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王凯军:为何“城市污水污泥干化焚烧”会被妖魔化?

来源:中宜环科环保产业研究 作者: 日期:2014-12-25 14:39:43

     纵观国外发达国家,日本、美国及部分欧盟国家都将固废焚烧作为垃圾处置的主流技术之一,且均得到广泛应用。而在我国,为何固废焚烧处理会被“妖魔化”?科学上认识清楚、国际上应用成熟的技术,在我国为何面临如此尴尬的局面?这使我想起《孟子》中的一段话:“夫人必自侮,然后人侮之;家必自毁,而后人毁之;国必自伐,而后人伐之。”同时,也说明了“人必自重而后人重之,业界必先自重,然后国人重之”的道理。

——清华大学环境学院副院长王凯军

污泥干化焚烧热处理技术作为最快捷、最彻底实现污泥减量化、稳定化、无害化的最终处置技术,在国外已发展成为主流的成熟技术之一。而在我国,雾霾问题的日益加剧,对污泥干化焚烧热处理技术而言成为一个挑战,社会舆论也俨然已把生活垃圾焚烧妖魔化,污泥干化焚烧热处理技术面临着“去”和“留”的局面。国外成熟应用的技术,为何在我国却面临妖魔化?这是一个非常值得警惕的问题。针对“十二五”污泥处理处置规划,建立污泥焚烧平台,能够及时地澄清一些理念。在此,从污泥焚烧国内外发展趋势、误读解析、清洁焚烧技术开发等方面,与大家一同分享我对污泥焚烧处理问题的若干思考。

国内、外污泥干化焚烧热处理技术的定位

随着科技的进步,污泥处理处置技术也在不断突破,由最原始的海洋投弃逐渐发展为自然干燥,随后又演化到稳定化的厌氧消化和机械脱水堆肥,最后再发展为减量化的干燥焚烧,目前又提出了燃料化的炭化等技术。从发展历程来看,填埋、焚烧、堆肥已成为污泥最终处置的主要基石。因此,完全否定污泥干化焚烧技术显然有失偏颇。正确定位污泥焚烧是高污染技术还是解决污染的关键技术,这是首要解决的问题。

干化焚烧被确定为污泥处置污染防治最佳可行技术之一

自2009年以来,我国环境保护部、住房和城乡建设部以及科技部等部委,纷纷颁布了《污泥处理处置及污染防治技术政策》、《污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南》以及《城镇污水厂污泥处理处置技术规范》等多项污泥处理处置的相关政策、规范及标准。这些文件明确了污泥干化焚烧技术在我国的定位及应用条件。其中,《污泥处理处置及污染防治技术政策》(2009年)明确提出:经济较为发达的大中城市,可采用污泥焚烧工艺。鼓励污泥焚烧厂与垃圾焚烧厂合建;在有条件的地区,鼓励污泥作为低质燃料在火力发电厂焚烧炉、水泥窑或砖窑中混合焚烧。该技术政策的颁布促进了污泥干化焚烧项目的建设,据不完全统计,目前已建成的项目接近40个,主要在建项目有30个。环保部出台的《城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南》(2010年)则确定了两个污泥处理最佳可行技术:厌氧消化和污泥堆肥;确定了两个污泥处置最佳可行技术:土地利用和污泥干化焚烧。文件细化了单独焚烧、混烧和掺烧的排放限值,以及相关环节的污染控制策略及技术经济适用性等。之后出台的《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南》(2011年)给出了不同技术应用的优先序。例如,厌氧消化后污泥优先考虑土地利用;不具备土地利用条件时,采用焚烧和建材利用。综上所述,干化焚烧技术是政策标准范围内规定的一项最佳可行技术,是我国污泥处理处置的主流技术之一。

污泥干化焚烧在发达国家的定位及发展

在美国,土地利用、焚烧和堆肥作为美国三大污泥处置技术,其比例分别为61%、22%和17%。1973年,美国联邦法案40 CFR Part60就对污泥掺烧比及污染物排放限值提出了具体要求。1993年美国政府颁布了《40 CFR Part503》法案,提出了土地利用、焚烧、填埋的优先序,并针对焚烧提出了具体要求。之后,2011年对该法案进行了修订,针对流化床及多炉膛焚烧炉提出了更严格和具体的指标要求。

日本自上世纪60年代开始了污泥焚烧应用。80年代左右,流化床焚烧炉成为主流设备,90年代后日本开始采用污泥熔融炉,实现污泥燃料化。据统计,日本各类污泥焚烧设备已达700多台,焚烧污泥比例超过68%,熔融量超过10%,堆肥达到11%,填埋量逐年减少。

在欧盟国家,德国于1962年率先建设并开始运行了欧洲第一座污泥焚烧厂,之后污泥焚烧在英国、法国、卢森堡、丹麦、德国、奥地利、荷兰等国家广泛应用,处理污泥所占各国比例在20%-40%不等,而荷兰、德国已超过40%。

综上所述,我们可以看到,污泥焚烧是美国鼓励的主流技术之一,是日本应用最多最广的处理处置技术。从欧盟国家整体来看,污泥焚烧也是主流技术之一。

对污泥干化焚烧技术多有误读

回顾我国及世界发达国家污泥处理处置技术及政策的发展,不难发现,污泥干化焚烧在各国都有合适的地位。然而近年来,我国反对污泥焚烧的声音却越来越高涨,究其主要原因,对污泥焚烧技术路线及技术本身的误读没有得到很好的解答。归纳起来,对污泥焚烧技术的误读主要有以下几点:

第一、普遍误认为干化焚烧是一种高能耗工艺。

根据实际调研发现,国外很多案例可以达到能量的自给,即自持焚烧。同样国内也在研究自持焚烧,即当污泥含水率和有机质含量达到一定的区域范围时,污泥焚烧无需外加能源。此外,通过对动态好氧堆肥和污泥焚烧的工程实例进行实测发现,两种工艺在能耗上处于同一个数量级。然而,污泥焚烧是一个可以完全处置的工艺,而堆肥技术却仍需要考虑辅料消耗以及后续存储运输等环节中消耗的能量。

第二、主观认为干化焚烧是一种高碳排放工艺。

从污泥处理到污泥处置的全工艺碳排放对比结果显示:污泥经脱水干化(含水率5%时)后制作水泥熟料工艺,碳排放为负值;而污泥脱水(含水率75%时)后焚烧工艺的碳排放量远低于脱水石灰干化(含水率70%)后填埋/土地利用等工艺。因此,从碳元素生命周期来进行客观评价,可以说污泥焚烧不能定性为高碳排放工艺。

第三、污泥焚烧是否会和垃圾一样,成为重大的二噁英污染源问题。

污泥焚烧确实会产生二噁英,这是不争的事实,然而它并不像垃圾一样会产生含有大量二噁英的含氯化合物。因此,是否排放大量的二噁英,需要用数据来说明。日本对各类二噁英排放源进行对比分析发现,污泥焚烧年排放二噁英的量远低于城市垃圾以及医疗废弃物两个数量级,与汽车尾气二噁英排放量相当。在我国,清华大学在环保公益项目支持下,对某600t/d污泥直接焚烧的示范项目进行了监测,总排放口二噁英达到国际最新标准(<0.1ng TEQ/m3),与日本的数据得到一定程度上的验证。因此,我们不能一方面呼吁去除垃圾焚烧妖魔化的情况下,一方面又制造污泥的妖魔化。

最后,从国情发展的角度来分析,污泥焚烧利用较多的日本、台湾以及韩国首尔等地区,经济高度发达,然而人口密度高、国土面积小等因素导致污泥土地利用受到限制,大多采用焚烧为主的建材综合利用技术路线。对比国内珠三角、长三角、京津以及部分超大城市,城市人口密度大很多,一些城市不得以必须要选用污泥焚烧作为主要的污泥处理技术。

综合以上分析及实例证明,正确认识污泥焚烧技术,对消除其误读至关重要。且调查表明,影响污泥焚烧有两个方面的因素,一是城市发展,二是污泥性质。在此建议,对经济高度发展、人口密集、现代农业发达的珠三角、长三角、京津以及部分超大城市,可优先考虑污泥干化焚烧的技术路线。

我国污泥焚烧应用情况及标准问题分析

污泥焚烧工艺主要有三种:单独焚烧,污泥与垃圾、水泥窑的掺烧,污泥与燃煤锅炉的混烧。这三种工艺在我国都有很多的工程实践。例如:采用流化床干化-流化床焚烧的石洞口项目,是我国建立的第一个污泥焚烧工程;采用喷雾干燥-回转窑焚烧的浙江绍兴项目,是我国目前处理能力最大的直接焚烧项目,以及绍兴污泥与垃圾的掺烧发电项目,常州污泥与煤的混烧发电项目等等。污泥干化焚烧污染物的产生是该工艺受到质疑的关键,通过对以喷雾干化为核心的直接干燥焚烧和以流化床干化为核心的间接干燥焚烧两个工艺进行对比分析(如下图),我们来详细解析各个环节的污染产生及污染防控策略。

在以转盘干燥等间接干燥-焚烧工艺中,预处理和间接干燥成为第一个臭气排放单元;主流的干燥气体进入焚烧单元进行处理,最后的烟气经除尘、脱硫脱硝、去除二噁英等净化处理后排放出去,成为第二个排放单元;除尘产生的飞灰量大,且富集大量的重金属和二噁英,成为第三个排放单元。目前的示范工程除了采用国外的系统,基本都是这个技术路线。第二种以喷雾干燥等直接干燥-焚烧的工艺稍有不同,主要区别是干燥尾气没有经过焚烧炉,而是直接经过二噁英去除、除尘、脱硫脱硝,以及后续酸洗或者碱洗处理;直接干燥过程可能有臭味和挥发性有机物的释放,这些污染物可经过后续的氧化加以去除。实际上,不管是直接和间接干燥,都是成熟的工艺,只是对污染物控制有所侧重、有所不同。纵观污泥干化焚烧工艺,污染物主要包括四种类型,即传统污染物:尘,二氧化硫和氮氧化物;二是二噁英/呋喃等物质;这两类污染物的处理方法基本一致。第三类臭气和第四类重金属有所差异,如上所述间接干化焚烧臭气除焚烧处理外,存在预处理和干化单元的无组织源,重金属基本没有处理而残留在飞灰/炉渣和气体中;而直接干燥焚烧臭气无组织源很少,干化气体通过尾气净化工艺处理,重金属和Hg基本没有处理而残留在炉渣和气体中。

针对污泥干化焚烧产生的四类污染物,虽然我国尚无针对污泥焚烧的污染物排放标准,但是2014年新颁布的垃圾焚烧的标准(GB18485-2014)中提出:掺加生活垃圾质量超过入炉(窑)物料总质量30%的工业窑炉,以及生活污水处理设施产生的污泥、一般工业固体废物的专用焚烧炉的污染控制,参照生活垃圾焚烧炉排放标准。该标准对传统污染物、重金属、二噁英等污染物排放限值提出了比较高的要求,尤其对二噁英,根据处理能力提出了更详细的要求,然而缺乏对臭气、VOC的控制要求。所以说三类污泥焚烧中已经控制了单独焚烧和污泥与垃圾混烧两类。对于污泥与煤的掺烧技术,虽然在技术政策、技术指南以及最佳可行技术等文件中明确了一些规定条款,然而并没有统一掺烧要求,同时掺烧标准也存在一定的问题。第一、对燃煤锅炉掺烧,导致锅炉热效率下降;第二、掺烧执行燃煤控制标准,而该标准对重金属和二噁英特征污染物没有控制要求。即使参照垃圾焚烧提出相应的要求,由于掺烧比例较小,一般干物质在5%-10%之间,则存在污染物稀释排放的问题。因此,下一步应深入探讨和控制污泥和煤的掺烧问题,尽快制定这方面的标准。

污泥焚烧发展趋势:清洁焚烧技术

污泥焚烧产生二噁英是不可规避的问题,开发清洁的焚烧技术是污泥焚烧的未来发展趋势。美国能源署和环保署公布第三代生物质能源利用热解-气化列为第三代生物质能源利用关键技术,即清洁燃烧。热解-气化关键技术根据工艺温度不同可以分为碳化、热解以及气化,三个概念稍微有差别,但是原理互相涵盖。碳化或热解工艺产物主要是可燃气体、油和炭。日本、美国、澳大利亚以及德国等国均已开发了热解处理装置,日本东京建成了最大的300t/d的污泥碳化工程,我国也已建立了工程实例。因此,污泥焚烧的发展趋势将是以热解气化为核心技术的清洁燃烧工艺。

之所以称之为清洁燃烧技术,主要从以下几个方面考虑:首先是尘的产生量少,污泥的流化床燃烧或其他燃烧技术的燃烧介质是污泥固相物料;而热解气化燃烧的燃烧介质是气态可燃气体,燃烧尾气含尘量低。其次热解气化燃气燃烧效率高,所含有害组分(如SOx、NOx、重金属等)少,烟气的排放量及污染物含量均在较低水平,从而大幅降低烟气的净化设备规模和运行费用成本再次是二噁英问题,二噁英产生需具备四大条件:氧气;氯化物;金属触媒物质;适宜温度。无氧环境及氯含量较低的污泥热解过程抑制了二噁英的形成,所以热解工艺可以避免或减少二噁英的产生。最后,污泥与煤共热解解决了城市中污泥焚烧面临总量控制的障碍,对于脱水不完全的污泥,在燃烧过程中需要添加燃煤辅助燃料,因环评总量控制要求城区禁止新增燃煤设施的要求,而污泥与煤共热解制取清洁燃气后再燃烧,避免了直接焚烧燃煤的问题。综上分析,热解气化技术有效减少了粉尘、氮氧化物、二氧化硫、恶臭气体以及二噁英等污染物排放,属于未来发展的清洁燃烧技术。

本项目组也从小试到中试,再到示范工程,做了相应的研究。对于不同的污泥其热解趋势基本一致,对于碳、油和热解气可通过温度控制产物产率,污泥与煤按不同比例共热解,由实验发现二者具有很好的累加性。最后再将清洁焚烧嵌入到污水处理,研究发现热解的固相产物具有很好的生物炭特性,具有很好的空隙结构、丰富的营养元素以及较高的热值等因此可以作为污水处理的吸附剂、土壤改良剂或者作为燃料。