高温熔渣气化技术处理污水污泥的示范规模试验：单一处理可行性分析、运行挑战与生命周期评估

为解决污水污泥处理中填埋依赖性强和重金属二次污染问题，研究人员开展高温熔渣气化(High temperature slagging gasification)示范规模研究。通过调整生物质炭和CaCO3 投加量、改用NaHCO3 基吸附剂，实现污泥单一气化处理，生成可回收利用的熔渣(仅5.1%飞灰需填埋)，其重金属浸出性能优于欧盟标准。该技术为污泥资源化提供新途径。

　　

随着全球污水处理量增加，污水污泥产量持续攀升，其含有病原体、重金属和有机污染物等有害物质，传统处理方式如农业利用、填埋和焚烧存在二次污染风险。尤其令人担忧的是，焚烧虽能减量90%，但产生大量灰渣（占初始质量30%），且灰渣制成的混凝土易出现收缩和强度不足问题。如何实现污泥减量化、无害化和资源化，成为环境工程领域亟待解决的难题。

新加坡南洋理工大学等机构的研究团队创新性地将设计用于城市固体废物(MSW)处理的高温熔渣气化技术应用于污水污泥单一处理。这项示范规模研究首次验证了污泥单独气化的可行性，通过优化操作参数成功生成可资源化利用的熔渣，相关成果发表在《Waste Management》上。

研究采用11.5吨/天处理能力的示范装置，对比分析了三种运行模式：纯MSW处理、50%污泥混合处理及100%污泥单独处理。关键技术包括：采用ICP-OES/MS进行元素分析，EN 12457-1批量浸出试验评估熔渣性能，TCLP法（美国EPA Method 1311）检测飞灰毒性，并基于ISO14040标准开展生命周期评估(LCA)。污泥样本来自新加坡水回收厂，MSW取自南洋理工大学校园。

研究结果揭示：

1. 运行参数调整：污泥单独气化需增加17.5%生物质炭（维持熔融温度）和1.5% CaCO₃
   （调节熔渣碱度），NaHCO₃
   基吸附剂用量达4.3%，但SO₂
   排放（147±140 mg/Nm³
   ）仍低于限值1700 mg/Nm³
   。

2. 产物特性：污泥熔渣重金属浸出量极低（如As<0.003 mg/kg），满足欧盟惰性废物标准；飞灰仅占初始质量5.1%，TCLP检测显示其属可直接填埋的非危险废物。粒径分析表明100%污泥熔渣中>90%颗粒<9.5mm，经破碎后可用作混凝土骨料。

3. 沉积物问题：运行124小时后发现炉壁沉积物含Ca-Al-Fe-P化合物，推测碱金属（2.4-3.6%）与硅酸盐反应导致熔渣粘附，这是限制长期运行的主要挑战。

4. 环境效益：LCA显示污泥气化全球变暖潜能(GWP)仅76.6 kg CO₂
   eq，优于MSW处理（153.5 kg CO₂
   eq），但NaHCO₃
   生产导致人体毒性潜能(HTP)较高（118 kg DCB eq）。

该研究证实高温熔渣气化技术能有效解决污泥处理难题：相比焚烧减少83%的最终处置量，产生的熔渣具有优异的重金属固定能力（浸出率<0.2%），且机械性能满足建材应用要求。尽管NaHCO₃
吸附剂生产带来环境负担，但通过改进氧气制备工艺（如采用膜技术）和提升蒸汽轮机效率可进一步降低影响。特别值得注意的是，这是首个在示范规模验证污泥单独气化可行性的研究，为城市污泥处理提供了新的技术选择。未来研究需重点解决熔渣沉积机制问题，以推动该技术走向商业化应用。