引言: 污泥不仅是污水处理的副产物,更是一种有着巨大潜能的资源。我国城市污水处理厂年产污泥(干重)约130万吨,且以10%的速度递增。但若处理不当,其会二次污染环境与人类健康。因此解决污泥的无害化和资源化利用已成为污水处理行业最迫切的问题之一。 污泥含有近40%的有机物质,因此既是“废弃物”,又是“生物质资源”。以合理方式利用,污泥发电成为一种新兴途径。除了能以安全且有效的方式处理污泥,污泥发电还能以污泥为能量来源,替代化石燃料,从而达到节能减排,保护环境,推进循环型社会发展的目的。 典型的污泥发电工艺 目前,污泥发电主要有以下两种方式: 1. 污泥燃料燃烧发电。 2. 污泥厌氧消化产生沼气发电。 在这两种方式中,污泥发电的潜能得到充分展现,让我们继续秉持“凡事不求尽善尽美,但求不断改进”的精神,致力于推进污泥发电新技术的研究和探索。污泥焚烧是一种在一定温度和氧气存在条件下的有机物燃烧反应,可以生成C02、HzO、Nz等产物。通过焚烧处理,在污泥中的可燃有机质会被燃烧掉,产生灰渣和烟气[2]。污泥的可燃部分(挥发分)的含量、含水率以及其热值所构成的低位热值,可以用公式CV,污泥挥发分的热值,MJ/k来表达。据此可计算出燃烧的最高含水率为67.7%。因此,如果选择直接使用污泥进行燃烧处理,大部分需要辅助燃料。污泥燃料的形式多种多样:湿污泥与煤粉、重油等混合;污泥与城市有机垃圾混合;干化后的湿污泥,构成污泥燃料。污泥燃烧所释放的热能将被回收和利用,如图1所示,实现能源转化。因此,以污泥为核心,实现污泥能量再生,是一种理想的污泥处理方法。焚烧可减少其容积和重量,处理速度也很快,无害化效果也具有很高含量。焚烧污泥的其中一大优点在于,它是一种彻底的处理方式。同时,焚烧后产生的余热也可以被回收利用来发电,而灰渣则可以用于改良土壤、筑路、制砖瓦、陶瓷及混凝土填充等,具有显著优势。
浆状污泥燃料可以用泵输送,但在美国、日本和英国的部分污泥处理厂中,污泥被制成固态颗粒状以后进行处理[3]。仅在美国,便有近200个污水处理厂采用焚烧方式处理污泥,这占据全美处理总量的20%[4]。在日本,东京电力公司、政府和生物燃料公司成功地把下水道污泥转化为燃料并投入运营。每年有130万吨的下水道污泥都会通过焚烧处理,其中约有9900吨的污泥会转变成燃料并被送到火力发电厂进行发电。
在1998年,英国伦敦开始推行一种新的污泥处理方式,先将污泥进行脱水,干燥和粉碎,再通过焚烧将污泥转变成热能从而进行发电。
在2005年,国内首座污泥焚烧发电大型示范项目在浙江绍兴投入运营。该项目采用国内自主知识产权的“煤助燃循环硫化床”技术,每天可处理1500吨以上的污泥,污泥处理价格定价为80元/吨,年上网电力发电量可达2.66亿千瓦时,每天供蒸汽150吨。这样一天下来,该项目可节约原煤450吨。年节约的煤炭相当于达到13.5万吨的水平。2006年,浙江省富阳市某污水处理厂采用焚烧发电技术,将污泥(日处理600吨)进行焚烧,焚烧后的灰渣则被用于制造建材,用以替代红砖。另外,在2007年1月,宁波污泥处理一期工程也已经正式投入运营。该工程每日处理400吨的污泥,年发电量高达730万千瓦时。同年6月,在合肥的污泥发电供热项目也开始交付使用,该项目每日可处理300吨的污泥,焚烧后的灰渣还可用于道路修复等。
可以看出,国外的污泥发电技术已经相当成熟,而在国内,污泥发电技术还处于快速成长的阶段,工程方面仍然有很大的发展空间。
除了焚烧发电技术外,污泥厌氧消化也是一种有效的利用方式。消化处理可以有效的抑制病菌,改善污泥的卫生状态。通过对脱水后的消化污泥的处理,这些污泥也可以被用作发电厂或水泥厂的辅助燃料。污水处理厂通过污泥厌氧消化产生的沼气,主要成分包括CH4和C02以及少量的H2S、氨等有害气体。与其它燃气相比较,沼气是一种更为清洁的燃料,拥有优异的性能特点[5]。利用污泥消化产生的沼气来发电,可以实现低排放、低污染、节约能源以及废物资源化等多重好处,因此开发沼气发电已成为建设绿色环保工程中非常重要的部分。在利用污泥消化产生的沼气发电方面,需要具备先进的技术和设备,在科学的运营管理下才能实现长久的低排放、高效节能的效果。污泥发电设备主要有两种形式:一种采用燃气机和发电机组成的系统,另一种则是通过污泥厌氧消化产生的沼气,经过改质器转化为氢气,并通过燃料电池进行发电。
2.2.1燃气机一发电机系统处理流程如图2所示。消化气经过精制处理(脱硫、除湿、脱碳酸)后送入燃气机进行燃烧发电,同时利用燃气机排出的高温尾气余热来加热消化池中的消化液。虽然硅氧烷在消化气的燃烧过程中会对燃气机的零部件和脱氮催化剂造成损害,降低设备的经济性和可靠性[6],但通过采用活性炭吸附技术,可以对沼气进行净化处理,以保证沼气在进入发电机之前,Si和其他有机物的浓度不超过0.6mg/L。经过消化处理的污泥则可进行脱水、浓缩处理后,运往焚烧场或水泥厂作为辅助燃料进行焚烧,或用作农用堆肥。
在德国,城市污水处理厂数量众多,其中85.4%以上采用中温厌氧消化技术进行污泥处理,产生的甲烷则用于发电,从而基本满足了污水处理厂的供电需求。比如,在德国KA—helmstedt(sewhelmsstedt)污水处理厂采用污泥发电系统,处理每日10万吨废水。该系统消化污泥后可产生每日6000立方米的沼气,沼气的热值为23MJ/立方米,年发电量高达120万千瓦时,相当于该污水处理厂全年耗电量的90%~95%。同时,污泥发电系统还可以满足处理工艺中的供暖以及冬季全厂车间、办公室的供暖需求。
海口市白沙门污水处理厂借鉴了德国在处理污泥方面的经验和技术[9]。该厂所采用的消化池产气量为每日4800~6000立方米,相应的发电量则相当于该厂内平均用电量的27%,每月节省电费约15–18万元。沼气发动机所产生的废热则被用于加热消化池中的污泥,在正常运行的2、3月份,产生的废热甚至还有剩余。
北京高碑店污水处理厂日处理污水量为100万立方米,每日产生的污泥为4000立方米,全部进行高温消化处理,可产生每日1.8万立方米的沼气。按照每立方米沼气可发电1.7千瓦时来计算,每天可发电3万千瓦时,从而达到节约电费和资源的目的。在污泥发电系统的运营过程中,需要注意技术的创新和科学的管理,以达到更高效的能源回收和更低的环境污染,同时也避免电站在发电的同时造成的二次污染。费用500万元,在经过多年的建设和优化,年发电量达到近1000万千瓦时。这相当于为5000户家庭提供了1年的电力供应。
2006年,北京小红门污水处理厂污泥发电装置建设完成,随后在2007年开始利用污泥发电。这个污水处理厂采用了污泥消化和沼气发电技术,可以从每天约2000立方米的污泥中提取沼气。年最高发电量达到1.8万千瓦时。
沼气发电技术发展到一定阶段后,通过燃料电池发电的技术也逐渐普及,其利用氢和氧化合产生电能的装置和改质器是技术中的关键组成部分。
近年来,日本政府在推动有机质资源高效能源转换技术开发工程的基础上,通过将燃料电池与沼气发酵系统结合在同一系统中的技术手段,实现了污泥高效发电。日本政府于2002年制定了新能源政策基本法,自此,日本新能源产业技术快速发展。综合开发机构(NEDO)在日本各地资助了多项生物质高效发电工程的建设,以污泥为原料的工程尤其具有代表性。例如,山形市水道部净化中心的以下水道污泥为原料,通过沼气发酵方式制造沼气,最后通过利用燃料电池实现了污泥高效发电。
与此同时,东芝公司和横滨市下水道管理局的合作项目,采用污泥厌氧消化处理,通过干式脱硫和活性炭吸附净化后的沼气(含甲烷约60%~80%),送往PC257m磷酸型燃料电池系统的改质器。沼气产出量为每小时90立方米,功率达到200千瓦。此种燃料电池可用于含甲烷和CO2低热值(22~25MJ/立方米)的沼气发电。美国政府也在积极推广沼气燃料电池的商业应用,并提供政府补贴。目前,美国已有多家下水道污泥处理场引进了燃料电池技术,并建成和投入使用。例如,纽约州的NYPA电力公司每天可产生3000立方米的沼气,另一项同类工程在加州的沼气产出量达到每天4000立方米。燃料电池所产生的热气体也用来提高系统效率。总之,这些创新性的工程正在推动我们对生物质高效能源发电的认识和实践,旨在实现对可再生资源的智能化和合理利用。世界的可持续能源发展目标相比,污泥发电还有很大的提升空间。在城市污水处理厂中,大量的污泥日益成为城市环境中不可忽视的一部分。现有的处理方式逐渐暴露出种种弊端,而将污泥转化为能源并用于发电和供热,符合了我国新时期循环经济发展的要求,也符合了我国“十一五”节能减排的要求。此外,污泥发电不仅是现有短缺能源面临的挑战的缓解,更是避免环境二次污染的有效手段。在3种污泥发电工艺中,每种工艺都有其优缺点。因此,在工程应用中,应根据实际需要及现场条件,结合运行费用的综合考虑,选择合适的污泥发电技术。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,同时实施了鼓励新型和可再生能源的财税和信贷政策,相比发达国家的可持续能源目标,污泥发电的提升空间还很大。国家鼓励全社会积极参与固体废弃物的再利用,而污泥发电技术将成为非常具备优势的一种选择。关于污泥处理和处置技术的相关文献资料有很多,例如张辰、王国华和孙晓合作的《污泥处理处置技术与工程实例》一书,以及张衍国、李清海和康建斌合作的《垃圾清洁焚烧发电技术》一书。此外,罗争峰、张景云和沈跃栋等人的《城市污泥利用的经济模式及新型污泥燃料应用技术》期刊文章也提供了有益的信息。然而,关于生物质能源的利用,还有一些阻碍因素需要克服,例如生物气中硅氧烷的存在对生物质能源的影响。总而言之,随着全社会对固体废弃物再利用事业的重视程度不断提高,我们对污泥发电技术及其发展前景的探索将持续进行。尽管污泥发电技术的发展存在一些挑战,但值得注意的是,最新的科研成果表明,厌氧消化过程已经成为废弃物能源回收领域的一个重要发展方向。例如,Nishio N和Nakashimada Y的《废物能源回收的厌氧消化过程的最新发展》期刊文章,以及Van herh J、Marechal F、Leuenberger S等人发表的《固体氧化物燃料电池供给污水厂沼气的过程流模型》期刊文章。同时,我们还可以从类似雷菊霞所撰写的《德国污泥处理技术的分析与研究》期刊文章中获取更多信息。在克服技术挑战的同时,我们应该重视废弃物资源的再利用,探索更好的废弃物处理方式,以建立环境友好型社会。污泥处理及其转化为能源的探索,一直是工程技术领域的一个重要议题。例如,潘伯寿、卢志和孙传志在《海口市污水处理厂污泥消化的运行分析》一文中分析了该工厂的运行情况。此外,郑在剐、满春华和范高哲在《海口市白沙门污水处理厂的污泥处理与处置》一文中也提到了污泥处理的重要性。除此之外,利用生物质能源转化为电能也成为一种应用广泛的技术。举例来说,杨钦慧在《利用污泥、废水、生活垃圾发电的燃料电池》一文中谈到了相关技术。不过,我们必须认识到,在利用生物质能源的过程中,仍面临一些技术和环境问题。因此,需要进行技术与环境两方面的分析。Mcllveen-Wright等人的《流化床技术中煤和生物质共燃的技术与环境分析》期刊文章将对此提供有益的信息。总之,我们的科学技术能够有效地促进废弃物再利用,从而改善我们的环境和生活质量。本研究受到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)的资助。本文的作者是一位来自黑龙江牡丹江,出生于1980年的年轻女博士研究生苏丹。她的研究充分展现了人类对于资源利用的创造性探索,同时也反映了我们时代对于环境保护与可持续发展的应有关注。

 

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