天津壹新环保工程有限公司污泥焚烧处理技术

1     公司介绍

天津壹新环保工程有限公司是从事污泥处理污水厂提标改造的专业化公司，拥有一批高级技术人才和行业内领先的污泥处理减量化、稳定化及资源化处置技术。公司集污泥及污水项目投资（BOT\BT\ROT\PPP）、设计、工程建设及运营管理于一体，为客户提供全方位的污泥处理和污水厂提标改造解决方案及服务。

公司成立后，专注于污泥全面资源化新工艺技术的整合研发与产业化。坚持走“产、学、研、用”四位一体化的发展道路，并与多所大学和研究院展开广泛合作。最终凭借对污泥处理新技术的持续研发和不断努力，成功研发出污泥高效分离资源化处理工艺，并申请相关专利二十余项。同时也顺利通过了国家高新技术企业认定。

公司于2015年12月，成功中标武清区污泥处理厂PPP合作项目，该项目采用的污泥处理工艺为“污泥脱水+干化+焚烧”，设计污泥日处理能力130吨（含水率80%计），占地15亩，项目投资约4600万元，项目建成后用于将武清区内污水处理厂产生的剩余污泥进行综合处置。该项目予以2017年9月竣工并持续稳定运行，真正实现了污泥在不掺加任何化石能源的前提下，达到了污泥自持焚烧和系统热量自平衡，彻底解决了国内污泥焚烧处理的技术难题。

2     污泥行业背景及污泥处理技术简介

2.1    行业政策背景

2015年4月，国务院正式发布《水十条》，其中提到，“污水处理设施产生的污泥应进行稳定化、无害化和资源化处理处置，禁止处理处置不达标的污泥进入耕地。非法污泥堆放点一律予以取缔。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。”该政策的发布，进一步体现了国家对污泥处理处置工作的重视，预示未来政策的走势和工作的重心。

2015年8月，天津市政府最新发布了《关于我市城镇污水处理厂污泥处理处置工作的指导意见》，其中明确提出“2015年底，中心城区和滨海新区分别建成污泥处置中心，负责处置中心城区、滨海新区、环城四区污泥，并利用富余的处置能力协同处置其他区县部分污泥。2016年底，其他各区县分别建成污泥处理处置设施并投入运行”。该指导意见的出台，鲜明的表达了天津市政府高度重视污泥处理处置的态度，决心要对污泥的处理处置狠抓落实，并且必须加快进度，甚至要走在国家总体规划的前面，务必在两年内彻底解决污泥问题。

2.2    污泥的来源及组成

城市污泥是指城市污水处理厂在处理污水过程中产生的含水率不同的半固态或固态物质污泥产生量核算为每处理万吨污水产生8-10吨剩余污泥（含水率80%计）。

图2-1 污泥来源示意图

污泥成分复杂，含有病源微生物、寄生虫卵、有毒有害的重金属及大量的难降解物质，如处理不当，容易对环境造成二次污染。同时，污泥中也包含很多丰富的营养物质。从污水里转入污泥中的COD（化学需氧量）比例大概是30%~50%，转入污泥中的氮约为20%~30%，磷约为90%，如能够合理化利用，则是非常宝贵的资源。

图2-2 污泥成分示意图

经过污泥行业多年的实际调研，我国污水处理厂产生的市政污泥中，有机质成分一般较理论值低，仅在40-50%之间，无机物占比50%甚至更多，这主要是由于我们国家在城市管网建设时雨污分流不彻底，污水厂除砂设备效率低且进水COD偏低等原因导致的。因此，无机物的成分偏大严重制约了污泥的资源化利用出路。

2.3    国内污泥处理行业技术发展现状

目前国内污泥处理处置技术主要有堆肥、干化+焚烧、破壁预处理+厌氧消化三种主流工艺。

我国部分地区已开始将污水处理厂污泥堆肥用于土壤改良和城市绿化，少数地区将污泥作基质，制作复合肥用于农业等。但由于污泥中所含病原菌、重金属等成分可能会对土壤造成二次污染，进而会威胁到食品安全，因此污泥堆肥后的最终出路受限是制约污泥堆肥工艺推广的限制因素。

干化+焚烧工艺是污泥处置最为彻底的工艺路线，污泥中的有机物通过焚烧全部得到分解，最终的炉渣可以做为建材进行应用。由于污泥含水率通常均超过80%，因此即使污泥焚烧的热量几乎全部用于污泥的干化使用，但仍需要外加30%以上热源才能满足污泥干化的热量平衡。另外由于我国污泥中有机物含量通常仅为污泥固含量的50%以内，造成污泥干化后热值偏低，不能满足自持燃烧的条件，通常会掺加30%以上煤炭等化石能源才能焚烧和系统能量平衡的要求，这种掺加外加化石能源的焚烧方式不仅会大大增加污泥处置成本，同时也会增加烟气污染物的排放，进一步加重大气污染。

破壁预处理+厌氧消化工艺是近几年在国内发展较为迅速的污泥处理工艺路线，尤其北京、天津、武汉等地区，相继上建设了规模较大的污泥厌氧消化工艺项目，已经逐渐成为大体量污泥处置的主力军，同时在污泥厌氧消化阶段会产生大量的甲烷气体，能够用于沼气发电，从而补充整体污泥处理工艺的部分用电，实现了污泥部分有机质的资源化利用。看似完美的工艺背后实质上掩盖了污泥厌氧消化工艺的诸多弊端，首先污泥在厌氧消化之前必须对污泥微生物细胞的破壁预处理，应用较多破壁预处理工艺通常热水解工艺。另外污泥消化工艺通常采用中温厌氧或高温厌氧，厌氧环节消耗的伴热热能非常可观，在厌氧消化工段产生沼气焚烧的热能很难满足上述两个工艺段的热能消耗；其次，由于污泥中的有机物主要是微生物细胞及有机碎片组成，组成成分基本上都是蛋白质，其碳氮比组成是较为均衡的，然而在污泥厌氧消化阶段会将污泥中的部分C和H合成甲烷气体释放出来，氨氮会溶解在沼液当中，该沼液的氨氮浓度通常可达2000mg/L以上，后续排入污水厂进行处理，为本来碳源不充足的污水厂带来严重运行负担，需要在污水处理环节投加大量碳源才能通过污水处理的硝化反硝化工艺将该氨氮去除，成本很高；再次，污泥厌氧工艺由于停留时间及工艺本身的限制，通常污泥中的有机物通过厌氧效果环节只能去除50%左右，其排放出的沼渣固形物中仍然含有20~30%的有机物，无论后续堆肥还是焚烧处理，都是不可避免的难题，但相关厂家基本上都会回避沼渣的处理问题。

3     壹新环保污泥全面资源化处置技术

由于现有污泥处理技术均存在明显的技术短板，我公司组织专业人员创新思路进行工艺研发，根据污泥自身成分及特点，尝试开发全新污泥处理工艺。从宏观来看污泥主要由有机物、无机物和水组成，如果能够将污泥中的有机和无机成分在经济合理范围内进行分离，进而再各自资源化利用，则会具有广阔的应用前景。

本污泥资源化方案是我方科研人员经过大量的研究论证，在借鉴污泥处理、垃圾焚烧发电、矿选等行业成熟技术的基础上，结合我公司自主研发的污泥资源化利用技术，最终创新性研发出全新的污泥全面资源化处置工艺。

（1）工艺思路

根据对污泥成分的深入研究，我们实现了将污泥中的无机物与有机物实现最大程度的分离，使处理后污泥的干基热值增加一倍以上，脱水干化后制成生物质燃料；分离出的无机物经脱水并添加固化剂做成建材使用；分离出的污水经过污水处理后达标排放。本方案可以充分利用污泥自身物质特点，以低成本的方式完全实现了污泥稳定化、无害化、减量化、资源化的处置。

图3-1 污泥的全面资源化处置利用图

（2）工艺方案

本工艺的处理过程为：首先将污泥（80-85%含水率）进行调质灭菌处理，使污泥中的细菌与微生物全部灭活，杜绝后续处理过程中恶臭废气产生，灭菌同时使污泥中胞外聚合物等粘性物质彻底失去作用，为后续污泥除砂和污泥脱水创造最优条件；灭菌后的污泥进入有机无机分离装置进行成分分离；分离后剩余的有机污泥进入高压脱水装置，含水率降至65%以下，然后继续进行热干化，最终得到含水率15%以下的污泥质燃料颗粒，进入污泥焚烧炉进行燃烧，所供热量回收至前端污泥热干化环节使用，其余热量可进行余热利用。分离出无机污泥进行高压脱水后外售给建材厂家，作为建筑基材使用。产生的废水废气处理后达标排放。

图3-2 污泥的全面资源化处置利用工艺流程

3.1    新工艺特点

（1）场污泥经灭菌剂处理后，细菌与微生物全部灭活，杜绝污泥处置过程中的恶臭废气产生，处理环境非常友好，实现污泥的无害化处理；

（2）本工艺是将污泥按成分进行“拆解”，物尽其用，彻底使污泥变废为宝；

（3）全面资源化处置制成无机建材和焚烧后的炉渣能够对外销售，且不担心出路问题，同时其收入能够回补污泥部分处置成本；

（4）厂房设备占地面积小；

（5）工艺处置设备均为成熟设备，运行保障性高；

（6）污泥干化热源使用厂内自产污泥质燃料颗粒焚烧产生，全流程不使用煤炭等化石能源，真正实现了污泥自持焚烧和系统热能平衡，符合国家当前的环保政策；

（7）本工艺减量化明显，污泥按100吨/天，最终只产生8吨无机建材及灰渣。

3.2   新工艺的实施效果

（1）胞外聚合物的破坏效果

采用我公司的处理方式并通过实验验证，污泥在经过灭菌和菌胶团破碎处理后，对胞外聚合物（EPS）进行电竞扫描观察，其结构被彻底破坏。处理后的污泥，脱水性能有实质性提升，经过板框高压压滤后，含水率可降低至63-68%。

（2）市政污泥有机与无机成分的分离效果

通过大量实验及中试检验，采用我们的污泥改性方法，彻底破坏了污泥中的胞外聚合物，污泥的粘性降低后，本工艺可实现污泥的有机和无机成分分离，其中分离出的有机污泥其干基热值相较于分离之前的原泥，可最高提升一倍以上。

图3-3 污泥有机与无机成分分离效果

图3-4 污泥有机与无机成分分离的现场堆放照片

（3）工艺减量化效果

经过全部工艺段的验证，计算出本工艺处理污泥的减量情况，本工艺可以将100吨每天的污泥进行处理，分离出有机污泥60吨，无机污泥40吨（均按80%含水率计算），分离后的有机污泥经过脱水后减量为30吨（含水率65%），继续干化后减量为14吨（含水率15%），最终经过焚烧，产生3吨灰渣，每天产生无机污泥5吨，最终减量化明显。

图3-5 污泥有机与无机成分分离工艺减量化效果

干化后污泥颗粒及其热值前后变化情况：

图3-6 干化污泥颗粒及热值监测数据

常见固体燃料热值对比表：

4    主要工艺简介

4.1    污泥调质灭菌池

污泥调质灭菌池采用钢筋混凝土池体结构，功能是将含水率80%的生活污泥稀释成含水率为93%的污泥溶液，并加入灭菌剂对其进行细胞灭活处理，灭菌后污泥不再产生硫化氢等腐臭气体，使厂区环境改善并节省后续臭气处理费用。

4.2   菌胶团破解装置

将灭菌后的污泥溶液提升至菌胶团破解装置中，对其进行菌胶团破解处理，去除污泥中的胞外聚合物和其他粘性物质，使得菌胶团彻底失去聚合作用。

污泥主要由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成，并通过胞外聚合物和胶体的粘性作用，组成了连接微生物细胞和其它物质的污泥的絮体结构。其中亦裹挟大量无机砂粒且无法分离，降低了污泥的有机物占比。

细胞菌胶团破解装置是将污泥溶液在一定反应温度下，借助多种化学药剂的联合作用，使胞外聚合物得到有效破坏，污泥彻底失去菌胶团的聚合作用，从而释放出裹挟的无机砂粒，为后续污泥有机物和无机物的分离创造条件。

图4-1 污泥菌胶团破碎系统

4.3   污泥除砂装置

本环节采用专业污泥除砂装置，利用污泥中砂粒和有机颗粒的比重差，通过水利旋流的重选作用，将污泥中粒径大于75μm砂粒进行分离，除砂效率高达90%。

图4-2 污泥除砂装置

4.4   污泥脱水装置

经分离后的有机污泥进入高压脱水装置进行脱水，因前处理环节，污泥胞外聚合物已失去聚合作用，污泥菌胶团破解，无机砂粒也已分离，故有机质污泥的脱水性有实质性提高，经压滤后，其泥饼含水率可以降至60%以下，与含水率80%的污泥对比，每吨污泥脱水减重500公斤以上，体积减少50%，再进行后续干化，设备和运行成本将大幅降低。

图4-3 高压板框脱水设备

4.5   污泥干化焚烧装置

本环节处理的是经压滤后的有机泥饼（含水率60%），有机污泥在干燥机内被预热并干化至含水率15%以下，干燥机出料经过造粒即为生物质燃料颗粒，干燥后污泥颗粒后续进入燃烧机进行燃烧，燃烧后的热量进行回用至污泥干化装置，作为污泥干化的热源。

图4-4 污泥带式干化设备

4.6    污泥焚烧装置

分离、脱水、干燥后有机污泥经检测与生物质燃料及褐煤成分相似（后附检测报告），故本环节污泥焚烧选用热解气化焚烧炉，该技术已在国内发展多年，设备成熟可靠。热解气化炉为专门针对垃圾和生物质秸秆等高挥发分燃料设计，燃料进入炉膛后首先在缺氧环境下进行热解，温度为600-800℃，然后进入氧化区，部分挥发份进行燃烧以提供热能，气体继续进入还原区在固定碳作用下进行还原反应，制成可燃气体，进入二燃室，在富养条件下进行充分燃烧，温度在850-1000℃燃烧，产生的热能通过换热回收后进入前端污泥干化系统。

焚烧最终产生的少量飞灰作为危废运至场外处理，焚烧渣满足《GB25031-2010城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质》标准，作为建材外售。该工艺不使用煤炭等外加化石能源，符合天津地区环保政策。

图4-5 污泥质燃料燃烧机

4.7    烟气处理装置

本工艺产生的烟气经过脱硫、喷活性炭粉末吸附和布袋除尘处理后，各项烟气指标完全可以实现达标排放，且因燃烧物料少，烟气产生量小，因此处理负荷较低。其中布袋除尘器截留下来的飞灰，按国家规范规定污泥焚烧费用属于危险废弃物，因此全部交由天津壹鸣环境科技股份有限公司（具有飞灰处理资质）进行安全处置，无须担心二噁英及重金属污染的风险。处理后烟气可满足《GB18485-2014垃圾焚烧污染控制标准》达标排放。

4.8    污水处理装置

本工艺可实现系统内水力平衡，不需外加水源。系统内两处脱水环节产生的污水全部进入污水处理站，由于污泥中的无机物和有机物大多保留在固相当中，故脱出的废水仅含有少量COD和氨氮，75%经污水处理系统处理后循环使用，剩余25%左右的废水经处理达标后排放。

5     污泥中试工程及武清区污泥处理厂PPP项目简介

5.1    污泥资源化处理工艺中试工程

我公司于2015年进行了系统的污泥全面资源化技术的小试和中试工作，先后投资400多万元建设了处理规模为40吨/天的中试工程，通过中试工程的近6个月连续运营，验证了该技术的可靠性和稳定性。

图5-1 污泥处理中试现场照片

5.2    武清区污泥处理厂示范工程项目

我公司于2015年底中标武清区污泥处理厂PPP项目，该项目一期处理规模130吨/天，占地15亩，投资约4600万元。项目建设地点位于天津市武清区武清新城城区西南方向，项目采用PPP合作模式，由天津壹新环保工程有限公司与天津远恒汇通环境建设投资有限公司共同组建天津远新环保科技有限公司承担本项目的特许经营权。运营期限30年。项目于2016年10月开工建设，已于2017年9月建成投产并持续稳定运行，本项目承担天津市武清区全部生活污水处理厂的污泥处理任务。

本项目的工艺亮点是在最初环节加入污泥灭菌系统，杜绝了污泥恶臭气体的产生，极大的减少了厂区臭气处理设施的投资，并且本项目率先采用污泥分离技术，成功实现了有机物与无机物的充分分离，使得有机污泥在干化与焚烧阶段不再因无机物而消耗热能，实现了污泥干化焚烧系统的热能自平衡，污泥的干化焚烧不再依靠任何外加化石能源。分离出的无机物完全满足《GB/T25031-2010城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质》标准，可作为建材利用，对外销售市场广阔。污泥焚烧产生废气经过烟气处理系统处理后可满足《GB184852014生活垃圾焚烧污染控制标准》中排放限值。本工艺最大程度的契合了绿色环保的先进理念，其技术思路在行业内属于超前领先，工程建成后，将真正实现污泥的全面资源化处理处置，彻底解决了污泥处理处置的环境风险，达到了以废治废、物尽其用的效果。

图5-2 武清区污泥处理厂项目实景照片

6    占地及投资运营费用

本处理工艺是一种投资低、占地小、运行费用低、全面实现污泥资源化利用的处置方式。   

附件一：有机污泥成分及热值检测报告：

附件二：污泥处置工艺对比表