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摘要通过对污泥处理和资源化技术进行分析,以及对当今污泥能源化的各种手段进的对比,提出利用污泥生物质进行油化新技术的相关原理。以此为基础,依据相关生化、化工理论和研究成果,对污泥进行选择、后处理、脱水、萃取、催化油化,从而最大化将污水处理中的污泥能源化,使之产生经济和环保效益。
关键词污泥能源化;污泥生物质;催化油化
中图分类号X703文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)061-0125-01
1概述
近年来,污水处理工程的大量建设运行,污水处理中污泥处置的问题日益突出。传统污泥处理技术如填埋、焚烧等不但处理成本高(甚至可达总处理费用的50%)而且大大浪费能源并造成一定程度的二次污染。
为解决这一问题大量相关研究集中在污泥的资源化方向。近年来,污泥的资源化技术的研究已取得了一定的成果,产生诸如:污泥消化气发电、污泥制肥技术、污泥制陶技术以及污泥制活性炭技术等等。与此同时,随着生技术的发展,越来越多的研究将重点置于污泥潜能的开发,使污泥处理技术与生物能源技术相交叉,形成诸如:污泥生物制氢、污泥油化技术等等。这些技术的开发大大促进了污泥处理水平的提高,并为城市区域的节能减排、环境保护做出了重要的贡献。
2污泥能源化技术概论
污泥能源化技术的实质是对污水污泥中有机质进行产能的技术,由于污泥中有机物含量很高一般生活污水剩余污泥中有机质成分可达70-85%,因此在生化反应作用下可以转换为相关的生物质能。但是,由于污泥的种类、成分以及运行条件的差别,对于污泥能源化的应用也存在着很多技术分类,现将各种污泥能源化技术归类如下:
2.1污泥消化气发电
污水污泥消化气发电技术采用较早,技术日趋成熟,它是将污水污泥经厌氧发酵消化后,利用所产生的含有甲烷气的消化气体作为燃料供发电机使用。由于污水中的污泥在消化阶段会产生大量的沼气,因此在我国很多污水处理厂都积极的应用消化气,但是由于规模限制,很多消化气仅仅用于沼气锅炉供厂区内部使用,很多沼气甚至于直接燃烧,因此其对于大型污水处理厂还是具有一定的发展潜力。
但是,沼气发电技术也存在着诸多的问题:如沼气在发酵产生过程中,可能产生某些杂质气体,如H2S等。这不仅对人的身体健康有很大的危害,对管道、表及设备还具有很强的腐蚀性,并造成二次污染。同时,虽然发酵过程中产生大量的消化气,但相对于全部污泥有机质的量,其能量利用效率并不高,且剩余大量污泥仍需进一步的处理。因此,其就能量利用效率和污泥处理效率都有不足。
2.2污泥产氢技术
由于氢能是最理想的清洁能源,具有资源丰富、燃烧热值高、清洁无污染、适用范围广等特点。使其具有高效性和环境友好性,并将成为未来理想的能源利用形式。利用污泥来制取氢,不仅可以解决污泥的环境污染问题,还可以产生氢气,缓解能源危机。先阶段污泥制氢技术主要有:污泥生物制氢,污泥高温气化制氢,以及污泥超临界水气化制氢。
虽然污泥产氢技术具有广泛的前景但仅处于理论研究阶段,未来在工程实践中具有极高的风险和不确定性,因此其发展仍较为缓慢。
2.3污泥油化技术
污泥油化处理技术属热化学反应,即在高温、高压、催化剂等条件下,污泥中的高分子物质通过加水分解、缩合、脱氢、环化等一系列反应变为低分子油状物质的过程。污泥油化技术主要包括低温热解法和直接热化学液化法。
低温热解法即在300～500℃、常压(或高压)和缺氧条件下,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变成碳氢化合物,最终产物为油、碳、非冷凝气体和反应水。欧国荣、何品晶等对生活污泥进行了油化实验,通过实验表明污泥低温热解的适宜反应温度为270℃,停留时间为30min;脱水泥饼含水率是低温热解能量平衡的主要影响因素,过程能量平衡转折点的含水率是78%;污泥低温热解处理的总成本低于直接焚烧法。
直接热化学液化法法是将经过机械脱水的污泥(含水率约为70%～80%),在含有N2、温度为250～340℃环境下加压热水,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。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),同时产生大量非凝性气体和固体残渣。
笔者认为,随着能源技术的不断发展,污泥油化技术所具有的应用性强、能量利用效率高等优点将使其获得更广泛的重视。
3活性污泥油化分析与技术方案探讨
由上文分析,污泥油化技术具有良好的工业化前景,但无论直接液化法还是低温热解法其应用过程中还存在着不少的问题,如:污泥油化中的脱水问题,压力问题,回收率问题以及工程应用中诸如低温热解制油技术需要保证反应器中的温度尽量得低,才能减少蒸气中金属的排放。以及热化学液化法是在反应过程中会产生大量的难闻气体等问题。
事实上,无论任何污泥能源化技术都存在着能量输入与输出的净值问题,由于污泥本身含有大量的水,使得其在能源化过程中也消耗大量能量,二者之和往往为负值即没有经济价值。首先,在污泥选择上,由于污水厂污泥包括初沉污泥、剩余活性污泥以及腐殖污泥等等,根据实验表明剩余污泥的微生物含量以及有机质含量较高,尤其是发生污泥膨胀的活性污泥。因此如需进行污泥油化需选用污水处理厂高活性剩余污泥,特别是含油脂量高的污泥。
而后,由于高活性剩余污泥本身雖有机质含量高,但其含水率高,且污泥稳定性差,因此需必要的脱水和稳定。传统的以二级消化为主的污泥处理工艺具有较好的稳定和脱水性,但在其中间环节中部分能量以沼气形式输出降低了能量利用效率,同时所加的絮凝剂也不利于污泥油化的整体过程,且污泥的整体脱水率低。为解决这一方法,在传统污泥处理工艺中可采用好氧消化技术,同时在后需稳定化过程中尽量控制其产气,并选用生物絮凝剂进行辅助脱水。
由于脱水后污泥含水率依然超过90%,而为保证污泥油化顺利进行能量平衡转折点的含水率是78%,因此必须保证有效脱水,本方案拟采用化学萃取法,由于污泥本身具有亲脂性,在投加适当的药剂后利用油类物质进行萃取,这样相当与将有机质从水中洗出,从而保证其后续油化。同时为降低油中含水量可加入破乳剂并利用微波技术促进油水分离提高产油脱水率。
最后采用化学液化或低温裂解技术将其油化,并将萃取油和油化的生物质油共同进入化工生产线,对其进行催化整合最终形成生物燃料。该工艺利用现有技术其核心是采用萃取法最大程度上将污泥有可能源化的生物质保留。同时保证油化过程工程化操作,并可与化工工艺相结合。
4结论
本文在以相关污泥能源化技术的基础上,说明了利用污泥油化技术的优势和方法,并提出污泥油化过程中的缺点与不足。以此为基础,提出一种优化的工艺方案,即选择高活性的活性污泥;利用好氧消化和低产气控制技术使污泥稳定;并采用生物絮凝剂辅助脱水;而后采用萃取的方法将污泥生物质与油融合;最后利用化学液化或低温裂解技术并通过化工手段将其油化。该工艺的提出为后需研究提供了一个新的可行方案,未来还需大量的实验支持。
关键词污泥能源化;污泥生物质;催化油化
中图分类号X703文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)061-0125-01
1概述
近年来,污水处理工程的大量建设运行,污水处理中污泥处置的问题日益突出。传统污泥处理技术如填埋、焚烧等不但处理成本高(甚至可达总处理费用的50%)而且大大浪费能源并造成一定程度的二次污染。
为解决这一问题大量相关研究集中在污泥的资源化方向。近年来,污泥的资源化技术的研究已取得了一定的成果,产生诸如:污泥消化气发电、污泥制肥技术、污泥制陶技术以及污泥制活性炭技术等等。与此同时,随着生技术的发展,越来越多的研究将重点置于污泥潜能的开发,使污泥处理技术与生物能源技术相交叉,形成诸如:污泥生物制氢、污泥油化技术等等。这些技术的开发大大促进了污泥处理水平的提高,并为城市区域的节能减排、环境保护做出了重要的贡献。
2污泥能源化技术概论
污泥能源化技术的实质是对污水污泥中有机质进行产能的技术,由于污泥中有机物含量很高一般生活污水剩余污泥中有机质成分可达70-85%,因此在生化反应作用下可以转换为相关的生物质能。但是,由于污泥的种类、成分以及运行条件的差别,对于污泥能源化的应用也存在着很多技术分类,现将各种污泥能源化技术归类如下:
2.1污泥消化气发电
污水污泥消化气发电技术采用较早,技术日趋成熟,它是将污水污泥经厌氧发酵消化后,利用所产生的含有甲烷气的消化气体作为燃料供发电机使用。由于污水中的污泥在消化阶段会产生大量的沼气,因此在我国很多污水处理厂都积极的应用消化气,但是由于规模限制,很多消化气仅仅用于沼气锅炉供厂区内部使用,很多沼气甚至于直接燃烧,因此其对于大型污水处理厂还是具有一定的发展潜力。
但是,沼气发电技术也存在着诸多的问题:如沼气在发酵产生过程中,可能产生某些杂质气体,如H2S等。这不仅对人的身体健康有很大的危害,对管道、表及设备还具有很强的腐蚀性,并造成二次污染。同时,虽然发酵过程中产生大量的消化气,但相对于全部污泥有机质的量,其能量利用效率并不高,且剩余大量污泥仍需进一步的处理。因此,其就能量利用效率和污泥处理效率都有不足。
2.2污泥产氢技术
由于氢能是最理想的清洁能源,具有资源丰富、燃烧热值高、清洁无污染、适用范围广等特点。使其具有高效性和环境友好性,并将成为未来理想的能源利用形式。利用污泥来制取氢,不仅可以解决污泥的环境污染问题,还可以产生氢气,缓解能源危机。先阶段污泥制氢技术主要有:污泥生物制氢,污泥高温气化制氢,以及污泥超临界水气化制氢。
虽然污泥产氢技术具有广泛的前景但仅处于理论研究阶段,未来在工程实践中具有极高的风险和不确定性,因此其发展仍较为缓慢。
2.3污泥油化技术
污泥油化处理技术属热化学反应,即在高温、高压、催化剂等条件下,污泥中的高分子物质通过加水分解、缩合、脱氢、环化等一系列反应变为低分子油状物质的过程。污泥油化技术主要包括低温热解法和直接热化学液化法。
低温热解法即在300～500℃、常压(或高压)和缺氧条件下,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变成碳氢化合物,最终产物为油、碳、非冷凝气体和反应水。欧国荣、何品晶等对生活污泥进行了油化实验,通过实验表明污泥低温热解的适宜反应温度为270℃,停留时间为30min;脱水泥饼含水率是低温热解能量平衡的主要影响因素,过程能量平衡转折点的含水率是78%;污泥低温热解处理的总成本低于直接焚烧法。
直接热化学液化法法是将经过机械脱水的污泥(含水率约为70%～80%),在含有N2、温度为250～340℃环境下加压热水,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。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),同时产生大量非凝性气体和固体残渣。
笔者认为,随着能源技术的不断发展,污泥油化技术所具有的应用性强、能量利用效率高等优点将使其获得更广泛的重视。
3活性污泥油化分析与技术方案探讨
由上文分析,污泥油化技术具有良好的工业化前景,但无论直接液化法还是低温热解法其应用过程中还存在着不少的问题,如:污泥油化中的脱水问题,压力问题,回收率问题以及工程应用中诸如低温热解制油技术需要保证反应器中的温度尽量得低,才能减少蒸气中金属的排放。以及热化学液化法是在反应过程中会产生大量的难闻气体等问题。
事实上,无论任何污泥能源化技术都存在着能量输入与输出的净值问题,由于污泥本身含有大量的水,使得其在能源化过程中也消耗大量能量,二者之和往往为负值即没有经济价值。首先,在污泥选择上,由于污水厂污泥包括初沉污泥、剩余活性污泥以及腐殖污泥等等,根据实验表明剩余污泥的微生物含量以及有机质含量较高,尤其是发生污泥膨胀的活性污泥。因此如需进行污泥油化需选用污水处理厂高活性剩余污泥,特别是含油脂量高的污泥。
而后,由于高活性剩余污泥本身雖有机质含量高,但其含水率高,且污泥稳定性差,因此需必要的脱水和稳定。传统的以二级消化为主的污泥处理工艺具有较好的稳定和脱水性,但在其中间环节中部分能量以沼气形式输出降低了能量利用效率,同时所加的絮凝剂也不利于污泥油化的整体过程,且污泥的整体脱水率低。为解决这一方法,在传统污泥处理工艺中可采用好氧消化技术,同时在后需稳定化过程中尽量控制其产气,并选用生物絮凝剂进行辅助脱水。
由于脱水后污泥含水率依然超过90%,而为保证污泥油化顺利进行能量平衡转折点的含水率是78%,因此必须保证有效脱水,本方案拟采用化学萃取法,由于污泥本身具有亲脂性,在投加适当的药剂后利用油类物质进行萃取,这样相当与将有机质从水中洗出,从而保证其后续油化。同时为降低油中含水量可加入破乳剂并利用微波技术促进油水分离提高产油脱水率。
最后采用化学液化或低温裂解技术将其油化,并将萃取油和油化的生物质油共同进入化工生产线,对其进行催化整合最终形成生物燃料。该工艺利用现有技术其核心是采用萃取法最大程度上将污泥有可能源化的生物质保留。同时保证油化过程工程化操作,并可与化工工艺相结合。
4结论
本文在以相关污泥能源化技术的基础上,说明了利用污泥油化技术的优势和方法,并提出污泥油化过程中的缺点与不足。以此为基础,提出一种优化的工艺方案,即选择高活性的活性污泥;利用好氧消化和低产气控制技术使污泥稳定;并采用生物絮凝剂辅助脱水;而后采用萃取的方法将污泥生物质与油融合;最后利用化学液化或低温裂解技术并通过化工手段将其油化。该工艺的提出为后需研究提供了一个新的可行方案,未来还需大量的实验支持。