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

圖1 基于多源污泥有機質含量的適用處理技術和資源利用途徑

注：有機質水平和主流處理工藝間的連接線及其弧度方向表示有機質高于或低于某個水平時推薦其連接的處理工藝。

2.1污泥有機質利用途徑和技術

有機質含量較高的污泥，應優先轉化利用其中的有機質，實現能源和資源利用，主流利用途徑的經濟性和碳排放如表1所示。其中，基于土地利用途徑的厭氧消化和好氧發酵技術是污水處理系統建設和運行環節的“鼓勵行為”[8]。在雙碳背景下，采用主流利用途徑的同時，還可通過設計、運行優化或選擇替代性技術，進一步降低碳排放。

表1 高有機質污泥主流利用途徑的經濟性和碳排放

2.1.1厭氧消化

厭氧消化是污泥穩定化和無害化處理的重要手段，不僅能回收污泥中的生物質能，其產物經腐熟陳化后還可用于土地利用。厭氧消化過程中產生的碳排放主要來源于污泥加熱和保溫消耗的熱量、消化污泥脫水以及沼液脫氮等處理環節的能耗和藥耗。然而，產生的沼氣可回收利用，補充系統部分甚至全部的耗能，從而實現低碳甚至負碳排放。

隨著城市化進程的快速推進、排水系統提質增效和“源網廠河一體”全要素水環境治理工作的開展，城市多源污泥產量顯著增加，科學處理處置面臨嚴峻挑戰。分析了不同來源污泥的特性和面臨的碳排放挑戰，基于雙碳目標提出了多源污泥有機質和無機質梯級利用的途徑和適用技術，強調通過技術創新實現能耗和物耗的降低、溫室氣體的有效控制和資源的高效替代，并探討了系統思維指導下的多元協同模式和減碳策略，包括多源物料協同、上下游協同和跨行業協同，以期在更廣泛的范圍內實現更深層次的減碳效益。

厭氧消化工藝減碳的重點通常在于提高消化單元的降解率和產氣量，主要途徑包括以提高含固率等方式提高有機負荷[9]，以預處理[10]、添加代謝促進物質[11,12]、改善消化池反應條件[13,14]等方式提高轉化效率，以調控轉化路徑等方式提高CH4轉化率[15]等。例如，通過采用高含固厭氧消化工藝，進泥含固率從傳統的5%提升到15%，在同等處理規模下，消化池體積可節省2/3，加熱保溫能耗顯著降低。此外，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了廣闊的應用前景。通過優化消化池型和攪拌、合理設計停留時間、投加促效材料等手段可以提高污泥有機質的降解率，假設降解率從40%提高至50%，1座規模為400 t/d(以含水率5%計)的傳統厭氧消化設施的沼氣產量可增加800~1000 m3/d，相應的CO2排放減少2.7~3.4 t/d，同時也能降低消化液脫水能耗、藥耗和產物運輸的能源消耗。

除了核心單元，采用厭氧氨氧化、氨回收等沼液處理方式實現氮的轉化或回收通常具有更低的能耗、物耗和運行成本，并且可以降低或避免傳統生物脫氮過程中N2O等直接碳排放，因此更具碳減排優勢。

2.1.2好氧發酵

好氧發酵能夠將污泥中的有機質轉化為較為穩定的腐殖質，使得產物具有較高的穩定化程度，便于土地利用。在此過程中，碳排放主要來源于設備運行中的能耗和物耗導致的間接排放，以及堆體產生的CH4和N2O造成的直接排放。

好氧發酵工藝的碳排放量與其控制和運行水平密切相關。通過裝備化和智能化手段實現發酵條件和過程的精確控制是降低碳排放的重要途徑。基于溫度、濕度和氧含量等關鍵參數的自動監測，結合物料輸送、供氧、勻翻和除臭等環節的協同控制，可以優化整個發酵流程，確保其穩定運行的同時實現節能降耗[16,17]。例如，采用傳感器實時檢測污泥堆體內的氧含量和溫度變化，根據實際需要精確調節曝氣頻率，可避免厭氧條件的發生、減少CH4的排放，并避免過量曝氣，節約通風用電量和輔料投入。近年來，隨著好氧發酵技術裝備水平的不斷提升，滾筒動態好氧發酵設備、一體化智能好氧發酵等集成化技術得到了快速發展，通過在密閉環境中進行發酵并輔以智能化過程控制，提高物質傳遞和轉化效率，節能降耗并減少溫室氣體泄漏。

2.1.3焚燒

焚燒具有減量徹底、高效集約無害化等優勢，是利用污泥熱值的過程。濕污泥(含水率約80%)熱值較低，需要通過脫水或干化降低含水率、提高熱值進而實現自持燃燒。碳排放主要來源于干化能耗、焚燒啟爐的輔助燃料，以及焚燒過程產生的少量逸散性CH4和N2O，碳排放量和污泥熱值、干化工藝、系統熱效率等直接相關。我國污泥焚燒常采用熱干化預處理，熱干化能耗是碳排放的主要構成部分。盡管污泥焚燒過程中釋放的熱量經回用后可補充部分干化熱能消耗，但由于我國污泥有機質含量較低，尚不足以完全抵消熱干化能耗，仍需外源熱能。焚燒和預處理過程的熱能回收和節能降耗是降低碳排放的重要途徑。

污泥焚燒爐排出的煙氣溫度通常為850~870℃，其熱能涵蓋了焚燒系統輸入的絕大部分熱能，通常采用余熱鍋爐和空氣預熱器回收200℃以上的煙氣熱能，用于補充污泥熱干化熱能或預熱燃燒空氣，這部分熱能約占焚燒煙氣總熱能的50%以上[18]。然而，<200 ℃的煙氣熱能在大多數污泥焚燒項目中未得以充分回收利用，這部分熱能占煙氣總熱能的40%~50%，是污泥焚燒熱損失占比最大的一項[19]，可以進一步回收利用。此外，采用熱干化預處理時，熱干化是污泥焚燒項目的主要耗能單元，干化尾氣洗滌等造成的熱損失也是焚燒項目熱損失的重要組成部分。上海某污泥干化焚燒項目對熱干化余熱回收后用于加熱進泥，換熱后進泥溫度提高了30℃，使得熱干化能耗降低15%~20%。

2.1.4熱解碳化

熱解碳化是在一定溫度(通常為400~700 ℃)、無氧或缺氧條件下，通過裂解方式將污泥中揮發分脫出，同時保留污泥中的大部分碳，使最終產物穩定性和碳含量大幅提高的過程。在碳化過程中，有機質分解產生熱解氣、焦油以及以固定碳和無機物為主的固體碳化產物，固體碳化產物和木炭具有相似的物理特性，可用于土地改良、建材制造、吸附材料和燃料等多種資源化利用方式。

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編輯：趙凡

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