污泥微波熱裂解處理技術的研究進展

于俊清　于穎

摘 要:在可持續發展和環境保護大背景下,傳統的污泥處理方法已不能滿足需要,亟待探尋新的污泥處理技術。本文概括總結了污泥微波熱裂解技術,并對工藝優化和熱解氣體、液體、固體資源化利用進行了分析。

關鍵詞:污泥微波資源化

中圖分類號:X26 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)07(c)-0044-01

1 引言

隨著我國城市化水平的提高,污水處理廠數量及其處理水量也大幅度增長,然而污水處理過程伴隨有大量污泥產生。在填埋和焚燒為主的傳統方法下,污泥并沒有得到最佳處置,其中焚燒法雖然減量效果最顯著,但同樣產生二次污染問題,不再符合現行的環保要求。

污泥微波熱裂解技術是采用微波技術,利用其不需任何熱傳導過程,加熱速度快且均勻,沒有額外熱量消耗、能效高,時間僅需傳統加熱方式幾分之一或幾十分之一的特點[1],將有機物熱解成利用價值高的燃氣、燃油及焦炭,實現了污泥資源化利用。

2 污泥性質及熱解機理的研究

污泥是污水處理中產生的含水率很高的絮狀(或固態、半固態、液態)泥粒廢棄物,成分復雜,含有大量微生物,細菌,重金屬及有毒、有害、難降解的合成有機物[2]。同時,污泥含有脂肪、蛋白質、糖類和纖維素等大分子物質,含氮量高,具有較高熱值。

污泥熱解可采用傳統熱解法和微波熱解法。目前熱解機理尚未明確。一般認為200～450℃時脂肪族化合物蒸發,300℃以上蛋白質轉化,390℃以上開始糖類化合物轉化,主要轉化反應是肽鍵斷裂,基團轉移變性及支鏈斷裂[3]。

3 微波技術機理及特點

微波是一種頻率為300MHz～300GHz的電磁波[4]。微波加熱物質主要通過三種機制[5]:(1)極性分子在微波場作用下,原來雜亂無章的分子隨之快速改變方向,分子或原子電子云發生偏移導致偶電極發生運動,呈現正負極性,由于電磁場的變化速度高達24.5億次,高速輪擺運動使分子摩擦產生熱能;(2)磁性物質在微波場中組分發生變化,這種變化的遲滯作用產生熱能;(3)導電性材料在微波作用下產生電流,電流的流動產生熱能。

由于微波并非從物質表面開始加熱,而是從各方向均衡地穿透物質后均勻加熱,因此與傳統加熱技術相比具有以下優點:(1)高效快速;(2)節能省電;(3)熱源與加熱材料不直接接觸;(4)能進行選擇性加熱;(5)便于控制;(6)設備體積小且無廢物生成[4]。

4 微波熱解污泥技術的研究及工藝優化

近年來,Domínguez和Menéndez等人首先嘗試污泥微波熱裂解,對西班牙不同城市污泥微波熱解的效果及產物分布、組分、結構與性能等方面進行了詳細的研究探討,并分析了污泥微波熱解機理。同時,研究者采用活性炭作吸波介質,對比了微波加熱與常規加熱對污泥熱解產物的影響,發現微波熱解產生的H2和CO均比常規熱解高,而且有害物質少,熱解油中幾乎不含致癌性PAHs[4]。

為進一步提高污泥資源化利用潛質,有必要對其微波熱解工藝進行優化。

4.1 污泥熱裂解氣相產物

污泥熱解氣體主要成分是CO₂、CO、H₂、H₂O、N₂、CxHy[3],其中水煤氣(H₂+CO)含量較高,最高達70%左右。水煤氣不僅可直接用于熱解系統自身供熱,還可作為管道煤氣用于城市供暖或化工原料用于工業生產。

在微波場作用下,250～350℃時CO2為主要氣體,450℃時獲得最大量的C2H4和C2H6,600℃時獲得最大量的CH4。隨著溫度繼續上升,部分大分子有機物發生二次裂解。總體來看,H2產率呈現先逐漸增高后略有下降的趨勢,而CO產率則先減少后增多[4]。

欲獲取較多的熱解氣,微波功率宜大,微波輻照時間宜長,以期在短時間內達到較高溫度,并保持足夠的高溫時間,促進有機物二次裂解從而產生更多氣體。

4.2 污泥熱裂解液相產物

污泥經過微波熱裂解產生的液體,主要產物為水、水溶性有機物和疏水性有機物,其中水占主要部分,而利用價值最高的是熱解油。熱解油成分復雜,多達70多種物質,主要為脂肪族類化合物和單苯環類化合物,稠環類化合物含量相對較低,由此推論微波熱解生成的PAHs較少。熱解油的潛在能源價值不可忽視,其熱值高于原煤,接近天然氣和石油。若熱解油作為柴油使用,可采用微乳液法或催化加氫法改性。

隨著微波作用時間的延長,溫度隨之上升,污泥中部分大分子有機物會發生進一步裂解,降低油品產率,因此微波輻照時間不宜過長。

4.3 污泥熱裂解固相產物

污泥熱解的固體產物主要由灰分和固定炭組成,含有C、SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃等[5]。熱解產物中的重金屬固定化效果好,不會對環境造成二次污染。污泥活化后微波熱解產生的活性炭,孔徑分布以大孔和中孔為主,具有較好的吸附和脫色能力。

污泥微波熱解制備活性炭,其吸附能力受微波功率影響最大,其次是輻照時間,最后是污泥粒徑,因此,微波熱解的溫度不宜過高,微波輻照時間不宜過長,以保證固相產物產量。

5 結語

微波熱裂解污泥技術可實現污泥資源化利用。熱解氣中水煤氣占一半以上,可作為潔凈的燃料氣使用;熱解油主要成分是脂肪族類化合物和單苯環類化合物,可作為燃料油使用;熱解殘炭可制活性炭。

然而,污泥微波熱裂解技術真正實現工業化運用還需解決以下問題:(1)污泥熱解機制尚不明確,在工業生產控制上存在障礙;(2)微波熱解工藝最優化程度不夠,需要設計出針對氣、液、固三種產物不同的工藝條件;(3)微波熱解氣體氣味難聞,存在有害物質 [6],因此難聞氣味和有害物質的去除是工業化生產面臨的重大問題。隨著研究進一步深入,污泥微波熱裂解技術的優勢會愈發突出,在資源化利用上將會得到更廣泛應用。

參考文獻

[1] 張襄楷,季會明,范曉丹.微波法制備污泥活性炭及其脫色性能的研究[J].維普資訊,2008.

[2] 霍鵬,陳亞鵬,何曉云等.城市污泥資源化及污泥活性炭綜合利用[J].河北化工,2009.

[3] 易玉敏,寧平,翟廣飛等.污水污泥裂解技術研究進展[J].云南化工,2008.

[4] 夏莉.微波熱解污泥及其產物組分的分析(碩士學位論文).大連理工大學,2008.

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

[6] 范恒亮,張雙全,殷志源等.污水污泥熱解產物的研究進展.[J].環境科技,2010.