污泥微波热裂解处理技术的研究进展

于俊清　于颖

摘 要:在可持续发展和环境保护大背景下,传统的污泥处理方法已不能满足需要,亟待探寻新的污泥处理技术。本文概括总结了污泥微波热裂解技术,并对工艺优化和热解气体、液体、固体资源化利用进行了分析。

关键词:污泥微波资源化

中图分类号:X26 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(c)-0044-01

1 引言

随着我国城市化水平的提高,污水处理厂数量及其处理水量也大幅度增长,然而污水处理过程伴随有大量污泥产生。在填埋和焚烧为主的传统方法下,污泥并没有得到最佳处置,其中焚烧法虽然减量效果最显著,但同样产生二次污染问题,不再符合现行的环保要求。

污泥微波热裂解技术是采用微波技术,利用其不需任何热传导过程,加热速度快且均匀,没有额外热量消耗、能效高,时间仅需传统加热方式几分之一或几十分之一的特点[1],将有机物热解成利用价值高的燃气、燃油及焦炭,实现了污泥资源化利用。

2 污泥性质及热解机理的研究

污泥是污水处理中产生的含水率很高的絮状(或固态、半固态、液态)泥粒废弃物,成分复杂,含有大量微生物,细菌,重金属及有毒、有害、难降解的合成有机物[2]。同时,污泥含有脂肪、蛋白质、糖类和纤维素等大分子物质,含氮量高,具有较高热值。

污泥热解可采用传统热解法和微波热解法。目前热解机理尚未明确。一般认为200～450℃时脂肪族化合物蒸发,300℃以上蛋白质转化,390℃以上开始糖类化合物转化,主要转化反应是肽键断裂,基团转移变性及支链断裂[3]。

3 微波技术机理及特点

微波是一种频率为300MHz～300GHz的电磁波[4]。微波加热物质主要通过三种机制[5]:(1)极性分子在微波场作用下,原来杂乱无章的分子随之快速改变方向,分子或原子电子云发生偏移导致偶电极发生运动,呈现正负极性,由于电磁场的变化速度高达24.5亿次,高速轮摆运动使分子摩擦产生热能;(2)磁性物质在微波场中组分发生变化,这种变化的迟滞作用产生热能;(3)导电性材料在微波作用下产生电流,电流的流动产生热能。

由于微波并非从物质表面开始加热,而是从各方向均衡地穿透物质后均匀加热,因此与传统加热技术相比具有以下优点:(1)高效快速;(2)节能省电;(3)热源与加热材料不直接接触;(4)能进行选择性加热;(5)便于控制;(6)设备体积小且无废物生成[4]。

4 微波热解污泥技术的研究及工艺优化

近年来,Domínguez和Menéndez等人首先尝试污泥微波热裂解,对西班牙不同城市污泥微波热解的效果及产物分布、组分、结构与性能等方面进行了详细的研究探讨,并分析了污泥微波热解机理。同时,研究者采用活性炭作吸波介质,对比了微波加热与常规加热对污泥热解产物的影响,发现微波热解产生的H2和CO均比常规热解高,而且有害物质少,热解油中几乎不含致癌性PAHs[4]。

为进一步提高污泥资源化利用潜质,有必要对其微波热解工艺进行优化。

4.1 污泥热裂解气相产物

污泥热解气体主要成分是CO₂、CO、H₂、H₂O、N₂、CxHy[3],其中水煤气(H₂+CO)含量较高,最高达70%左右。水煤气不仅可直接用于热解系统自身供热,还可作为管道煤气用于城市供暖或化工原料用于工业生产。

在微波场作用下,250～350℃时CO2为主要气体,450℃时获得最大量的C2H4和C2H6,600℃时获得最大量的CH4。随着温度继续上升,部分大分子有机物发生二次裂解。总体来看,H2产率呈现先逐渐增高后略有下降的趋势,而CO产率则先减少后增多[4]。

欲获取较多的热解气,微波功率宜大,微波辐照时间宜长,以期在短时间内达到较高温度,并保持足够的高温时间,促进有机物二次裂解从而产生更多气体。

4.2 污泥热裂解液相产物

污泥经过微波热裂解产生的液体,主要产物为水、水溶性有机物和疏水性有机物,其中水占主要部分,而利用价值最高的是热解油。热解油成分复杂,多达70多种物质,主要为脂肪族类化合物和单苯环类化合物,稠环类化合物含量相对较低,由此推论微波热解生成的PAHs较少。热解油的潜在能源价值不可忽视,其热值高于原煤,接近天然气和石油。若热解油作为柴油使用,可采用微乳液法或催化加氢法改性。

随着微波作用时间的延长,温度随之上升,污泥中部分大分子有机物会发生进一步裂解,降低油品产率,因此微波辐照时间不宜过长。

4.3 污泥热裂解固相产物

污泥热解的固体产物主要由灰分和固定炭组成,含有C、SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃等[5]。热解产物中的重金属固定化效果好,不会对环境造成二次污染。污泥活化后微波热解产生的活性炭,孔径分布以大孔和中孔为主,具有较好的吸附和脱色能力。

污泥微波热解制备活性炭,其吸附能力受微波功率影响最大,其次是辐照时间,最后是污泥粒径,因此,微波热解的温度不宜过高,微波辐照时间不宜过长,以保证固相产物产量。

5 结语

微波热裂解污泥技术可实现污泥资源化利用。热解气中水煤气占一半以上,可作为洁净的燃料气使用;热解油主要成分是脂肪族类化合物和单苯环类化合物,可作为燃料油使用;热解残炭可制活性炭。

然而,污泥微波热裂解技术真正实现工业化运用还需解决以下问题:(1)污泥热解机制尚不明确,在工业生产控制上存在障碍;(2)微波热解工艺最优化程度不够,需要设计出针对气、液、固三种产物不同的工艺条件;(3)微波热解气体气味难闻,存在有害物质 [6],因此难闻气味和有害物质的去除是工业化生产面临的重大问题。随着研究进一步深入,污泥微波热裂解技术的优势会愈发突出,在资源化利用上将会得到更广泛应用。

参考文献

[1] 张襄楷,季会明,范晓丹.微波法制备污泥活性炭及其脱色性能的研究[J].维普资讯,2008.

[2] 霍鹏,陈亚鹏,何晓云等.城市污泥资源化及污泥活性炭综合利用[J].河北化工,2009.

[3] 易玉敏,宁平,翟广飞等.污水污泥裂解技术研究进展[J].云南化工,2008.

[4] 夏莉.微波热解污泥及其产物组分的分析(硕士学位论文).大连理工大学,2008.

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

[6] 范恒亮,张双全,殷志源等.污水污泥热解产物的研究进展.[J].环境科技,2010.