城市污泥資源化利用

1、城市污泥資源化利用江鵬1.城市污泥概念和組成城市污泥是指城市生活污水工業(yè)廢水處理過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，污泥是包含水、泥沙、纖維、動(dòng)植物殘?bào)w及各種絮體、膠體、有機(jī)質(zhì)、微生物、病菌、蟲(chóng)卵等的復(fù)雜多相體系。中國(guó)的污水處理廠多采用二級(jí)生化處理工藝，污泥主要產(chǎn)自初沉、二沉及其他固液分離工序，含水率高(98%)，體積龐大，有機(jī)質(zhì)含量約為4050%，總氮含量45%，磷(P2O5)含量15%，鉀(K2O)含量0.51%2;對(duì)于生活污水和工業(yè)廢水混排的場(chǎng)合，污泥中還常含有激素類(lèi)物質(zhì)(E1、E2等)、毒性有機(jī)物(苯、氯酚等)、重金屬(Cd、Cr等)以及各種無(wú)機(jī)鹽3。研究表明:污泥污染物往往具有長(zhǎng)期毒性和不可降解

2、性，若無(wú)序排放，將成為危險(xiǎn)的二次污染源，通過(guò)大氣、地下水、地表水和土壤等介質(zhì)進(jìn)入食物鏈，造成嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，影響人類(lèi)健康4。同時(shí)，由于污泥含有大量有機(jī)物、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，若經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理，可以作為優(yōu)質(zhì)的“二次資源”5。2.我國(guó)污泥處理處置現(xiàn)狀污泥的不良環(huán)境效應(yīng)要求在其排入環(huán)境前必須進(jìn)行妥善處理，以降低其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，因此傳統(tǒng)污水廠在設(shè)計(jì)時(shí)均設(shè)置了污泥處理工藝。十一五期間，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量年均增長(zhǎng)8%，截至2013年三季度末統(tǒng)計(jì)，已建設(shè)污水處理廠3501余座，城鎮(zhèn)污水處理量已達(dá)到300多億m，并且在污水處理能力及效率增長(zhǎng)的同時(shí)，污泥的產(chǎn)量迅速增加，產(chǎn)生的污泥量（按含水率80%）達(dá)3000萬(wàn)t左

3、右。而十二五期間以新增污水處理量運(yùn)行負(fù)荷率為75%計(jì)算，污泥（含水率80%）年產(chǎn)量將以246萬(wàn)m/年的速度遞增，初步推算全國(guó)年干污泥產(chǎn)量為1200萬(wàn)t左右，濕污泥6000萬(wàn)t左右。目前城鎮(zhèn)污水處理廠的污泥總產(chǎn)量已達(dá)到2433萬(wàn)t/a，同時(shí)以年均12%.的速度增長(zhǎng)。在地域分布上，污泥主要產(chǎn)于中東部地區(qū)。東部11個(gè)省（市）污泥產(chǎn)生量占全國(guó)污泥總量的64%，中部8省占全國(guó)總量的21%，西部12個(gè)省占全國(guó)污泥總量的15%。根據(jù)預(yù)測(cè)，2015年全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產(chǎn)生量將達(dá)到3560萬(wàn)t。一般來(lái)講，我國(guó)污泥處置的基建投資約占污水廠總投資的30%50%，運(yùn)行費(fèi)約占污水廠總運(yùn)行費(fèi)的20%50%6，而發(fā)達(dá)國(guó)

4、家污泥處置的基建投資占污水廠總投資的50%70%，因此從成本上分析，污泥已經(jīng)成為直接影響污水廠正常運(yùn)行的限制性因子7。傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋和焚燒處置方法由于產(chǎn)生滲濾液/二嗯英/甲烷氣、占地面積大以及工程建設(shè)投資高等問(wèn)題已經(jīng)不是污泥處置的主流技術(shù)8，9;污泥海洋投棄威脅海洋生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈，且未從根本上解決環(huán)境問(wèn)題，上世紀(jì)末，國(guó)際上簽署禁止排海公約，中國(guó)是該公約的締約國(guó)7。而作為一種可再利用物質(zhì)，目前資源化率不足10%，不僅沒(méi)有從再利用角度彌補(bǔ)污水處理成本，反而造成了次生環(huán)境危害。降低污泥處理成本的有效手段之一是通過(guò)適當(dāng)資源化處理使其獲得附加經(jīng)濟(jì)效益，反補(bǔ)到污水處理總成本之中;而此過(guò)程的直接環(huán)境效益是避

5、免了污泥二次污染?？梢哉f(shuō)，污泥資源化處理是未來(lái)污泥處理的主流發(fā)展方向。由于污泥資源化產(chǎn)品使用目的和場(chǎng)合不同，污泥有效利用的組分和形式也不同，因此污泥資源化處理在技術(shù)上具有多樣性。據(jù)了解，在我國(guó)污水處理廠建設(shè)過(guò)程中，長(zhǎng)期以來(lái)存在“重水輕泥”的現(xiàn)象。目前城鎮(zhèn)污水處理廠基本實(shí)現(xiàn)了污泥的初步減量化，但并未實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化處理。據(jù)統(tǒng)計(jì)，雖然80%污水處理廠建有污泥的濃縮脫水設(shè)施，達(dá)到了一定程度的減量化，但約有80%的污泥未經(jīng)穩(wěn)定化處理，導(dǎo)致污泥中含有的惡臭物質(zhì)、病原體、持久性有機(jī)物等污染物容易從污水轉(zhuǎn)移到陸地，使污染物進(jìn)一步擴(kuò)散，也使已經(jīng)建成投運(yùn)的污水處理設(shè)施的環(huán)境減排效益大打折扣。難題二：“上天”還是

6、“入地”？污泥的最終歸宿在哪兒？據(jù)悉，目前常用的污泥處置方式有填埋、焚燒、堆肥、建筑材料等。胡峻銘介紹，現(xiàn)在有31%的污泥采用土地填埋的方式處理；3.45%與垃圾混合填埋；還有約45%的污泥用來(lái)堆肥等土地利用領(lǐng)域，還有約3.45%的污泥進(jìn)行焚燒處理。 3.污泥資源化分類(lèi)按照所獲產(chǎn)品種類(lèi)不同，可將污泥資源化技術(shù)分成:建材化技術(shù)，堆肥利用技術(shù)，能源化技術(shù)，材料化技術(shù)，污泥蛋白質(zhì)利用技術(shù)。3.1.污泥建材化技術(shù)污泥建材化是污泥資源化技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。污泥約含有機(jī)物7080%，無(wú)機(jī)物(Al、Si、Fe、Ca)20%30%，類(lèi)似于常用建筑材料的原料成分，這為污泥建材化提供了可能和條件13。污泥建材

7、化主要包括制造磚、水泥、陶粒、玻璃、生化纖維板等。3.1.1污泥制磚污泥磚在焙燒過(guò)程中病原菌可全部被殺滅， 重金屬(As、Cd 、Cr 、Cu 、Pb 等)被固結(jié)， 實(shí)現(xiàn)無(wú)害化。污泥制磚的前提是其成分與傳統(tǒng)制磚原料粘土具有相似性， 研究表明 :生活污泥燃燒產(chǎn)物和粘土的化學(xué)成分基本接近 ，在適當(dāng)調(diào)整以及混入適量添加劑后，完全可以制備建筑用磚 14-16。西方國(guó)家常采用污泥焚燒灰制磚 15，17-20，我國(guó)則傾向采用干化污泥制磚，充分利用污泥中有機(jī)質(zhì)的發(fā)熱量 ， 降低燒磚能耗。張方梅和陳紹偉將預(yù)處理后的城市排水管污泥與粘土混合， 研究了不同混合比對(duì)燒制效果的影響， 制備出性能優(yōu)良的建筑磚。城市污水

8、處理廠剩余污泥進(jìn)行破壁處理后，用液壓板框壓濾機(jī)進(jìn)行脫水，可將污泥含水率由80%降至40%以下，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)增氧干化可將污泥含水率降至20%以下，將含水率20%的污泥按干重為30%的比例，加入到燒結(jié)磚原料的頁(yè)巖、粘土和煤矸石中，不會(huì)影響磚的成型和含水率。再通過(guò)添加輔助原料燒制，燒結(jié)磚的強(qiáng)度質(zhì)量也不會(huì)受到影響，有的強(qiáng)度質(zhì)量還高于未摻混污泥燒結(jié)磚的強(qiáng)度。3.1.1.1.污泥改性深度脫水工藝流程圖1 污泥改性深度脫水工藝流程城市污水處理廠含水率為80%的污泥，在添加一定比例污泥改性添加劑后，進(jìn)入污泥改性反應(yīng)罐，污泥在反應(yīng)罐中經(jīng)2h的反應(yīng)，微生物細(xì)胞壁破裂，經(jīng)高壓彈性壓榨機(jī)脫水后，含水率可降至40%

9、以下，然后再經(jīng)過(guò)48-72h的增氧干化，污泥的含水率便可降至20%以下。3.1.1.2.污泥制磚工藝流程圖2 污泥制磚工藝流程如圖2，將含水量低于20%的污泥和粘土或頁(yè)巖或煤矸石分別粉碎(或混合后再粉碎)，與污泥磚輔助原料進(jìn)行充分的混合攪拌，再經(jīng)一體化的制磚設(shè)備擠壓成型制成磚坯，然后再進(jìn)行自動(dòng)烘干和焙燒，由于采用了新型環(huán)保旋轉(zhuǎn)式節(jié)能窯爐技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動(dòng)化、數(shù)字化，提高了磚坯的合格率，還大幅節(jié)約了能源。3.1.2.污泥制陶粒陶粒作為一種人造輕質(zhì)粗集料，因質(zhì)輕、高強(qiáng)、保溫等特性備受關(guān)注，是具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦徒ú摹８男晕勰嗫梢灾瞥商樟Ｗ鳛榻ㄖ牧鲜褂?，污泥陶粒最早由Nakouzi S.等提出

10、2，是以污泥為主要原料，摻加適量輔料，經(jīng)過(guò)成球、焙燒而成的。陶粒作為一種輕集料，可以取代普通砂石配制輕集料混凝土，具有密度小、強(qiáng)度高、保溫、隔熱、抗震性能好的特點(diǎn)，近年來(lái)得到了迅速發(fā)展3。但污泥陶粒技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究起步不久，目前的應(yīng)用主要集中在將污泥作為一種陶粒燒制中的有機(jī)物添加劑，使用量少，只有10%左右47，工藝條件和原料配比急需優(yōu)化。圖3 污泥陶粒生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)圖圖4 不同溫度下燒結(jié)體的外觀圖制備的輕質(zhì)陶粒產(chǎn)品性能可依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)輕骨料試驗(yàn)方法(GB 2842-81)和中華人民共和國(guó)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)超輕陶粒和陶砂(JC 487-92)來(lái)檢驗(yàn)。3.1.2.1.脫水污泥“濕法造粒-燒結(jié)

11、”制陶粒圖5 “濕法造粒-燒結(jié)”工藝技術(shù)路線圖脫水污泥的SiO2含量低，燒失量大，不具有燒脹性能8，必須添加一定量的輔料與添加劑。試驗(yàn)以粉煤灰和粘土補(bǔ)充成陶組分SiO2和Al2O3，用金屬(Na2O和K2O)含量高的沸石粉作為助熔劑。3.1.2.2.脫水污泥“干化-燒結(jié)”制陶粒試驗(yàn)圖6 “干化-燒結(jié)”工藝技術(shù)路線圖3.1.3.污泥制水泥污泥制水泥的理論是污泥灰分高，其化學(xué)特性與水泥生產(chǎn)所用的原料基本相似，干化和研磨后添加適量石灰即可制成水泥。此外，水泥窯具有燃燒爐溫高和處理物料量大等特點(diǎn)，利用城市污泥燒制水泥同時(shí)兼具減容和減量作用。發(fā)達(dá)國(guó)家利用水泥窯處理廢棄物生產(chǎn)生態(tài)水泥已有20余年的歷史，而

12、我國(guó)尚屬起步階段。日本將城市垃圾焚燒灰和下水道污泥一起作為原料，生產(chǎn)所謂“生態(tài)水泥”，這種水泥的原料中有60%為廢棄物（污泥占20%-30%），燒成溫度1000-1300，燃料用量與二氧化碳排放量，都比生產(chǎn)普通水泥少的多。同時(shí)，利用污泥制水泥上存在一些技術(shù)問(wèn)題需要解決，如污泥中含活性陰離子氯，可造成鋼筋發(fā)生小孔腐蝕，限制了污泥水泥的應(yīng)用范圍。圖7 生態(tài)水泥生產(chǎn)工藝圖8 利用生態(tài)水泥建筑表面3.2.污泥堆肥利用3.2.1污泥肥效城市污泥含有大量的有機(jī)質(zhì)和一些植物必需養(yǎng)分，在消除重金屬與病原菌之后，可部分替代化肥。與純豬糞和豬廄肥相比，我國(guó)城市污泥N、P、K總養(yǎng)分含量平均達(dá)到48.3g/kg，TN

13、和TP含量比純豬糞高31%和59%，比豬廄肥高188%和204%，但K含量比純豬糞和豬廄肥低38%和62%，施用時(shí)若補(bǔ)充鉀肥，則可獲得由于化肥的農(nóng)用效果40。同時(shí)，經(jīng)處理后的污泥是一種生物質(zhì)肥料，替代化肥厚可以有效避免農(nóng)業(yè)面源污染，環(huán)境效益明顯。3.2.2.堆肥機(jī)理污泥堆肥就是將污泥與調(diào)理劑(鋸末、秸稈、樹(shù)葉、糞便、垃圾)及膨脹劑(木屑、秸稈、花生殼、玉米芯等)在一定條件下(pH、C/N、通氣、水分、溫度)進(jìn)行堆漚，利用細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物作用，促進(jìn)可被生物降解有機(jī)物可控制地向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物學(xué)過(guò)程。污泥經(jīng)堆肥化處理后，病原菌、寄生蟲(chóng)卵、雜草種子幾乎全部被殺死，無(wú)臭味，重金屬有效態(tài)

14、含量降低，速效養(yǎng)分含量增加，是一種性質(zhì)穩(wěn)定的生物肥料。污泥堆肥除可施用于農(nóng)田、園林綠化、草坪、廢棄地等外，還可用作林木、花卉育苗基質(zhì)，能降低育苗成本42，有較好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益43堆肥化過(guò)程有好氧堆肥和厭氧堆肥兩種，目前污泥堆肥化基本上采用的是好氧堆肥。好氧堆肥過(guò)程由四個(gè)階段組成，即升溫階段，高溫階段，降溫階段和腐熟階段44。每個(gè)階段的優(yōu)勢(shì)微生物和原生動(dòng)物種群結(jié)構(gòu)不同，利用不同階段的堆肥產(chǎn)物作為食物和能量源，直至穩(wěn)定腐殖質(zhì)物質(zhì)形成45。3.2.3.利用途徑3.2.3.1園林綠地利用污泥堆肥用于城市園林綠地，避開(kāi)了食物鏈，減少了運(yùn)輸費(fèi)用，為城市園林綠地養(yǎng)護(hù)提供廉價(jià)有機(jī)肥46。3.2

15、.3.2.農(nóng)田土壤利用農(nóng)田經(jīng)連續(xù)耕作，植物根系對(duì)礦物質(zhì)不斷獲取，土壤中有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)元素都很缺乏。污泥堆肥施入土壤后，能改變土壤的理化性質(zhì)，增加土壤N、P、K含量，調(diào)節(jié)土壤pH值，促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤透水性、蓄水保肥性、通氣性及耕作性。3.2.3.3.礦業(yè)廢棄地修復(fù)我國(guó)大部分非金屬礦山廢棄地中并不含過(guò)多的重金屬元素和有毒物質(zhì)，將污泥堆肥處理后，可作為有機(jī)肥料替代品或土壤改良劑，施用于礦山廢棄地，對(duì)其進(jìn)行復(fù)墾。將生活污泥與礦業(yè)生產(chǎn)中廢棄的礦砂、礦泥按一定比例混合，重構(gòu)適合速生草本植物生長(zhǎng)的耕層土壤，加快土壤腐殖質(zhì)層的產(chǎn)生和熟化，最終達(dá)到了農(nóng)業(yè)復(fù)墾的目的，該方法的核心是控制生活污泥的摻量60

16、。3.3.污泥能源化技術(shù)污泥的能源化技術(shù)主要基于污泥中存在有機(jī)成分，從元素角度分析，污泥中碳含量占到30%以上，主要存在于揮發(fā)分當(dāng)中。氧含量和煤炭相比偏高，氮和硫的含量和煤炭中類(lèi)似。不同來(lái)源污泥的干基發(fā)熱量也有較大的差別，為1020 MJ/kg。污泥能源化利用的途徑有消化、熱解、氣化、燃燒、共燃燒、微生物燃料電池（MFC）等。消化可將污泥中有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣，然后通過(guò)燃燒產(chǎn)生熱值和發(fā)電；熱解和氣化可以得到燃?xì)夂徒褂停桓苫蟮奈勰嗟臒嶂蹬c褐煤相當(dāng)，燃燒可以實(shí)現(xiàn)這部分能量的轉(zhuǎn)化和利用；MFC 則可直接將有機(jī)污染物降解同時(shí)產(chǎn)電。從表1可以看出，干燥污泥中還有少量水分，揮發(fā)分的含量超過(guò)50%，灰分占到3

17、0.8%40.3%，固定碳含量為3.8%6.8%。和煤炭相比，污泥中的揮發(fā)分和灰分較高，固定碳含量偏低。由表2可以看出，污泥及污泥灰中的化學(xué)成分主要為SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO，其中Fe2O3和CaO主要是不同的沉降過(guò)程中加入的絮凝成分。由于處理工藝的不同，還會(huì)造成污泥中的磷含量出現(xiàn)較大差別。3.3.1.厭氧消化通常認(rèn)為厭氧處理過(guò)程經(jīng)歷水解發(fā)酵、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷3個(gè)階段27。污水處理過(guò)程產(chǎn)生的剩余污泥，進(jìn)入消化設(shè)施，通過(guò)控制pH值、營(yíng)養(yǎng)物比例（主要為C/N）、含水率、溫度、停留時(shí)間（SRT）等，實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化和甲烷等燃料氣體的產(chǎn)生28。城市污水厭氧處理進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器的污泥CO

18、D去除率為40%50%，產(chǎn)氣量為0.81.2 m3/kg污泥（無(wú)灰基）沼氣熱值15.927.8 MJ/m331。傳統(tǒng)的好氧-厭氧水處理工藝在好氧階段將大量的可溶性有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為CO2，該過(guò)程耗能一般占到污水處理能耗的50%，且直接產(chǎn)生CO2氣體，存在巨大的能源浪費(fèi)。如果能將好氧段處理的有機(jī)物有效回收利用，既可節(jié)約能耗又可實(shí)現(xiàn)該部分能量回收。因此，有研究者提出完全采用厭氧處理污水中有機(jī)物的設(shè)想，從而實(shí)現(xiàn)凈產(chǎn)出能量的愿望，但也存在污水中COD偏低不適宜厭氧工藝的運(yùn)行的問(wèn)題。厭氧消化工藝成熟，產(chǎn)生的沼氣可實(shí)現(xiàn)能源化利用，如北京高碑店污水廠沼氣發(fā)電可滿足廠內(nèi)20%的用電需求33。但是，由于投資較高，

19、工藝復(fù)雜，運(yùn)行有一定難度，厭氧消化并未得到很好的普及應(yīng)用，已建成的消化設(shè)施也有部分未正常運(yùn) 行30。目前污泥厭氧消化主要還是作為污泥穩(wěn)定的手段，產(chǎn)生的沼氣并沒(méi)有充分利用30，也造成一定的二次污染及能源浪費(fèi)。消化污泥含水率及有機(jī)物含量依然較高，仍需進(jìn)一步處置34。圖9 消化前后污泥組分對(duì)比圖10 窗體頂端圖10 污水處理廠污泥厭氧消化沼氣利用系統(tǒng)示意3.3.2.燃燒和共燃燒共燃燒技術(shù)指利用現(xiàn)有的燃煤鍋爐35、垃圾焚燒爐等將污泥和煤、市政垃圾等進(jìn)行混合共燃。共燃燒的優(yōu)勢(shì)在利用了現(xiàn)有的成熟設(shè)備和運(yùn)行操作經(jīng)驗(yàn)，不需要新的投資和建設(shè)。同時(shí)，先進(jìn)的燃煤設(shè)備以及垃圾焚燒設(shè)備等已經(jīng)配備了完善的尾氣收集處理系統(tǒng)

20、，可以有效控制污染物的排放19。圖11 德國(guó)漢堡污水處理廠污泥處理工藝流程消化過(guò)程中有大約一半的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣，消化后污泥的含水率約為96.7%。消化污泥在離心機(jī)中脫水到含水率為78%，然后在蒸汽加熱干化機(jī)中干化到含水率為58%。干化后的污泥和污水處理中產(chǎn)生的柵渣一起進(jìn)入流化床焚燒鍋爐焚燒 。焚燒產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行尾氣處理后排放 。模式不需要任何外加燃料 ， 而且可 以為污水廠提供所需用電量的 60%和用熱量的100%，。3.3.3.熱解和氣化 （目前還沒(méi)有相關(guān)的工業(yè)化報(bào)道）熱解是在無(wú)氧或惰性氣體環(huán)境下有機(jī)物的熱分解過(guò)程，產(chǎn)生燃?xì)猓–H4、H2等）、焦油以及焦炭等。在熱解的過(guò)程中，污泥中的水分先

21、揮發(fā)，隨著溫度的升高，有機(jī)組分逐漸分解成一些大分子碳?xì)浠衔?，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為 CH4、H2、焦炭等，水分的存在會(huì)部分參與反應(yīng)過(guò)程50。 影響熱解的因素主要包括溫度、停留時(shí)間、壓力、原料特點(diǎn)、湍流特征等51。污泥熱解的產(chǎn)物主要分為氣體、液體、固體三部分，三者的比例范圍分別為 10.7%26.6%、23.5%40.7%、46.1%63.0%，其中固體組分會(huì)高于測(cè)得的灰分所占的比例52。氣體主要為 H2、CO、CO2、CH4、N2，還有一些小分子碳?xì)浠衔?，其中可燃?xì)怏w組分可以占到總氣體總體積的 48%62%5 3 -5 5 ，熱值可達(dá) 12 00013 000 kJ/m356。污泥熱解產(chǎn)生的液體組分較

22、為復(fù)雜，為焦油，包括長(zhǎng)鏈碳?xì)浠衔?、芳香烴、脂肪族化合物等55，57-58。固體產(chǎn)物為焦炭及灰分，其中有一定含量的重金屬，可能會(huì)對(duì)后續(xù)的處置及利用產(chǎn)生影響50，54，56。 3.3.3.1高溫?zé)峤飧邷責(zé)峤夥ㄎ勰喔邷責(zé)峤夥ㄊ窃诙栊詺怏w環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥的分解，其具有污泥體積大量減少，重金屬有效固定4，重金屬熱析出量較低5，且產(chǎn)生較少的有害物質(zhì)等特點(diǎn)。另外，如果高溫分解控制在一定的條件下或經(jīng)過(guò)某些化學(xué)處理，殘留的固體物質(zhì)如燒焦的炭化物能考慮作吸附劑，用于控制工業(yè)空氣污染和去除污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的氣味6。污水污泥高溫?zé)峤膺^(guò)程可以同時(shí)產(chǎn)生大量的氣體及油類(lèi)物質(zhì)，這些物質(zhì)具有較高的熱值，可被用作燃料或化學(xué)原

23、料。圖12 污泥固定床熱解工藝流程傳統(tǒng)的固定床和流化床熱解污泥研究都是在500左右，大的加熱速度、短的停留時(shí)間可以促進(jìn)液體產(chǎn)物的形成7-8。而且，如果溫度增大到7，油類(lèi)中的多環(huán)芳烴(PAHs)的含量越大9-i0，甚至發(fā)現(xiàn)了6個(gè)環(huán)的多環(huán)芳烴。PAHs中的許多物質(zhì)會(huì)致癌和致突，對(duì)人體的健康產(chǎn)生危害，因此使用傳統(tǒng)高溫?zé)峤馕勰啻嬖谝欢ǖ娘L(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)生的油類(lèi)的應(yīng)用也受到很大的限制。目前微波技術(shù)已經(jīng)被引入生物、煤、石油及部分有機(jī)廢物的高溫分解領(lǐng)域。3.3.3.2.低溫?zé)峤獾蜏責(zé)峤夥ㄍㄟ^(guò)在無(wú)氧的條件下加熱污泥干燥至一定溫度(小于500)，由于干餾和熱分解作用使污泥轉(zhuǎn)化為油、反應(yīng)水、不凝性氣體(NNG)和炭4種可

24、燃性產(chǎn)物。圖13 低溫?zé)峤庵朴头磻?yīng)過(guò)程示意低溫?zé)峤庵朴陀性S多優(yōu)點(diǎn)fuel:(1)設(shè)備較簡(jiǎn)單，無(wú)需耐高溫、高壓設(shè)備。(2)能量回收率高，污泥中的炭約有67%可以以油的形式回收，炭和油的總收率占80%以上。(3)對(duì)環(huán)境造成二次污染的可能性小。經(jīng)評(píng)價(jià)，處理后污泥中絕大多數(shù)重金屬進(jìn)人炭油中，其中90%以上被氧化固定在炭中，在以后的使用過(guò)程中會(huì)被進(jìn)一步氧化到無(wú)害化，由于處理溫度低、不凝氣產(chǎn)量小，可減少SO2，NOX，二嗯英帶來(lái)的二次污染。(4)與焚燒技術(shù)投資相當(dāng)或略低，運(yùn)行成本僅為焚燒法的30%左右。這種方法的不足之處在于:低溫?zé)峤庵朴图夹g(shù)所采用的污泥需經(jīng)干燥脫水，使其含水率在5%以下，這樣就要消耗大量

25、的能量。所以這種技術(shù)的能量剩余不是很高，能量消耗比為1.16(能量輸出比上能量消耗)Ls 1。另外，在產(chǎn)生的油中會(huì)產(chǎn)生大量的多環(huán)芳烴物質(zhì)，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。3.3.3.3.污泥直接油化污泥直接熱化學(xué)液化技術(shù)的源頭可以追溯到1913年德國(guó)人F.Bergius進(jìn)行的高溫高壓(400-.450 9C，20 MPa)加氫，從煤或煤焦油得到液體燃料的實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)技術(shù)后來(lái)稱作煤的直接液化技術(shù)。鑒于污泥低溫?zé)峤庵朴托枰獙?duì)脫水污泥進(jìn)行干燥處理而需要很大的能量以及相應(yīng)的投資，美國(guó)、英國(guó)、日本對(duì)污泥直接熱化學(xué)液化法研究較多。此法是將經(jīng)過(guò)機(jī)械脫水的污泥(含水率約為70%80%)，在N:環(huán)境下在250340加壓熱水

26、中，并以碳酸鈉作為催化劑，污泥中有近50%的有機(jī)物能通過(guò)加水分解、縮合、脫氫、環(huán)化等一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)化為低分子油狀物，得到的重油產(chǎn)物用萃取劑進(jìn)行分離收集。重油產(chǎn)品的組成和性質(zhì)取決于催化劑的裝填與反應(yīng)溫度。反應(yīng)過(guò)程可得到熱值約為33 MJikg的液體燃料，收率可達(dá)50%左右(以干燥有機(jī)物為基準(zhǔn))，同時(shí)產(chǎn)生大量不凝性氣體和固體殘?jiān)?。反?yīng)的基本流程見(jiàn)圖20圖14 污泥直接液化基本流程反應(yīng)產(chǎn)物用溶劑萃取法分離，常采用二氯甲烷作有機(jī)溶劑。把能溶于二氯甲烷的部分定義為油相?？煞謩e獲得幾個(gè)餾分:油相、水相和固相。分離過(guò)程見(jiàn)圖30圖15 直接液化產(chǎn)物分離示意污泥直接液化的優(yōu)點(diǎn)是采用的污泥只需進(jìn)行機(jī)械脫水，不必消耗

27、能量對(duì)污泥進(jìn)行干燥，能量剩余率較高，而且它的收率較高為50%。但是這種技術(shù)的缺點(diǎn)也是十分明顯的:一是反應(yīng)需要較高的壓力，對(duì)設(shè)備的要求較高。二是熱化學(xué)液化法雖然降低了污泥的污染，但是在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生大量的難聞氣體。說(shuō)明熱解過(guò)程中產(chǎn)生大量有害的氣體，限制了這種技術(shù)的應(yīng)用。另外，產(chǎn)物中會(huì)有2%3%的N:殘余，燃燒過(guò)程會(huì)有氮氧化合物生成，容易對(duì)大氣造成污染，應(yīng)采取相應(yīng)措施加以控制。污泥氣化工藝是污泥原料在氣化裝置中置于缺氧狀態(tài)下氧化燃燒和還原，使能量轉(zhuǎn)換成可燃?xì)怏w的過(guò)程污泥熱解氣化過(guò)程中涉及一系列復(fù)雜的燃燒!還原!裂解乃至聚合反應(yīng)，這些反應(yīng)變化在復(fù)雜的相平衡條件下相互影響，在以空氣為介質(zhì)的反應(yīng)器中，總

28、的反應(yīng)式可寫(xiě)成圖16 污泥氣化工藝流程氣化反應(yīng)是在一定量氧化劑（空氣!氧氣!水蒸氣）的幫助下，污泥中的固態(tài)可燃物經(jīng)過(guò)熱化學(xué)處理，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)可燃物質(zhì)污泥氣化步驟可以概括為!個(gè)過(guò)程：（）干化，使殘留水分蒸發(fā)（#）熱裂解反應(yīng)，細(xì)胞子或高分子在裂解后得到充分揮發(fā)（!）氣化反應(yīng)過(guò)程，即炭物質(zhì)的不充分氧化反應(yīng)過(guò)程固態(tài)燃料轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，反應(yīng)過(guò)程同時(shí)產(chǎn)生大量氣體!氧氣和水蒸氣污泥的脫氣過(guò)程也稱為焦化過(guò)程，過(guò)程中高分子結(jié)構(gòu)被分解這一工藝過(guò)程需要的溫度是$!左右，產(chǎn)生的殘?jiān)急壤艿停a(chǎn)生的氣體凈化后具有較高熱值，可用于發(fā)電圖17 氣化處理前后的污泥樣本（注：左為氣化處理后含固80%的污泥，右為含固小于50%的氣

29、化前污泥）氣化指在一定的溫度和壓力條件下，通過(guò)工藝控制，有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可燃的合成氣的過(guò)程。和熱解不同的是，氣化過(guò)程有水和氧氣的參與。氣化包括干燥、熱解、氧化、還原4個(gè)過(guò)程59。有采用污泥單獨(dú)氣化，也有和其它物質(zhì)混合氣化。和熱解不同的是，氣化過(guò)程的液態(tài)產(chǎn)物較少，大約為5%，主要產(chǎn)物是合成氣和灰渣。合成的氣體主要為H2、CO、CH4、N2、CO2等，其中可燃?xì)怏w可占到氣體組分的18.5%41.3%60-61。氣化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一些有害氣體，主要包括HCl、SO2、H2S、NH3、NO2等，需要在利用之前進(jìn)行凈化。影響氣化過(guò)程的因素包括溫度、催化劑、燃料屬性（如粒度、表面特點(diǎn)、含水率、形狀、揮發(fā)分、含碳量

30、等）64-65。氣化主要設(shè)備有固定床、流化床兩大類(lèi)。通過(guò)工藝的優(yōu)化和控制，實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)生可燃合成氣的目的。采用熱解和氣化方式可以將污泥中的有機(jī)組分轉(zhuǎn)化為燃料氣體及焦油，進(jìn)行能源化利用，近年來(lái)得到了較多的研究。污泥的熱解和氣化過(guò)程是弱還原條件下的熱化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，和燃燒相比規(guī)避了二氧化硫、氮氧化物和氯代化合物的生成等問(wèn)題，獲得的燃?xì)鈨艋筮M(jìn)行利用，避免了燃燒產(chǎn)生的二次污染。熱解和氣化實(shí)現(xiàn)了污泥的最大程度的減量化，但同時(shí)，兩種技術(shù)的工藝過(guò)程較為復(fù)雜，對(duì)運(yùn)行操作有較高的要求。污泥的高含水率不利于直接利用，需要脫水干化處理。此外，由于污泥的高灰分特征，仍需要對(duì)最終灰分的處置進(jìn)行重金屬浸出等評(píng)估。3.3.4.MFCMFC（microbial fuel cell）技術(shù)是通過(guò)微生物作用，將污水中有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能，有機(jī)物同時(shí)得到降解實(shí)現(xiàn)污水的凈化，達(dá)到污泥能源化和減量的目的。其工作基本原理是：污泥及污水中有機(jī)質(zhì)在微生物作用下降解，產(chǎn)生的電子傳遞到陽(yáng)極電極，經(jīng)過(guò)外電路抵達(dá)陰極并被陰極的電子受體獲取，完成電子傳遞過(guò)程。整個(gè)傳遞過(guò)程連續(xù)進(jìn)行，形成持續(xù)的電流66-67。MFC反應(yīng)器主要由三部分組成：陰