城市污泥最新资源化利用.ppt

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城市污泥资源化利用,讲解人：

江鹏,目录,1.城市污泥的概念和组成,城市污泥：

是指城市生活污水和工业废水处理过程中产生的固体废弃物，包含水、泥沙、纤维、动植物残体及各种絮体、胶体、有机质、微生物、病菌、虫卵等的复杂多相体系。

组分：

含水率高（98%），有机质4050%，总氮含量45%，磷（P2O5）15%，钾（K2O）0.51%，对于生活污水和工业废水混排的场合，污泥中还常含有激素类物质（E1、E2等）、毒性有机物（苯、氯酚等）、重金属（Cd、Cr等）以及各种无机盐。

2.我国污泥处理处置现状,2.1.污泥产量数据一:

十一五期间，我国城镇污水处理厂数量年均增长8%，截至2013年三季度末统计，已建设污水处理厂3501余座，城镇污水处理量已达到300多亿m，并且在污水处理能力及效率增长的同时，污泥的产量迅速增加，产生的污泥量（按含水率80%）达3000万t左右。

而十二五期间以新增污水处理量运行负荷率为75%计算，污泥（含水率80%）年产量将以246万m/年的速度递增，初步推算全国年干污泥产量为1200万t左右，湿污泥6000万t左右。

数据二：

目前城镇污水处理厂的污泥总产量已达到2433万t/a，同时以年均12%.的速度增长。

在地域分布上，污泥主要产于中东部地区。

东部11个省（市）污泥产生量占全国污泥总量的64%，中部8省占全国总量的21%，西部12个省占全国污泥总量的15%。

根据预测，2015年全国城镇污水处理厂污泥产生量将达到3560万t。

2.2.处置现状与困难一般来讲，我国污泥处置的基建投资约占污水厂总投资的30%50%，运行费约占污水厂总运行费的20%50%，而发达国家污泥处置的基建投资占污水厂总投资的50%70%，因此从成本上分析，污泥已经成为直接影响污水厂正常运行的限制性因子。

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折扣。

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。

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.污泥的资源化利用,能源化技术,材料化技术,蛋白化技术,建材技术,堆肥利用,04,02,05,01,03,3.1.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了可能和条件。

污泥建材化主要包括制造砖、水泥、陶粒、玻璃、生化纤维板等。

污泥制陶粒,污泥制水泥,污泥制砖,01,03,02,3.1.1.污泥制砖,污泥改性深度脱水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。

污泥制砖工艺流程,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,污泥陶粒以污泥为主要原料,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。

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，工艺条件和原料配比急需优化。

脱水污泥“湿法造粒-烧结”制陶粒,脱水污泥的SiO2含量低,烧失量大,不具有烧胀性能,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。

脱水污泥“干化-烧结”制陶粒,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。

3.1.污泥堆肥利用,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ji肥相比,我国城市污泥N、P、K总养分含量平均达到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。

同时,经处理后的污泥是一种生物质肥料,替代化肥后可以有效避免农业面源污染,环境效益明显。

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。

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。

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。

利用途径,农田土壤利用,矿业废弃地修复,园林绿地,01,03,02,3.1.污泥能源化利用,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1020MJ/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。

01,厌氧消化,02,燃烧和共燃烧,03,热解和气化,04,MFC,组分分析,从表1可以看出，干燥污泥中还有少量水分，挥发分的含量超过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。

组分分析,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。

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。

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。

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。

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，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。

3.3.2.燃烧和共燃烧,共燃烧技术指利用现有的燃煤锅炉、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。

本工艺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。

该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,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。

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。

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%，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%，热值可达1200013000kJ/m3。

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。

高温热解,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，重金属热析出量较低，且产生较少的有害物质等特点。

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。

而且，如果温度增大到7，油类中的多环芳烃PAHs）的含量越大，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。

低温热解,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、不凝性气体（NNG）和炭4种可燃性产物。

优点：

（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，炭和油的总回收率占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。

缺点：

热解前污泥含水率低于5%，能量消耗比为1.16（能量输出比上能量消耗）Ls1。

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。

污泥直接油化,将经过机械脱水的污泥（含水率约为70%80%），在N2环境下在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33MJ/kg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。

优点：

（1）污泥只需机械脱水；

（2）能量剩余率较高，而且它的收率较高为50%。

缺点：

（1）反应需要较高的压力，对设备的要求较高；

（2）反应过程中产生大量的难闻（有害）气体。

（3）产物中会有2%-3%的N2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。

气化,气化指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。

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。

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%。

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。

气化总反应式：

污泥气化步骤可以概括为4个过程：

（1）干化，使残留水分蒸发；

（2）热裂解反应，细胞子或高分子在裂解后得到充分挥发（3）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1000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。

3.3.4.MFC,MFC（microbialfuelcell）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。

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。

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。

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。

采用MFC处理污泥，TCOD去除率可达40.8%9.0%，功率密度为13.2W/m31.7W/m3。

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，实现污泥的减量化和资源化，具有诱人的研究和应用前景。

但是，目前关于剩余污泥作为MFC燃料的研究刚刚起步，还存在一些不足之处：

MFC产生的电压与输出功率密度均较低，还不能在实际中广泛使用；剩余污泥作为MFC燃料，有机物利用率较低，污泥减量效果有待提高；耗时较长，一般需要20天以上；MFC制造成本偏高，如阴极催化剂和阴极以及膜材料等价格较贵。

3.4.污泥材料化技术,污泥经适当处理后,可以作为多种复合材料的原料。

如采用热塑复合法利用污泥制备出聚合微孔材料，污泥中的重金属经聚合物固化和表面处理后不会浸出。

此外,由于污泥热解的衍生物具有很好的吸附性,在650对污泥进行热解炭化处理2h,可获得比表面积为309m2g-1的优质吸附剂。

目前,以脱水污泥滤饼为原料制备高性能活性炭也是污泥材料化技术的主流研究方向之一。

3.5.污泥蛋白质利用技术,污泥含以蛋氨酸、胱氨酸、苏氨酸和缬氨酸为主的粗蛋白氨基酸28.7%40.9%，是一种潜在的畜禽饲料原料。

已有研究利用剩余污泥制备蛋白质泡沫灭火剂技术的可行性，并测试了所得泡沫灭火剂的特性，结果表明：

利用剩余污泥水解蛋白质液制备的泡沫灭火剂各项指标均达国家公共安全行业标准（GA219-1999）。

另一方面，作为一种微生物絮体，污泥中的微生物胞内、胞外酶及其他代谢产物含量非常高，从中可提取微生物絮凝剂，作为水处理工艺的替代化学絮凝药剂，不仅可以去除水体中悬浮物，还同时避免了二次污染，对后续水处理无不利影响。

参考文献：

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