吳仁生1，李錫軍1，高夫燕，徐美娟

(1.國(guó)能(浙江)綜合能源有限公司，杭州 311200；2.浙大寧波理工學(xué)院，寧波 315100)

0 引 言

市政污泥是城市生活污水與工業(yè)廢水處理過(guò)程中的必然產(chǎn)物。隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，市政污泥的產(chǎn)量也呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，目前我國(guó)市政污泥的年產(chǎn)量高達(dá)6 000～9 000萬(wàn)噸[1]。市政污泥的干基有機(jī)質(zhì)含量約為40%～50%，干基熱值較高，具有被能源化利用的潛質(zhì)[2-3]。對(duì)市政污泥開展能源化利用，不僅能夠妥善解決污泥的去向問(wèn)題，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還能實(shí)現(xiàn)污泥中能量的回收利用，變廢為寶，具有重大的生態(tài)效益和社會(huì)效益。但污泥的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水分含量很高，一般經(jīng)機(jī)械脫水后其含水量仍高于80%[4]。高水分含量不但增大了污泥處理的難度，還大大增加了處理成本。目前，主要的污泥能源化利用方式是將污泥干化后再摻混煤炭燃燒，而現(xiàn)在最主要的污泥干化技術(shù)是“熱干化”[5-7]。污泥熱干化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在很多問(wèn)題[8-10]，主要表現(xiàn)在：設(shè)備投資大，能耗高，運(yùn)行費(fèi)用可觀；具有粉塵爆炸安全隱患；干化過(guò)程中通常伴有惡臭污染物外泄，嚴(yán)重影響周邊環(huán)境。因此，尋求經(jīng)濟(jì)、安全、高效、清潔的途徑，實(shí)現(xiàn)市政污泥的能源化利用，仍是一個(gè)有待深入研究的課題。

1 市政污泥的物性特征

市政污泥是包含水、纖維、膠體、有機(jī)質(zhì)、金屬化合物、微生物、病菌、蟲卵、動(dòng)植物殘?bào)w及各種絮體等的復(fù)雜多相體系，一般呈粘稠絮凝狀。污泥絮體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用德國(guó)蔡司電子掃描電鏡(ZEISS EVO18 SEM)對(duì)污泥表面放大2 000倍和5 000倍的形貌，分別如圖1和圖2所示。污泥絮體表面親水性強(qiáng)，且有粘性，可以通過(guò)物理吸附或化學(xué)吸附、鍵合等方式固定較多的水分，污泥絮體豐富的間隙結(jié)構(gòu)中也能夠包裹大量的水分，使得污泥的水分含量很高，且難以脫除。高水分含量是污泥能源化利用的不利因素，目前已成為諸多學(xué)者研究的焦點(diǎn)問(wèn)題[11-12]。

圖1 SEM放大2000倍污泥形貌

圖2 SEM放大5000倍污泥形貌

結(jié)合X-射線能量色譜儀(EDS)，可對(duì)污泥進(jìn)行微區(qū)成分分析(如圖3所示)，市政污泥的元素組成繁多，主要包括C、O、K、Na、P、Si、Ca、Fe、Al等，不同地區(qū)不同批次的污泥其元素組成各有差異。

圖3 市政污泥的X-射線能譜圖

2 污泥制漿技術(shù)研究進(jìn)展及現(xiàn)狀

近年來(lái)，已有科研工作者提出將污泥摻混至漿體燃料中，制成含污泥的漿體燃料。污泥制漿技術(shù)是基于對(duì)污泥的資源化清潔利用而提出的，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)污泥制漿技術(shù)的研究尚處于起步階段，且主要集中在成漿特性方面。Menghan Xu等人[13]將含油污泥與石油焦摻混制備污泥水焦?jié){，發(fā)現(xiàn)加入污泥后水焦?jié){的成漿濃度下降，漿體穩(wěn)定性提高。Meng Liu等人[14]將污泥和石油焦摻混制漿，研究了污泥水焦?jié){的流變性和穩(wěn)定性，加入污泥后水焦?jié){的流變特性由原來(lái)的脹流性轉(zhuǎn)變?yōu)榧偎苄?，同時(shí)漿體的穩(wěn)定性得到明顯改善。孫云昊[15]研究了添加劑種類、漿體濃度、污泥摻混比等因素對(duì)污泥水煤漿成漿特性的影響。Weidong Li等人[16]將污泥與煤摻混制備污泥水煤漿，初步研究了污泥水煤漿的成漿性能和穩(wěn)定性，加入污泥后水煤漿的成漿濃度下降，穩(wěn)定性提高。

可見，污泥的加入對(duì)漿體特性有較大影響，不僅能夠提高漿體的穩(wěn)定性，還有利于假塑性流變特征的增強(qiáng)。但是，摻入污泥后，漿體的粘度明顯增加，成漿濃度迅速下降[17-19]。這將大大增加漿體的泵送壓力，惡化漿體的霧化、燃燒和氣化效果。初步研究認(rèn)為，污泥的絮體結(jié)構(gòu)及絮體內(nèi)水分的賦存形態(tài)是影響其成漿特性的主要因素[17]。但迄今為止，國(guó)內(nèi)外針對(duì)污泥成漿機(jī)理的研究還不夠深入，污泥絮體的關(guān)鍵理化特性仍不明朗，絮體理化特性及其內(nèi)水賦存形態(tài)對(duì)污泥成漿特性的影響機(jī)理尚無(wú)定論。因此，有必要針對(duì)這些問(wèn)題開展基礎(chǔ)研究，改善污泥的成漿特性，提高污泥摻混量及成漿濃度。

3 污泥制備漿體燃料的優(yōu)勢(shì)

利用市政污泥制備漿體燃料的現(xiàn)實(shí)意義及其主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

(1)不需要對(duì)污泥進(jìn)行干化處理，避免了因干化引起的粉化、自燃等問(wèn)題，解決了由污泥高水分帶來(lái)的應(yīng)用問(wèn)題；

(2)解決了市政污泥的去向問(wèn)題，生態(tài)效益明顯；

(3)可以實(shí)現(xiàn)污泥中能量的回收利用；

(4)污泥中高含量的水分可代替制漿用水，節(jié)省制漿所需的清水；

(5)在封閉的環(huán)境中制備、輸送，無(wú)惡臭污染物外泄，清潔環(huán)保；

(6)漿體燃料可用于鍋爐、窯爐燃燒，燃燒效率可達(dá)96%～99%，是一種節(jié)能燃料，且燃燒溫度低于燃油燃煤溫度，有利于降低NOx的生成量和提高固硫率，是一種清潔燃料；

(7)漿體燃料也可作為氣化原料制備H2和CO[20]，為氣化工業(yè)提供原料基礎(chǔ)；

(8)污泥與煤或石油焦共成漿時(shí)，污泥中的堿金屬(鉀、鈉等)可顯著提高漿體的氣化活性[21]；

(9)在燃燒和氣化時(shí)，通過(guò)優(yōu)化配置和合理操作，能有效控制污染物排放，從而實(shí)現(xiàn)污泥的能源化清潔利用。因此，利用污泥制備漿體燃料有望成為污泥高效清潔資源化利用的主要途徑之一。

4 污泥制漿技術(shù)的發(fā)展方向

隨著城市污泥清潔處理問(wèn)題的日益凸顯，污泥制漿技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，但直接利用原生污泥制漿時(shí)，漿體粘度會(huì)因污泥的摻入而敏感上升，同時(shí)成漿濃度顯著降低，從而導(dǎo)致了較低的污泥摻混量，難以實(shí)現(xiàn)污泥的大規(guī)模資源化清潔利用。因此，采用適當(dāng)?shù)氖侄问刮勰嘈躞w破解，改善污泥成漿特性，成為當(dāng)前污泥制漿技術(shù)的焦點(diǎn)。目前，制漿污泥的改性研究主要集中在堿處理、熱處理和超聲波處理等方面，污泥改性后其制漿摻混比例有所提高，但為了保證不低于60%的成漿濃度，改性污泥的摻混量一般不高于煤/焦質(zhì)量的15%，仍有必要進(jìn)一步提高。以市政污泥的規(guī)?；鍧嵗脼槌霭l(fā)點(diǎn)，以制備高品質(zhì)多元復(fù)合漿體燃料為落腳點(diǎn)，開辟破解污泥絮體結(jié)構(gòu)的新思路，大幅提高污泥摻混比，或?qū)⒊蔀槲勰嘀茲{技術(shù)未來(lái)的主要研究方向。

最新研究初步發(fā)現(xiàn)污泥在適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵機(jī)制(發(fā)酵濃度、溫度、C/N和pH值等)下可以充分破解污泥絮體。污泥絮體在發(fā)酵機(jī)制的作用下發(fā)生破解，絮體中廣泛分布的內(nèi)部空間得以打開，大量束縛水得以釋放[22]，將有利于改善污泥的成漿特性，以爭(zhēng)取更大比例的污泥摻混量和更高濃度的污泥焦?jié){。利用發(fā)酵機(jī)制破解污泥絮體結(jié)構(gòu)的研究，將涉及污泥絮體的破解機(jī)理，發(fā)酵過(guò)程對(duì)污泥理化特性的影響機(jī)理等復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題?？刹捎脤?shí)驗(yàn)研究、理論分析和模擬計(jì)算多元結(jié)合的方法，利用先進(jìn)的測(cè)試儀器，從基礎(chǔ)層面上揭示污泥絮體破解對(duì)其成漿特性的影響機(jī)理，研究方案如圖4所示。

圖4 污泥絮體破解及其對(duì)成漿特性的影響機(jī)理研究路線

5 結(jié)束語(yǔ)

目前市政污泥主要的能源化利用方式是將其熱干化后再燃燒，而熱干化技術(shù)具有投資大、能耗高、易粉塵爆炸等問(wèn)題，不盡令人滿意。利用市政污泥制備漿體燃料，不僅能夠很好地解決由污泥高水分帶來(lái)的應(yīng)用難題，還能實(shí)現(xiàn)污泥的熱值回收，且生態(tài)效益顯著。但污泥的成漿濃度低，粘性的污泥絮體結(jié)構(gòu)成為污泥制漿技術(shù)發(fā)展的瓶頸。破解污泥絮體結(jié)構(gòu)，提高污泥的制漿摻混比，是目前污泥制漿研究的熱點(diǎn)，常規(guī)的破解方法主要集中在堿處理、熱處理和超聲波處理等方面。利用發(fā)酵機(jī)制破解污泥絮體結(jié)構(gòu)，開辟了污泥絮體破解的新思路，對(duì)推動(dòng)污泥制漿技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用具有重要意義。