利用市政污泥制备浆体燃料的分析与探讨

吴仁生1，李锡军1，高夫燕，徐美娟

(1.国能(浙江)综合能源有限公司，杭州 311200；2.浙大宁波理工学院，宁波 315100)

0 引 言

市政污泥是城市生活污水与工业废水处理过程中的必然产物。随着城市化进程的发展，市政污泥的产量也呈增长态势，目前我国市政污泥的年产量高达6 000～9 000万吨[1]。市政污泥的干基有机质含量约为40%～50%，干基热值较高，具有被能源化利用的潜质[2-3]。对市政污泥开展能源化利用，不仅能够妥善解决污泥的去向问题，保护生态环境，还能实现污泥中能量的回收利用，变废为宝，具有重大的生态效益和社会效益。但污泥的结构复杂，水分含量很高，一般经机械脱水后其含水量仍高于80%[4]。高水分含量不但增大了污泥处理的难度，还大大增加了处理成本。目前，主要的污泥能源化利用方式是将污泥干化后再掺混煤炭燃烧，而现在最主要的污泥干化技术是“热干化”[5-7]。污泥热干化技术在实际应用过程中存在很多问题[8-10]，主要表现在：设备投资大，能耗高，运行费用可观；具有粉尘爆炸安全隐患；干化过程中通常伴有恶臭污染物外泄，严重影响周边环境。因此，寻求经济、安全、高效、清洁的途径，实现市政污泥的能源化利用，仍是一个有待深入研究的课题。

1 市政污泥的物性特征

市政污泥是包含水、纤维、胶体、有机质、金属化合物、微生物、病菌、虫卵、动植物残体及各种絮体等的复杂多相体系，一般呈粘稠絮凝状。污泥絮体的结构复杂，采用德国蔡司电子扫描电镜(ZEISS EVO18 SEM)对污泥表面放大2 000倍和5 000倍的形貌，分别如图1和图2所示。污泥絮体表面亲水性强，且有粘性，可以通过物理吸附或化学吸附、键合等方式固定较多的水分，污泥絮体丰富的间隙结构中也能够包裹大量的水分，使得污泥的水分含量很高，且难以脱除。高水分含量是污泥能源化利用的不利因素，目前已成为诸多学者研究的焦点问题[11-12]。

图1 SEM放大2000倍污泥形貌

图2 SEM放大5000倍污泥形貌

结合X-射线能量色谱仪(EDS)，可对污泥进行微区成分分析(如图3所示)，市政污泥的元素组成繁多，主要包括C、O、K、Na、P、Si、Ca、Fe、Al等，不同地区不同批次的污泥其元素组成各有差异。

图3 市政污泥的X-射线能谱图

2 污泥制浆技术研究进展及现状

近年来，已有科研工作者提出将污泥掺混至浆体燃料中，制成含污泥的浆体燃料。污泥制浆技术是基于对污泥的资源化清洁利用而提出的，目前国内外对污泥制浆技术的研究尚处于起步阶段，且主要集中在成浆特性方面。Menghan Xu等人[13]将含油污泥与石油焦掺混制备污泥水焦浆，发现加入污泥后水焦浆的成浆浓度下降，浆体稳定性提高。Meng Liu等人[14]将污泥和石油焦掺混制浆，研究了污泥水焦浆的流变性和稳定性，加入污泥后水焦浆的流变特性由原来的胀流性转变为假塑性，同时浆体的稳定性得到明显改善。孙云昊[15]研究了添加剂种类、浆体浓度、污泥掺混比等因素对污泥水煤浆成浆特性的影响。Weidong Li等人[16]将污泥与煤掺混制备污泥水煤浆，初步研究了污泥水煤浆的成浆性能和稳定性，加入污泥后水煤浆的成浆浓度下降，稳定性提高。

可见，污泥的加入对浆体特性有较大影响，不仅能够提高浆体的稳定性，还有利于假塑性流变特征的增强。但是，掺入污泥后，浆体的粘度明显增加，成浆浓度迅速下降[17-19]。这将大大增加浆体的泵送压力，恶化浆体的雾化、燃烧和气化效果。初步研究认为，污泥的絮体结构及絮体内水分的赋存形态是影响其成浆特性的主要因素[17]。但迄今为止，国内外针对污泥成浆机理的研究还不够深入，污泥絮体的关键理化特性仍不明朗，絮体理化特性及其内水赋存形态对污泥成浆特性的影响机理尚无定论。因此，有必要针对这些问题开展基础研究，改善污泥的成浆特性，提高污泥掺混量及成浆浓度。

3 污泥制备浆体燃料的优势

利用市政污泥制备浆体燃料的现实意义及其主要优势体现在：

(1)不需要对污泥进行干化处理，避免了因干化引起的粉化、自燃等问题，解决了由污泥高水分带来的应用问题；

(2)解决了市政污泥的去向问题，生态效益明显；

(3)可以实现污泥中能量的回收利用；

(4)污泥中高含量的水分可代替制浆用水，节省制浆所需的清水；

(5)在封闭的环境中制备、输送，无恶臭污染物外泄，清洁环保；

(6)浆体燃料可用于锅炉、窑炉燃烧，燃烧效率可达96%～99%，是一种节能燃料，且燃烧温度低于燃油燃煤温度，有利于降低NOx的生成量和提高固硫率，是一种清洁燃料；

(7)浆体燃料也可作为气化原料制备H2和CO[20]，为气化工业提供原料基础；

(8)污泥与煤或石油焦共成浆时，污泥中的碱金属(钾、钠等)可显著提高浆体的气化活性[21]；

(9)在燃烧和气化时，通过优化配置和合理操作，能有效控制污染物排放，从而实现污泥的能源化清洁利用。因此，利用污泥制备浆体燃料有望成为污泥高效清洁资源化利用的主要途径之一。

4 污泥制浆技术的发展方向

随着城市污泥清洁处理问题的日益凸显，污泥制浆技术应运而生，但直接利用原生污泥制浆时，浆体粘度会因污泥的掺入而敏感上升，同时成浆浓度显著降低，从而导致了较低的污泥掺混量，难以实现污泥的大规模资源化清洁利用。因此，采用适当的手段使污泥絮体破解，改善污泥成浆特性，成为当前污泥制浆技术的焦点。目前，制浆污泥的改性研究主要集中在碱处理、热处理和超声波处理等方面，污泥改性后其制浆掺混比例有所提高，但为了保证不低于60%的成浆浓度，改性污泥的掺混量一般不高于煤/焦质量的15%，仍有必要进一步提高。以市政污泥的规模化清洁利用为出发点，以制备高品质多元复合浆体燃料为落脚点，开辟破解污泥絮体结构的新思路，大幅提高污泥掺混比，或将成为污泥制浆技术未来的主要研究方向。

最新研究初步发现污泥在适当的发酵机制(发酵浓度、温度、C/N和pH值等)下可以充分破解污泥絮体。污泥絮体在发酵机制的作用下发生破解，絮体中广泛分布的内部空间得以打开，大量束缚水得以释放[22]，将有利于改善污泥的成浆特性，以争取更大比例的污泥掺混量和更高浓度的污泥焦浆。利用发酵机制破解污泥絮体结构的研究，将涉及污泥絮体的破解机理，发酵过程对污泥理化特性的影响机理等复杂的科学问题。可采用实验研究、理论分析和模拟计算多元结合的方法，利用先进的测试仪器，从基础层面上揭示污泥絮体破解对其成浆特性的影响机理，研究方案如图4所示。

图4 污泥絮体破解及其对成浆特性的影响机理研究路线

5 结束语

目前市政污泥主要的能源化利用方式是将其热干化后再燃烧，而热干化技术具有投资大、能耗高、易粉尘爆炸等问题，不尽令人满意。利用市政污泥制备浆体燃料，不仅能够很好地解决由污泥高水分带来的应用难题，还能实现污泥的热值回收，且生态效益显著。但污泥的成浆浓度低，粘性的污泥絮体结构成为污泥制浆技术发展的瓶颈。破解污泥絮体结构，提高污泥的制浆掺混比，是目前污泥制浆研究的热点，常规的破解方法主要集中在碱处理、热处理和超声波处理等方面。利用发酵机制破解污泥絮体结构，开辟了污泥絮体破解的新思路，对推动污泥制浆技术的发展与应用具有重要意义。