摘要:污水污泥的處理已成為令人關(guān)注的問(wèn)題 ,傳統(tǒng)的處理方法有許多不盡人意的地方。熱解處理污泥是近年新發(fā)展的技術(shù) ,其優(yōu)點(diǎn)和可操作性受到許多研究者的關(guān)注。介紹了熱解法的發(fā)展和需要解決的問(wèn)題 ,特別介紹了國(guó)內(nèi)研究較少的污泥熱解的高溫階段。
關(guān)鍵詞:污泥,熱解,油
現(xiàn)在污水污泥的處理問(wèn)題已經(jīng)是一個(gè)最復(fù)雜的環(huán)境問(wèn)題 ,已經(jīng)受到越來(lái)越多人的關(guān)注。污泥的處理問(wèn)題受到關(guān)注是基于以下原因 :首先 ,污水污泥的持續(xù)不斷地增加 ,已經(jīng)給許多工業(yè)化國(guó)家?guī)?lái)了處理上的問(wèn)題 ;其次 ,重金屬等大部分污染物 ,在經(jīng)過(guò)一個(gè)處理工序后已經(jīng)集中到污泥當(dāng)中 ,使其含量達(dá)到很高水平。因此處理這種廢物會(huì)很復(fù)雜 ,又不可避免地造成二次污染[1 ] 。
當(dāng)前 ,最普遍的處理污水污泥的方法是堆肥法、農(nóng)田利用法以及焚燒法 ,但它們無(wú)一例外都有本身的缺點(diǎn)[2 ] 。堆肥法處理污泥需要很大的場(chǎng)地 ,土壤要被隔開(kāi) ,以防止被有害的污染物污染 ,而且污泥本身含有大量的能量 ,在這種處理方法中會(huì)被浪費(fèi)掉[3] 。焚燒法能夠大幅度地減少污泥的體積 ,并能利用其中的能量來(lái)提高熱能利用效率。然而 ,焚燒法需要價(jià)格昂貴的設(shè)備 ,而且由此產(chǎn)生的氣體對(duì)大氣的污染也是十分嚴(yán)重的 ,防治費(fèi)用很高[4] 。農(nóng)田利用法,在過(guò)多地被使用后,將導(dǎo)致農(nóng)田土壤中重金屬的含量升高[1 ] 。而熱解法具備了其它各種方法的優(yōu)點(diǎn),例如:固體體積的減小;存在于炭基中的重金屬對(duì)自然析出有相當(dāng)強(qiáng)的抵抗力[5 ,6 ] ;熱解產(chǎn)生的氣體和油有很高的熱值,這能成為潛在的燃料;熱解法所使用的溫度低于焚燒法,因此限制了更多的污染物進(jìn)入熱解氣體中。另外,這一過(guò)程又是在無(wú)氧條件下進(jìn)行的, 因而有害物質(zhì)極少產(chǎn)生[7 ] 。國(guó)外對(duì)污泥熱解技術(shù)的研究開(kāi)始于20 世紀(jì)80 年代,最早是由B. Bayer 提出來(lái)的[8 ] ,隨后有研究者對(duì)它的經(jīng)濟(jì)性、二次污染以及熱解油的市場(chǎng)前景等進(jìn)行了研究。在國(guó)外,現(xiàn)已開(kāi)始用熱解法處理含油污泥[32 ] 。國(guó)內(nèi)對(duì)于熱解法的研究還處于實(shí)驗(yàn)階段。
1 污泥熱解
污水污泥與大部分有機(jī)廢物相同,含有大量易揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)。如此,用某種方法就能把這種貯存在污染中的能量,以熱量或作為燃料或制造出特殊的化學(xué)品的形式釋放出來(lái)[9 ] 。
污泥熱解技術(shù),就是在無(wú)氧環(huán)境下,對(duì)干燥的污泥進(jìn)行加熱,至一定溫度(通常< 500 ℃) ,在干餾和熱分解的作用下,使污泥轉(zhuǎn)化為油、水、不凝性氣體(NCG) 和炭4 種物質(zhì)。部分產(chǎn)物燃燒可作為預(yù)熱的熱源[8 ] 。污泥的熱分解是無(wú)氧環(huán)境下,并在相對(duì)較低的溫度下( < 500 ℃) 進(jìn)行的,因而易產(chǎn)生顯著的效益。[ 10 ] 。尤其重要的是這一工藝對(duì)液態(tài)油有很高的回收能力,釋放出更少的NOX 和SOX。試驗(yàn)顯示,污泥熱解產(chǎn)生的油能直接用于柴油機(jī)車(chē),并與石油提煉廠生產(chǎn)出來(lái)的石油低級(jí)餾出液相似[11 ] 。
2 污泥熱解的反應(yīng)模式和機(jī)理
現(xiàn)在對(duì)于污泥熱解轉(zhuǎn)化的機(jī)理,還未完全明了,這是由于各種因素的影響,如反應(yīng)條件、反應(yīng)設(shè)備、污泥特性等。一般認(rèn)為反應(yīng)機(jī)理如下: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)的轉(zhuǎn)移變性及支鏈斷裂[12 ] 。
污泥的熱解過(guò)程,現(xiàn)在還有很多不同的理解。蔣旭光等[13 ] 認(rèn)為污泥熱解是一級(jí)反應(yīng)過(guò)程,通過(guò)計(jì)算頻率因子和活化能,給出了熱解動(dòng)力學(xué)方程式:
dw/ dt = 4040exp [ - 8636/ T] (1 - w)
w —固體反應(yīng)速率;T —溫度;t —時(shí)間
而何品晶等[14 ]結(jié)合以糖類(lèi)化合物為主的生物質(zhì)熱解研究后,認(rèn)為熱解反應(yīng)可以認(rèn)為是一個(gè)初始反應(yīng)(不產(chǎn)生揮發(fā)物) 串聯(lián)一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)(分別產(chǎn)生固相焦和揮發(fā)物) 來(lái)描述,如圖1 所示:
3.1 外部條件對(duì)熱解反應(yīng)的影響
許多研究者認(rèn)為操作條件,如溫度、停留時(shí)間和加熱速率對(duì)熱解產(chǎn)品及熱解產(chǎn)品的分布狀況有很大的影響[15 ,16 ] 。國(guó)內(nèi)在研究污泥熱解轉(zhuǎn)化時(shí),大多在低溫階段。雖然在較低溫度時(shí),如200 ℃,污泥就會(huì)發(fā)生熱解轉(zhuǎn)化反應(yīng),放出氣體。而國(guó)外的研究已經(jīng)集中在高溫階段,如500 ℃或以上,這能更好地了解轉(zhuǎn)化機(jī)理,并努力地去控制熱解轉(zhuǎn)化過(guò)程。何品晶等[17 ]報(bào)道污泥熱解的能量輸出最大時(shí)的溫度是270 ℃,氣體停留時(shí)間為30 min ,這過(guò)程為能量?jī)糨敵鲞^(guò)程。熱解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率與溫度之間的關(guān)系如下:
Lilly Shen[18 ]報(bào)道,獲得的最大的油量是污泥總量的30 % ,其溫度是525 ℃,氣體停留時(shí)間是1. 5 s。隨著停留時(shí)間的增加,其產(chǎn)量降低。這是和污泥中各種有機(jī)質(zhì)的化學(xué)鍵在不同溫度下的斷裂有關(guān),在450 ℃后,裂解產(chǎn)生的重油,發(fā)生了第二次化學(xué)鍵斷裂,形成了輕質(zhì)油,氣體停留時(shí)間也相應(yīng)地增加。在525 ℃以后,會(huì)形成更輕質(zhì)的油和氣態(tài)烴,不凝性氣體的量提高,炭的量也隨著氣體量的增加而減少。加熱速率的影響具有階段性。M. Inguan2zo[20 ]報(bào)道,加熱速率的影響,只是在較低的熱解溫度下才有很重要的作用(如在450 ℃) ;而在較高的熱解溫度下,其加熱速率的影響可以忽略不計(jì)(如在650 ℃) 。在450 ℃時(shí),更高的加熱速率,使熱解效率更高,會(huì)產(chǎn)生更多的液態(tài)成分和氣態(tài)成分的量,而降低了固態(tài)剩余物的量。
3.2 熱解產(chǎn)物的分析
污泥熱解產(chǎn)物中主要是固、液、氣三相物質(zhì)。固態(tài)剩余物分析:在污水污泥熱解中,固態(tài)剩余物中的含炭物質(zhì),在450 ℃～550 ℃時(shí)達(dá)51 %～66 % ,即使在850 ℃的溫度下,熱解仍不能完全結(jié)束,以含炭物形式存在的可揮發(fā)性物質(zhì)在850 ℃時(shí)仍有4. 6 %[20 ] 。具體參見(jiàn)http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
干污水污泥和固體剩余物的pH 值是不相同的,分別為6. 6 和8. 6。pH 值的增加被認(rèn)為是有機(jī)物的表面酸性含氧物質(zhì)減少。隨著溫度的增加,含氧物質(zhì)減少,也為這種假設(shè)提供了證據(jù)[21 ,23 ] 。
熱解固體殘余物的熱值隨熱解溫度的升高和加熱速率的增加會(huì)有所下降。固體殘余物的熱值與其它形式的產(chǎn)物相比是十分低的,正是因?yàn)闅堄辔锏臒嶂敌∏抑亟饘俸扛叩木壒?使它們難以用焚燒來(lái)去除[24 ] 。
實(shí)驗(yàn)顯示[25 ] :污泥體積隨著熱解溫度升高而不斷減少。顯然熱解溫度高時(shí),其減少量增加,但是污泥體積減少量主要的影響因素是熱解溫度增加速率。在650 ℃時(shí),干污水污泥的減少量達(dá)40 %～50 % ,假如是濕污水污泥,減少量會(huì)更大。（武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院）
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