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    科學技術論文

    污泥能源化技術研究進展

    時間:2021年05月30日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:總結了目前國內外關于污泥能源化利用方面的研究進展,包括污泥制氫、污泥制油、污泥制沼氣、污泥制合成燃料、微生物燃料電池發電等,并對污泥處置方法未來的發展進行了展望。 關鍵詞:污泥;能源化;進展 近年來我國城鎮化水平的不斷提高,污泥的產量也

      摘要:總結了目前國內外關于污泥能源化利用方面的研究進展,包括污泥制氫、污泥制油、污泥制沼氣、污泥制合成燃料、微生物燃料電池發電等,并對污泥處置方法未來的發展進行了展望。

      關鍵詞:污泥;能源化;進展

    能源技術

      近年來我國城鎮化水平的不斷提高,污泥的產量也大幅度增加,有數據統計,2020年我國市政污泥年產量將達到6000萬~9000萬t。由于污泥中含有病原微生物、寄生蟲、重金屬等有害物質[1],若處置不合理將會對地下水、土壤等造成污染,嚴重危害到人類健康[2],所以污泥的處置方式已成為行業關注的焦點。焚燒、填海、填埋、土地利用是污泥傳統的處置方式。污泥焚燒技術比較復雜,容易污染環境;污泥填海會破壞水體環境,該方法已經被禁止;填埋法需要大面積的土地資源且可能會使地下水受到污染;土地利用雖然投資少、能耗低、運行費用低,但由于污泥中還含有大量重金屬、多氯聯苯等污染物,可能會使土壤和水體受到污染,進而影響人類健康。

      能源方向評職知識:能源研究課題已立項課題

      因此,應在實現污泥“減量化、穩定化、無害化”的前提下,盡可能地對污泥進行能源化利用,實現把污泥變為能源,這不僅可以保護環境,還可以緩解未來能源匱乏。污泥的能源化利用主要是指通過物理、生物、熱化學的方法把污泥轉化為能源產品,目前的能源化利用技術主要包括以下幾個方面:污泥制氫、發酵制沼氣、熱解制油、制合成燃料、污泥發電等。

      本文中介紹了近幾年來國內外關于污泥能源化利用的進展,為污泥的能源化利用提供一定的借鑒。污泥制氫1.1厭氧發酵生物制氫氫氣作為一種清潔能源,具有較高的熱值,具有很大的發展潛力。厭氧生物制氫是指在微生物的作用下,將污泥中有機化合物轉化為氫氣。

      整個過程清潔環保,是制氫技術的發展趨勢。劉常青等[3]采用SARD和CSTR反應器并輔以血清瓶,以污泥和餐廚垃圾作為反應基質,考察不同運行時間、投配比下的氫氣濃度,結果表明,SARD和CSTR反應器在10~15h內先后達到了50.34%和53.43%的氫氣濃度最大值。

      陳鑫[4]主要研究了培養過程中底物和環境因素對混合菌群NG07的生長及產氫特性的影響,實驗研究表明,混合菌群NG07可利用多種糖類有機化合物產氫,其中葡萄糖為碳源時,產氫總量最大,隨著葡萄糖濃度的增加,混合菌群NG07的產氫總量逐漸增大,當葡萄糖濃度為100mmol/L時,產氫總量為4238.8±74mL/L。Miriam等[5]研究了污泥和酒糟在不同混合比例下協同發酵以提高產氫量。結果表明,酒糟的添加可以提高污泥發酵過程的產氫量。添加酒糟后氫氣產率是單發酵污泥所獲得的產率的13~14倍。厭氧發酵生物制氫耗能較少,但是氫氣的轉化率不高,產量較少。針對這些問題,很多研究者在優化發酵工藝、混菌馴化等方面尋找方法。

      1.2污泥超臨界水制氫

      污泥超臨界水制氫是指在水的溫度和壓力均高于其臨界溫度(374.3℃)和臨界壓力(22.05MPa)時,利用超臨界水作為反應介質來溶解污泥中的有機物使其發生強烈化學反應產生氫氣。曾佳楠[6]分析AlCl3對脫水污泥超臨界水氣化產氫的影響來探討AlCl3的催化機理,結果表明,AlCl3可以顯著促進脫水污泥超臨界水氣化產氫,在質量分數6%添加量下氫氣產率達到11.52mol/kg,比不添加提高了近43倍。Hantoko等[7]研究了溫度(380~460℃)、污泥質量分數(5%~30%)和活性炭添加量(2%~8%)對超臨界水氣化的影響。

      結果表明,溫度越高,污泥濃度越低,合成氣產率越高,產氫率越高。蔣華義等[8]利用均勻設計方法研究超臨界水的反應溫度、反應壓力、反應時間和物料比與最終單位污泥產氫量之間的關系,并通過反應結果擬合出它們之間的經驗公式,分析超臨界水反應參數對含油污泥氣化制氫影響規律。結果表明,單位污泥產氫量與反應溫度、反應時間呈正相關,與物料比呈負相關,伴隨壓力的增加單位污泥產氫量先增加后減小,在反應參數為544℃、2.2MPa、150min、10%下,單位污泥產氫量最高為5.92mmol/g。

      1.3污泥高溫氣化制氫

      污泥高溫氣化制氫指通過熱化學方式將污泥轉化為高品位的氣體燃氣或合成氣,然后分離出氫氣。何丕文等[9]采用固定床氣化裝置,在溫度為900℃條件下進行污泥水蒸汽氣化試驗,研究了水蒸汽和污泥中碳元素質量比(S/C)對污泥氣化氫氣產率、氣體能源轉化率的影響。結果表明,污泥水蒸汽氣化在氫氣產率、氣體能源轉化率方面都顯著優于污泥熱解,污泥水蒸汽氣化在S/C值為2.72時,氫氣產率、氣體能源轉化率達到峰值,分別為0.32m3/kg、0.83。Nipattummakul等[10]對污泥樣品進行氣化,以確定合成氣特性的演化行為和產生的合成氣的其他性質,發現蒸汽作為氣化劑,產氫量比空氣氣化提高了3倍。

      王歡[11]采用管式高溫電熱爐和水蒸汽發生器及其他附件構成實驗系統,研究了單批進料量、反應停留時間、升溫方式對熱解產物及氣態組分的影響規律。實驗結果表明,反應終溫為1000℃條件下,單批進料量為250g濕污泥時,該實驗裝置可以在較短的時間內得到較高品質的富氫燃氣。污泥高溫氣化制氫和超臨界制氫法比厭氧發酵生物制氫法耗時更少,但反應條件更苛刻,能耗更高,實際應用價值不高,而且高溫氣化過程產生的尾氣較難處理。厭氧發酵生物制氫耗能少、更環保,更有發展前景。

      2污泥制油

      2.1污泥低溫熱解制油

      污泥低溫熱解制油是利用污泥中有機物在300~500℃的無氧或缺氧條件下發生部分熱裂解,最終產物為油、碳、非冷凝氣體和反應水。

      污泥低溫熱解制油是一個很復雜的過程,溫度、含水率、催化劑、停留時間等都是影響污泥熱解的重要因素。Viera等[12]將污泥放在固定床反應器中進行熱解過程,以生產生物油,實驗結果發現生物油的平均產量為10.52%~18.38%(m/m),生物油的分析顯示pH為8.35,密度為0.97g/cm3,發熱量為32.36MJ/kg。Supaporn等[13]采用微管反應器熱解污泥生產生物油,其產量隨反應溫度和時間的增加而增加。在390℃下熱解5min,生物油產率最高為33.3%。

      Chen等[14]研究了不同的關鍵參數對使用Taguchi方法生產熱解油的污泥熱解過程的影響,實驗結果表明,在450℃的熱解溫度、60min的停留時間、10℃的操作條件下,可獲得的最大熱解油產率為10.19%,影響污泥熱解油產率的參數的敏感度順序為氮氣流量、熱解溫度、加熱速率和停留時間。李娜等[15]研究城市污泥與不同生物質(花生殼、玉米稈、玉米芯、稻草)共熱解后焦油含量變化,發現焦油含量均增加,其中污泥-玉米稈熱解產生的焦油含量最高,為4.59%。

      2.2污泥液化制油

      污泥直接液化制油是指污泥先生成水溶性中間體,在水中反復聚合、水解、脫氫、環化等一系列反應轉化為低分子油狀物的過程。污泥直接液化制油是在水中進行的,所以污泥無需干燥,很適合高含水率污泥。國內的污泥制油領域直接熱化學液化法的研究較少,王學生等[16]主要考察反應溫度、停留時間、污泥添加量及催化劑對產油率的影響。

      研究發現,當反應溫度290℃,停留時間60min,污泥與乙醇的固液比為1/20時產油率最高,且加入氫氧化鈉時產油率可提升至45.5%。Zhou等[17]考察了溫度、停留時間和催化劑對污泥的熱化學直接液化產油的影響,結果取得了令人滿意的生物油產率,當溫度為250℃,N為催化劑,停留時間為70min時,產油率最高為25.4%,固體體積減少了90%。因為污泥低溫熱解制油運行條件容易實現,處理效果好,所以低溫熱解制油是目前應用較多的制油方法,而污泥直接液化制油因需要高溫高壓,對儀器設備要求高,還容易造成大氣污染。

      3污泥制沼氣

      污泥制沼氣是污泥能源化的研究熱點之一,污泥制沼氣是指在厭氧條件下,由兼性菌和厭氧菌將污泥中的有機物降解生成甲烷為主的混合氣的過程,污泥制沼氣歷史較長,技術相對很成熟,目前國內外研究主要通過改進預處理技術和增添某些物質來提升沼氣產量和品質。

      Yang等[18]研究了玉米秸稈和油泥厭氧共消化的可行性,發現當玉米秸稈與油泥的質量比為4∶1時,產氣性能最佳,使用30mL接種量的氣體累積產量為1222.5mL。Nabi等[19]為了探究均質化高壓預處理促進污泥厭氧消化的機理,對污泥施加了不同的均質壓力,并分別對固液2組分進行了消化,實驗表明,甲烷主要產自固體餾分,甲烷產率隨預處理壓力的增加而增加。

      在40MPa壓力下,污泥(不經固液分離消化)的沼氣和甲烷產率分別比固液兩組分(單獨消化)之和高17%和45%。陳智遠等[20]探討了城市污泥恒溫38℃厭氧濕發酵(質量分數10.49%)和高濃度發酵(質量分數15.52%)的產氣潛力,研究表明,城市好氧泥在恒溫38℃進行濕發酵和高濃度發酵,好氧泥的TS產沼氣潛力分別為155.67、163.70mL/g。

      一些學者還研究了通過添加某些試劑來提高污泥產沼量。張雅慧[21]通過向厭氧污泥中分別投加外源介體四氧化三鐵(Fe3O4)、三氧化二鐵(Fe2O3)、納米零價鐵(ZVI)、粉末活性炭(PAC)、碳納米管(CNT)、石墨烯(GR),探究外源介體強化厭氧消化過程的機理,實驗顯示投加Fe3O4、CNT的實驗組相較于對照組,甲烷的產量有明顯的提升,由5.3、5.33mL上升到6.55、6.35mL,產量提高了25.8%、18.7%。污泥制沼氣技術成熟,但在制沼氣的過程中可能會產生H2S,導致二次污染。

      微生物燃料電池發電微生物燃料電池產電是利用微生物的代謝過程將污泥中的有機物所蘊含的化學能轉化為電能,應用潛力巨大。邢延等[25]探究不同聲能密度預處理對污泥微生物燃料電池(MFC)產電性能的影響,結果表明,隨著預處理超聲密度的增加,微生物燃料電池的產電性能和污泥處理效果得到有效提升。與未經預處理的污泥MFC相比,預處理聲能密度為1.5W/mL時,微生物燃料電池穩定輸出電壓提高90.19%,最大輸出功率密度提高135.43%,污泥減量效果提升68.8%。Xiao等[26]采用堿處理污泥,MFC產電周期可達17d,最大處輸出電壓可達520mV,最大功率密度為55.8mW/m2。

      操家順等[27]研究不同方式預處理污泥對微生物燃料電池的影響,研究顯示,將廢堿渣預處理的污泥作為MFC的底物,不僅降低了資源能耗而且提高了MFC的產電性能,實現了綜合綠色發展。微生物燃料電池發電既能將污泥回收利用,又能發電形成清潔新能源,可同時解決污泥處置和能源匱乏問題,且運行條件溫和易控,發展潛力巨大。在能源領域,污泥微生物燃料電池今后的研究重點是如何提高其產電性能。

      結論與展望

      隨著科學技術的不斷發展,污泥處置方法也越來越豐富,無論什么處置方法,都一定要遵循“減量化、穩定化、無害化”的前提。同時,能源匱乏問題也困擾著全世界,所以,污泥的能源化利用前景非常廣闊,既能解決污泥處置問題,還能解決能源匱乏問題,但目前污泥能源化技術不夠成熟,設備不夠完善。因此,應該繼續研究相關技術,創新改進設備、拓展利用途徑,因地制宜實現污泥的能源化利用。

      參考文獻

      [1]李艷春.城市污水處理廠污泥處理/處置技術綜述[J].智能城市,2017,3(1):269-271.

      [2]杜娟.污泥的處理及資源化利用[J].中國資源綜合利用,2017,35(4):47-48,56.

      [3]劉常青,陳琬,曾藝芳,等.SARD與CSTR反應器半連續發酵產氫能力對比[J].中國給水排水,2018,34(21):7-11.

      [4]陳鑫.混合光合產氫菌群的篩選及其產氫特性的研究[D].太原理工大學,2017.

      [5]MiriamT,BeatrizL,MontserratP,etal.Enhancedhydrogenproductionfromsewagesludgebycofermentationwithwinevinasse[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2020(prepublish).

      作者:王杰1,熊祖鴻2*,石明巖1*

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