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(guó)污泥處理處置現(xiàn)狀我國(guó)污泥處理處置現(xiàn)狀污泥資源化分類(lèi)污泥資源化分類(lèi)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(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，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。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(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。2.我國(guó)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(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。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(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)?。ㄊ校┪勰喈a(chǎn)生量占全國(guó)污泥總量的

3、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。2.2.處置現(xiàn)狀與困難 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%，而發(fā)達(dá)國(guó)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(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

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(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(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。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(guò)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(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 污泥陶粒以污泥為主要原料,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

6、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。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，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(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。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(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。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(guó)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(shí)若補(bǔ)充鉀肥,則可獲得由于化肥的農(nóng)用效果。同時(shí),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(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

9、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)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(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。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。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(lèi)似

10、。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。 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(guò)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(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

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(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。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。 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(mǎn)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(méi)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(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)，可以有效控制污染物的排放。 本工藝消化過(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 。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(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。 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。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?，其中可燃?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(zhǎng)鏈碳?xì)浠衔?、芳香烴、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(huì)對(duì)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(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，重金屬熱析出量較低，且產(chǎn)生較少的有害物質(zhì)等特點(diǎn) 。 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。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，甚

15、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。低溫?zé)峤?溫?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種可燃性產(chǎn)物。優(yōu)點(diǎn)：(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，炭和油的總回收率占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)

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(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。缺點(diǎn)：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(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。污泥直接油化 將經(jīng)過(guò)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(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

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(shí)產(chǎn)生大量不凝性氣體和固體殘?jiān)?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。優(yōu)點(diǎn)：（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(diǎn)：（1）反應(yīng)需要較高的壓力，對(duì)設(shè)備的要求較高；（2）反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生大量的難聞（有害）氣體。（3）產(chǎn)物中會(huì)有2%-3%的N2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。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(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。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%。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。氣化總反應(yīng)式： 污泥氣化步驟可以概括為4個(gè)過(guò)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(guò)程，即炭物質(zhì)的不充分氧化反應(yīng)過(guò)程

19、。 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(chēng)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1000左右，產(chǎn)生的殘?jiān)急壤艿?，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(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。MFC反應(yīng)器主要由三部分組成：陰陽(yáng)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(shù)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(lèi)及底物、生物燃料類(lèi)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)