一、 理論研究階段(1980-1990年)
這個(gè)階段的研究集中在污泥碳化機(jī)理的研究上。這個(gè)階段一個(gè)突出特點(diǎn)就是大量的專(zhuān)利申請(qǐng)。Fassbender, A.G等人的STORS專(zhuān)利，Dickinson N.L污泥碳化專(zhuān)利都是在這期間申請(qǐng)和批準(zhǔn)的。
早在1920年代，國(guó)外學(xué)者就發(fā)現(xiàn)，使用低溫碳化技術(shù)可以將普通的煤轉(zhuǎn)化為一種無(wú)煙燃燒的煤，并可生產(chǎn)出大量的焦炭。隨后，有大約5種工藝在美國(guó)、加拿大、歐洲和日本研發(fā)和試用，但最終，只有美國(guó)賓夕法尼亞州匹斯堡的Disco工藝最終獲得了成功。
Disco工藝使用的是一種臥式旋轉(zhuǎn)反應(yīng)罐(rotating horizontal retorts)，匹斯堡工廠共有8臺(tái)反應(yīng)罐，每天可生產(chǎn)800噸碳化無(wú)煙煤，工廠于1947年建成，當(dāng)時(shí)的造價(jià)是300萬(wàn)美元。該工藝的過(guò)程是首先將煤在有氧條件下烘烤預(yù)熱，在無(wú)氧旋轉(zhuǎn)爐中加熱，預(yù)熱的煤與部分返回的碳化顆粒一同在旋轉(zhuǎn)爐中滾動(dòng)，形成小球，這樣可以防止原料粘附在爐壁。最終的產(chǎn)品小球經(jīng)過(guò)格柵過(guò)濾成為產(chǎn)品，銷(xiāo)售給城市居民。旋轉(zhuǎn)爐中產(chǎn)生的可燃?xì)夂徒褂捅换厥兆鳛槿剂鲜褂�。這種工藝就是目前日本流行的高溫污泥碳化技術(shù)的雛形。(參考文獻(xiàn)：Overview of Low Temperature Carbonization，ISFTA – May 2004)
1980年，加拿大曾經(jīng)建設(shè)了一個(gè)每天可處理25噸污泥的試驗(yàn)工廠，該工廠的處理工藝是先通過(guò)機(jī)械方法將污泥中的大部分水和無(wú)用泥沙去掉，再將污泥 烘干，然后將干污泥放進(jìn)一個(gè)450℃的蒸餾器中，在與氧隔絕的條件下進(jìn)行蒸餾。結(jié)果，氣體部分變成了燃油，固體部分成為碳。每噸污泥可產(chǎn)出2桶與柴油相似的燃料和半噸燒結(jié)碳。
1986年，日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院公害資源研究所的研究證明，干燥的污泥中含有84%的有機(jī)物，可以燃燒；有機(jī)物中含碳49%，含氧39%，含氫8%，含氮3.7%。把干燥污泥放入一個(gè)300℃的高溫反應(yīng)器內(nèi)，加上1.22×106帕大氣壓，可以產(chǎn)生出重油。
美國(guó)在1978至1990年間有許多專(zhuān)利，并進(jìn)行了許多小型的試驗(yàn)。這些試驗(yàn)證明，在無(wú)氧狀態(tài)下，通過(guò)給污泥加溫和加壓，可以將污泥轉(zhuǎn)化為重油和碳，當(dāng)溫度較高時(shí)(例如400℃以上時(shí))，可以產(chǎn)生重油和碳，當(dāng)溫度較低時(shí)(例如250-350℃)，污泥只產(chǎn)生碳，不產(chǎn)生重油。生產(chǎn)出來(lái)的碳的燃值與污泥的原始成分有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，污泥中有機(jī)成分越高，生產(chǎn)出來(lái)的碳的燃值越高。例如，未消化的污泥就比消化污泥生產(chǎn)出來(lái)的碳的燃值高。在美國(guó)，污泥產(chǎn)出碳的燃值通常與褐煤的燃值(4000大卡/kg)不相上下。
現(xiàn)在世界上污泥低溫碳化最成功的當(dāng)屬美國(guó)亞特蘭大州的Enertech公司。該公司的創(chuàng)始人Dickinson N.L一生致力于污泥碳化技術(shù)的研究，他本人在污泥碳化方面共有13項(xiàng)專(zhuān)利。最早的5項(xiàng)專(zhuān)利于1978年至1980年申請(qǐng)。1984年至1991年間，Dickinson又有6項(xiàng)關(guān)于碳化的專(zhuān)利，1994，1995年Dickinson又有2項(xiàng)專(zhuān)利，是以Enertech公司名義申請(qǐng)的。目前，這13項(xiàng)專(zhuān)利均為Enertech公司所有。其中最關(guān)鍵的2項(xiàng)已經(jīng)申請(qǐng)了國(guó)際專(zhuān)利，受專(zhuān)利保護(hù)協(xié)約保護(hù)。其中，US5685153號(hào)專(zhuān)利(Dickinson的最后1項(xiàng)專(zhuān)利)1994年也在中國(guó)申請(qǐng)了專(zhuān)利，于2000年得到了批準(zhǔn)。
美國(guó)Thermo Energy公司的創(chuàng)始人Fassbender, A.G在1986年曾經(jīng)做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，采用碳化技術(shù)，將市政脫水污泥轉(zhuǎn)化成重油。試驗(yàn)裝置的能力為30 L/h，得到的重油的燃燒值可以達(dá)到80%-90%普通柴油的發(fā)熱值。Fassbender, A.G將這個(gè)工藝命名為STORS工藝(Sludge To Oil Reactor System)。(參考文獻(xiàn) STORS: The Sludge To Oil Reactor System，1986年6月)
Enersludge技術(shù)1980年由Bayer教授在德國(guó)Tubingen大學(xué)發(fā)明，后來(lái)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的技術(shù)出售給了加拿大政府環(huán)保局。1989年又轉(zhuǎn)賣(mài)給了ESI。在隨后的5年中，ESI與發(fā)明人Bayer教授緊密合作，發(fā)明了Enersludge技術(shù)。Enersludge 是一種慢分解技術(shù)，通過(guò)無(wú)氧條件下的高溫450℃，常壓(1.5kPa)，污泥中的分子重新組合，形成蒸餾氣(syngas)和炭(Char)。蒸餾氣經(jīng)冷凝，可形成油。Enersludge要求輸入污泥的含水率不超過(guò)10%，因此，污泥需要先重慶干化。
二、 小規(guī)模生產(chǎn)試驗(yàn)階段(1990-2000年)
隨著污泥碳化理論研究的深入，隨著化驗(yàn)室試驗(yàn)的成功，人們開(kāi)始思考將污泥碳化技術(shù)轉(zhuǎn)變成為真正商業(yè)化污泥處理的裝置。在大規(guī)模商業(yè)化之前，為了減少投資風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)性試驗(yàn)(Pilot Trial)。通過(guò)這些試驗(yàn)，污泥碳化技術(shù)開(kāi)始從實(shí)驗(yàn)室走向工廠。這期間設(shè)計(jì)和制造了許多專(zhuān)用設(shè)備，解決了大量實(shí)際工廠化的技術(shù)問(wèn)題。這個(gè)階段的特點(diǎn)如下。
(1) 規(guī)模小。
例如1997年日本三菱在宇部的污泥碳化廠規(guī)模為20噸/天，采用的是Enertech的低溫碳化工藝；
1992年，日本ORGANO公司在東京郊區(qū)建了一個(gè)污泥碳化試驗(yàn)廠，采用的是Thermo Energy的STORS工藝；
1997年Thermo Energy 在加利福尼亞州Colton市建立了一個(gè)污泥碳化實(shí)驗(yàn)廠規(guī)模為每天處理5噸干泥，采用是STORS工藝。
1996年，澳大利亞ESI公司與Subiaco WWTP in Perth, Western Australia 簽約，DBO建設(shè)一座25 dry tpd 能力的污泥碳化處理廠，采用的是Enersludge 工藝。合同中包括運(yùn)行一年。這個(gè)合同應(yīng)該是上個(gè)世紀(jì)90年代建設(shè)的生產(chǎn)規(guī)模更大的污泥碳化工廠。
(2) 試驗(yàn)資金來(lái)自大公司和政府，而不是商業(yè)用戶。
例如，在日本的試驗(yàn)均來(lái)自大公司，在加州的試驗(yàn)資金是來(lái)自美國(guó)EPA。
(3) 試驗(yàn)均取得了一定的成果，可以產(chǎn)出一部分碳化物。
但試驗(yàn)也暴露了污泥碳化技術(shù)存在的一些問(wèn)題。首批試驗(yàn)工廠并沒(méi)有導(dǎo)致直接的商業(yè)訂單。至今為止，上面列舉的所有污泥碳化工廠均已關(guān)閉。
三、 大規(guī)模的商業(yè)推廣階段(2000-)
進(jìn)入21世紀(jì)以后，污泥碳化技術(shù)有了較快速的發(fā)展。各種污泥碳化技術(shù)逐漸成熟，與污泥碳化配套的設(shè)備也日趨完善。污泥碳化開(kāi)始了大規(guī)模的商業(yè)推廣。另外，全球環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，也是導(dǎo)致污泥碳化技術(shù)大規(guī)模商業(yè)推廣的重要因素。
在日本，80%的污泥的最終處置方法是焚燒。但由于近年來(lái)發(fā)現(xiàn)焚燒存在劇毒二惡英污染的隱患，所以日本環(huán)保部門(mén)對(duì)焚燒排出的氣體提出了更加嚴(yán)格的要求，使得本來(lái)成本就很高的焚燒工藝的成本更加提高。日本人的眼光開(kāi)始轉(zhuǎn)向污泥碳化。
為了取代焚燒工藝，目前，日本已經(jīng)有多家公司生產(chǎn)和銷(xiāo)售碳化裝置。比較的有荏原公司的碳化爐，三菱公司橫濱制作所的污泥碳化裝置，巴工業(yè)公司每天處理10噸，30噸的污泥碳化裝置。2005年日本東京下水道技術(shù)展覽會(huì)上，日本日環(huán)特殊株式會(huì)社甚至推出了標(biāo)準(zhǔn)的污泥碳化減量車(chē)。該車(chē)可以隨時(shí)到任何有污泥的場(chǎng)所對(duì)污泥進(jìn)行碳化。這些發(fā)展表明，碳化技術(shù)已趨于成熟。
在美國(guó)，很多州的污泥過(guò)去都采用填埋。由于發(fā)現(xiàn)污泥中包含的有害物質(zhì)對(duì)地下水的污染，未處理污泥填埋后造成填埋場(chǎng)對(duì)環(huán)境的危害，美國(guó)EPA頒布了新的填埋標(biāo)準(zhǔn)。過(guò)去的未達(dá)標(biāo)的污泥(Class B污泥)將不再允許填埋，只有達(dá)標(biāo)污泥(Class A污泥)才允許填埋。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的頒布，使得現(xiàn)有的污水處理廠只有投入巨大的重慶污泥處置成本，才能對(duì)其污泥進(jìn)行處置。另外，美國(guó)現(xiàn)有的填埋場(chǎng)已經(jīng)接近飽和，開(kāi)辟新的填埋場(chǎng)越來(lái)越困難。許多州、郡都在醞釀在本地區(qū)內(nèi)發(fā)布“禁埋令”。污泥碳化技術(shù)可以將污泥處理成為資源，可以一勞永逸地解決一個(gè)地區(qū)的污泥問(wèn)題，所以受到美國(guó)許多地方政府的青睞。
經(jīng)過(guò)近6年的籌劃、談判，美國(guó)加州的Rialto市決定同意美國(guó)Enertech公司在Rialto市的污水處理廠旁，建設(shè)一座日處理能力為675噸污泥的污泥低溫碳化工廠。建廠的方式為Enertech自行籌集資金建設(shè)，Enertech以收費(fèi)處理方式接受加州5個(gè)市、郡的污泥。Enertech采用自己的SlurryCabTM工藝。Enertech生產(chǎn)出的碳化物出售給臨近的三菱水泥廠。該廠于2008年10月開(kāi)始試運(yùn)行，至今仍在正常運(yùn)行中。
日本巴工業(yè)(TOME)公司的高溫污泥碳化裝置2000年在日本試驗(yàn)成功，并始終保持連續(xù)運(yùn)行。2011年10月，武漢市湯遜湖污水處理廠采用巴工業(yè)高溫碳化技術(shù)的10噸/天的處理裝置正式通過(guò)當(dāng)?shù)卣尿?yàn)收。
日本東京市政府投資50億日元(4200萬(wàn)美元)，處理量每天300噸，碳化后的污泥供給電廠發(fā)電。處理成本約為5000日元(42美元)/噸，與在日本焚燒-填埋的成本相等。該技術(shù)由日本三菱重工提供，采用的是日本流行的高溫碳化技術(shù)。系統(tǒng)從2007年11月開(kāi)始投產(chǎn)運(yùn)行。日本東京市政府的新聞報(bào)導(dǎo)中說(shuō)，這樣的工程在日本是次。
2011年8月，中國(guó)首座采用低溫碳化技術(shù)的污泥處置系統(tǒng)在山西省晉中市第二污水廠投入使用。該套系統(tǒng)的技術(shù)所有權(quán)為太原正陽(yáng)環(huán)境工程有限公司擁有，采用的絕大部分設(shè)備均為中國(guó)制造，處理能力為100噸/天。處理成本約100元/噸人民幣左右
