于俊清　于穎

摘 要:在可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)大背景下,傳統(tǒng)的污泥處理方法已不能滿足需要,亟待探尋新的污泥處理技術(shù)。本文概括總結(jié)了污泥微波熱裂解技術(shù),并對(duì)工藝優(yōu)化和熱解氣體、液體、固體資源化利用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞:污泥微波資源化

中圖分類(lèi)號(hào):X26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)07(c)-0044-01

1 引言

隨著我國(guó)城市化水平的提高,污水處理廠數(shù)量及其處理水量也大幅度增長(zhǎng),然而污水處理過(guò)程伴隨有大量污泥產(chǎn)生。在填埋和焚燒為主的傳統(tǒng)方法下,污泥并沒(méi)有得到最佳處置,其中焚燒法雖然減量效果最顯著,但同樣產(chǎn)生二次污染問(wèn)題,不再符合現(xiàn)行的環(huán)保要求。

污泥微波熱裂解技術(shù)是采用微波技術(shù),利用其不需任何熱傳導(dǎo)過(guò)程,加熱速度快且均勻,沒(méi)有額外熱量消耗、能效高,時(shí)間僅需傳統(tǒng)加熱方式幾分之一或幾十分之一的特點(diǎn)[1],將有機(jī)物熱解成利用價(jià)值高的燃?xì)?、燃油及焦?實(shí)現(xiàn)了污泥資源化利用。

2 污泥性質(zhì)及熱解機(jī)理的研究

污泥是污水處理中產(chǎn)生的含水率很高的絮狀(或固態(tài)、半固態(tài)、液態(tài))泥粒廢棄物,成分復(fù)雜,含有大量微生物,細(xì)菌,重金屬及有毒、有害、難降解的合成有機(jī)物[2]。同時(shí),污泥含有脂肪、蛋白質(zhì)、糖類(lèi)和纖維素等大分子物質(zhì),含氮量高,具有較高熱值。

污泥熱解可采用傳統(tǒng)熱解法和微波熱解法。目前熱解機(jī)理尚未明確。一般認(rèn)為200～450℃時(shí)脂肪族化合物蒸發(fā),300℃以上蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化,390℃以上開(kāi)始糖類(lèi)化合物轉(zhuǎn)化,主要轉(zhuǎn)化反應(yīng)是肽鍵斷裂,基團(tuán)轉(zhuǎn)移變性及支鏈斷裂[3]。

3 微波技術(shù)機(jī)理及特點(diǎn)

微波是一種頻率為300MHz～300GHz的電磁波[4]。微波加熱物質(zhì)主要通過(guò)三種機(jī)制[5]:(1)極性分子在微波場(chǎng)作用下,原來(lái)雜亂無(wú)章的分子隨之快速改變方向,分子或原子電子云發(fā)生偏移導(dǎo)致偶電極發(fā)生運(yùn)動(dòng),呈現(xiàn)正負(fù)極性,由于電磁場(chǎng)的變化速度高達(dá)24.5億次,高速輪擺運(yùn)動(dòng)使分子摩擦產(chǎn)生熱能;(2)磁性物質(zhì)在微波場(chǎng)中組分發(fā)生變化,這種變化的遲滯作用產(chǎn)生熱能;(3)導(dǎo)電性材料在微波作用下產(chǎn)生電流,電流的流動(dòng)產(chǎn)生熱能。

由于微波并非從物質(zhì)表面開(kāi)始加熱,而是從各方向均衡地穿透物質(zhì)后均勻加熱,因此與傳統(tǒng)加熱技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)高效快速;(2)節(jié)能省電;(3)熱源與加熱材料不直接接觸;(4)能進(jìn)行選擇性加熱;(5)便于控制;(6)設(shè)備體積小且無(wú)廢物生成[4]。

4 微波熱解污泥技術(shù)的研究及工藝優(yōu)化

近年來(lái),Domínguez和Menéndez等人首先嘗試污泥微波熱裂解,對(duì)西班牙不同城市污泥微波熱解的效果及產(chǎn)物分布、組分、結(jié)構(gòu)與性能等方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究探討,并分析了污泥微波熱解機(jī)理。同時(shí),研究者采用活性炭作吸波介質(zhì),對(duì)比了微波加熱與常規(guī)加熱對(duì)污泥熱解產(chǎn)物的影響,發(fā)現(xiàn)微波熱解產(chǎn)生的H2和CO均比常規(guī)熱解高,而且有害物質(zhì)少,熱解油中幾乎不含致癌性PAHs[4]。

為進(jìn)一步提高污泥資源化利用潛質(zhì),有必要對(duì)其微波熱解工藝進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 污泥熱裂解氣相產(chǎn)物

污泥熱解氣體主要成分是CO₂、CO、H₂、H₂O、N₂、CxHy[3],其中水煤氣(H₂+CO)含量較高,最高達(dá)70%左右。水煤氣不僅可直接用于熱解系統(tǒng)自身供熱,還可作為管道煤氣用于城市供暖或化工原料用于工業(yè)生產(chǎn)。

在微波場(chǎng)作用下,250～350℃時(shí)CO2為主要?dú)怏w,450℃時(shí)獲得最大量的C2H4和C2H6,600℃時(shí)獲得最大量的CH4。隨著溫度繼續(xù)上升,部分大分子有機(jī)物發(fā)生二次裂解。總體來(lái)看,H2產(chǎn)率呈現(xiàn)先逐漸增高后略有下降的趨勢(shì),而CO產(chǎn)率則先減少后增多[4]。

欲獲取較多的熱解氣,微波功率宜大,微波輻照時(shí)間宜長(zhǎng),以期在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高溫度,并保持足夠的高溫時(shí)間,促進(jìn)有機(jī)物二次裂解從而產(chǎn)生更多氣體。

4.2 污泥熱裂解液相產(chǎn)物

污泥經(jīng)過(guò)微波熱裂解產(chǎn)生的液體,主要產(chǎn)物為水、水溶性有機(jī)物和疏水性有機(jī)物,其中水占主要部分,而利用價(jià)值最高的是熱解油。熱解油成分復(fù)雜,多達(dá)70多種物質(zhì),主要為脂肪族類(lèi)化合物和單苯環(huán)類(lèi)化合物,稠環(huán)類(lèi)化合物含量相對(duì)較低,由此推論微波熱解生成的PAHs較少。熱解油的潛在能源價(jià)值不可忽視,其熱值高于原煤,接近天然氣和石油。若熱解油作為柴油使用,可采用微乳液法或催化加氫法改性。

隨著微波作用時(shí)間的延長(zhǎng),溫度隨之上升,污泥中部分大分子有機(jī)物會(huì)發(fā)生進(jìn)一步裂解,降低油品產(chǎn)率,因此微波輻照時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。

4.3 污泥熱裂解固相產(chǎn)物

污泥熱解的固體產(chǎn)物主要由灰分和固定炭組成,含有C、SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃等[5]。熱解產(chǎn)物中的重金屬固定化效果好,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。污泥活化后微波熱解產(chǎn)生的活性炭,孔徑分布以大孔和中孔為主,具有較好的吸附和脫色能力。

污泥微波熱解制備活性炭,其吸附能力受微波功率影響最大,其次是輻照時(shí)間,最后是污泥粒徑,因此,微波熱解的溫度不宜過(guò)高,微波輻照時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng),以保證固相產(chǎn)物產(chǎn)量。

5 結(jié)語(yǔ)

微波熱裂解污泥技術(shù)可實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用。熱解氣中水煤氣占一半以上,可作為潔凈的燃料氣使用;熱解油主要成分是脂肪族類(lèi)化合物和單苯環(huán)類(lèi)化合物,可作為燃料油使用;熱解殘?zhí)靠芍苹钚蕴俊?/p>

然而,污泥微波熱裂解技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化運(yùn)用還需解決以下問(wèn)題:(1)污泥熱解機(jī)制尚不明確,在工業(yè)生產(chǎn)控制上存在障礙;(2)微波熱解工藝最優(yōu)化程度不夠,需要設(shè)計(jì)出針對(duì)氣、液、固三種產(chǎn)物不同的工藝條件;(3)微波熱解氣體氣味難聞,存在有害物質(zhì) [6],因此難聞氣味和有害物質(zhì)的去除是工業(yè)化生產(chǎn)面臨的重大問(wèn)題。隨著研究進(jìn)一步深入,污泥微波熱裂解技術(shù)的優(yōu)勢(shì)會(huì)愈發(fā)突出,在資源化利用上將會(huì)得到更廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 張襄楷,季會(huì)明,范曉丹.微波法制備污泥活性炭及其脫色性能的研究[J].維普資訊,2008.

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[4] 夏莉.微波熱解污泥及其產(chǎn)物組分的分析(碩士學(xué)位論文).大連理工大學(xué),2008.

[5] Hirofumi Washma,Nobuo Tsuji, Hajime Sato.Continuous Dentration Test Equipment Using Heating,1984.

[6] 范恒亮,張雙全,殷志源等.污水污泥熱解產(chǎn)物的研究進(jìn)展.[J].環(huán)境科技,2010.