城市污泥资源化利用Word文档下载推荐.docx

1、而此过程的直接环境效益是避免了污泥二次污染。可以说，污泥资源化处理是未来污泥处理的主流发展方向。由于污泥资源化产品使用目的和场合不同，污泥有效利用的组分和形式也不同，因此污泥资源化处理在技术上具有多样性。据了解，在我国污水处理厂建设过程中，长期以来存在“重水轻泥”的现象。目前城镇污水处理厂基本实现了污泥的初步减量化，但并未实现污泥的稳定化处理。据统计，虽然80%污水处理厂建有污泥的浓缩脱水设施，达到了一定程度的减量化，但约有80%的污泥未经稳定化处理，导致污泥中含有的恶臭物质、病原体、持久性有机物等污染物容易从污水转移到陆地，使污染物进一步扩散，也使已经建成投运的污水处理设施的环境减排效益大打

2、折扣。难题二：“上天”还是“入地”？污泥的最终归宿在哪儿？据悉，目前常用的污泥处置方式有填埋、焚烧、堆肥、建筑材料等。胡峻铭介绍，现在有31%的污泥采用土地填埋的方式处理；3.45%与垃圾混合填埋；还有约45%的污泥用来堆肥等土地利用领域，还有约3.45%的污泥进行焚烧处理。 3.污泥资源化分类按照所获产品种类不同，可将污泥资源化技术分成:建材化技术，堆肥利用技术，能源化技术，材料化技术，污泥蛋白质利用技术。3.1.污泥建材化技术污泥建材化是污泥资源化技术的重要发展方向之一。污泥约含有机物7080%，无机物（Al、Si、Fe、Ca）20%30%，类似于常用建筑材料的原料成分，这为污泥建材化提供

3、了可能和条件13。污泥建材化主要包括制造砖、水泥、陶粒、玻璃、生化纤维板等。3.1.1污泥制砖污泥砖在焙烧过程中病原菌可全部被杀灭， 重金属（As、Cd 、Cr 、Cu 、Pb 等）被固结， 实现无害化。污泥制砖的前提是其成分与传统制砖原料粘土具有相似性， 研究表明 :生活污泥燃烧产物和粘土的化学成分基本接近 ，在适当调整以及混入适量添加剂后，完全可以制备建筑用砖 14-16。西方国家常采用污泥焚烧灰制砖 15，17-20，我国则倾向采用干化污泥制砖，充分利用污泥中有机质的发热量 ， 降低烧砖能耗。张方梅和陈绍伟将预处理后的城市排水管污泥与粘土混合， 研究了不同混合比对烧制效果的影响， 制备出

4、性能优良的建筑砖。城市污水处理厂剩余污泥进行破壁处理后，用液压板框压滤机进行脱水，可将污泥含水率由80%降至40%以下，在此基础上，通过增氧干化可将污泥含水率降至20%以下，将含水率20%的污泥按干重为30%的比例，加入到烧结砖原料的页岩、粘土和煤矸石中，不会影响砖的成型和含水率。再通过添加辅助原料烧制，烧结砖的强度质量也不会受到影响，有的强度质量还高于未掺混污泥烧结砖的强度。3.1.1.1.污泥改性深度脱水工艺流程图1 污泥改性深度脱水工艺流程城市污水处理厂含水率为80%的污泥，在添加一定比例污泥改性添加剂后，进入污泥改性反应罐，污泥在反应罐中经2h的反应，微生物细胞壁破裂，经高压弹性压榨机

5、脱水后，含水率可降至40%以下，然后再经过48-72h的增氧干化，污泥的含水率便可降至20%以下。3.1.1.2.污泥制砖工艺流程图2 污泥制砖工艺流程如图2，将含水量低于20%的污泥和粘土或页岩或煤矸石分别粉碎（或混合后再粉碎），与污泥砖辅助原料进行充分的混合搅拌，再经一体化的制砖设备挤压成型制成砖坯，然后再进行自动烘干和焙烧，由于采用了新型环保旋转式节能窑炉技术，实现了机械化、自动化、数字化，提高了砖坯的合格率，还大幅节约了能源。3.1.2.污泥制陶粒陶粒作为一种人造轻质粗集料，因质轻、高强、保温等特性备受关注，是具有发展潜力的新型建材。改性污泥可以制成陶粒作为建筑材料使用，污泥陶粒最早由

6、Nakouzi S.等提出2，是以污泥为主要原料，掺加适量辅料，经过成球、焙烧而成的。陶粒作为一种轻集料，可以取代普通砂石配制轻集料混凝土，具有密度小、强度高、保温、隔热、抗震性能好的特点，近年来得到了迅速发展3。但污泥陶粒技术在国内外的研究起步不久，目前的应用主要集中在将污泥作为一种陶粒烧制中的有机物添加剂，使用量少，只有10%左右47，工艺条件和原料配比急需优化。图3 污泥陶粒生产工艺简图图4 不同温度下烧结体的外观图制备的轻质陶粒产品性能可依据中华人民共和国国家标准轻骨料试验方法（GB 2842-81）和中华人民共和国建材行业标准超轻陶粒和陶砂（JC 487-92）来检验。3.1.2.1

7、.脱水污泥“湿法造粒-烧结”制陶粒图5 “湿法造粒-烧结”工艺技术路线图脱水污泥的SiO2含量低，烧失量大，不具有烧胀性能8，必须添加一定量的辅料与添加剂。试验以粉煤灰和粘土补充成陶组分SiO2和Al2O3，用金属（Na2O和K2O）含量高的沸石粉作为助熔剂。3.1.2.2.脱水污泥“干化-烧结”制陶粒试验图6 “干化-烧结”工艺技术路线图3.1.3.污泥制水泥污泥制水泥的理论是污泥灰分高，其化学特性与水泥生产所用的原料基本相似，干化和研磨后添加适量石灰即可制成水泥。此外，水泥窑具有燃烧炉温高和处理物料量大等特点，利用城市污泥烧制水泥同时兼具减容和减量作用。发达国家利用水泥窑处理废弃物生产生态

8、水泥已有20余年的历史，而我国尚属起步阶段。日本将城市垃圾焚烧灰和下水道污泥一起作为原料，生产所谓“生态水泥”，这种水泥的原料中有60%为废弃物（污泥占20%-30%），烧成温度1000-1300，燃料用量与二氧化碳排放量，都比生产普通水泥少的多。同时，利用污泥制水泥上存在一些技术问题需要解决，如污泥中含活性阴离子氯，可造成钢筋发生小孔腐蚀，限制了污泥水泥的应用范围。图7 生态水泥生产工艺图8 利用生态水泥建筑表面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机质和一些植物必需养分，在消除重金属与病原菌之后，可部分替代化肥。与纯猪粪和猪厩肥相比，我国城市污泥N、P、K总养分含量平均

9、达到48.3g/kg，TN和TP含量比纯猪粪高31%和59%，比猪厩肥高188%和204%，但K含量比纯猪粪和猪厩肥低38%和62%，施用时若补充钾肥，则可获得由于化肥的农用效果40。同时，经处理后的污泥是一种生物质肥料，替代化肥厚可以有效避免农业面源污染，环境效益明显。3.2.2.堆肥机理污泥堆肥就是将污泥与调理剂（锯末、秸秆、树叶、粪便、垃圾）及膨胀剂（木屑、秸秆、花生壳、玉米芯等）在一定条件下（pH、C/N、通气、水分、温度）进行堆沤，利用细菌、放线菌、真菌等微生物作用，促进可被生物降解有机物可控制地向稳定的腐殖质转化的生物学过程。污泥经堆肥化处理后，病原菌、寄生虫卵、杂草种子几乎全部被

10、杀死，无臭味，重金属有效态含量降低，速效养分含量增加，是一种性质稳定的生物肥料。污泥堆肥除可施用于农田、园林绿化、草坪、废弃地等外，还可用作林木、花卉育苗基质，能降低育苗成本42，有较好的经济效益、环境效益和社会效益43堆肥化过程有好氧堆肥和厌氧堆肥两种，目前污泥堆肥化基本上采用的是好氧堆肥。好氧堆肥过程由四个阶段组成，即升温阶段，高温阶段，降温阶段和腐熟阶段44。每个阶段的优势微生物和原生动物种群结构不同，利用不同阶段的堆肥产物作为食物和能量源，直至稳定腐殖质物质形成45。3.2.3.利用途径3.2.3.1园林绿地利用污泥堆肥用于城市园林绿地，避开了食物链，减少了运输费用，为城市园林绿地养护

11、提供廉价有机肥46。3.2.3.2.农田土壤利用农田经连续耕作，植物根系对矿物质不断获取，土壤中有机质和矿质元素都很缺乏。污泥堆肥施入土壤后，能改变土壤的理化性质，增加土壤N、P、K含量，调节土壤pH值，促进团粒结构的形成，改善土壤透水性、蓄水保肥性、通气性及耕作性。3.2.3.3.矿业废弃地修复我国大部分非金属矿山废弃地中并不含过多的重金属元素和有毒物质，将污泥堆肥处理后，可作为有机肥料替代品或土壤改良剂，施用于矿山废弃地，对其进行复垦。将生活污泥与矿业生产中废弃的矿砂、矿泥按一定比例混合，重构适合速生草本植物生长的耕层土壤，加快土壤腐殖质层的产生和熟化，最终达到了农业复垦的目的，该方法的核

12、心是控制生活污泥的掺量60。3.3.污泥能源化技术污泥的能源化技术主要基于污泥中存在有机成分，从元素角度分析，污泥中碳含量占到30%以上，主要存在于挥发分当中。氧含量和煤炭相比偏高，氮和硫的含量和煤炭中类似。不同来源污泥的干基发热量也有较大的差别，为1020 MJ/kg。污泥能源化利用的途径有消化、热解、气化、燃烧、共燃烧、微生物燃料电池（MFC）等。消化可将污泥中有机质转化为沼气，然后通过燃烧产生热值和发电；热解和气化可以得到燃气和焦油；干化后的污泥的热值与褐煤相当，燃烧可以实现这部分能量的转化和利用；MFC 则可直接将有机污染物降解同时产电。从表1可以看出，干燥污泥中还有少量水分，挥发分的

13、含量超过50%，灰分占到30.8%40.3%，固定碳含量为3.8%6.8%。和煤炭相比，污泥中的挥发分和灰分较高，固定碳含量偏低。由表2可以看出，污泥及污泥灰中的化学成分主要为SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO，其中Fe2O3和CaO主要是不同的沉降过程中加入的絮凝成分。由于处理工艺的不同，还会造成污泥中的磷含量出现较大差别。3.3.1.厌氧消化通常认为厌氧处理过程经历水解发酵、产氢产乙酸、产甲烷3个阶段27。污水处理过程产生的剩余污泥，进入消化设施，通过控制pH值、营养物比例（主要为C/N）、含水率、温度、停留时间（SRT）等，实现污泥的稳定化和甲烷等燃料气体的产生28。城市污水厌氧处

14、理进入厌氧反应器的污泥COD去除率为40%50%，产气量为0.81.2 m3/kg污泥（无灰基）沼气热值15.927.8 MJ/m331。传统的好氧-厌氧水处理工艺在好氧阶段将大量的可溶性有机污染物转化为CO2，该过程耗能一般占到污水处理能耗的50%，且直接产生CO2气体，存在巨大的能源浪费。如果能将好氧段处理的有机物有效回收利用，既可节约能耗又可实现该部分能量回收。因此，有研究者提出完全采用厌氧处理污水中有机物的设想，从而实现净产出能量的愿望，但也存在污水中COD偏低不适宜厌氧工艺的运行的问题。厌氧消化工艺成熟，产生的沼气可实现能源化利用，如北京高碑店污水厂沼气发电可满足厂内20%的用电需求

15、33。但是，由于投资较高，工艺复杂，运行有一定难度，厌氧消化并未得到很好的普及应用，已建成的消化设施也有部分未正常运 行30。目前污泥厌氧消化主要还是作为污泥稳定的手段，产生的沼气并没有充分利用30，也造成一定的二次污染及能源浪费。消化污泥含水率及有机物含量依然较高，仍需进一步处置34。图9 消化前后污泥组分对比图10 窗体顶端图10 污水处理厂污泥厌氧消化沼气利用系统示意3.3.2.燃烧和共燃烧共燃烧技术指利用现有的燃煤锅炉35、垃圾焚烧炉等将污泥和煤、市政垃圾等进行混合共燃。共燃烧的优势在利用了现有的成熟设备和运行操作经验，不需要新的投资和建设。同时，先进的燃煤设备以及垃圾焚烧设备等已经配

16、备了完善的尾气收集处理系统，可以有效控制污染物的排放19。图11 德国汉堡污水处理厂污泥处理工艺流程消化过程中有大约一半的有机物转化为沼气，消化后污泥的含水率约为96.7%。消化污泥在离心机中脱水到含水率为78%，然后在蒸汽加热干化机中干化到含水率为58%。干化后的污泥和污水处理中产生的栅渣一起进入流化床焚烧锅炉焚烧 。焚烧产生的废气进行尾气处理后排放 。模式不需要任何外加燃料 ， 而且可 以为污水厂提供所需用电量的 60%和用热量的100%，。3.3.3.热解和气化 （目前还没有相关的工业化报道）热解是在无氧或惰性气体环境下有机物的热分解过程，产生燃气（CH4、H2等）、焦油以及焦炭等。在热

17、解的过程中，污泥中的水分先挥发，随着温度的升高，有机组分逐渐分解成一些大分子碳氢化合物，进而转化为 CH4、H2、焦炭等，水分的存在会部分参与反应过程50。 影响热解的因素主要包括温度、停留时间、压力、原料特点、湍流特征等51。污泥热解的产物主要分为气体、液体、固体三部分，三者的比例范围分别为 10.7%26.6%、23.5%40.7%、46.1%63.0%，其中固体组分会高于测得的灰分所占的比例52。气体主要为 H2、CO、CO2、CH4、N2，还有一些小分子碳氢化合物，其中可燃气体组分可以占到总气体总体积的 48%62%5 3 -5 5 ，热值可达 12 00013 000 kJ/m356

18、。污泥热解产生的液体组分较为复杂，为焦油，包括长链碳氢化合物、芳香烃、脂肪族化合物等55，57-58。固体产物为焦炭及灰分，其中有一定含量的重金属，可能会对后续的处置及利用产生影响50，54，56。3.3.3.1高温热解高温热解法污泥高温热解法是在惰性气体环境中实现对污泥的分解，其具有污泥体积大量减少，重金属有效固定4，重金属热析出量较低5，且产生较少的有害物质等特点。另外，如果高温分解控制在一定的条件下或经过某些化学处理，残留的固体物质如烧焦的炭化物能考虑作吸附剂，用于控制工业空气污染和去除污水处理过程中产生的气味6。污水污泥高温热解过程可以同时产生大量的气体及油类物质，这些物质具有较高的热

19、值，可被用作燃料或化学原料。图12 污泥固定床热解工艺流程传统的固定床和流化床热解污泥研究都是在500左右，大的加热速度、短的停留时间可以促进液体产物的形成7-8。而且，如果温度增大到7，油类中的多环芳烃（PAHs）的含量越大9-i0，甚至发现了6个环的多环芳烃。PAHs中的许多物质会致癌和致突，对人体的健康产生危害，因此使用传统高温热解污泥存在一定的风险，产生的油类的应用也受到很大的限制。目前微波技术已经被引入生物、煤、石油及部分有机废物的高温分解领域。3.3.3.2.低温热解低温热解法通过在无氧的条件下加热污泥干燥至一定温度（小于500），由于干馏和热分解作用使污泥转化为油、反应水、不凝性

20、气体（NNG）和炭4种可燃性产物。图13 低温热解制油反应过程示意低温热解制油有许多优点fuel:（1）设备较简单，无需耐高温、高压设备。（2）能量回收率高，污泥中的炭约有67%可以以油的形式回收，炭和油的总收率占80%以上。（3）对环境造成二次污染的可能性小。经评价，处理后污泥中绝大多数重金属进人炭油中，其中90%以上被氧化固定在炭中，在以后的使用过程中会被进一步氧化到无害化，由于处理温度低、不凝气产量小，可减少SO2，NOX，二嗯英带来的二次污染。（4）与焚烧技术投资相当或略低，运行成本仅为焚烧法的30%左右。这种方法的不足之处在于:低温热解制油技术所采用的污泥需经干燥脱水，使其含水率在5

21、%以下，这样就要消耗大量的能量。所以这种技术的能量剩余不是很高，能量消耗比为1.16（能量输出比上能量消耗）Ls 1。另外，在产生的油中会产生大量的多环芳烃物质，对环境产生不利的影响。3.3.3.3.污泥直接油化污泥直接热化学液化技术的源头可以追溯到1913年德国人F.Bergius进行的高温高压（400-.450 9C，20 MPa）加氢，从煤或煤焦油得到液体燃料的实验。这项技术后来称作煤的直接液化技术。鉴于污泥低温热解制油需要对脱水污泥进行干燥处理而需要很大的能量以及相应的投资，美国、英国、日本对污泥直接热化学液化法研究较多。此法是将经过机械脱水的污泥（含水率约为70%80%），在N:环境

22、下在250340加压热水中，并以碳酸钠作为催化剂，污泥中有近50%的有机物能通过加水分解、缩合、脱氢、环化等一系列反应转化为低分子油状物，得到的重油产物用萃取剂进行分离收集。重油产品的组成和性质取决于催化剂的装填与反应温度。反应过程可得到热值约为33 MJikg的液体燃料，收率可达50%左右（以干燥有机物为基准），同时产生大量不凝性气体和固体残渣。反应的基本流程见图20图14 污泥直接液化基本流程反应产物用溶剂萃取法分离，常采用二氯甲烷作有机溶剂。把能溶于二氯甲烷的部分定义为油相。可分别获得几个馏分:油相、水相和固相。分离过程见图30图15 直接液化产物分离示意污泥直接液化的优点是采用的污泥只

23、需进行机械脱水，不必消耗能量对污泥进行干燥，能量剩余率较高，而且它的收率较高为50%。但是这种技术的缺点也是十分明显的:一是反应需要较高的压力，对设备的要求较高。二是热化学液化法虽然降低了污泥的污染，但是在反应过程中产生大量的难闻气体。说明热解过程中产生大量有害的气体，限制了这种技术的应用。另外，产物中会有2%3%的N:残余，燃烧过程会有氮氧化合物生成，容易对大气造成污染，应采取相应措施加以控制。污泥气化工艺是污泥原料在气化装置中置于缺氧状态下氧化燃烧和还原，使能量转换成可燃气体的过程污泥热解气化过程中涉及一系列复杂的燃烧!还原!裂解乃至聚合反应，这些反应变化在复杂的相平衡条件下相互影响，在以

24、空气为介质的反应器中，总的反应式可写成图16 污泥气化工艺流程气化反应是在一定量氧化剂（空气!氧气!水蒸气）的帮助下，污泥中的固态可燃物经过热化学处理，转化为气态可燃物质污泥气化步骤可以概括为!个过程：（）干化，使残留水分蒸发（#）热裂解反应，细胞子或高分子在裂解后得到充分挥发（!）气化反应过程，即炭物质的不充分氧化反应过程固态燃料转化为气态，反应过程同时产生大量气体!氧气和水蒸气污泥的脱气过程也称为焦化过程，过程中高分子结构被分解这一工艺过程需要的温度是$!左右，产生的残渣含碳比例很低，产生的气体净化后具有较高热值，可用于发电图17 气化处理前后的污泥样本（注：左为气化处理后含固80%的污泥

25、，右为含固小于50%的气化前污泥）气化指在一定的温度和压力条件下，通过工艺控制，有机物转化为可燃的合成气的过程。和热解不同的是，气化过程有水和氧气的参与。气化包括干燥、热解、氧化、还原4个过程59。有采用污泥单独气化，也有和其它物质混合气化。和热解不同的是，气化过程的液态产物较少，大约为5%，主要产物是合成气和灰渣。合成的气体主要为H2、CO、CH4、N2、CO2等，其中可燃气体可占到气体组分的18.5%41.3%60-61。气化过程会产生一些有害气体，主要包括HCl、SO2、H2S、NH3、NO2等，需要在利用之前进行净化。影响气化过程的因素包括温度、催化剂、燃料属性（如粒度、表面特点、含水

26、率、形状、挥发分、含碳量等）64-65。气化主要设备有固定床、流化床两大类。通过工艺的优化和控制，实现高效产生可燃合成气的目的。采用热解和气化方式可以将污泥中的有机组分转化为燃料气体及焦油，进行能源化利用，近年来得到了较多的研究。污泥的热解和气化过程是弱还原条件下的热化学反应过程，和燃烧相比规避了二氧化硫、氮氧化物和氯代化合物的生成等问题，获得的燃气净化后进行利用，避免了燃烧产生的二次污染。热解和气化实现了污泥的最大程度的减量化，但同时，两种技术的工艺过程较为复杂，对运行操作有较高的要求。污泥的高含水率不利于直接利用，需要脱水干化处理。此外，由于污泥的高灰分特征，仍需要对最终灰分的处置进行重金

27、属浸出等评估。3.3.4.MFCMFC（microbial fuel cell）技术是通过微生物作用，将污水中有机物中的化学能直接转化成电能，有机物同时得到降解实现污水的净化，达到污泥能源化和减量的目的。其工作基本原理是：污泥及污水中有机质在微生物作用下降解，产生的电子传递到阳极电极，经过外电路抵达阴极并被阴极的电子受体获取，完成电子传递过程。整个传递过程连续进行，形成持续的电流66-67。MFC反应器主要由三部分组成：阴阳电极、质子交换膜和反应室。电极、交换膜材料以及反应室的构造等都是影响能量转化和污染物降解的重要因素68。电极材料一般为碳纸、石墨、铂、铂黑、网状玻碳电极（RVC）等。反应腔

28、室可用玻璃、聚碳酸酯、树脂。交换膜系统采用离子交换膜、聚乙烯等有机膜、陶瓷隔膜等。电极催化剂采用铂、铂黑、铁离子等67。电池构造有单槽式、双槽式、上流式、堆叠式等。除了反应器结构之外，影响MFC运行产能的因素主要有微生物种类及底物、生物燃料类型及浓度、离子强度、pH值、温度等67，69-70。目前关于MFC的研究中，直接MFC处理废水同时发电的研究较多70-71，关于MFC技术处理剩余污泥的研究还较少。采用MFC处理污泥，TCOD去除率可达40.8%9.0%，功率密度为13.2 W/m31.7 W/m372。采用MFC技术进行污泥能源化利用可在室温、常压、中性pH值环境下进行，直接产生电能，实现污泥的减量化