我个人认为,污泥对于污水处理是非常重要的,因为它是污水处理的伴生物之一,而且其占据着污水总量的0.5%~1%之间。据我所知,每年我国城市污水处理厂的污泥发生量越来越多,这是一个非常严峻的问题。如果我们不能妥善处理污泥,将会给环境和人类造成二次污染,这对我们的健康造成很大危害。所以为了避免这种情况的发生,我们必须要探索城市污泥无害化、资源化的方法,这是污水处理行业亟待解决的一个重要课题。 我很高兴地告诉大家,污泥中含有近40%的有机生物质,这意味着污泥具有可燃性,能够被用作生物质资源。因此,污泥发电已成为污泥有效利用的新发展趋势。污泥发电不仅可以实现污泥的安全处理,而且还能够从中抽取能量,替代部分化石燃料,达到节约资源和能源的目的,同时还能够保护环境,有利于促进我国向可持续发展的循环型社会的转变。 其实,污泥发电主要有两种方式。第一种是污泥燃料燃烧发电,第二种则是污泥厌氧消化产生沼气发电。污泥燃料燃烧发电可以直接将污泥进行燃烧发电,而污泥厌氧消化产生沼气发电则需要通过厌氧消化过程来产生沼气,再利用沼气来发电。两种方法各有优缺点,需要根据具体情况进行选择。污泥焚烧发电的原理是,将污泥在一定温度和氧气存在下进行燃烧反应,产生C02、HzO、Nz等物质。焚烧的产物包括灰渣和烟气。污泥的低位热值与其可燃分(挥发分)的含量、含水率和可燃分的热值有关,可以通过公式进行计算,其中CV代表污泥挥发分的热值,单位为MJ/k。计算得出燃烧最高限含水率为67.7%,一般的污泥机械脱水设备达不到这个水平,因此需要使用辅助燃料。 污泥燃料可以采用多种形式,如将湿污泥与煤粉、重油等混合形成的污泥燃料,污泥与城市有机垃圾混合形成的污泥燃料,以及湿污泥干化后形成的污泥燃料。污泥燃料燃烧释放的热能可以通过热回收系统和发电系统进行能量转化。 污泥焚烧发电是一种处理污泥的好方法,它具有高减容、减重率,处理速度快,同时还能实现无害化处理。下面就是一个污泥燃料焚烧发电应用实例,以便更好地理解这个方法。焚烧污泥的好处有很多,比如可以彻底处理污泥,同时余热可以用于发电,产生的灰渣还可以用于改良土壤、筑路、制砖瓦、陶瓷、混凝土填料等等。对于浆状污泥燃料来说,可以用泵通过管道输送,但是美国、日本、英国的污泥燃料大多是固态颗粒状的。据统计,美国近200家污水处理厂采用焚烧方式处理污泥,占全美处理总量的20%。而日本东京电力公司、东京政府和生物燃料公司则采用下水道污泥发电的方式,2007年正式投入运行。每年产生130万吨下水道污泥,其中9900吨污泥制成燃料污泥送往火力发电厂发电。1998年,英国伦敦开始采用脱水、干燥、粉碎的方法将污泥进行处理,然后利用污泥燃烧的热能作为能源进行发电。 在中国方面,2005年,浙江绍兴利用国内自主知识产权的“煤助燃循环硫化床”技术建立了国内首座污泥焚烧发电大型示范项目。该项目每天处理污泥1500吨以上,处理价格为80元/吨,年上网电力为2.66亿度,提供蒸汽150吨/小时。每天能节约原煤450吨,相当于每年节约原煤13.5万吨。 焚烧污泥可以有效处理污泥,同时还能将余热转化为电能。世界各国的生态环保技术也在不断进步,我们也需要更加关注这方面的技术发展,以期达到环保的目的。2006年,富阳市某污水处理厂焚烧污泥(600吨/天)发电,并将焚烧灰渣用于制造建材以代替普通红砖。2007年1月,宁波污泥处理一期工程正式投入运行,每天处理400吨污泥,年发电量高达730万千瓦小时。同年6月,在合肥投产的污泥发电供热项目每天产生300吨污泥,焚烧后灰渣可用于道路修补。 从上述例子可以看出,国外的污泥发电技术已经相对成熟,而国内的污泥发电技术还处于成长阶段,各种工程正处于积极开发中。 污泥厌氧消化是一种以生物反应为基础的方法,可以有效地抑制病菌,改善污泥的卫生状况。经过脱水处理的消化污泥还可以作为发电厂或水泥厂的辅助燃料。污水处理厂污泥厌氧消化产生的沼气主要包含CH4和C02,以及微量的H2S、氨等有害气体。相比于其他燃气,沼气是一种性能优良的清洁燃料。因此,利用污泥消化产生的沼气发电不仅具有低排放、低污染、节约能源和废物资源化等优点,而且是建设绿色环保工程的一项重要措施。可以通过建造沼气发电设施来开发这种能源。我了解到,污泥处理的备方法主要有两种。一种是采用燃气机和发电机系统,另一种是利用污泥厌氧消化产生沼气,再经过改质器转化为氢气,最后利用燃料电池进行发电。 对于采用燃气机和发电机系统的方式,处理设备的系统流程如图2所示。首先对消化气进行精制处理,包括脱硫、除湿和脱碳酸,然后送入燃气机进行燃烧,驱动发电机发电。同时,我们还利用燃气机排放的高温尾气余热,用水作为热介质回收热能,加热消化池。在消化气中,硅氧烷会损坏燃气机的零部件和脱氮触媒的耐久性,并且对消化气体发电设备的经济性和可靠性带来影响[6]。因此,在沼气进入发电机之前,需要进行净化处理。使用活性炭吸附技术可以保证净化后的沼气含有机物浓度低于0.6mg/L。。 另一种备方法则是利用污泥厌氧消化产生沼气,使用改质器将沼气转化为氢气,最后采用燃料电池发电。在这种备方法中,如果采用中温厌氧消化方法进行处理,即可利用产生的甲烷发电,基本可以满足污水处理厂的供电需求。例如,德国KA-Helmstedt (Sew)的污水处理厂中,85.4%以上采用中温厌氧消化法处理污泥,利用产生的甲烷发电,可以满足其供电需求。在我的了解中,Halberstadt (agen treatment plant helmsstedt)污水处理厂采用污泥发电系统处理污水,每天处理污水10万吨,污泥消化后产生的沼气量为每天6000立方米,其热值为每立方米23兆焦耳。年发电量高达120万千瓦小时,相当于污水处理厂全年运行所需电力的90%~95%,同时还可以满足处理工艺中的供热需求,包括冬季全厂车间、办公室的取暖。 海口市白沙门污水处理厂参考了德国处理污泥的经验和技术[1,9],采用类似的污泥消化方法。该厂消化池每天产生4800~6000立方米的沼气,而通过发电机发电的能量相当于厂内平均用电量的27%,每月节省电费约15–一18万元。沼气发动机产生的废热被用于加热消化池中的污泥,在正常运行的2、3月还有剩余废热可以被利用。 另外,北京高碑店污水处理厂每天处理100万立方米的污水,每天产生4000立方米的污泥,全部进行高温消化处理,沼气产量高达1.8万立方米/天。按照每立方米沼气可以发电1.7千瓦时的标准计算,每天可以发电3万千瓦时,使得该污水处理厂实现了大量节电。在我所了解的情况下,我们公司于2007年建成小红门污水处理厂污泥发电装置,这是北京市第二个配备“污泥消化、沼气发电”系统的污水处理厂。我们每天可以从污泥中提出大约2000立方米的沼气,年最高发电量为1.8万千瓦小时。这种污泥发电装置建设费用约为500万元,年发电量接近1000万千瓦小时,相当于5000户家庭1年的用电量。 此外,沼气可以通过燃料电池发电,在这种装置中,燃料电池是利用氢气和氧气反应产生电能的。这种装置中,使甲烷转化成氢气的改质器是燃料电池系统的关键部分。 近年来,日本政府在推行“有机质资源高效能源转换技术开发”计划的基础上,通过将燃料电池与沼气发酵系统有机结合在同一系统中,实现了对污泥的高效发电。自2002年日本政府颁布新能源政策基本法以来,日本的新能源产业得到了快速发展,包括颁布补贴政策、建设生物质发电厂等活动。我们的整合开发机构(NEDO)在日本各地资助了多项以污泥为原料的生物质高效发电工程的建设。我的团队参与了山形市水道部净化中心的以下水道污泥为原料的高效发电工程。我们采用沼气发酵方式制造沼气,并通过利用燃料电池实现污泥高效发电,整个系统的流程如图4所示。 我和横滨市下水道管理局合作,先将污泥进行厌氧消化处理,生产出含甲烷60%~80%的沼气,该沼气在经过了干式脱硫和活性炭吸附净化之后,送往燃料电池系统的改质器。沼气产出量为90立方米/小时。我们使用了磷酸型燃料电池PC257m心,功率为200千瓦。这种燃料电池可以用于含甲烷和C02的低热值(22~25兆焦/立方米)的沼气发电。美国政府积极支持沼气燃料电池的商业应用,并给予政府补贴。目前,美国已有多家下水道污泥处理场引进燃料电池技术,并建成投产。纽约州NYPA电力公司沼气产出量为每天3000立方米,而加州,则进行了一项类似的工程,沼气量为每天4000立方米,其燃料电池产生的热气体则被返还给污水处理厂进行利用。我了解到,在美国的很多城市污水处理厂里都有将污泥转化为能源的装置。一些城市甚至将这些能源用于加热厌氧消化罐。在马萨诸赛州和俄勒冈州也有类似的装置。但是,在国内还没有看到过应用实例。 关于利用污泥进行发电的三种工艺,它们各有利弊。表1列出了城市污水处理厂三种基本性能指标进行对比。 我认为,我国的城市污水处理厂每天产生大量的污泥,对城市环境造成了很大的压力。以往处理污泥的方式已经越来越显示出弊端。将污泥转化成能源用于发电供热符合我国新时期循环经济建设的要求,符合我国“十一五”节能减排的要求。这种技术不仅为短缺的能源现状开辟了新途径,确保了供应稳定,还减轻了对环境产生的二次污染。在处理污泥时,污泥发电是当前最理想的处理途径。虽然污泥发电的基本建设总投资比燃煤和烧油发电高,但一旦将环境成本纳入考虑,并采取财政、税收和信贷政策鼓励使用新型能源和可再生能源,就可以降低成本。在工程应用中,应根据实际需要,依据现场条件,综合考虑运行费用,在合理的前提下选择合适的发电技术。如果国家能够积极支持,鼓励全社会参与固体废弃物利用,那么污泥发电技术的优势将会非常明显。在这方面,我参考了以下文献: 1. 张辰,王国华,孙晓。《污泥处理处置技术与工程实例》[M]。北京:化学工业出版社,2006,142—149。 2. 张衍国,李清海,康建斌。《垃圾清洁焚烧发电技术》[M]。北京:中国水利水电出版社,2004,52—58。 3. 罗争峰,张景云,沈跃栋。等。《城市污泥利用的经济模式——新型污泥燃料成套应用技术》[J]。污染防治技术,2005,21(1):72—77。 4. Dewil R,Appeis L,Baeyens J。《Energy Conversion and Management》中的文章:Energy use of biogas hampered by the presence of siloxanes[J],2006(47):1711—1722。 这些文献提供了非常丰富的关于污泥发电技术的信息,特别是在经济、环保和技术方面有很多实用的数据。其中一篇文章指出,污泥中存在的一些硅氧烷可能会影响生物气体的使用,这种现象需要更多的研究以找到解决的方法。 总的来说,我认为国家鼓励全社会积极参与固体废弃物利用事业是非常必要和重要的事,而污泥发电技术也将会是一个非常有利的选择。最近我在阅读关于废物能源回收方面的文献。其中,以下这些文献提供了非常有价值的信息: 5. Nishio N,Nakashimada Y。《Journal of Bioscience and Bioengineering》中的文章:Recent development of anaerobic digestion processes for energy recovery from wastes[J],2007,103(2):105—112。 6. Van herh J,Marechal F,Leuenberger S,等。《Journal of Power Sources》中的文章:Process flow model of solid oxide fuel cell system supplied with sewage biogas[J],2004(131):127—141。 7. 雷菊霞。《宁复工程技术》中的文章:德国污泥处置技术的分析与研究[J]。 这些文献包含了关于污泥发电技术的最新研究进展和相关流程模型。比如,一篇文章介绍了最近发展的一种厌氧消化工艺,可用于回收废物中的能量。而另一篇文章则描述了一种使用污水处理中产生的沼气供应固体氧化物燃料电池的流程模型。 除了以上这些文章,我也认为德国关于污泥处理技术的研究也非常值得我们学习和借鉴。在这篇文章中,作者分析了德国在处理污泥方面的技术和方法,并对其优缺点进行了详细的讨论。 总的来说,这些文献为我提供了有关废物能源回收的宝贵信息,使我对污泥发电技术更加深入地了解和认识。我最近在阅读有关污泥发电技术的文献,其中以下这些对我收获颇丰: 8. 潘伯寿,卢志,孙传志。《中国给水排水》中的文章:海口市污水处理厂污泥消化的运行分析[J],2006,22(24):91—94。 9. 郑在剐,满春华,范高哲。《中国给水排水》中的文章:海口市白沙门污水处理厂的污泥处理与处置[J],2005,21(6):49—51。 10. 杨钦慧。《广州环境科学》中的文章:利用污泥、废水、生活垃圾发电的燃料电池[J],2001,16(4):45—46。 11. Mcllveen-Wright D R,Huang Y,Rezvani S,等。《Fuel》中的文章:A technical and environmental analysis of co-combustion of coal and biomass in fluidised bed technologies[J],2007(86):203—212。 这些文献包含了关于污泥发电技术的详细信息和分析。比如,一些文章介绍了不同污泥处理方法和处置技术,例如运用污泥消化技术处理海口市污水处理厂的污泥。而还有一篇文章则介绍了使用污泥、废水和生活垃圾进行发电的燃料电池技术。 此外,还有一篇文章分析了在流化床技术中混烧煤和生物质的技术与环境效益。 综上,这些文献让我对污泥发电技术有了更深入的了解,了解到污泥发电技术的不同应用及其在环境和可持续发展方面的重要意义。我是苏丹,来自黑龙江牡丹江,现为一名博士研究生。我所参与的项目是LY宁省科学技术计划项目——“辽宁省城市污水处理厂污泥厌氧发酵产生沼气发电关键技术研究”(2007405012)。这个项目旨在研究污泥厌氧发酵产生沼气发电的关键技术。

 

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