1 引言
污泥作為污水處理的伴生物，占污水總量的0．5％～1％。據(jù)統(tǒng)計，我國城市污水處理廠每年污泥發(fā)生量(干重)約為130萬 t，且以每年10％的速度增長[1]。污泥如果處置不當(dāng)則會產(chǎn)生二次污染，對環(huán)境和人類造成很大的危害。因此，尋找和探索城市污泥無害化、資源化途徑，已成為污水處理行業(yè)亟待解決的一個重要課題。污泥中含有近40％的有機(jī)生物質(zhì)，具有可燃性，所以污泥既被視為廢棄物，又被視為一種生物質(zhì)資源。合理利用污泥發(fā)電已成為污泥有效利用的一個新的發(fā)展趨勢。污泥發(fā)電不但可以實現(xiàn)污泥安全處理，同時還可以從污泥中抽取能量，替代部分化石燃料，即節(jié)約資源和能源，又保護(hù)環(huán)境，有利于促進(jìn)我國向可持續(xù)的循環(huán)型社會的轉(zhuǎn)變。
2典型的污泥發(fā)電工藝污泥發(fā)電主要有以下2種方式：
(1)污泥燃料燃燒發(fā)電。
(2)污泥厭氧消化產(chǎn)生沼氣發(fā)電。
2．1污泥燃料燃燒發(fā)電
2．1．1 污泥焚燒發(fā)電原理污泥焚燒是在一定溫度和氧氣存在條件下，使污泥中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生燃燒反應(yīng)，生成C02、HzO、Nz等。焚燒處理的產(chǎn)物是灰渣和煙氣[2]。污泥的低位熱值與其可燃分(揮發(fā)分)的含量、含水率和可燃分的熱值有關(guān)，如下式所示。
CV, 污泥揮發(fā)分的熱值，MJ／k。根據(jù)上式計算得燃燒最高限含水率為67．7％，超出了一般污泥機(jī)械脫水設(shè)備的水平，因此直接以脫水污泥為燃燒處理對象的焚燒爐，大多需要使用輔助燃料。污泥燃料有多種形式，如將濕污泥與煤粉、重油等燃料一起混合形成的污泥燃料；污泥與城市有機(jī)垃圾混合形成的污泥燃料；濕污泥干化后形成的污泥燃料。污泥燃料燃燒所釋放出的熱能通過熱回收系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，見圖l。
2．1．2污泥燃料焚燒發(fā)電應(yīng)用實例以污泥燃料焚燒為核心的污泥發(fā)電是一種很好的處理污泥方法，污泥焚燒具有減容、減重率高，處理速度快，無害化較徹底，余熱可用于發(fā)電，焚燒后產(chǎn)生的灰渣可以用于改良土壤、筑路、制磚瓦、陶瓷、混凝土填料等優(yōu)點。漿狀污泥燃料可以通過管道用泵輸送，美、日、英的污泥燃料多為固態(tài)顆粒狀[3]。美國近200家污水處理廠采用焚燒方式處理污泥，占全美處理總量的20％ [4]。日本東京電力公司、東京政府和生物燃料公司用下水道污泥發(fā)電，2007年正式投入運行，東京每年產(chǎn)生130萬t下水道污泥，其中9900t污泥制成燃料污泥送火力發(fā)電廠發(fā)電。1998年，英國倫敦開始將污泥進(jìn)行脫水、干燥、粉碎，然后利用污泥燃燒的熱能作為能源進(jìn)行發(fā)電。
2005 年，浙江紹興采用具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的“煤助燃循環(huán)硫化床”技術(shù)興建了國內(nèi)首座污泥焚燒發(fā)電大型示范項目，日處理污泥1500t以上，污泥處理價格為 80元／t，年上網(wǎng)電力2．66×10^8kW·h，供蒸汽150t／h。1天可節(jié)約原煤450t，相當(dāng)于每年節(jié)約原煤13．5萬t。2006年，浙江省富陽市某污水處理廠將污泥(600t／d)焚燒發(fā)電，焚燒灰渣制成建材替代紅磚。2007年1月，寧波污泥處理一期工程已正式投運。該工程日處理污泥 400t，年發(fā)電量達(dá)730萬kW·h。2007年6月在合肥投產(chǎn)運行的污泥發(fā)電供熱項目，日產(chǎn)污泥300t，燃燒后灰渣用作修路。可見，國外的污泥發(fā)電技術(shù)已基本成熟，國內(nèi)污泥發(fā)電技術(shù)處于成長階段，工程方興未艾。
2．2污泥厭氧消化產(chǎn)生沼氣發(fā)電
污泥消化可以抑制病菌，改善污泥的衛(wèi)生狀況；脫水后的消化污泥還可作為發(fā)電廠或水泥廠的輔助燃料。污水處理廠污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣，主要組分為CHt和 C02，以及H2S、氨等微量有害氣體。與其他燃?xì)庀啾龋託馐且环N性能優(yōu)良的清潔燃料[5]。沼氣發(fā)電以其低排放、低污染、節(jié)約能源、廢物資源化等優(yōu)點而倍受關(guān)注，開發(fā)沼氣發(fā)電成為建設(shè)綠色環(huán)保工程的一項重要措施。利用污泥消化產(chǎn)生的沼氣發(fā)電，發(fā)電設(shè)備主要有兩種：一種是燃?xì)鈾C(jī)一發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；另一種是污泥厭氧消化產(chǎn)生沼氣通過改質(zhì)器轉(zhuǎn)化為氫氣，經(jīng)燃料電池發(fā)電。
2．2．1燃?xì)鈾C(jī)一發(fā)電機(jī)系統(tǒng)消化氣體發(fā)電設(shè)備的系統(tǒng)流程見圖2。消化氣經(jīng)精制(脫硫、除濕、脫碳酸)后送人燃?xì)鈾C(jī)燃燒，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。同時，以水為熱介質(zhì)將燃?xì)鈾C(jī)所排出的高溫尾氣余熱回收，加熱消化池。消化氣中硅氧烷在燃燒室內(nèi)燃燒時損害燃?xì)鈾C(jī)的零件和排氣脫氮用觸媒的耐久性，影響消化氣體發(fā)電設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和可靠性[6]。因此，沼氣在進(jìn)入發(fā)電機(jī)前，須進(jìn)行凈化處理，采用活性炭吸附技術(shù)可保證凈化后沼氣含Si有機(jī)物濃度<o．6mg／I。。消化后污泥經(jīng)脫氣、濃縮、脫水后外運送往焚燒場或電廠和水泥廠作為輔助燃料焚燒，或農(nóng)用堆肥。
德國城市污水處理廠對污泥處理有85．4％以上采取中溫厭氧消化，利用產(chǎn)生的甲烷發(fā)電，基本保證了污水處理廠的供電要求。如：德國KA— helmstedt(sewagen treatment plant helmsstedt)污水處理廠(處理污水10×104t／d)污泥發(fā)電系統(tǒng)r7l。污泥消化后產(chǎn)沼氣6000m3／d，其熱值為23MJ／m3。年發(fā)電量120×104kW·h，相當(dāng)于污水處理廠全年運行耗電量的90％～95％，同時還可滿足處理工藝中的供暖及冬季全廠車間、辦公室的供暖。海口市白沙門污水處理廠借鑒了德國處理污泥的經(jīng)驗和技術(shù)Is,9]。該廠消化池產(chǎn)氣量為4800～6000m3／d。發(fā)電量相當(dāng)于廠內(nèi)平均用電量的27％，每月節(jié)省電費約15--一18萬元。沼氣發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的廢熱用于加熱消化池中污泥，在正常運行的2、3月產(chǎn)生的廢熱用于加熱污泥后仍有剩余。北京高碑店污水處理廠，日處理污水100萬m3，日產(chǎn)污泥4000m3，全部進(jìn)行高溫消化處理，沼氣產(chǎn)量1．8萬m3／d。按沼氣發(fā)電1．7kW·h／m3計算，每天發(fā)電量為3萬kw·h，1年節(jié)約電費500萬元。年發(fā)電量近1000萬kW·h，相當(dāng)于5000戶家庭1年的用電量。2006年北京小紅門污水處理廠污泥發(fā)電裝置建設(shè)完成，2007年開始利用污泥發(fā)電。小紅門污水處理廠是北京第二個裝備“污泥消化、沼氣發(fā)電”系統(tǒng)的污水處理廠，每天可從約2000m3污泥中提出沼氣，年最高發(fā)電量1．8萬kw·h。
2．2．2 沼氣凈化后通過燃料電池發(fā)電燃料電池是利用氫和氧化合產(chǎn)生電能的裝置[1 0|。見圖3。
使甲烷轉(zhuǎn)換成氫氣的改質(zhì)器是燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一。
近年來，日本政府在推行“有機(jī)質(zhì)資源高效能源轉(zhuǎn)換技術(shù)開發(fā)”工程(High Efficiency BioenergyConversion Projeet)的基礎(chǔ)上，通過將燃料電池與沼氣發(fā)酵系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在同一系統(tǒng)中的技術(shù)手法，實現(xiàn)了污泥高效發(fā)電。從2002年日本政府頒布新能源政策基本法以來，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)先后在日本各地資助了多項以污泥為原料的生物質(zhì)高效發(fā)電工程的建設(shè)L11l。其中，頗具代表性的為山形市水道部凈化中心以下水道污泥為原料，通過沼氣發(fā)酵方式制造沼氣，進(jìn)而通過利用燃料電池，實現(xiàn)污泥高效發(fā)電，系統(tǒng)流程見圖4。
東芝公司和橫濱市下水道管理局合作，先將污泥厭氧消化處理，所得沼氣(含甲烷60％～80％)經(jīng)干式脫硫和活性炭吸附凈化后，送往燃料電池系統(tǒng)的改質(zhì)器。沼氣產(chǎn)出量為90m3／h。磷酸型燃料電池 PC257m心，功率200kW。此種燃料電池可用于含甲烷、C02的低熱值(22～25Ml／m3)的沼氣發(fā)電。美國政府積極支持沼氣燃料電池的商業(yè)應(yīng)用，并給予政府補(bǔ)貼。目前，美國已有多家下水道污泥處理場引進(jìn)燃料電池技術(shù)，并建成投產(chǎn)。紐約州NYPA電力公司沼氣產(chǎn)出量3000m3／d。加州一項同類工程，沼氣量4000m3／d，其燃料電池產(chǎn)生的熱氣體，返回用于加熱厭氧消化罐。在馬薩諸賽州和俄勒岡州也有類似裝置。國內(nèi)還未見工程應(yīng)用實例。
3 3種工藝比較
利用污泥進(jìn)行發(fā)電的3種工藝各具優(yōu)缺點，城市污水處理廠3種方案的基本性能指標(biāo)見表1。
4結(jié)果與討論
我國城市污水處理廠每天產(chǎn)生大量的污泥，給城市環(huán)境帶來沉重的壓力。以往的處理方式日益顯示其弊端，將污泥轉(zhuǎn)化成能源用于發(fā)電供熱，符合我國新時期循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的要求，符合我國“十一五”節(jié)能減排的要求，更可為短缺的能源現(xiàn)狀開辟蹊徑，減輕甚至避免對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。污泥發(fā)電是目前處理污泥最理想的途徑，3種污泥發(fā)電工藝各具優(yōu)缺點，在工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實際需要，依據(jù)現(xiàn)場條件，綜合考慮運行費用的前提下，因地制宜地選擇合理的發(fā)電技術(shù)。雖然污泥發(fā)電的基本建設(shè)總投資比燃煤和燒油發(fā)電高，但一旦將環(huán)境成本內(nèi)化，并合理實施鼓勵新型能源及可再生能源的財政、稅收、信貸政策，與發(fā)達(dá)國家看齊，鼓勵全社會積極參與固體廢棄物利用事業(yè)，污泥發(fā)電技術(shù)將非常具有優(yōu)勢。
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