张辰大师团队：双碳目标下城市多源污泥处理处置技术选择与发展趋势

污泥热解碳化和焚烧同样具有显著减量[20]、集约高效无害化的优势，并且具有更低的硫氧化物、氮氧化物和温室气体排放[21]，不产生二噁英，且固体产物中重金属稳定性较高[22]。污泥碳化技术在日本被视为一种较焚烧更具资源化和碳减排潜力的替代技术，并已得到较多的工程应用。日本国土交通省评估了碳化技术的减碳效果。以处理规模为50000 m3的污水处理厂为例，与污泥焚烧相比，采用碳化技术后的碳排放量可降低75%[23]。近年来，我国污泥碳化的工程化呈现较快发展趋势，在武汉、芜湖、青岛、上海等地均已得到应用。上海某污水处理厂扩建项目采用污泥热解碳化技术，设计规模为100 t/d(含水率80%)，污泥干化到含水率约20%进入碳化炉，在400~600 ℃进行碳化处理，减量化程度高达87%，可产生约12 t/d的固体碳化产物，主要用于土地利用和建材加工。

2.2污泥无机质利用途径和技术

污泥中无机质主要组成和黏土、砂土组成相似，可以替代天然黏土和砂土进行建材、工程利用。成熟工艺主要有2类：一类为生产烧结型建材，如烧制水泥、烧结制砖;另一种为生产免烧建材或工程材料，如免烧砖、回填材料。

2.2.1生产烧结型建材

烧结制砖瓦或陶瓷产品时，可使用污水污泥或河湖底泥部分替代天然黏土。在有氧、900~1400 ℃条件下，污泥等原料中的硅氧化物、铝氧化物会失水并重新结晶，形成如3Al₂O₃·2SiO₂等晶体。杂质生成的液相有助于固相之间的黏结，从而增加坯体密度、减少体积空隙，最终在冷却后固化成形。而在烧制水泥熟料的过程中，污水污泥或河湖底泥同样可以作为黏土的部分替代品。在1300~1500 ℃高温下，污泥等原料中的硅、铝氧化物和石灰石分解产生的CaO反应生成硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙等晶体，这些晶体通过重排、收缩和密实，最终形成色泽灰黑、结构致密的水泥熟料。污泥用于生产烧结型建材的碳排放主要来源于运输、脱水或干化过程的能耗。如果采用热干化预处理，则可利用砖厂、水泥窑余热来显著降低碳排放和处理成本。

2.2.2生产免烧建材或工程材料

免烧建材或工程材料的生产通常采用VS含量低于10%的污泥，如污泥焚烧灰渣、管渠污泥无机筛渣、河湖底泥等。污泥和其他原料按一定比例与水和固化剂(通常为水泥)混合，固化剂和水发生水化反应，生成凝胶水化物晶体和Ca(OH)2。Ca(OH)2能够进一步和砂土等颗粒表面的硅、铝、铁氧化物反应，生成更多的凝胶状水化物晶体。这些凝胶状物质和颗粒物结合形成空间网络结构，随着水化反应的持续进行，晶体生长并相互黏结，形成紧密的结晶结构，最终硬化成为免烧砖、硬化混凝土或具有一定强度的回填材料等，不仅通过资源回收利用避免了污泥的无序处置，还通过替代天然原料减少了碳排放。

03.多元协同模式和减碳策略

双碳目标下，传统以简单弃置为导向的粗放和单程式处理处置模式将逐渐被资源循环利用驱动的物质、设施、产业多元协同模式所取代。中国城镇供水排水协会组织编写的《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》，从源头控制、过程优化、工艺升级、低碳能源和植物增汇5个方面提出减碳策略[24];国家发改委、住建部、生态环境部印发《污泥无害化处理和资源化利用实施方案》(发改环资〔2022〕1453号)鼓励处理设施共建共享，提出“统筹城市有机废弃物的综合协同处理，鼓励将污泥处理设施纳入静脉产业园区”。以上均体现了多元协同、系统治理的理念，不但有助于促进资源高效回收和循环利用，还有利于在更广泛的范围内实现更显著的减碳效益。

3.1多源物料协同

双碳目标为多源污泥和其他物料协同处理与利用提供了发展契机。通过与城市有机废弃物协同回收资源、与传统矿物原料协同建材或工程利用，可以实现碳减排和经济效益的双重提升。

3.1.1有机物料协同

随着垃圾分类工作有序推进，城镇污水污泥和厨余垃圾等有机废弃物协同资源化利用展现出广阔的应用前景。采用厌氧消化协同处理污泥和厨余垃圾，将有机质高效转化为沼气，不仅可以利用基质互补优势，提高厌氧消化的产气效率，稳定厌氧消化工艺的运行，还能通过集中处理不同类型的废弃物实现成本分摊，利用现有资金和基础设施，更好地发挥规模效应，提高土地资源的利用效率，降低单位投资成本。以我国中等规模地级市的污泥和厨余垃圾产量为例，假设污泥和厨余产量各为150 t/d(含水率80%)，采用协同厌氧消化相较于2种物料分别独立厌氧消化，总投资成本可节省20%~40%，占地可节省30%~50%，运行成本可节省10%~30%，因协同基质下产气量增加、加热保温等实现的能源消耗降低可减少碳排放20%~30%。

位于美国威斯康辛州的希博伊根(Sheboygan)污水处理厂于2002年全面启动能源回收计划，将有机质含量高且易降解的奶酪垃圾、啤酒厂废液等外源食品废物和剩余污泥进行协同厌氧消化，产生的沼气进行热电联产，电能用于污水处理运行，热能用于消化池保温和冬季污水厂建筑物取暖，沼渣用作农业肥料，于2013年基本实现了能源自给自足[25]。经过长期研究和工程实践，污泥协同厨余垃圾等有机质资源利用在国内的推广应用也日益广泛，在镇江、苏州、泰州、北京、大连、重庆、九江、德阳和攀枝花等十余座城市成功应用，合计处理规模达8000 t/d以上，产生沼气达30万m3/d以上，按照每立方米沼气发电2.0 kW·h计算，每年可发电2.19亿kW·h，相应减少碳排放14万t。

3.1.2无机物料协同

多源污泥中无机质的主要组成和黏土、砂土相似，可以协同其他无机材料用于建材制造，如制备水泥熟料、砖瓦、工程回填材料等。以污泥烧制水泥熟料为例，可协同利用脱水、深度脱水、半干化的污水污泥或脱水后的河湖底泥。生产1 t熟料需要1.3 ~1.6 t的生料，其中最多14%的生料可以用污水污泥(以干基计)替代，替代比例受限于P2O5和Fe2O3对熟料品质的影响[26]。若10%的生料由污泥替代，每利用1 t干污泥可减少CO2排放53 kg。若利用水泥窑余热进行污泥干化，干化后的污泥热值较高，还可替代部分燃煤，进一步增强减碳效果。此外，污泥焚烧灰渣、管渠污泥无机筛渣、河湖底泥等可与建筑垃圾、建筑渣土等协同制备免烧砖或再生回填材料。免烧砖由污泥、矿渣、砂石、石灰等原料加入少量水泥制成;再生回填材料则可用于地下工程、道路建设。例如，将河湖底泥与水泥、石灰和高炉矿渣按一定比例混合，固化处理后养护90 d作为填筑土材料[27];纽约、新泽西港通过在疏浚底泥中混入石灰石等材料消除了原硫矿中的酸性浸出液，使其可以充填露天矿石场[28]。通过这种方式，污泥部分替代了黏土、砂土等天然资源，减少对自然资源的开采，从而降低碳排放。

编辑：赵凡