污水污泥热解技术研究进展.pdf

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1、污水污泥热解技术研究进展 武伟男 ( 辽宁省固体废物管理中心，辽宁沈阳1 1 0 0 3 3 ) 摘要：分析了高温热解法、低温热解法及直接热化学液化法3 种最普遍的污泥热解处理方式，结果表明：污泥热解处理有 许多优点，不但可以减少污泥的体积，处理彻底。实现其无害化处置，还可以产生热值很高的气体、油类等产物，实现污水污泥的 资源化利用。提出了污泥热解技术的发展方向。 关键词：污水污泥；热解；资源化；热值 A b s t r a c t ：T h r e ec o m m o na p p r o a c h e st ot h e r m a ld e c o m p o s i t i o n

2、o fs l u d g e ，h i g h - t e m p e r a t u r ep y r o l y s i s , l o w - t e m p e r a t u r et h e r m o - - c h e m i c a l p y r o l y s i sa n dd i r e c tl i q u e f a c t i o nm e t h o dw e r ed i s c u s s e d T h es l u d g ep y r o l y t i ct r e a t m e n tt e c h n i q u eh a dm a n ya

3、 d v a n t a g e s , i tn o to n l yc o u l d r e d u c et h ev o l u m eo fs l u d g ef o rt r e a t i n gt h o r o u g h l ya n da c h i e v i n gh a r m l e s sd i s p o s a lb u ta l s oc o u l dp r o d u c eg a s , o i la n do t h e rp r o d u c t sw i t h h i g h c a l o r i f i c v a l u e f

4、o r a c h i e v i n g t h e r e s o u r c e u t i l i z a t i o n o f s e w a g e s l u d g e F i n a l l y , t h e d i r e c t i o n o f d e v e l o p i n g p y r o l y s i s t e c h n o l o g y w a s p r o p o s e d K e yw o r d s ：s e w a g es l u d g e ；p y r o l y s i s ；r e s o u r c e ；c a l

5、o r i f i cv a l u e 中图分类号：X 7 0 5文献标识码：A文章编号：1 6 7 4 1 0 2 1 ( 2 0 0 9 ) 1 2 - 0 0 5 0 4 ) 3 1 引言2 污泥热解技术研究现状 污水污泥的处理问题已经成为一个复杂的环境 问题，引起广泛的关注。在一些工业化国家，污水污 泥持续增加导致污泥处理成为一个重要问题。重金 属等污染物经过一系列处理工序后集中到了污泥当 中，因而，处理这些废物很复杂，也不可避免地会产 生二次污染。研究安全、高效、经济的污泥处理工 艺，实现污泥的减量化、无害化和资源化具有重要的 理论和现实意义 2J 。 当前，处理污水污泥最普遍的方

6、法是堆肥法、农 田利用法以及焚烧法，但它们无一例外都有自身的 缺点。堆肥法处理过程没有实现体积减量化，而且处 理、储存、缓冲区占地面积很大。为防止被有害的污 染物污染，土壤要被隔开，并且这种处理方法会浪费 掉污泥本身含有的大量能量 3 。污泥堆肥处理运行 费用较高，不适应于大型处理项目，而且没有大型处 理项目在成功运行的实例。过多地使用农田利用法， 将导致农田土壤中重金属的含量升高，病原体、难降 解有机物及N ，P 的流失也会对地表水和地下水造 成污染。焚烧法能够大幅度的减少污泥的体积，并能 利用其中的能量来提高热能利用率。然而，焚烧法处 理设施投资大，处理费用高，有机物焚烧会产生二嚼 英等剧

7、毒物质，防治费用很高。 收稿日期：2 0 0 9 1 l _ 0 5 ；修订日期：2 0 0 9 1 2 - 0 3 。 作者简介：武伟男，男，1 9 8 2 年生，主要从事固体废物管理工作。 目前，国内外学者对污泥制油开展了多方面的 研究，其中以低温热解法、高温热解法及直接热化学 液化法较为普遍。 2 1 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L 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

8、气污染和去 除污水处理过程中产生的气味【6 J 。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 物质具有较高的热值，可被用作燃料或化学原料。 传统的同定床和流化床热解污泥研究都是在 5 0 0 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 - s l 。而且，如果温度增大到7 0 0 油类中的多环芳烃( P A H s ) 的含量越大t g - 驯，甚至发 现了6 个环的多环芳烃。P A H s 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人生物、煤、 石油及

9、部分有机废物的高温分解领域。在原料微波 万方数据 吸收性能较差的情况下，很难直接达到高温热解时 所需求的温度。因此，需在原料中添加一定量微波吸 收性能较好的物质( 如炭和某些金属氧化物) ，以达 到高温热解所需的温度。微波污泥热解产生的油类 中P A H s 含量相对传统方法少得多，同时还含有较 多的甲苯、苯乙烯等，可以作为化学原料，目前微波 高温热解污泥已成为研究的热点之一。 2 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5 0 0 ) ，由于于馏和热分解作用 使污泥转化为油、反应水、不凝性气体( N N G ) 和炭4 种可燃性产物。反应过程见图l 。 反应

10、水不冷凝气体 圈I 低温热解制油反应过程示意 炭 低温热解法制油在德国和加拿大研究较多，其 中德国率先开始实验室研究反应过程，该技术首先 由B a y e r 等【心J 提出，证明了这种技术处理污泥的可行 性，为后面的研究奠定了很好的基础；C a m p b e l l 【1 3 j 评 价了该方法的经济性，比较了焚烧和低温热解的投 资费用，发现增设套干燥设备将使总投资增加1 5 或可由燃烧器的缩小抵偿，因此可得出低温热解的投 资不会高于焚烧的3 0 的结论。B r i d l e 等【l J 研究了该 过程的二次污染控制，研究表明在无氧环境下产生的 二次污染物与焚烧相比要少得多；F r o

11、s t 3 研究表明 产生的油类热值较高，有很好的市场应用前景。 我国学者何品晶 巧】和欧国荣等【1 6 也对该技术 进行了实验，谭铁鹏【“ 】对污泥油化的技术作了分析， 并对转化过程的机理做了探讨。所得油类的热值为 3 3M J k g ，为污泥干燥、反应器加热提供大部分热量。 研究人员普遍认为，污泥低温热解制油的反应温度 为4 0 0 5 0 0 ，维持0 5h 可获得最大的油品收率。 由于污泥产物油与石油提炼厂生产出来的石油低级 馏出液相似【埔】，可以制油的污泥低温热解技术已经 工业化，1 9 9 9 年8 月世界上第一套污泥低温热解制 油工业化装置在澳大利亚成功试运行 1 9 。 低温

12、热解制油有许多优点啪】：( 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6 7 可以以油的形式回收，炭和油的总收 率占8 0 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9 0 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S O ：，N O 。，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3 0 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 以 下，这

13、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 1 6 ( 能量输出比上能 量消耗) m 】。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。 2 3 污泥直接液化油化技术 污泥直接热化学液化技术的源头可以追溯到 1 9 1 3 年德国人E B e r g i U S 进行的高温高压( 4 0 0 - 4 5 0 。 2 0M P a ) 力I 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

14、是将经过机械脱 水的污泥( 含水率约为7 0 。8 0 ) ，在N ：环境下在 2 5 0 3 4 0o C 加压热水中，并以碳酸钠作为催化剂，污 泥中有近5 0 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3 3M J k g 的液体燃料，收率可达 5 0 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2 。 固体残渣废水 圈2 污泥直接液化基本流程 油 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

15、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3 。 二氯甲烷 溶于二氯甲烷的物质 _ J 二氯甲烷 产物卜叫葶取物H _ 叫既不溶于溶剂也不溶于水的物质H 干燥 L 叫鲨三查堡至鲨三堕型竺望垦 图3 直接液化法产物分离示意 固体残渣 液相 万方数据 条件对产率的影响。一般来讲，投加少量无水碳酸 钠作为催化剂可提高产率，投加质量分数5 左右 可得到最高产率。也有的实验研究1 表明，不投加 催化剂对产率无影响，分析认为所选的污泥成分 中可能含有碳酸钠等能起到催化作用的碱金属盐 和碱土金属盐类。大量催化剂的投加对产率影响 不大，但是可以使油水的分离过程变得容

16、易，且可 以增加有机物的可生物降解性。温度也是重要的 影响因素，加热至2 7 5 开始有重油产生，重油的 产率随着温度的增加而增加，在3 0 0 时产率达到 最大值，约为5 0 。液体燃料的热值为2 9 3 3M J k g 。 在2 7 5 以下反应收率随停留时间的增加而增加， 但达到3 0 0 时对反应收率几乎没有影响，停留时 间为6 0r a i n 时无论反应温度是多少，收率几乎是恒 定。但是停留时间越长分离相会越明砬。而且，温 度的升高或停留时间的延长也可增加水相中有机 物的可生物降解性 1 7 J 。压力对产率的影响还有待研 究，因为多数只研究了1 0M P a 左右一个很小的区

17、间。S I t o h 等【1 8J 在水修复研究协会的管理下于1 9 9 2 年对该技术的连续化生产作了相关的研究，建立了 一套日处理5 0 0 k g 的连续设备，在温度2 7 0 3 0 0o C 、 压力乱1 2M P a 、停留时间0 6 0r a i n 下连续操作超过 7 0 0h 没有出现任何问题，而且大约6 0t 含水率7 5 的污泥可得到1 5t 的超额重油。连续设备的运用不 仅在工艺上可以得到更大改进，在运行费用上也会 大大降低。 污泥直接液化的优点是采用的污泥只需进行机 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5 0 。但是这种技术的缺

18、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 一3 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。 3 结语 尽管各种污泥热解技术还存在着各种不足，但 是从处理效果和能源利用角度来看还是非常好的污 泥处置方式。今后对于各种污泥热解工艺还要重点 从安全方面进行研究，避免其产生的二次污染对环 境和人体健康造成影响。 1 G Q L n ，J C F ，h w ，e ta 1 S u r

19、 f a c eA r e aD e v e l o p m e n to f S e w a g eS l u d g e d u r i n gP y r o l y s i s 1 F u e l ，1 9 9 5 ，7 4 ：3 4 4 3 4 8 。 2 沈光范城市污水处理厂的污泥处理和处置 J 中国环保 产业，2 0 0 4 ( 4 ) ：1 0 1 2 3 R C F o m t ，A M B r u c e A h e m a t i v eU s e sf o rS e w a g eS l u d g e M o x f o r d ：P e r g a m o nP r

20、e s s ，1 9 9 1 ：3 2 3 - 3 4 1 4 1 “ r R B r i d l e S l u d g e D e r i v e dO i l ：W a s t e w a t e rT r e a t m e n t I m p l i c a t i o n J E n v i r o n T e c h n 0 1 L e t t ，1 9 8 2 ，3 ：1 5 1 - 1 5 6 5 R C K i s f l e r , F W i d m e r , P H B r u n n e r B e h a v i o r o f C h r o m i u m

21、， N i c k e l ，C o p p e r ，Z i n c ，C a d m i u m ，M e r c u r y ，a n dk a dd u r i n g t h eP y r o l y s i s0 fS e w a g eS l u d g e 【J E n v i r o n S e i T e c h n o i ， l9 8 7 。12 ( 7 ) ：7 0 4 7 0 8 6 P C c h i a n e ，J H Y o u ，J C a n U s eo fS e w a g eS l u d g ef o rM a n - u f a e t u r

22、 i n gA d s o r b e n t s J C h e m E n g ，1 9 8 7 ，6 5 ( 4 ) ：9 2 2 - 9 2 6 7 B a y e rB ，MK u t u b u d d i nM T e m p e r a t u r ec o n v e r s i o no fS l u d g e a n dw a s t et oo i l C P r o c e e d i n g so ft h ei n t e r n a t i o n a lR e c y c l i n g C o n g r e s s B e r l i n ：E F V

23、e r l a g 1 9 7 8 ：3 1 4 _ 3 1 8 【8J C a m p b e l lH W S e w a g eS l u d g eT r e a t m e n ta n dU s e ：N e wD e v e l o p m e n t 【Mj L o n d o n ：E l s e v i e rA p p l i e dS c i e n c e ，1 9 8 9 ： 2 8 l 一2 9 0 9J B r i d l eT R ，e t a l C o n t r o l0 fh e a v ym e t a l sa n do r g a n o c h

24、 l o r i n e sU S - - i n gt I I eo i lf r o ms e w a g ep r o c e s s 【J W a tS c iT e c h ，1 9 9 0 ，2 2 ( 1 2 ) ：2 4 9 2 5 8 1 0 何品晶，顾国维，邵立明，等污水污泥低温热解处理技术 研究 J 中国环境科学，1 9 9 6 ，1 6 ( 4 ) ：2 5 4 2 5 7 1 1 欧困荣，陈奇洲生活水污泥油化实验研究 j 环境污染 与防治，1 9 9 6 ，1 8 ( 4 ) ：2 0 - 2 1 1 2 谭铁鹏污水污泥处理的资源化技术分析 J 云南环境 科学，1 9

25、 9 7 ，4 ( 2 3 ) ：3 8 2 3 8 6 1 3 王琼，邹鹏污水污泥的热解处理 J 再生资源研究。 2 0 0 4 ( 4 ) ：3 8 4 1 1 4 张立峰，吕荣湖剩余活性污泥的热化学处理技术 J 化 工环保，2 0 0 3 ，2 3 ( 3 ) ：1 4 “1 4 9 1 5j J A M e n e n d e z ，A D o m l n g u e z ，M I n g u a n z o , e ta i M i - c r o w a v e - i n d u c e dD r y i n gP y r o l y s i sa n dG a s i f i

26、c a t i o n ( M W D P G ) o fS e w a g eS l u d g e ：V i t r i f i c a t i o no fT h eS o l i dR e s i d u e J J A n a l A p p l P y r o l y s i s ，2 0 0 5 ，7 4 ：4 0 6 - 4 1 2 16 S h i n - y aY o k o y a m a , A k i r aS u z u k i , e t a LL i q u i dF u e lP r o d u c t i o n f r o mS e w a g eS l

27、u d g eb yC a t a l y t i cC o n v e r s i o nU s i n gS o d i u m C a r b o n a t e 【JJ J a p a n ：F U E L1 9 8 7 ( 6 6 ) ：1 1 5 0 1 1 5 5 17J S h i n - y aY o k o y a m a , A k i r aS u z u k i O i lP r o d u c t i o nf r o mS e w a g e S l u d g eb yD i r e c tT h e r m o e h e m i c a lL i q u e

28、 f a c t i o n J T r e n d s i nP h y s i c a lC h e m i s t r y ( 1 ) ：1 5 7 - 1 6 6 1 8J I t o hS ，S u z u k iA ，e t a l D i r e c tT h e r m o c h e m i e a lL i q u e f a c t i o no f S e w a g eS l u d g eb yaC o n t i n u o u sP l a n t J W a tS C iT e c h ，1 9 9 2 ( 2 6 ) ：1 1 7 5 1 1 8 4 万方数

29、据 污水污泥热解技术研究进展污水污泥热解技术研究进展 作者：武伟男 作者单位：辽宁省固体废物管理中心,辽宁沈阳,110033 刊名： 环境保护与循环经济 英文刊名：LIAONING URBAN AND RURAL ENVIRONMENTAL SCIENCE J.C.F,Low Surface Area Development of Sewage Sludge during Pyrolysis 1995 2.沈光范 城市污水处理厂的污泥处理和处置 2004(04) 3.R.C.Forst;A.M.Bruce Alternative Uses for Sewage Sludge 1991 4.T.

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31、7.Bayer B,M;Kutubuddin M Temperature conversion of Sludge and waste to oil 1978 8.Campbell HW Sewage Sludge Treatment and Use:New Development 1989 9.Bridle TR Control of heavy metals and organochlorines using the oil from sewage process 1990(12) 10.何品晶;顾国维;邵立明 污水污泥低温热解处理技术研究 1996(04) 11.欧国荣;陈奇洲 生活水污

32、泥油化实验研究 1996(04) 12.谭铁鹏 污水污泥处理的资源化技术分析 1997(23) 13.王琼;邹鹏 污水污泥的热解处理期刊论文-再生资源研究 2004(04) 14.张立峰;吕荣湖 剩余活性污泥的热化学处理技术期刊论文-化工环保 2003(03) 15.J.A.Mene ndez;A.Doml nguez;M.Inguanzo Microwave-induced Drying,Pyrolysis and Gasification(MWDPG)of Sewage Sludge:Vitrification of The Solid Residue 2005 16.Shin-ya Yo

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34、ontinuous Plant 1992(26) 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条) 1. 翟云波.魏先勋.曾光明.张德见.楚凯锋 氮气气氛下城市污水厂污泥热解特性期刊论文-现代化工2004,24(2) 2. 魏立安.涂丽丽.高标.WEI Li-an.TU Li-li.GAO Biao 城市污水处理厂污泥热解机理期刊论文-南昌航空大学 学报（自然科学版）2007,21(4) 3. 丁兆军.舒新前.白广彬 城市污水厂污泥热解制氢的实验研究会议论文-2006 4. 李宁.舒新前.丁兆军.白广彬.李钢.冯剑 市政污泥热解制备富氢燃料气的研究会议论文-2006 5. 李海英.张书廷.赵新华.Li Haiying.Zhang Shuting.Zhao Xinhua 城市污水污泥热解温度对产物分布的影响期 刊论文-太阳能学报2006,27(8)