污泥是城市污水处理厂工作产生的废物，随着我国城市化进程的加快,我国对污水处理的标准越来越高，污水处理率也在不断提高，湿污泥产量也随之急剧增加 ，对环境造成了不小的压力，处理起来也费时费力。为减少体积、降低运输成本及便于后续处理,一般都会采用真空过滤法、压滤法 、离心法和压带法对污泥进行机械脱水。然而处理后的湿污泥含水率仍高达 70% ～ 80%, 这部分水分只能通过热干燥的方式去除, 而正是该过程增加了污泥处理处置的成本 .热解法作为城市污水污泥焚烧处理的替代技术 ,因其经济性好 、二次污染小、热解产物利用价值高等优点受到了广泛关注。

湿污泥的产生

随着我国城市化进程的加快, 污水处理率逐年提高,污泥产量也随之急剧增加,一般而言,污水处理流程中产生的污泥通常含有 95%的水分, 为减少体积、降低运输成本及便于后续处理,一般都会采用真空过滤法、压滤法 、离心法和压带法对污泥进行机械脱水 .然而处理后的脱水污泥含水率仍高达 70% ～ 80%, 这部分水分只能通过热干燥的方式去除, 而正是该过程增加了污泥处理处置的成本 .热解法作为城市污水污泥焚烧处理的替代技术,因其经济性好、二次污染小、热解产物利用价值高等优点受到了广泛关注.同时, 我国城市污泥中有机物含量和热值日渐增高,也使其具备了热处理的潜力.目前,通过对干污泥及其他生物质进行中高温热解来回收能源的工艺已成为国外研究如何处置固体废弃物的重点, 而国内在该领域的研究仍处于起步阶段, 尤其是针对含水率高达80%左右的脱水污泥进行高温热解的研究还鲜见报道。

湿污泥处置现状

通常把污水厂污泥的稳定和脱水 ( 一般脱水至含水率达70% ～80% )称作湿污泥的处理;将湿污泥的堆肥、填埋、干化和焚烧及最终利用，称为湿污泥的处置。湿污泥填埋是我国目前使用最多的方法，但是必须占用大量土地资源，并且往往伴随着不良气味的散发，如果处理不当还可能污染地下水、传播传染病等;土地利用例如堆肥法是污泥资源化的好途径，问题在于如何降低重金属含量和提高堆肥肥力以维持市场化运作; 焚烧法是有效地对污泥进行减容和无害化处理的方法之一，但也存在着一定的弊端，例如焚烧厂的基建投资和运行费用相当高，控制运行不当将有不完全燃烧产物和有害气体产生，对大气造成二次污染，焚烧后的炉渣还要填埋或处理，也可能对环境产生二次污染 。

湿污泥制取燃气影响因素

加热模式对热解产物的影响

将含水率84%的污泥原样分别在两种加热模式下进行热解:①室温作为起始温度,在10℃·min的升温速率下加热至1000℃,并保温30min;②当炉温升至500℃时,将污泥迅速送入反应区,并在平均升温速率为10℃·min的情况下加热至1000℃,保温30min.一般而言,当温度达到150℃左右时,污泥中的挥发份开始析出(Cabaleroetal., 1997;甘义群, 2005),故模式1从150℃开始, 每隔100℃收集2min气体作气相色谱分析;而在模式2 作用下,样品推入炉中反应即刻发生,为详细了解气体组分的变化, 故该模式下是每隔50℃收集2min气体.当温度升至1000℃后,间隔10min收集同样时间的气体以比较气相产物组成的变化(1000℃测定了0、10、20、30min的数据).加热模式对不同温度段产生的热解气体组分的影响 .在模式1 条件下,当温度升至1000℃时才有H2生成,而CO则是在热解温度达到650℃时出现大幅增长;在模式2条件下,当热解温度为850℃时, H2体积分数已经达到11%,并在后续反应中保持平稳上升趋势, 与此同时, CO的体积分数也随着温度的升高逐渐从2%增至26%,且模式2中各温度段所生成的其他气体比率明显比模式1 作用下产生的气体比率高.综合考虑, 将温度升至设定温度后再将物料送入反应区的加热模式2有利于得到富含H2、CO和CH4的高品质可燃气体.这是由于在模式1条件下,污泥经历了较长的反应时间,且能量供给过程较为平缓, 挥发份在析出并分解的初期所产生的重质烃等中间产物会由载气带出高温区间,经冷凝形成焦油和少量气体, 令样品挥发份及中间产物含量降低, 使得后续裂解所得的气体量减少;而模式2中,脱水污泥在经历了初始热解阶段后,产生的大分子碳氢化合物迅速发生二次裂解,生成大量H2、CO、CH4等小分子气体, 使得相同温度段下的可燃气体积比率显著增大,令燃气品质得到提高.因此, 在以回收富氢燃气为目的的高温热解过程中,宜采用当炉温升至设定温度后再投入物料的加热模式.

温度对热解产物的影响

在100℃·min的升温速率下,热解终温对含水率84%污泥热解后产物产率分布及气相产物热值的影响如表2 所示.从表2中可以看出,当温度从700℃升至1000℃时,气相产物产率得到明显提高,液相和固相产物的产率则相应降低,且液相产物产率的降低幅度明显高于固相产物,说明气体的增加主要来自液相组分即焦油的二次裂解.另外, 随着温度的升高,热解气体的热值与其产率的变化趋势一致,从12624kJ·m提高至14248kJ·m,说明温度的提高有利于得到高热值的可燃气体.其中, CO和H2的组成对后续制氢工艺有较大作用.由图3可知, 当温度从700℃提高到1000℃时, H2体积分数从11%增加到30%.这是因为当温度升高时,热解所提供的能量得到相应增大,一方面令污泥中有机物料的C— H键在该能量作用下迅速断裂,生成H2;另一方面, 高温下水蒸气气化反应也有利于H2的生成.另外,气体组分中CO 体积分数由15%增长为32%;CO+H2体积分数从31.7%增加为61.8%, H2与CO体积比则从0.56增至0.91;CO2体积分数虽然在700 ～800℃的阶段减小,但温度继续升高后CO2体积分数又有所增加; CH4产量的变化趋势较为平缓;而C2H4、C2H6和C3H8组分比率则出现相应降低.这是因为在高温下,脱水污泥中固有的大量水分迅速转化为高温水蒸气, 并和热解产物如C、CH4等发生如下吸热反应。

升温速率对热解产物的影响

不同升温速率对含水率为84%的污泥在1000℃下热解的影响.当热解升温速率从22℃· min提高到100℃·min时, 气态产物产量由31.9%升至36%, 液态产物产量则由57.8%下降到53.9%,固态产物产量变化不大.这说明在高温条件下提高污泥热解的升温速率有利于液态产物的二次裂解和气态产物的生成.这主要是因为气体和焦油的产率在很大程度上是由挥发分的一次裂解和焦油的二次裂解反应决定的,提高升温速率可使物料在较短时间内达到设定温度,令挥发分在高温环境下的停留时间增加,促进二次裂解的进行, 使得燃气产率提高,焦油产率下降.另外, 在一定的热解时间内, 低升温速率可延长物料在低温区的停留时间, 促进脱水和炭化反应, 导致炭产率增加.由于本实验中的热解温度高达1000℃,物料在反应区内也经历了足够长的停留时间,反应较为完全, 改变升温速率对其影响不大,故所得气体的热值无明显变化趋势。

污泥处理的目的是使污泥减量、稳定、无害化及综合利用，湿污泥的处理方法主要有湿污泥填埋和焚烧法，但两种方法均有利有弊，可能造成不同程度的环境污染状况，在处理时，应根据实际情况权衡利弊再进行选择。