城市污泥最新資源化利用

1、目錄城市污泥的概念和組成城市污泥的概念和組成我國污泥處理處置現(xiàn)狀我國污泥處理處置現(xiàn)狀污泥資源化分類污泥資源化分類參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1.城市污泥的概念和組成城市污泥：是指城市生活污水和工業(yè)廢水處理過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，包含水、泥沙、纖維、動植物殘體及各種絮體、膠體、有機(jī)質(zhì)、微生物、病菌、蟲卵等的復(fù)雜多相體系。組分：含水率高(98%)，有機(jī)質(zhì)4050%，總氮含量45%，磷(P2O5)15%，鉀(K2O)0.51%，對于生活污水和工業(yè)廢水混排的場合，污泥中還常含有激素類物質(zhì)(E1、E2等)、毒性有機(jī)物(苯、氯酚等)、重金屬(Cd、Cr等)以及各種無機(jī)鹽。2.我國污泥處理處置現(xiàn)狀2.1.污泥產(chǎn)量 數(shù)據(jù)

2、一:十一五期間，我國城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量年均增長8%，截至2013年三季度末統(tǒng)計，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的同時，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t左右。而十二五期間以新增污水處理量運(yùn)行負(fù)荷率為75%計算，污泥（含水率80%）年產(chǎn)量將以246萬m/年的速度遞增，初步推算全國年干污泥產(chǎn)量為1200萬t左右，濕污泥6000萬t左右。數(shù)據(jù)二：目前城鎮(zhèn)污水處理廠的污泥總產(chǎn)量已達(dá)到2433萬t/a，同時以年均12%.的速度增長。在地域分布上，污泥主要產(chǎn)于中東部地區(qū)。東部11個省（市）污泥產(chǎn)生量占全國污泥總量的

3、64%，中部8省占全國總量的21%，西部12個省占全國污泥總量的15%。根據(jù)預(yù)測，2015年全國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產(chǎn)生量將達(dá)到3560萬t。2.2.處置現(xiàn)狀與困難 一般來講，我國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%，而發(fā)達(dá)國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。 目前城鎮(zhèn)污水處理廠基本實現(xiàn)了污泥的初步減量化，但并未實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化處理。據(jù)統(tǒng)計，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

4、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。 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。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.污泥的資源化利用04020501033.1.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%,無機(jī)物(Al、Si、Fe、Ca)20%30%,類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。污泥建材化主要包括

5、制造磚、水泥、陶粒、玻璃、生化纖維板等。 0103023.1.1.污泥制磚污泥改性深度脫水 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%以下，然后再經(jīng)過的增氧干化，污泥的含水率便可降至20%以下。污泥制磚工藝流程 由于采用了新型環(huán)保旋轉(zhuǎn)式節(jié)能窯爐技術(shù)，實現(xiàn)了機(jī)械化、自動化、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 污泥陶粒以污泥為主要原料,摻加適量輔料,經(jīng)過成球、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

6、小、強(qiáng)度高、保溫、隔熱、抗震性能好的特點,近年來得到了迅速發(fā)展。但污泥陶粒技術(shù)在國內(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，工藝條件和原料配比急需優(yōu)化。脫水污泥“濕法造粒-燒結(jié)”制陶粒 脫水污泥的SiO2含量低,燒失量大,不具有燒脹性能,必須添加一定量的輔料與添加劑。試驗以粉煤灰和粘土補(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。脫水污泥“干化-燒結(jié)”制陶粒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

7、,水泥窯具有燃燒爐溫高和處理物料量大等特點,利用城市污泥燒制水泥同時兼具減容和減量作用。 發(fā)達(dá)國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,而我國尚屬起步階段。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，利用污泥制水泥上存在一些技術(shù)問題需要解決,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。3.1.污泥堆肥利用污泥肥效 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

8、部分替代化肥。與純豬糞和豬廄ji肥相比,我國城市污泥N、P、K總養(yǎng)分含量平均達(dá)到48.3g/kg，TN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%，施用時若補(bǔ)充鉀肥,則可獲得由于化肥的農(nóng)用效果。同時,經(jīng)處理后的污泥是一種生物質(zhì)肥料,替代化肥后可以有效避免農(nóng)業(yè)面源污染,環(huán)境效益明顯。堆肥機(jī)理 污泥堆肥就是將污泥與調(diào)理劑(鋸末、秸稈、樹葉、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

9、學(xué)過程。污泥經(jīng)堆肥化處理后,病原菌、寄生蟲卵、雜草種子幾乎全部被殺死,無臭味,重金屬有效態(tài)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。 堆肥化過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。好氧堆肥過程由四個階段組成,即升溫階段,高溫階段,降溫階段和腐熟階段。每個階段的優(yōu)勢微生物和原生動物種群結(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。利用途徑 0103023.1.污泥能源化利用 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似

10、。不同來源污泥的干基發(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。 0101厭氧消化0202燃燒和共燃燒0303熱解和氣化0404MFC組分分析 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50%，灰分占到30.8%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。 組分分析 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程中加入的絮凝成分。由于處理工藝的不同，還會造成污泥中

11、的磷含量出現(xiàn)較大差別。 3.3.1.厭氧消化 通常認(rèn)為厭氧處理過程經(jīng)歷水解發(fā)酵、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷3個階段。污水處理過程產(chǎn)生的剩余污泥，進(jìn)入消化設(shè)施，通過控制pH值、營養(yǎng)物比例（主要為C/N）、含水率、溫度、停留時間（SRT）等，實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化和甲烷等燃料氣體的產(chǎn)生。 厭氧消化工藝成熟，產(chǎn)生的沼氣可實現(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。但是，由于投資較高，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。目前污泥厭氧消化主要還是作為污泥穩(wěn)定的手段，產(chǎn)生的沼氣并沒有充分利用，也造成一定的二次污染及能源浪費(fèi)。消化污泥含水

12、率及有機(jī)物含量依然較高，仍需進(jìn)一步處置。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、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)勢在利用了現(xiàn)有的成熟設(shè)備和運(yùn)行操作經(jīng)驗，不需要新的投資和建設(shè)。同時，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)，可以有效控制污染物的排放。 本工藝消化過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 。該模式不需要任何外

13、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 熱解是在無氧或惰性氣體環(huán)境下有機(jī)物的熱分解過程，產(chǎn)生燃?xì)猓–H4、H2等）、焦油以及焦炭等。在熱解的過程中，污泥中的水分先揮發(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，水分的存在會部分參與反應(yīng)過程。 影響熱解的因素主要包括溫度、停留時間、壓力、原料特點、湍流特征等。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%，氣體主要為 H2、CO、CO2、CH4、N2，還有一

14、些小分子碳?xì)浠衔铮渲锌扇細(xì)怏w組分可以占到總氣體總體積的 48%62%，熱值可達(dá) 12 00013 000 kJ/m3。污泥熱解產(chǎn)生的液體組分較為復(fù)雜，為焦油，包括長鏈碳?xì)浠衔铩⒎枷銦N、脂肪族化合物等固體產(chǎn)物為焦炭及灰分，其中有一定含量的重金屬，可能會對后續(xù)的處置及利用產(chǎn)生影響。高溫?zé)峤?污泥高溫?zé)峤夥ㄊ窃诙栊詺怏w環(huán)境中實現(xiàn)對污泥的分解，其具有污泥體積大量減少，重金屬有效固定，重金屬熱析出量較低，且產(chǎn)生較少的有害物質(zhì)等特點 。 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、短的停留時間可以促進(jìn)液體產(chǎn)物的形成。而且，如果溫度增大到7，油類中的多環(huán)芳烴PAHs)的含量越大，甚

15、至發(fā)現(xiàn)了6個環(huán)的多環(huán)芳烴。PAHs中的許多物質(zhì)會致癌和致突，對人體的健康產(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，產(chǎn)生的油類的應(yīng)用也受到很大的限制。低溫?zé)峤?溫?zé)峤夥ㄍㄟ^在無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種可燃性產(chǎn)物。優(yōu)點：(1)設(shè)備較簡單，無需耐高溫、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，炭和油的總回收率占80%以上。(3)對環(huán)境造成二次污染的可能性小。經(jīng)評價，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，在以后的使用過程中會被進(jìn)一步氧化到無

16、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。缺點：熱解前污泥含水率低于5%，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)生的油中會產(chǎn)生大量的多環(huán)芳烴物質(zhì)，對環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。污泥直接油化 將經(jīng)過機(jī)械脫水的污泥(含水率約為70%80%)，在N2環(huán)境下在250340加壓熱水中，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)過程

17、可得到熱值約為33 MJ/kg的液體燃料，收率可達(dá)50%左右(以干燥有機(jī)物為基準(zhǔn))，同時產(chǎn)生大量不凝性氣體和固體殘渣。 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獲得幾個餾分、油相、水相和固相。優(yōu)點：（1）污泥只需機(jī)械脫水 ；（2）能量剩余率較高，而且它的收率較高為50%。缺點：（1）反應(yīng)需要較高的壓力，對設(shè)備的要求較高；（2）反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量的難聞（有害）氣體。（3）產(chǎn)物中會有2%-3%的N2殘余，燃燒過程會有氮氧化合物生成，容易對大氣造成污染，應(yīng)采取相應(yīng)措施加以控制。氣化 氣化指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

18、成可燃?xì)怏w的過程。和熱解不同的是，氣化過程有水和氧氣的參與。氣化包括干燥、熱解、氧化、還原4個過程。有采用污泥單獨氣化，也有和其它物質(zhì)混合氣化。和熱解不同的是，氣化過程的液態(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%。氣化過程會產(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。氣化總反應(yīng)式： 污泥氣化步驟可以概括為4個過程：（1）干化，使殘留水分蒸發(fā)；（2）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)（3）氣化反應(yīng)過程，即炭物質(zhì)的不充分氧化反應(yīng)過程

19、。 固態(tài)燃料轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，反應(yīng)過程同時產(chǎn)生大量氣體、氧氣和水蒸氣，污泥的脫氣過程也稱為焦化過程，過程中高分子結(jié)構(gòu)被分解，這一工藝過程需要的溫度是1000左右，產(chǎn)生的殘渣含碳比例很低，產(chǎn)生的氣體凈化后具有較高熱值，可用于發(fā)電。3.3.4.MFC MFC（microbial fuel cell）技術(shù)是通過微生物作用，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)物同時得到降解實現(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)生的電子傳遞到陽極電極，經(jīng)過外電路抵達(dá)陰極并被陰極的電子受體獲取，完成電子傳遞過程。整個傳遞過程連續(xù)進(jìn)行，形成持續(xù)的電流。MFC反應(yīng)器主要由三部分組成：陰陽電極、質(zhì)子交換膜和反應(yīng)室。電極、交換膜材料以及反應(yīng)室的構(gòu)造等都是影響能量轉(zhuǎn)化和污染物降解的重要因素。電極材料一般為碳紙、石墨、鉑、鉑黑、網(wǎng)狀玻碳電極（RVC）等。反應(yīng)腔室可用玻璃、聚碳酸酯、樹脂。交換膜系統(tǒng)采用離子交換膜、聚乙烯等有機(jī)膜、陶瓷隔膜等。電極催化劑采用鉑、鉑黑、鐵離子等。 除了反應(yīng)器結(jié)構(gòu)之外，影響MFC運(yùn)行產(chǎn)能的因素主要有微生物種類及底物、生物燃料類型及濃度、離子強(qiáng)度、pH值、溫度等。采用MFC處理污泥，TCOD去除率可達(dá)40.8%9.0%，功率密度為13.2 W/m31.7 W/m3。采用MFC技術(shù)