郭志新^{1，2，3}

　　(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司節(jié)能分院，北京100013；2.煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，北京100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京100013)

　　摘要：為了減輕市政污泥對環(huán)境的污染，實現(xiàn)污泥的資源化利用，闡述了國內(nèi)外污泥處置的現(xiàn)狀，介紹了污泥與煤摻混制備污泥水煤漿、與煤(半焦)摻混制備成型燃料以及與植物秸稈摻混造粒制備燃料制備生物質(zhì)燃料的研究現(xiàn)狀。結(jié)果表明，污泥制備生物質(zhì)燃料可以充分利用污泥中有效熱值，既可以代替少量煤炭，還為污泥合理利用提供有效的技術(shù)途徑。分析了污泥制備生物質(zhì)燃料還存在規(guī)模小、能耗高、工藝復(fù)雜以及燃料熱值低等問題，同時針對這些問題提出了應(yīng)加強(qiáng)污泥深度改性制備高濃度燃料水煤漿、污泥與燃料秸稈造粒及污泥與煤(半焦)制備成型燃料所用高效黏結(jié)劑的開發(fā)、污泥在成型前的脫水干燥、成型燃料的防水處理以及污泥制備生物質(zhì)燃料的工業(yè)化等方面的研究，以加速污泥制備生物質(zhì)燃料的工業(yè)化應(yīng)用。

　　0引言

　　城市污泥是污水廠在處理城市生活污水和工業(yè)廢水過程中產(chǎn)生的帶有大量污染物的污水處理副產(chǎn)物。隨著我國污水處理率快速增長及由此帶來的污泥產(chǎn)量迅速增加，市政污泥已達(dá)年3000萬t以上(含水率80%)。

　　從外觀上看，城市污泥是呈黑色或黑褐色的流體狀、半流體狀或泥餅狀的絮凝體。特點是含水率很高，可達(dá)25%~98%，體積龐大，成分復(fù)雜。污泥中含有泥砂、纖維、動植物殘體等固體顆粒及其凝結(jié)的絮狀物，含有大量的有機(jī)物質(zhì)(主要為苯、氯酚等)、有毒有害重金屬、病原微生物、寄生蟲卵、鹽類以及放射性核素等難降解物質(zhì)，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。目前國內(nèi)外對污泥的處理方法以填埋為主，但日益增長的污泥產(chǎn)量不僅占用土地，也對地下水質(zhì)造成污染；焚燒減量明顯，是國際上污泥處理的方向之一，但建設(shè)焚燒爐初次投資大、運行成本高。

　　因此，如何對城市污泥進(jìn)行有效處理與處置，是急需解決的問題。由于污泥含有的大量有機(jī)物具有一定熱值(干基高位熱值為8~10MJ/kg)和豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，將污泥進(jìn)行資源化利用，對實現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化、無害化具有重要意義。目前開發(fā)的污泥資源化利用方式主要有作為土地利用、建材利用和制備生物質(zhì)燃料3種，其中制備生物質(zhì)燃料就是將污泥與工業(yè)、農(nóng)業(yè)廢棄物或清潔燃料摻混制成熱值較高的燃料用于鍋爐燃燒，是污泥資源化利用的主要方式。

　　污泥制備生物質(zhì)燃料主要是利用污泥具有較低的熱值不能直接燃燒的特性，將其與可燃物混合制備生物質(zhì)燃料作為能源使用，既充分利用了污泥的熱值，又有效降低污泥處理的成本，是污泥無害化、資源化的有效途徑。為此，國內(nèi)外學(xué)者對污泥的制備生物質(zhì)燃料進(jìn)行了大量的研究。國外污泥主要用于土地利用、填埋和焚燒，資源化利用較少，國內(nèi)對污泥的資源化利用剛剛起步研究。因此，本文綜述了國內(nèi)外污泥處置的現(xiàn)狀，介紹了污泥制備生物質(zhì)燃料的研究現(xiàn)狀和存在問題，提出了污泥制備生物質(zhì)燃料的發(fā)展方向。

　　1國內(nèi)外污泥處置現(xiàn)狀

　　1.1國外污泥處置現(xiàn)狀

　　目前國外對污泥處理方法主要有農(nóng)業(yè)利用(肥料、飼料)、填埋、干化焚燒和填埋投海等。西方發(fā)達(dá)國家經(jīng)濟(jì)雄厚，技術(shù)先進(jìn)，污泥處理程度較高，例如，西歐主要以間接熱干化為主，美、英以填埋、農(nóng)用為主，而日本主要采用焚燒。歐洲如德國、荷蘭等國建有大型污泥預(yù)干化廠，預(yù)干化的污泥含水量達(dá)60%后，進(jìn)入電廠焚燒或堆肥農(nóng)用，實現(xiàn)能源再利用。據(jù)統(tǒng)計，目前世界上7個發(fā)達(dá)國家的污泥處置中，土地利用占9%~54%，填埋占16%~55%，焚燒占15%~55%，其他占0~8%。日本在1999—2008年間，下水污泥產(chǎn)量以及相應(yīng)的處理與處置方式所占比例的變化如圖1所示。

　　日本污泥的處理與處置方式分為處置(填埋露天堆放、其他處置方式)和資源化利用(建材、農(nóng)田、綠地、燃料)2類。日本資源和能源缺乏，非常重視污泥的資源化和能源化利用，因此，近年來資源化利用的比例上升較快，到2008年達(dá)到了77.9%。主要是將污泥中的有機(jī)成分用于農(nóng)業(yè)綠地(肥料和土壤改良劑)和能源化(生物質(zhì)氣體、固體燃料化等)利用，無機(jī)成分則用于建材利用。于2010年建成了5t/d的低成本污泥發(fā)電技術(shù)^[1]。

　　1.2國內(nèi)污泥處置現(xiàn)狀

　　在我國，由于經(jīng)費和技術(shù)的原因，目前污泥尚無合理的出路，還是以填埋、堆放為主。據(jù)統(tǒng)計，中國污泥處置現(xiàn)狀是：農(nóng)用占44.8%，填埋占31%，其他占10.5%，未處置占13.7%。有資料表明，建成的污水處理廠中90%以上沒有污泥處理的配套設(shè)施。在一些地方，由于濫用污泥，致使重金屬、有機(jī)物以及病蟲害等直接危及人體健康，造成對環(huán)境的二次污染。

　　由于填埋不僅造成土地緊張，還對土地、海洋資源造成污染，因此污泥填埋所占的比例正逐年下降。焚燒減量明顯，是國際上污泥處理的方向之一，但污泥自身熱值較低，通常不能直接燃燒，目前存在投資、運營成本高以及污染環(huán)境等問題^[2]，仍處于起步階段。隨著環(huán)保政策的日益嚴(yán)格，國內(nèi)也在嘗試污泥的資源化利用，包括將污泥適當(dāng)處理后作為土壤改良劑和堆肥等土地利用，作為制磚、水泥和新型材料等建材利用以及作為燃料、發(fā)電、造氣等能源化利用。利用污泥的超細(xì)顆粒和有一定熱值的特性，將污泥與農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈、煤炭等摻混制備生物成型燃料或燃料水煤漿，是污泥燃料化的有效利用方式。

　　2國內(nèi)污泥燃料化技術(shù)現(xiàn)狀

　　隨著污泥產(chǎn)量的迅速增加及對環(huán)境產(chǎn)生的惡劣影響，污泥資源化利用日益受到關(guān)注。近年來國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對污泥制備生物質(zhì)燃料進(jìn)行研究，主要有污泥與煤、農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈混合制備成型燃料、污泥與煤混合制備燃料水煤漿等。由于這方面的研究剛剛起步，因此，大多停留在實驗室研究階段。

　　2.1污泥與煤、農(nóng)業(yè)秸稈混合制備成型燃料技術(shù)

　　污泥自身水分高、熱值低，直接燃燒困難，將污泥與煤、農(nóng)業(yè)廢棄物混合直接燃燒或成型燃燒是改善污泥燃燒特性的行之有效的方法。

　　為了解污泥與農(nóng)業(yè)廢棄物的燃燒特性，武宏香等^[3]采用熱天平反應(yīng)裝置，研究了煤、木屑和污泥混合物的著火溫度、燃燼溫度等燃燒特性，結(jié)果表明，污泥單獨燃燒性能較差，加入煤或者木屑共同燃燒時，其綜合燃燒特性指數(shù)增加，燃點提高，燃燼溫度下降，燃燒性能得到改善，證明污泥與生物質(zhì)廢棄物混合燃燒是污泥資源化利用的好方式。

　　張長飛等^[4]將含水率為80%左右的2種污泥與煤和木屑混合用壓濾機(jī)在一定壓力下制備成具有一定強(qiáng)度和熱值的污泥成型燃料，并對成型燃料進(jìn)行熱重試驗。結(jié)果表明，2種污泥成型燃料熱解過程均為干燥階段、揮發(fā)分析出階段、燃燒階段及燃燼階段。木屑與污泥制備的成型燃料燃燒速率最大溫度比污泥與煤粉制備的成型燃料低約100K。

　　污泥與秸稈、適量添加劑混合后制備成型燃料的目的是提高燃燒熱值及熱能。成型時需要添加多種添加劑，主要由使成型燃料易于著火的引燃劑、改善成型燃料孔隙率的疏松劑、促進(jìn)碳粒完全燃燒的催化劑、保證成型燃料固化效果的固化劑以及減少成型燃料燃燒中臭味污染的除臭劑等^[5]。

　　在上述實驗室研究的基礎(chǔ)上，趙培濤等^[6]在處理量24t/d的中試試驗平臺上進(jìn)行了污泥制備生物質(zhì)燃料的試驗。試驗原材料為含水率82.4%的污泥、木屑、稻草、麥稈和梧桐樹葉，同時添加少量引燃劑苯甲酸和鐵離子鈣離子作為調(diào)理劑。以上述原材料制備生物質(zhì)燃料的工藝流程如圖2所示。

　　該工藝不需要將污泥單獨烘干，而是通過添加少量化學(xué)藥劑和秸稈等生物質(zhì)，改變污泥中水分子的狀態(tài)，通過脫水、造粒自然干燥等步驟，直接將濕污泥制成含水率45%左右、熱值為3260kJ/kg的生物質(zhì)燃料。該燃料經(jīng)過熱天平燃燒試驗表明，燃點活化能低，易點燃，可以在較低的溫度內(nèi)完全燃燒，燃燒性能較好，可以作為替代燃料使用。

　　2.2污泥與煤摻混制備燃料水煤漿技術(shù)

　　水煤漿是煤與適量水及添加劑混合后經(jīng)過超細(xì)研磨制備成的流體燃料。利用污泥具有超細(xì)顆粒、高含水量及具有一定熱值的特性，將污泥與煤摻混制備污泥水煤漿代替燃料燃燒，既可以充分利用污泥的熱值和水分，又可以節(jié)約少量制漿用煤和用水，還可以節(jié)約污泥的高額處置費用。為此，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了污泥與煤摻混制備污泥水煤漿的研究。

　　1)污泥水煤漿制備技術(shù)

　　戴財勝等^[7]在污泥中加入煤粉，利用污泥重力脫水的原理，使污泥中水與污泥分層，達(dá)到污泥濃縮脫水的目的。結(jié)果表明，污泥水的固含量由脫水前的8.87%增至23.65%，而污泥含水率由91.23%降至76.35%，這樣為污泥與煤混合制備性能優(yōu)良的污泥煤漿，實現(xiàn)污泥的資源化利用提供了有利條件。

　　王健^[8]將含水率大于80%的污泥經(jīng)堿液改性后與兗州煤摻混并添加適量分散劑和穩(wěn)定劑制備污泥煤漿，考察了污泥不同添加量對水煤漿的成漿濃度、流變性及穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，污泥添加量為10%，可以制備出濃度60%、具有較強(qiáng)假塑性的污泥水煤漿。姚杰等^[9]研究了3種污泥添加淮南煤和少量添加劑制備污泥水煤漿。

　　結(jié)果表明與單種煤相比，3種污泥制漿濃度降低3%~4%，污泥添加量不大于2%，只有污泥原漿(固含量僅2%左右)的添加量可以達(dá)到10%，但煤漿濃度降低較多，對水煤漿燃燒或氣化會有影響。王睿坤等[10]將污泥(含水率72%)與兗州煤摻混制備污泥煤漿，研究了污泥添加量、添加劑種類、剪切速率等對成漿特性的影響。研究表明，隨污泥添加量的增加，污泥水煤漿的黏度增加，成漿濃度下降，在污泥添加量為15%時，水煤漿濃度比不加污泥的水煤漿濃度(69%)下降9%，僅為60%左右；污泥添加量較低時，石油磺酸鹽的分散性較強(qiáng)，而污泥添加量較高時，3種添加劑的分散作用相當(dāng)。

　　上述污泥制漿技術(shù)研究結(jié)果表明，由于污泥的高含水率和膠體結(jié)構(gòu)，造成直接與煤混合制備的煤漿濃度過低，而且污泥添加量過少。因此，若在污泥制漿前進(jìn)行改性處理，可以破壞污泥的膠體結(jié)構(gòu)，將污泥中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)水釋放成為自由水，減少制漿用水添加量，提高煤漿的濃度，改善污泥煤漿的特性。

　　國家水煤漿工程技術(shù)研究中心多年來為拓寬制漿用煤來源，減輕污泥、污水等對環(huán)境的污染，降低制漿成本，致力于開發(fā)污泥制備水煤漿的研究，取得了2種污泥制漿技術(shù)成果^[11-12]。一種技術(shù)是先用堿性廢液如造紙廢液對污泥進(jìn)行改性，使污泥變?yōu)榱鲃有暂^好的液體，然后將改性污泥與煤粉混合制備污泥水煤漿；用潞安煤和兗州煤制漿時，污泥煤漿的成漿濃度可以達(dá)到61%~64%，污泥添加量高達(dá)20%，同時污泥煤漿具有較好的流動性和穩(wěn)定性，不需額外加入穩(wěn)定劑。另一種技術(shù)是為提高污泥制備的煤漿的濃度而開發(fā)的，即先將污泥用堿性物質(zhì)(廢液或化工原料)進(jìn)行一級改性，然后將此改性污泥送入流體激波器對污泥進(jìn)行二級改性，經(jīng)過二級改性的污泥具有非常好的流動性，這項技術(shù)正在燃料漿生產(chǎn)線上試用。

　　2)污泥水煤漿燃燒特性

　　為了解污泥水煤漿的燃燒特性，很多學(xué)者研究了污泥水煤漿的燃燒特性。王丹^[13]研究了污泥水煤漿的燃燒特性，結(jié)果表明，污泥水煤漿比普通水煤漿有較低的著火溫度，說明污泥水煤漿的燃燒性能更好。朱建航[14]研究了3.2MW臥室爐中對污泥的燃燒特性，結(jié)果表明，污泥摻混10%制備的污泥水煤漿著火容易，爐膛火焰分布均勻，可以穩(wěn)定燃燒，其燃燒特性和結(jié)渣特性均好于大同煤制備的水煤漿。污泥水煤漿的燃燒特性主要是因為污泥自身的揮發(fā)分高、燃點低，因而用其制備的水煤漿比不添加污泥的水煤漿更易點燃和燃燼。

　　3污泥摻混制備燃料技術(shù)存在的問題

　　近年來，隨著環(huán)保部門對環(huán)境要求日益嚴(yán)格，相關(guān)工作者開發(fā)了很多污泥摻混制備燃料技術(shù)。但由于污泥具有持水量高、灰分高、熱值低、成分復(fù)雜、黏性大、不易降解的特性，造成開發(fā)的污泥摻混制備燃料技術(shù)雖然有了一定的進(jìn)展，但還存在很多問題，技術(shù)大多停留在實驗室研究階段。對污泥摻混制備燃料技術(shù)進(jìn)行了歸納，存在的問題主要有：

　　1)污泥與秸稈或煤炭等摻混制備污泥成型燃料時，由于污泥水分太高，在利用前需要烘干。由于秸稈屬于高纖維物質(zhì)且水分也較高，必須先將秸稈晾曬或烘干，然后粉碎成細(xì)粉，最后與污泥或煤炭摻混經(jīng)高壓成型制備型煤或成型顆粒燃料，這就造成了污泥烘干所需熱能的消耗；污泥與秸稈或者煤摻混后成型或造粒存在成型率低、強(qiáng)度低、不防水、在運輸和使用過程中易于粉化等問題。

　　2)污泥與煤摻混制備水煤漿時，由于污泥的高黏性、高持水量以及低熱值等特性，造成污泥直接制漿存在污泥添加量少(一般不超過10%)、污泥煤漿成漿性差、濃度低、黏度高以及熱值低等問題。

　　3)盡管污泥摻混制備生物質(zhì)燃料技術(shù)研究成果僅停留在實驗室階段及半工業(yè)性試驗階段，在工業(yè)生產(chǎn)線上進(jìn)行污泥制備成型燃料和制備污泥煤漿以及對其產(chǎn)品燃用基本上屬于空白。

　　4展望

　　1)加強(qiáng)污泥干化(脫水)方法研究。由于污泥中含有很多絮凝劑，造成其持水率高，其含有的高分子化學(xué)物質(zhì)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將水分緊密包裹其中，很難釋放出來。這是造成直接用污泥制備水煤漿時，煤漿濃度偏低的主要原因之一。因此，應(yīng)研究降解污泥中高分子化學(xué)物質(zhì)方法，通過不烘干方法來釋放污泥中的水分。

　　2)繼續(xù)進(jìn)行污泥與秸稈摻混制備成型燃料的研究。我國農(nóng)作物秸稈資源豐富，產(chǎn)量為6億~7億t/a，折合3億tce。由于尚未找到合理利用秸稈的有效途徑，秸稈就地焚燒，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。將秸稈與煤摻混制備成型燃料是秸稈合理利用的途徑之一。目前對污泥與秸稈或煤炭摻混制備成型燃料的研究尚屬起步階段，采用的是污泥與秸稈先干燥再混合成型或者將污泥與秸稈先加入添加劑擠壓脫水再成型的工藝。這種工藝比較復(fù)雜、成本高，因此需要開發(fā)工藝簡單、成本低、產(chǎn)品強(qiáng)度高、防水性好污泥與秸稈制備成型燃料技術(shù)，同時應(yīng)開發(fā)高效黏結(jié)劑以提高成型燃料的強(qiáng)度及防水性。

　　3)應(yīng)著重研究污泥制備水煤漿及其燃燒技術(shù)。污泥制備水煤漿的好處是不需烘干污泥，利用污泥中的部分水和有限的熱值制備水煤漿，從而節(jié)約制漿用水和制漿用煤，是污泥減量化、資源化、無害化利用的有效途徑之一。目前開發(fā)的污泥制漿技術(shù)雖然也在制漿前對污泥進(jìn)行改性，但仍存在污泥添加量少、煤漿濃度低的問題。雖然國家水煤漿工程技術(shù)研究中心研發(fā)的2種污泥改性制漿技術(shù)提高了污泥在煤漿中的添加量和濃度，仍需繼續(xù)開發(fā)污泥添加量更多的制漿技術(shù)。同時還要研究污泥煤漿在鍋爐中燃燒的新技術(shù)，如霧化燃燒、流化燃燒和懸浮燃燒技術(shù)，使煤漿中更多摻入污泥，從而達(dá)到對污泥的低成本有效利用。

　　4)加快污泥摻混制備生物質(zhì)燃料技術(shù)的示范應(yīng)用。目前，污泥摻混制備成型燃料及水煤漿技術(shù)仍停留在實驗室研究階段，很少進(jìn)行工業(yè)制漿和鍋爐燃燒試驗。為了應(yīng)對日益增長的城市污泥，需要將現(xiàn)有污泥制備生物質(zhì)燃料技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，將其中效果較好的技術(shù)盡快進(jìn)行工業(yè)性試驗并建設(shè)示范廠，并逐步得到工業(yè)化推廣應(yīng)用。

　　5結(jié)語

　　污泥摻混制備生物質(zhì)燃料技術(shù)是污泥減量化、資源化、無害化利用的有效途徑之一，其中污泥摻混秸稈等生物質(zhì)制備成型燃料解決了農(nóng)村秸稈焚燒污染環(huán)境問題，為秸稈提供合理有效的利用途徑；污泥摻混煤制備水煤漿技術(shù)是既可以充分利用污泥中的水分和熱值，又節(jié)約制漿用水和煤炭的低成本制漿技術(shù)，還為污泥資源化提供切實可行的利用途徑。

　　目前，污泥摻混制備生物質(zhì)燃料技術(shù)基本處在實驗室研究階段。污泥摻混秸稈制備生物質(zhì)燃料還處在工藝復(fù)雜，成型量低、強(qiáng)度差等問題，污泥摻混煤制備水煤漿技術(shù)還處在污泥摻入量低、煤漿濃度低等問題。因此，需要進(jìn)行深入研究，不斷完善技術(shù)，盡快進(jìn)行工業(yè)示范生產(chǎn)線的建設(shè)及應(yīng)用。

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