1、1污泥处理处置与资源化前沿技术发展现状摘要：近年来，各国纷纷将污泥处理处置目标转向了资源和能源化利用，在保证污泥无害化的前提下，实现污泥最大程度的利用已经成为了国际污泥处理处置领域发展的趋势。因此，土地利用、厌氧消化及好氧发酵等技术等传统的主流技术受到了大力追捧。同时，污泥热解制油、生产活性炭、研制动物饲料等前沿技术作为可以将污泥资源化的典型技术自然也受到了各国的青睐。本文系统分析了国内外污泥处理处置与资源化前沿技术研究及应用进展，并结合我国国情对污泥处理处置与资源化前沿技术发展趋势进行了展望。 关键词：污泥，前沿技术，资源化，发展趋势 The Present Situation and Te
2、ndency of Sludge Front Treatment Technology WeiZhen Shen (Beijing Machinery and Electricity Institute, Hi-tech Co.Ltd., Beijing 100027,China) The main development direction for the sludge treatment is tending to disposal of resources and energy utilization in the world in recent years. Therefore, su
3、ch as anaerobic digestion and aerobic fermentation technology and other traditional mainstream technology has been vigorously sought. Meanwhile, 2the techniques of sludge pyrolysis to produce oil fuel and sorbents, and composting to be used in soil are studyed. The paper puts forward that the presen
4、t situation and tendency of sludge front treatment technology of domestic and overseas, and discussed its developing trend. 中图分类号：TU992 文献标识码： A 经过几十年的发展，欧美、日本等发达国家已出台了较完善的污泥处理处置与资源化政策法规及标准规范，相关技术和设备也趋于成熟，以在污泥无害化处理处置的基础上实现最大程度的资源化再利用作为总体思路和技术路线，逐步形成了以污泥厌氧消化、好氧发酵、干化、焚烧、土地利用为主流技术，并不断研发污泥制油、生产活性炭、研制动物饲
5、料等前沿技术的污泥处理处置市场。 虽然近年来我国污泥领域发展较快，各项技术和专用设备有了较大进展，主流技术、前沿技术同步发展的污泥处理处置市场也正在形成。但与发达国家相比，我国污泥处理处置率仍然低下，技术和设备水平仍然落后，污泥处理处置总体思路和技术路线也不够明晰，相关的法律法规及标准规范不够完善，总之我国污泥处理处置市场还有很长的一段路要走。由于国情不同，各国采用处理方式和技术也各不相同，本文对国内外目前前沿技术发展现状进行综述。 1、国内外污泥处理处置与资源化前沿技术进展 1.1 污泥制油能源利用技术 污泥中的有机质可以转化为燃油，能有效控制重金属的排放，可回3收利用易储藏的液体燃油，可获
6、得较高的油品收率，提供 700 kWh/t 的净能量，破坏有机氯化物的生成，具有污泥处理与能源利用的双重性质。污泥制油技术分为两种方法：污泥热解制油技术和污泥直接热化学液化法。 1.1.1 污泥热解制油技术 污泥热解制油是利用污泥中有机物的热不稳定性，在常压（或高压）和缺氧的条件下加热污泥至高温，借助污泥中所含的硅酸铝和重金属（尤其是铜）的催化作用将污泥中的脂类和蛋白质转化成碳氢化合物，由于干馏和热分解作用使污泥最终转化为价值较高的燃料油、反应水、不凝性气体（NNG）和炭。 热解生成的油收率与污泥中的有机物含量直接相关，通常生污泥最高（占 44%） ，其次为剩余污泥（35%） ，消化污泥最低（
7、25%） 。发热量可达到 2942.1 MJ/kg，与石油提炼厂生产出来的石油低级馏出液相似，可以直接用于柴油机车和发电。但热解油黏度高、气味差。热解油的大部分脂肪酸可转化为酯类，酯化后其黏度低约 4 倍，热值可提高 9%，气味得到很大改善。不凝气热值 29MJ/kg，污泥炭热值约 10MJ/kg，热解前的污泥干燥、反应器加热可利用产品中低级燃料（燃料气、炭）的燃烧来提供能量，实现能源循环。污泥热解制油过程如图 1。 污泥热解制油过程示意图 4污泥热解工艺最初是 Bayer 等人在 1978 年提出， 1986 年，澳大利亚的 Perth 和 Sydney 两个城市建起污泥热解制油的第二代试验
8、厂，为大规模污泥低温生物油化技术的进一步开发提供了大量的数据和实践经验。1999 年 8 月，世界上第一套污泥低温热解制油工业化工艺装置Enersludge 在澳大利亚成功试运行，处理规模（按干污泥计）为25t/d，每吨污泥可产出 200300L 与柴油类似的燃料及约半吨的烧结炭，并申请为专利。 1.1.2 污泥直接热化学液化制油技术 鉴于污泥低温热解制油需要对脱水污泥进行干燥而耗能巨大，因此英、美、日对污泥直接热化学液化法研究较多。污泥直接热化学液化制油是将经过机械脱水的污泥（含水率约 70%80%） ，在 250340、515MPa 条件下，并以碳酸钠作为催化剂，污泥中有近 50%的有机物
9、能通过加水分解、缩合、脱氢、环化等一系列反应转化为油状物，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。基本工艺流程图如图 2 所示。 污泥直接热化学液化制油技术的设备可分为间歇式反应装置和连续式反应装置两类。间歇式反应中，污泥脱水至含水率 70%80%即可满足相关反应要求，向高压釜中加入液化催化剂 Na2CO3 后，高压釜经过排气后冲入氮气至所需压力，随后升温。随着温度的增加，工作压力随之增加。然后通过压力调节阀释放高压来
10、使工作压力保持恒定，反应产生气体被5气体储罐收集。连续设备的运用不仅在工艺上可以得到更大的改进，在运行费用上也会大大降低，推进该技术的应用。 目前直接热化学法处理污泥的典型工艺包括：美国 PERC 工艺，LBL工艺，日本资源环境技术综合研究所的液化工艺，荷兰 Shell 公司的 HTU 工艺等。 根据国外的经验，目前的投资成本与运行维护成本均比较高，同时，涉及的操作条件比较复杂，需要考虑诸多的因素如反应温度、反应时间、触媒种类、触媒添加量、反应压力等。此外，油化处理效率也与污泥种类性质等有关。 污泥直接热化学液化制油的基本流程图 1.2 污泥建材利用技术 污泥建材利用主要包括利用污泥及其焚烧产
11、物制砖、轻质陶粒、生态水泥、制纤维板、熔融微晶玻璃等。 总的来说，污泥的多项建材利用技术已经成熟，应用前景良好。其中，建筑砖块、轻质材料以及水泥材料等技术，已经在日本、德国等国家开始进行规模化生产应用或者在计划大规模生产再利用。其中日本在这方面走在了前面，已经有许多成功运行的工程实例，据统计到 2002 年末，日本污泥有效利用率高达 63%，其中建材利用的比例为 40%。在我国，污泥用于建材资源化利用是一种有效的污泥减量化及资源化手段，在北6京、重庆及上海等地均进行过相应的生产性研究。总的来说，大多还处于研究及尝试的阶段。 1.2.1 污泥制砖 脱水污泥主要由 Fe2O3、Al2O3、SiO2
12、、CaO、MgO 等粘土矿物质成分组成，其性质近似粘土，具有可塑性、烧结性、耐热性和吸附性，并且污泥中含有大量灰分和铝盐或铁盐等混凝剂成分，可以作为建筑材料中的添加剂，为其制砖创造条件。比较常见的污泥制砖技术主要有两种： 污泥焚烧灰制砖 该方法是将污泥焚烧灰添加适量辅料（如粘土、粉煤灰、煤矸石等）成型烧结制砖。污泥焚烧灰中的 SiO2 含量较低，因此在利用污泥焚烧灰制砖时，需添加适量的黏土与硅砂，从而提高 SiO2 含量。一般较为适宜的质量配比为焚烧灰：黏土：硅砂=1:1:（0.30.4） 。污泥焚烧灰制造流程如下图 3. 干化污泥直接制砖 该法是直接将干燥的城市污泥破碎后与粘土等辅料成型烧结
13、制砖，同时可以利用污泥中潜在热值。干化污泥用于直接制砖时，应对污泥中的成分进行适当的调节，使其成分与制砖黏土的化学成分相当。当污泥与黏土按质量比 1:10 配料时，污泥砖可以达到普通红砖的强度。此污泥砖的制造方式受坯体中有机挥发分含量的限制，当有机挥发物达到一定限度会导致烧结开裂，从而影响砖块的质量，污泥掺加比例较低。因此，从黏土砖限制要求来看，生污泥较难成为一种适宜的污泥建材方法。干化污泥制砖工艺流程图见图 4。 7污泥焚烧灰制砖工艺流程 污泥干化后制砖工艺流程 污泥的掺量比例、成型压力和焚烧温度是决定砖抗压强度、吸水率、热导率、抗折强度等性能的关键性因素。当污泥掺量为 0200 g/ kg
14、 时，随着污泥掺量的增加，污泥砖的抗压强度明显降低，吸水率随之增大。成型砖坯密实度下降，在焙烧过程，污泥中重金属熔融固化，有机物挥发，所形成的气孔和孔洞降低了砖体抗压强度及。当污泥掺量低于 100 g/ kg 时，污泥砖性能符合国家烧结普通砖 标准( GB 5101- 2003) 要求。当成型压力为 2060 MPa 时， 随成型压力的增大，污泥砖的抗压强度逐渐升高，吸水率逐渐减小。当烧结温度为 9001100时，随着温度的升高，污泥砖的抗压强度逐渐增强，吸水率逐渐降低，当烧结温度高于 1050时，砖的抗压强度和均已达到了标准要求。当保温时间超过1.5 h 时，随着保温时间的延长，污泥砖的降低
15、，吸水率也相应增大。 美国、英国等发达国家都在该领域进行了较多的研究，对污泥制砖工艺、污泥制砖的影响因素、污泥砖块产品的性质等方面取得阶段性研究成果。其中，日本的污泥焚烧灰制砖技术，走在世界前列，受到越来8越多的重视。目前已经有 8 座完整规模的厂用 100%的污泥焚烧灰制砖。制成的砖块被广泛用于公共设施。德国对于污水污泥的建材利用才刚刚起步，没有任何长期工业上的实践，正借鉴日本的经验，并与日本开展合作研究项目。 在我国，有关利用污泥焚烧灰制砖的报道很少，而利用干污泥直接制砖却有较多的文献说明。如中石化胜利油田规划设计研究院、同济大学环境科学与工程学院、南京制革厂等研究机构、高等院校和国内企业
16、对干污泥直接制砖进行了试验研究，但缺乏实际的工程应用，所以在今后的研究中还要结合经济效益进行投资、收益的估算并大胆借鉴国外经验，开发污泥前处理及混合焙烧等成套工艺及配套设备，才能将污泥的制砖利用付诸实际。 1.2.2 污泥制陶粒 污泥陶粒是污泥经加工制粒或粉磨成球后烧胀而成的一种人造轻陶粒，具有轻质高强、保温隔热、耐久性好、抗震性好等优点。污泥制陶粒主要工艺流程如下图 5。 污泥陶粒生产工艺流程图 湿污泥与预先干化好的干污泥一起进入污泥混合机，经混合、均匀化后形成颗粒，完成均化过程后，送至干化器进行干燥。污泥干化器主要分为直接加热和间接加热。为了防止污泥在干化过程中结成大块，一9般采用旋转干化
17、器。干化器的热风进口温度为 800850，排气温度为200250。污泥经干燥后从含水率 80%左右下降到 5%左右。干化器的排气进入脱臭炉，炉温控制在 650左右，使排气中的恶臭成分全部分解，以防产生二次污染。部分燃耗是在理论空气比约 0.25 以下燃烧，使污泥中的有机成分降解，大部分成为气体排出，另一部分以固定碳的形式残留。部分燃烧炉内的温度控制在 700750。燃烧的排气中含有许多未燃成分，送至排气燃烧炉再次燃烧，产生的热风可作为污泥干化的热源。部分燃烧后的污泥中的固定碳为 10%20%，热值为 12567536kJ/kg。烧结是制陶粒的最后一道工序，烧结陶粒的强度和相对密度与烧结温度以及
18、产品中残留碳含量有关。残留碳的含量与陶粒的强度成反比，残留碳的含量越多，强度越低。烧结温度在 10001100之间为宜，超出此温度范围陶粒强度会降低。陶粒的相对密度随烧结温度升高而减少，在上述温度范围内，其相对密度为 1.61.9，烧结时间一般为 23min。 欧美、日本等发达国家对利用各类污泥制陶瓷产品的可行性做了研究，并对制成的样品进行了吸水率、多孔性、线性收缩和横向断裂强度等物理性能和浸出液的测试。我国多个企事业机构都对污泥制备陶粒技术进行了研究，比如同济大学的研究人员对苏州河底泥为主要原料烧制陶粒的工艺参数进行了分析，以及广州华穗轻质陶粒制品厂采用城市污水处理厂污泥替代河道淤泥或部分粘
19、土烧制轻质陶粒，并获得成功。 1.2.3 污泥制水泥 污泥的化学特性与水泥生产所用的原料基本相似，垃圾焚烧灰的化学成分中一般有 80%以上的矿物质是水泥熟料的基本成分。因此利用水泥10回转窑处理污泥来制造水泥，不仅具有焚烧法的减容减量化特征，且燃烧后的残渣成为水泥熟料的一部分，不需要对焚烧灰进行填埋处置，是一种两全其美的生产途径。利用污泥做生产水泥的原料有三种方式：一是直接用脱水污泥；二是干化污泥；三是污泥焚烧灰。不管是采用哪种方式，关键是污泥中所含的无机成分必须符合生产水泥的要求。除 CaO含量较低、SiO2 含量较高外，污泥焚烧灰的其它成分含量与硅酸盐水泥含量相当，因此，污泥焚烧灰加入一定
20、量的石灰或石灰石，经煅烧即可制成硅酸盐水泥。污泥水泥性质与污泥的比例、煅烧温度、煅烧时间和养护条件相关。与普通硅酸盐水泥相比，在颗粒度、相对密度、波索来反应性能等方面基本相似，而在稳固性、膨胀密度、固化时间方面较好。世界上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，拥有成熟的经验。1996 年 4 月瑞士的 HCBRekingen 水泥厂成为世界上第一家具有利用废料的环境管理系统的水泥厂，并得到 ISO14001 国际标准的认证。在欧洲水泥生产者联合会所属的水泥厂中每年焚烧处理100 万 t 有害废物。日本 40 多家水泥企业，其中 50%以上工厂均处理各种废弃物。虽然我国同济大学、上海水泥厂等也做了利用污泥代替粘土生产水泥的尝试，但总体来说，利用垃圾焚烧灰、市政污泥等废弃物来生产水泥尚属起步阶段。 1.2.4 污泥制纤维板 污泥中含有大量有机成分，利用其中的粗蛋白与球蛋白（酶）能溶解于水及烯酸、稀碱、中性盐水溶液的性质，在碱性条件下加热、加压
