边界分析做了详细阐述。直接碳排放是由有机污泥外运掺烧产生的，不纳入污泥处理处置厂碳排放总量。间接碳排放包括污泥处理过程中投加的药剂、消耗的电能、废水废气的处理以及产品的运输产生的碳排放。

分离工艺可实现产物的资源化利用，铁铝盐作为除磷剂回收可产生碳汇；磷资源化产品用作磷肥原料可产生碳汇；有机污泥外运电厂掺烧，发电后的电能利用可产生碳汇。

 

 

分离工艺碳排放核算边界

以100吨规模（含水率80%）污泥处理项目为例计算碳减排效果，通过碳排放计算表可知，本项目污泥处置及外运协同焚烧工艺段碳排放量为14349.22kg，其中污泥处置厂内碳排放量为7904.32kg，使用资源化产品的碳排放量为-22439.74kg。综合计算，总碳排放量为-8090.52kg。故分离工艺是一种“负碳”工艺，可不占用地方能源指标，符合国家“双碳”政策。

 

 

资源化工艺可以实现污泥干化焚烧的热能自平衡；实现污泥处理产物的资源化利用；节能降耗契合国家双碳政策；降低项目投资及处理成本。

王学科最后表示：“壹新环保的使命是以创新驱动发展，将污染变为资源。努力做成国内污泥细分领域下污泥分质资源化的引领者。”