城市污水污泥处理处置系统的技术经济分析与评价

城市污水污泥处理处置系统的技术经济分析与评价
北京市市政工程设计研究总院 史骏 张韵
随着城市污水处理厂大规模地建设运行，污泥产生量也随之大幅增加。

污泥处理处置问题愈加突出，也越来越得到各方面的重视。

目前，一些城市污泥被随意倾倒或采取了不正确的处理手段，使城市污水污泥中的有机物、重金属等污染物质，对大气、水体、土壤都造成污染和危害，如不及时采取正确的有效的措施，将导致在处理污水的同时制造出新的更为严重的污染。

本文将结合国外先进成熟的技术经验和我院现阶段进行的技术研究和工程实践针对城市污水污泥的处理和处置系统进行初步的技术经济分析，并侧重能源利用率最优的角度去进行分析和评价。

我们在进行城市污水污泥的处理和处置方案的决策时，第一位的决策因素是符合国家相关的法律法规，在我国，如污泥的土地利用标准和分级、污泥混烧的尾气排放等领域的相关法律法规尚不健全的情况下，我们更多地推荐欧美、日本等发达国家经历了三十年或更长时间的实践筛选最终具有生命力的处理处置技术。

第二位的决策因素是技术经济指标，技术上应该在建成后能够长期稳定运行，经济指标更加具体地体现在综合投资和运行成本的比较。

同时，也将结合我国的国情，提出我们的建议。

一、城市污水污泥处理处置的原则和实施的层次
城市污水污泥处理和处置的原则是根据污泥的性质与最终处置的目标相结合而提出的。

主要体现在减量化、稳定化、无害化和资源化四个方面。

污泥处理处置系统的决策应该基于这四个从低到高的层次，并根据国家的政策法规、技术标准结合当地的资源配置情况，按照建设节约型社会，发展循环经济为出发点，确定具有地区特点的污泥处理处置方案。

二、城市污水污泥处理处置的主要方法
与上面的“四化”处理处置原则相对应的污泥处理方法主要包括：浓缩（调理）、脱水、厌氧消化、好氧消化、堆肥、干化和焚烧等。

污泥处置及最终消纳的方法主要包括：土地利用、填埋、建筑材料利用等。

三、污泥处理处置的技术和方案分析
1、污泥浓缩脱水系统的设置及新发展
为达到减量化的目的，我们采取的基本污泥处理方法是：浓缩（调理）、脱水、干化（干燥）。

污泥中水分去除由易至难的排列顺序为：间隙水、毛细结合水、表面吸附水和内部水。

由此决定了污泥减量化手段的经济性排序。

投资和运行成本的从低到高的顺序为浓缩、脱水、干化。

对于大多数污泥处理和处置系统，污泥中水分的去除都是工艺的起点也是必经之路，选择更加高效和节能的污泥浓缩脱水设备是降低综合运行成本的关键。

下图是日本污泥机械脱水设备的发展和销售的变化图：
日本污泥机械脱水设备的发展和销售的变化图
从图中可以看出污泥的机械脱水从带式机、离心机向螺旋脱水机（不同于国内用于粪便处理的螺压脱水机）发展。

螺旋脱水机比离心脱水机能耗低、噪音低、磨损小。

在日本已经呈现快速增长的趋势。

其系统设置时，在污泥脱水前，可以往污泥中投加聚丙烯纤维，以增加脱水时的骨架作用。

在日本运行的结果可以使城市污水污泥脱水至含水率67%。

根据国内聚丙烯纤维的价格测算，每吨脱水污饼的运行成本提高约2-3元。

这对于要考虑实施的污泥干化的系统，将具有巨大的经济效益。

相当于每吨含水率80%的污泥干化成本降低约30元。

2、污泥干化（燥）系统的分析与评价
污泥热处理干化工艺，是通过加热污泥，去除污泥中的水分的方法，可以使污泥含水率降低到10％以下，非常有效地实现了减量化，同时灭绝了污泥中的致病菌，达到了无害化的要求。

在新颁布的城市污水厂污泥进入填埋厂的标准以及污泥处理处置的需求等政策和市场的推动下，污泥干化工艺已倍受关注。

国外主流和非主流的干化工艺有：流化床、涡轮薄层干燥器、转鼓机、高温和低温的带式机、转碟机、立式圆盘机、薄膜干燥器和带式机组成的两阶段干燥工艺、桨式干燥工艺、空心桨叶干燥器、倾斜碟片干燥器、旋流喷动－闪蒸气流干燥、太阳能干燥工艺、大量石灰稳定＋转鼓机干化工艺、加热螺旋干燥工艺、真空耙式干燥工艺、多效蒸发工艺、环形蒸汽管干燥工艺等等。

国内近几年也出现大量的干化工艺和设备，如：旋流喷动干化工艺、加热螺旋干馏、单级两级和三段的转鼓工艺、回转窑干燥以及类似于日本的空心桨叶工艺、闪蒸气流工艺和Dragon工艺干化工艺。

我院正在进行的污泥干化项目进入了不同的阶段：北京清河污泥干化项目正在进行设备安装，明年初将全面竣工。

该项目用天然气作为热源，采用流化床干化工艺，通过蒸汽干化污泥，将含水率80%污泥泥饼干化到10%左右。

北京金隅水泥厂污泥干化＋水泥窑焚烧项目正在进行设计，此项目是利用水泥厂水泥窑中的高温烟气作为热源对脱水泥饼进行干化，也正在进行北京高碑店和小红门污水处理厂污泥消化＋干化方案设计，以及利用煤矸石电厂的剩余蒸汽和垃圾焚烧厂的蒸汽进行污泥干化的工程方案。

干化工艺的选择和评价：
国际上的干化工艺的种类繁多，加之国内建成的干化项目很少，这使业主在选择和评判各种工艺时面临了巨大的挑战。

国外特别是欧洲在污泥干化工艺的产生发展到现在经历了30年的时间，许多工艺或因事故多发、或因爆炸、或因运行出现的问题、或因处理规模、或因价格因素等，要么销声匿迹，要么被边缘化……我们在选择干燥技术时，需要更多地吸取国外的经验教训，慎重对待那些很多年前在欧洲被证明失败的或废弃的技术重新在国内推广。

对于干化工艺，我们可以从近年来相同型号的业绩、正在运行的项目处理的物料性质（有很多干燥工艺是以处理无机物料为主）、安全性、灵活性、运行成本、稳定性、可靠性、易操作维护性以及运行项目的实际能耗等方面对污泥干化工艺进行比选和评价。

投资分析：
由于国内污泥干燥设备和工艺还处于起步阶段，在处理规模、业绩、制造经验、工艺的成熟程度和安全性还有待进一步验证，我们参与项目的核心干化设备为进口，建设一座每日将400吨含固率20%污泥干化到90％含固率的项目，包括为系统配置的湿泥贮仓、输送系统、干泥料仓等附属设施，工程投资约为1.1－1.3亿元。

运行成本分析：
污泥干化系统的运行成本绝大部分是能源的成本。

除了沼气作为燃料外，国内大部分地区比较切实的燃料就是煤或者天然气。

燃料的种类和形式决定了干化污泥的成本。

按照现在各个地区天然气的一般价格，采用热能能耗和电能能耗综合较高的国外高温干化工艺，每吨污泥从含固率20%干燥到含固率90%的能源成本至少185元。

同样工艺情况下使用煤，能源成本约为80元。

利用电厂160-170度的低温烟气进行污泥干化是国内现在讨论较多的议题。

能够利用低温烟气进行干化需要采用低温干化工艺，如果综合热能能耗和电能能耗两个方面的因素，在相同的环境标准的前提下，经过测算可以发现：尽管可以将烟气中品质很差的热回收利用，但在电能消耗和设备投资（设备台数可能比高温干化工艺成倍增加）土建投资等其他方面的劣势，最终在动态投资回收和运行成本上不一定优于直接使用高温蒸汽。

当然，具体到不同的项目上可能有不同的结论。

因此，在干化工艺的比较时，环境标准、热能能耗、电能能耗和动态投资回收等指标应该同时作为干化工艺选择的评价标准。

当污泥干化系统的运行成本最终集中于燃料的成本比较时，就更加需要因地制宜，与城市所具有的资源相匹配，最终才能确定污泥处理的系统了。

3、污泥厌氧消化系统的分析与评价
污泥消化是污泥减量化的重要手段之一，我国已经有将近20个城市建设了污泥厌氧消化系统。

污泥通过厌氧消化能降解有机污染物，一般可以使污泥中固体物质总体可减少30%左右。

但是仅仅通过中温消化可还不能满足卫生学指标。

污泥通过高温消化可以达到卫生学指标，但从我国正在运行的消化系统的看，单方池容的产气率普遍低于欧美及日本，因此在我国仅为达到卫生学指标就建设污泥高温消化系统，从经济上缺乏合理性。

投资分析：
国内在浓缩和脱水系统中间增设日处理污泥2000吨（含水率96%）的污泥厌氧消
化系统的工程投资约为5000-7000万元（关键设备进口，不包含污泥浓缩和机械脱水的投资）。

运行成本分析：
污泥厌氧消化系统的运行成本主要来自人员、药耗和设备的检修等，综合运行成本很低。

沼气发电，不但可以完全满足自身需要，还有大部分可以输出。

因此真正要评价厌氧消化系统运行成本，不应该只从系统的本身考察，应该全面评价资源的利用，特别是沼气作为一种能源的利用效率。

沼气作为能源的利用效率：
污泥厌氧消化系统对于污泥的资源化利用主要体现在两个方面：一是消化后污泥的处置，二是沼气的利用。

沼气可以回收利用于四个方面：电能、机械能、热能和燃料。

北京高碑店污水处理厂污泥消化系统产生的沼气被用于发电并网，发电过程中产生的余热回收用于消化污泥加热。

在此项目中，能量回收状况如下图所示
北京高碑店污水厂沼气发电系统能量回收状况图
沼气发电系统能源的转化率不足25%，加上图中所示的四部分热能回收（用于消化池加热），综合外界因素后实际运行总体能源的利用率可能不足55%。

正在进行设备安装和调试的北京小红门污水处理厂污泥消化产生的沼气用于拖动鼓风机，沼气燃烧产生的热能转化为机械能后直接输出，能源的利用效率比沼气发电系统可以提高近10%。

我院完成的博茨瓦纳哈博罗内污水处理厂污泥消化系统中，沼气被用于沼气锅炉，一部分热能用于消化污泥加热，多余的部分为外部供热。

沼气直接提供热能能源的利用率可以高达85%以上。

刚刚完成北京高碑店污水处理厂污泥干化系统的方案，如果采用污泥消化干化系统，沼气产生的热能直接用于污泥干化，可
以沼气发电＋污泥干化系统每天节约上百吨1.2Mpa245度的蒸汽（此品质蒸汽市场价格约65元/吨）。

能源利用方案与最终处置的方案相匹配：
一个填埋气净化生产民用燃气正在建设，另一个将沼气被净化为车用气的项目我们刚开始进行设计。

但对于本身就是的耗能污泥处理处置大系统，要想能源输出从总体看是不可能的也是不经济的。

沼气利用采取何种能源的输出形式不能一概而论，传统的选择沼气发电实际是以上几种利用方式中能源利用效率中较低的，最终应该与污泥最终处置方案和项目周边的资源状况相匹配。

在发电上网本身就困难的情况下，可以考虑其他能源利用的途径。

4、污泥焚烧系统的分析与评价
污泥焚烧分为污泥单独焚烧和混烧。

焚烧法是一种高温热处理技术，即以一定的过剩空气量与被处理的污泥在焚烧炉内进行氧化燃烧反应，污泥中有机质和有毒有害物质在高温下氧化、热解而被破坏，是可同时实现污泥无害化、减量化、资源化的一种技术。

我国建成的城市污水污泥单独焚烧的项目只有上海的石洞口污水处理厂污泥干化焚烧项目。

建设投资 8000万元，处理能力213吨/天(设计值为含水率70％)。

工程采用流化床污泥干化和流化床焚烧工艺，污泥干化后的含水率降为10%左右。

单吨污泥的处理成本不详。

污泥单独干化焚烧所对应的高昂的建设投资和处理费用，以及真正完成最终灰渣的无害化处理的费用，使其在我国现阶段经济能力下难以推广。

污泥混烧主要包括污泥和市政垃圾混烧、污泥在燃煤电厂流化床中和煤混烧和污泥投入水泥窑。

污泥与城市生活垃圾混烧可以采用炉排炉或流化床，在国外有相当多成功的项目。

污泥与市政垃圾混烧是可行的但是处理量非常有限，国内污泥一般情况下热值为负值，为保证正常稳定的运行，湿污泥的添加量不能超过8%～10%。

最近几年，污泥加入电厂流化床混烧等项目发展很快。

也有相当一批项目在实施和筹备过程中。

我们也接触到煤矸石电厂的污泥干化项目和另一个污泥干化和电厂结合的项目。

我们也在思考污泥投入电厂的流化床锅炉混烧或新建混烧的流化床锅炉（或焚烧炉）应该执行什么设计标准。

我国在废物混烧方面尚没有专门的法规，现在提出的尾气排放标准是参考生活垃圾焚烧尾气排放标准，电厂的燃煤锅炉的烟气量是垃圾
焚烧厂的数十倍，如果这样参考是否意味着污染物经数十倍的烟气稀释后“达标”排放？
我们要建设污泥和煤混烧的发电厂，是按照焚烧炉标准建造，还是按照电厂锅炉标准建造呢？如果按照焚烧炉标准建造，焚烧温度为850度以上，且烟气停留时间2秒以上意味其热容必然大于一般的燃煤锅炉，在投资上是否可以接收？污泥中的重金属浓度高于燃煤数十倍，尾气处理直接采用与燃煤电厂的烟气处理系统是否合适？如果按照电厂锅炉标准建设，可能必需大幅度提高燃煤的比例。

建设这种炉型的电厂是否能够获得批准需要首先回答建设此类“焚烧炉”污泥和辅助燃煤的比例是重量比还是热值贡献率的比值？这样是否符合可再生能源上网电价的0.25元/度的溢价标准？
上面这些问题难于给出肯定或者否定的答案，很大程度由于相关法律法规空白或不够严谨，有些已经实施和将要实施项目可能存在严重的环境风险。

因此国家在此领域的立法工作迫在眉睫。

污泥干化以及放入水泥窑中混烧是污泥建材化利用的一种重要形式。

目前，在世界上利用污泥及其焚烧产物制造水泥已经成为一种可持续发展的污泥处置方式，在日本和欧美等国都有许多成功实例。

下图是日本从1988年到2004年污泥处理处置发展变化图
日本从1988年到2004年污泥处理处置发展变化图
从图中可以看出从1996年到2004年污泥投入水泥窑生产波特兰水泥呈现快速增长的趋势，已经成为日本污泥最终处置和资源化的重要组成部分。

西班牙、意大利、德国、法国等都有相当数量的案例。

我院和北京金隅水泥厂正在进行污泥干化＋水泥窑焚烧项目。

此项目是利用水泥厂水泥窑中的高温烟气作为热源对脱水泥饼进行干化，干化后的污泥替代燃煤投入水泥窑中作为水泥骨料，在干化中产生的臭气进入水泥窑烧掉，尾气是利用水泥窑自身的处理设备进行处理。

由于金隅集团北京水泥厂的水泥回转窑生产线在设计时就考虑处理危险废物(现在每年处理危险废物5万吨)，烟气净化系统也是满足危险废物处理要求的。

技术分析：
干化后的污泥投入水泥窑混烧在环境标准十分严格的欧盟和日本有较长的历史和很多的实例。

说明了其技术在严格的环境要求下的生命力。

更加具体的分析可以看出回转窑中内温度一般在1350～1650℃之间，物料停留时间在十几分钟，燃烧气体的总停留时间为20秒左右。

在这种工况下，有机物被彻底分解。

在水泥烧成过程中，污泥灰渣中的重金属能够被固定在水泥熟料的结构中，从而达到被固化的作用。

国外测试证明重金属浸出满足当地的建材标准的。

联合国环境改变委员会也将污泥生产波特兰水泥的项目定义为CDM项目，在其网站上有专门的方法学。

但是波特兰水泥中，如果P2O4超标, 混凝土的抗压强度就会降低。

因此混烧前需要分析污泥中P2O4含量一确定掺烧量。

虽然国外在干化后的污泥投入水泥厂进行焚烧作为水泥的骨料有很多成功的案例，但还需要深化国内实际情况结合的技术以及建立和完善相关法律法规。

投资分析：
此工程在投资方面的竞争优势来自于工程的特点。

水泥窑既作为热源锅炉又作为污泥的焚烧炉，而且比污泥单独焚烧的焚烧炉条件更加优越。

干化污泥过程中产生的臭气再回到水泥窑中全部烧掉，最终尾气经过其自身的尾气系统处理。

由于有效地利用了处理危废的水泥窑现有的设施，因此在投资上比单独建设污泥干化＋焚烧装置节省40％以上的投资。

对于日处理500吨（含水率80％）的污泥工程投资约为1.6-1.8亿元。

运行成本分析：
水泥生产过程中煤既是燃料也是制造水泥的骨料，因此相当于采用燃煤作为干化热源；干化成本就相对较低。

将污泥干化后投入水泥窑替代煤作为燃料，经测算，如果北京清河污水厂的污泥（低位热值为3800 kcal/kg），综合污泥在水泥窑中的燃烧效
率和辐射热损失，整个系统的制热成本可能为0或负值。

此时处置每吨吨泥饼的运行成本只有50-70元，此运行成本是将污泥处理处置最终建材利用的运行成本。

5、污泥堆肥及土地利用
污泥堆肥分好氧堆肥和厌氧堆肥。

我国很多城市的污泥测试结果显示其中的有机份、氮、磷、钾营养成份均高于农业厩肥，所以，污泥是很好的有机肥源。

污泥的土地利用就是将污泥作为肥料或土壤改良材料，用于园林、绿化、林业或农业等场合的处置方式。

在美国和欧盟的很多国家，污泥的土地利用依然是重要的污泥处置方式之一。

2005年欧盟污泥最终通过土地利用（包括农业利用）进行处置的占46％。

美国POTWs(publicly owned treatment works, POTWs)预计土地利用也正在逐渐成为主要的处置方式，到2010年其比例将上升至70%。

我国平均每年的有机肥需求量约为60亿吨。

堆肥产品从宏观上有很大的市场。

污泥堆肥和土地利用将是我国在很长一段时间内最重要处理处置方式之一。

技术分析：
污泥好氧堆肥比较顺利和稳定进行的条件是污泥的含水率为60％，C/N比为20左右；堆肥温度应该达到70度或保持不低于55度两小时可以达到卫生学指标。

堆肥系统的优点是自身可以产生一定的热量，并且高温持续时间长，不需外加热源，即可达到无害化。

但是污泥堆肥也有其缺点：泥饼的含水率一般为80％，C/N比为8－10，因此在堆肥前必须加入掺和料混合，调节C/N比，降低含水率饼以之增加空隙度促进空气的传输。

由于在堆肥过程中加入大量掺和料，污泥堆肥并不能真正减少最终处置的体积。

堆肥系统的占地面积很大，同时，原料的物流和最终产品的存储和消纳具有非常明显的季节因素，这也是采用污泥堆肥系统时需要着重考虑的问题。

污泥堆肥的技术可以分为：条堆和静态堆肥、正压曝气静态堆肥、负压曝气静态堆肥、室内动态机械翻抛式堆肥、室外动态机械翻抛式堆肥、隧道式静态堆肥、DANO 滚筒（鼓式）系统、空气气枪系统。

评判以上堆肥技术的适用性应该在满足长期稳定运行和污泥充分熟化的基础上，比较下列因素：投资、运行成本、臭气的控制和处理、操作维护性能、运转的灵活性、占地面积、堆肥的质量、外界气候对堆肥效果的影响等。

在对这些决策因素进行比较
和评价中，臭气的控制和处理以及堆肥的质量最容易被人们忽视或在设计中降低标准。

这两个因素在很大程度上影响投资和运行成本。

投资和运行成本分析：
我院完成了北京大兴污泥堆肥和南宁市污泥堆肥的方案。

北京大兴污泥堆肥项目一期工程日处理污泥518吨（80%含水率）。

堆肥发酵时间30天。

堆肥采用的翻抛机进口，工程总投资约为6000－7000万元（包含已建设施及除臭系统），处理每吨污泥的运行成本约60－70元。

1997年德国政府赠款在北京建成南宫垃圾堆肥厂，每天处理垃圾400－600吨。

采用隧道式堆肥，其设计、建设和运行已经达到欧洲现阶段的水平。

欧洲有相当数量的隧道仓用于生物干燥和污泥堆肥，现在依然是具有良好的市场污泥堆肥技术。

如果采用隧道式堆肥，每天处理含水率80％的污饼500吨（需要添加干燥掺混物），工程总投资约为9000万－1亿元。

6、污泥填埋及新的发展趋势
污泥填埋分为单独填埋和混合填埋。

污泥能否填埋主要取决于污泥的土力学性质和填埋后对环境可能产生的影响。

刚刚颁布实施的城市污水厂污泥进入填埋厂的标准规定进场污泥含水率为不大于60%，并进行卫生填埋。

到2005年底，欧盟成员国的年污泥总产量正接近900万公吨的干污泥。

其中送至填埋厂填埋的占18%。

美国现在依然有14％的污泥通过填埋处理。

污泥填埋在我国很多地区依然将是主要的污泥处置方式。

在过去的十年，人们也对填埋厂有了新的认识，这使污泥和垃圾混合填埋厂不仅仅被看成一个最终倾倒废物的场所，而是看成一个生物反应器，这就产生了生物反应器填埋厂。

通过对各种参数、渗滤液回喷、沼气收集等的监控，极大地提高了填埋体中有机物降解的速率，增加了沼气产量，做到了能源回收利用。

在监控有机物降解完成后，再将填埋堆体挖开，对熟化的废物筛分后回收利用，然后修理底部渗滤液收集和防渗系统，使填埋厂可以重复利用，极大地延长了填埋年限。

这种技术和理念对于国内许多城市将垃圾和污泥混合填埋处理是有重要意义的。

下图是生物反应器填埋厂的示意图。