城市污泥能源化利用研究进展

张 辉，胡勤海，吴祖成，潘慧云

（1浙江大学环境生态研究所，浙江 杭州 310058；2河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454000）

污泥是污水处理过程中的副产物，2010年我国污水排放量达到 617.3亿吨[1]，污泥产生量也随之显著增加。如何将产量巨大、成分复杂的污泥进行妥善安全地处理处置，使其减量化、无害化、资源化，已成为环境界深为关注的重大课题。

目前污泥的主要处置方式包括农业利用[2-3]、卫生填埋[4-5]以及热利用[6-7]等。随着技术的发展和观念的进步，污泥逐渐被看作是资源而并非仅仅是污染物。污泥中的有机物含有大量热值，具有能源化利用的潜力，将污泥处置甚至污水处理过程转变为能量的净产出过程逐渐引起了研究者的兴趣[8]。

污泥能源化利用的途径有消化、热解、气化、燃烧、共燃烧、微生物燃料电池（MFC）等。消化可将污泥中有机质转化为沼气，然后通过燃烧产生热值和发电；热解和气化可以得到燃气和焦油；干化后的污泥的热值与褐煤相当，燃烧可以实现这部分能量的转化和利用；MFC则可直接将有机污染物降解同时产电。能源化利用可同时实现污泥的减量和无害化，转化为稳定的污泥或污泥灰。鉴于污泥能源化利用技术的这些优点，近年来在该方面的研究逐渐增多。本文作者在对污泥性质总结的基础上，对上述能源化利用技术从原理、工艺、产物、污染物排放及控制等方面进行了综述，为污泥能源化利用的研究提供参考。

1 污泥的性质

经过浓缩、脱水、调理、离心或压滤后的污泥通常含水60%～80%，生物活性污泥约含65%的有机物和35%的无机物，消化污泥约含40%的有机物和60%的无机物。城市污水厂污水来源稳定，污泥的主要成分也基本保持稳定。

污泥的能源化技术主要基于污泥中存在有机成分，污泥成分分析可以参照煤炭的工业和元素分析方法进行，指标包括水分、灰分、挥发分、固定碳、碳、氢、氧、氮、硫、热值，这些指标和污泥的热解、气化、燃烧等利用过程以及污染物排放息息相关。

从表1可以看出，干燥污泥中还有少量水分，挥发分的含量超过50%，灰分占到30.8%～40.3%，固定碳含量为3.8%～6.8%。和煤炭相比，污泥中的挥发分和灰分较高，固定碳含量偏低。

从元素角度分析，污泥中碳含量占到30%以上，主要存在于挥发分当中。氧含量和煤炭相比偏高，氮和硫的含量和煤炭中类似。不同来源污泥的干基发热量也有较大的差别，为10～20 MJ/kg。

表1 污泥的工业分析和元素分析

表2 污泥及污泥灰的化学成分 单位：%

由表2可以看出，污泥及污泥灰中的化学成分主要为SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO，其中Fe2O3和CaO主要是不同的沉降过程中加入的絮凝成分。由于处理工艺的不同，还会造成污泥中的磷含量出现较大差别。

重金属主要包括As、Cd、Cr、Co、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、Zn等。不同地区不同来源污泥的重金属含量相差较大，而通常 Zn含量均处在较高水平，如表3所示。污泥中的重金属主要来自于部分生活污水中重金属的富集、部分工业废水的合流进入市政污水处理管网以及管网管道本身的腐蚀等[19]。

在污泥的处置利用过程中，对允许的重金属阈值进行了相关规定，主要是针对重金属的浸出稳定性以及农用时对农作物的危害而做出的限定[20]。在污泥的热解、气化、燃烧等利用过程中，污泥中重金属可能会转化迁移进入气体或残留在灰中[16，21]，应对其迁移和转化给予关注。

采用热解、气化、燃烧等方式进行能源化利用的前提是干化，目前已经开发并应用了一些干化技术，如薄层干燥、带式干燥、流化床干燥、回转窑干燥等[22]，近年来还有一些新的工艺技术，如太阳能干燥[23]、利用烟气余热干燥[24]等。厌氧消化、MFC技术可直接采用污水或剩余污泥作为反应底物，实现产能及污泥的减量化。

2 污泥能源化利用技术

2.1 厌氧消化

厌氧消化指在无氧或缺氧环境下，有机物分解成为沼气的过程。采用厌氧消化处理处置有机物的方法有着悠久的应用历史，最早用于农业堆肥等。在污泥处置过程中，采用厌氧消化可以实现污泥的稳定化，同时可以产生甲烷等燃料气体，有着广泛的应用[25-26]。

通常认为厌氧处理过程经历水解发酵、产氢产乙酸、产甲烷3个阶段[27]。污水处理过程产生的剩余污泥，进入消化设施，通过控制 pH值、营养物比例（主要为 C/N）、含水率、温度、停留时间（SRT）等，实现污泥的稳定化和甲烷等燃料气体的产生[28]。

厌氧消化后产物主要包括气体和固体两部分。气体主要成分包括甲烷、CO、CO2、 H2等，此外还有H2S等，需要在利用前进行分离[29-30]。固体主要为消化污泥，和消化前相比有机质含量降低，灭除了大量有害病菌及微生物，污泥得到了稳定化。

城市污水厌氧处理进入厌氧反应器的污泥COD去除率为40%～50%，产气量为0.8～1.2 m3/kg污泥（无灰基）沼气热值15.9～27.8 MJ/m3[31]。传统的好氧-厌氧水处理工艺在好氧阶段将大量的可溶性有机污染物转化为CO2，该过程耗能一般占到污水处理能耗的50%，且直接产生CO2气体，存在巨大的能源浪费。如果能将好氧段处理的有机物有效回收利用，既可节约能耗又可实现该部分能量回收。因此，有研究者提出完全采用厌氧处理污水中有机物的设想，从而实现净产出能量的愿望[8]，但也存在污水中 COD偏低不适宜厌氧工艺的运行的问题[32]。

厌氧消化工艺成熟，产生的沼气可实现能源化利用，如北京高碑店污水厂沼气发电可满足厂内20%的用电需求[33]。但是，由于投资较高，工艺复杂，运行有一定难度，厌氧消化并未得到很好的普及应用，已建成的消化设施也有部分未正常运行[30]。目前污泥厌氧消化主要还是作为污泥稳定的手段，产生的沼气并没有充分利用[30]，也造成一定的二次污染及能源浪费。消化污泥含水率及有机物含量依然较高，仍需进一步处置[34]。

2.2 燃烧和共燃烧

污泥经脱水干化后，其热值可以达到褐煤的水平，作为燃料进行能源化利用。采用燃烧方式，可以完全消除致病微生物等的危害，实现污泥最大程度的减量化，同时可以回收其中的能量。近年来，采用燃烧方式对污泥进行处置的比例越来越高，该技术得到了迅速的发展和应用。

表3 污泥中重金属含量（干基）单位：mg·kg−1

共燃烧技术指利用现有的燃煤锅炉[35]、垃圾焚烧炉等将污泥和煤、市政垃圾等进行混合共燃。共燃烧的优势在利用了现有的成熟设备和运行操作经验，不需要新的投资和建设。同时，先进的燃煤设备以及垃圾焚烧设备等已经配备了完善的尾气收集处理系统，可以有效控制污染物的排放[19]。在燃煤过程中，当污泥添加量不高于10%时，在热释放以及能量损失方面并没有明显的区别[36]。也有研究表明，当污泥添加量不超过25%时，在为燃煤设计的锅炉中共燃烧污泥，污染物排放不会超出欧盟或德国排放限制的要求[37]。

采用流化床作为燃烧设备的研究和应用较多，是污泥燃烧处理的主要设备。如德国汉堡污水处理厂采用流化床焚烧炉进行污泥焚烧，不需要外加热源，可以为污水厂提供所需电量 60%～100%的热量[38]。我国展开的污泥焚烧和掺烧的研究和应用，也均采用流化床，如杭州七格的100 t/d焚烧示范工程[39]、常州热电的掺烧发电等[40]。

污泥的燃烧和共燃烧过程主要经历干燥、挥发分挥发和燃烧、焦炭的燃烧3个步骤。在燃烧过程中，几个过程相互重叠、同时进行[10，41]。污泥的干燥和挥发分析出在较低温度条件下就开始进行。污泥中的碳主要以挥发分形式存在，燃烧过程以挥发分的气相燃烧为主导[42]。

污泥燃烧及共燃烧过程存在的潜在危害主要是污染气体的排放及灰分的处置。主要污染气体包括SO2、NO2、N2O、HCl、重金属以及一些痕量污染物（二英和呋喃类）等[43-44]。在污泥燃烧燃烧过程中，可以通过控制燃烧温度、停留时间、硫钙比、采用烟气循环技术等实现污染物的减排[19，45]。

在燃烧过程中，重金属部分会转化为气态，其余会留在飞灰及底灰中，还有部分会转化为气态后又在后续的流程当中随飞灰进入固体渣中。研究表明，重金属多数会保留在灰渣及飞灰当中，和这些重金属本身的特性相关。汞由于其高挥发性在燃烧过程中90%以上会转移进入气态当中，虽然在之后的旋风除尘以及电除尘过程中会有部分截留进入飞灰当中，但其仍是进入大气组分中最大的组分，应给予重视[16，46-47]。

污泥单独燃烧以及共燃烧后达到了无害化、减量化的目的。浸出实验及生态毒性实验表明所得的污泥灰的生态毒性较低，但是在农业利用等方面仍需要进一步研究[48]。

污泥的燃烧和共燃烧主要需要关注以下几个问题。

（1）污泥的含水率 污泥的含水是其能源化利用的主要瓶颈。高含水率使得燃烧过程无法实现热平衡，产生的热量不足以蒸发水分及维持燃烧进行。因此如何能不增加成本而降低含水率是一个现实问题。

（2）污染物问题 污泥所含的硫氮有可能造成SO2和氮氧化物排放的增加。呋喃、二英、重金属尤其是汞等的排放也应给予关注。燃烧后产生灰渣的处置应进行相关评估。

2.3 热解和气化

气化和热解主要应用在煤化工领域，用于生产化工原料、清洁能源等[49]。采用热解和气化进行污泥的能源利用是近年来的新技术，目前还没有相关的工业化报道。

热解是在无氧或惰性气体环境下有机物的热分解过程，产生燃气（CH4、H2等）、焦油以及焦炭等。在热解的过程中，污泥中的水分先挥发，随着温度的升高，有机组分逐渐分解成一些大分子碳氢化合物，进而转化为CH4、H2、焦炭等，水分的存在会部分参与反应过程[50]。

影响热解的因素主要包括温度、停留时间、压力、原料特点、湍流特征等[51]。污泥热解的产物主要分为气体、液体、固体三部分，三者的比例范围分别为 10.7%～26.6%、23.5%～40.7%、46.1%～63.0%，其中固体组分会高于测得的灰分所占的比例[52]。气体主要为H2、CO、CO2、CH4、N2，还有一些小分子碳氢化合物，其中可燃气体组分可以占到总气体总体积的 48%～62%[53-55]，热值可达12 000～13 000 kJ/m3[56]。污泥热解产生的液体组分较为复杂，为焦油，包括长链碳氢化合物、芳香烃、脂肪族化合物等[55，57-58]。固体产物为焦炭及灰分，其中有一定含量的重金属，可能会对后续的处置及利用产生影响[50，54，56]。

气化指在一定的温度和压力条件下，通过工艺控制，有机物转化为可燃的合成气的过程。和热解不同的是，气化过程有水和氧气的参与。

气化包括干燥、热解、氧化、还原4个过程[59]。有采用污泥单独气化，也有和其它物质混合气化。和热解不同的是，气化过程的液态产物较少，大约为 5%，主要产物是合成气和灰渣。合成的气体主要为H2、CO、CH4、N2、CO2等，其中可燃气体可占到气体组分的18.5%～41.3%[60-61]。气化过程会产生一些有害气体，主要包括HCl、SO2、H2S、NH3、NO2等，需要在利用之前进行净化[62]。

污泥气化的机理如式（1）～式（8）[63]。

氧化区

还原区

影响气化过程的因素包括温度、催化剂、燃料属性（如粒度、表面特点、含水率、形状、挥发分、含碳量等）[64-65]。气化主要设备有固定床、流化床两大类。通过工艺的优化和控制，实现高效产生可燃合成气的目的。

采用热解和气化方式可以将污泥中的有机组分转化为燃料气体及焦油，进行能源化利用，近年来得到了较多的研究。污泥的热解和气化过程是弱还原条件下的热化学反应过程，和燃烧相比规避了二氧化硫、氮氧化物和氯代化合物的生成等问题，获得的燃气净化后进行利用，避免了燃烧产生的二次污染。热解和气化实现了污泥的最大程度的减量化，但同时，两种技术的工艺过程较为复杂，对运行操作有较高的要求。污泥的高含水率不利于直接利用，需要脱水干化处理。此外，由于污泥的高灰分特征，仍需要对最终灰分的处置进行重金属浸出等评估。

2.4 MFC

MFC（microbial fuel cell）技术是通过微生物作用，将污水中有机物中的化学能直接转化成电能，有机物同时得到降解实现污水的净化，达到污泥能源化和减量的目的。其工作基本原理是：污泥及污水中有机质在微生物作用下降解，产生的电子传递到阳极电极，经过外电路抵达阴极并被阴极的电子受体获取，完成电子传递过程。整个传递过程连续进行，形成持续的电流[66-67]。

MFC反应器主要由三部分组成：阴阳电极、质子交换膜和反应室。电极、交换膜材料以及反应室的构造等都是影响能量转化和污染物降解的重要因素[68]。

电极材料一般为碳纸、石墨、铂、铂黑、网状玻碳电极（RVC）等。反应腔室可用玻璃、聚碳酸酯、树脂。交换膜系统采用离子交换膜、聚乙烯等有机膜、陶瓷隔膜等。电极催化剂采用铂、铂黑、铁离子等[67]。

电池构造有单槽式、双槽式、上流式、堆叠式等。除了反应器结构之外，影响 MFC运行产能的因素主要有微生物种类及底物、生物燃料类型及浓度、离子强度、pH值、温度等[67，69-70]。

目前关于MFC的研究中，直接MFC处理废水同时发电的研究较多[70-71]，关于 MFC技术处理剩余污泥的研究还较少。采用MFC处理污泥，TCOD去除率可达40.8% ± 9.0%，功率密度为13.2 W/m3±1.7 W/m3[72]。

采用MFC技术进行污泥能源化利用可在室温、常压、中性pH值环境下进行，直接产生电能，实现污泥的减量化和资源化，具有诱人的研究和应用前景[68]。但是，目前关于剩余污泥作为 MFC燃料的研究刚刚起步，还存在一些不足之处：MFC产生的电压与输出功率密度均较低，还不能在实际中广泛使用；剩余污泥作为 MFC燃料，有机物利用率较低，污泥减量效果有待提高； 耗时较长，一般需要20天以上；MFC制造成本偏高，如阴极催化剂和阴极以及膜材料等价格较贵。

3 结 语

污泥是目前城市污水处理主要产生的固体废弃物，具有能源化利用的潜力和价值，得到了研究者的兴趣和关注。目前，能源化利用的方式主要有厌氧消化、燃烧和混烧、热解、气化以及 MFC技术等。

燃烧和混烧通过直接燃烧将污泥中有机组分转化为热能释放，在现阶段得到了应用和推广。高含水率是该方法以及热解和气化方法应用的瓶颈之一，是污泥处置从耗能转变为产能过程的障碍。同时，气态污染物以及重金属的排放问题应予以重视。无论采用何种方式，最终都会有灰分产生，应对灰分的处置进行相应的评估。

热解和气化技术可将污泥中有机质转化为燃气和焦油等，进而能源化利用，目前得到了广泛的研究，但尚未实现工业化的应用。热解和气化过程相对复杂，设备及工艺还需进一步的研究。两种技术产生的合成气需要净化后利用，以避免二次污染。

厌氧消化和 MFC技术均是通过微生物作用实现污泥的减量和能源的产出，具有诱人的应用前景。目前厌氧主要作为污泥稳定化的手段，产能尚未充分利用。MFC技术存在输出功率过低、投资过大等问题。此外，两种技术只能实现污泥减量，仍存在污泥后续处置的问题。

综上所述，污泥的能源化利用是污泥处理处置的发展方向，越来越多地引起人们的关注和重视，虽然目前各种技术还都存在一些缺点，但具有广阔的发展和应用前景。

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