摘要：将污泥转化为清洁燃料不仅能解决由于填埋大量污泥所造成的环境压力，并且能够回收污泥中的能量，实现污泥的减量化、清洁化与能源化利用。污 泥的水热处理是一种模拟生物质在自然界中煤化过程的处理技术，通过一系列化学反应实现污泥向清洁燃料的转化，具有降低污染物排放、改善脱水性能、提升燃料品质、固定重金属以及低处置成本等优势，能够在工业中被直接焚烧或者与其他低品质煤混合焚烧利用。文章主要围绕污泥水热处理制备清洁燃料进行了研究，希望能够给相关人士提供参考价值。
关键词：污泥；水热处理；固体燃料；燃烧
引言：
目前，庞大的污泥产生量是困扰工业与市政工程的一个主要问题，对其减量化与能源化利用是污泥处置的关键。其中，水热技术是一种可直接并有效利用污泥等高含水率废弃物的处理手段，接下来的文章将对其展开详细研究。
一、污泥水热处理的优势
（一）改善脱水性能
污泥的颗粒胶状结构和高度亲水等特性是造成其脱水性能差的主要原因。现有的机械脱滤如抽滤、离心与挤压脱水等方式只能将污泥的含水率降至80%左右，但对污泥进行水热处理能有效提高污泥的脱水性能，使其机械脱水后滤饼的含水率降至50%以下。这可归因于在水热处理过程中，污泥的微生物絮体解体以及有机物水解，从而降低了污泥黏度与黏性物质对水的束缚能力。当水热温度上升至150℃甚至更高时，污泥中细胞破裂程度加剧，导致在细胞内与各类大分子相结合的束缚水分被释放而转化为可被机械力脱除的自由水分。【1】此外，污泥表面的亲水性官能团如羟基、羧基等在水热处理中被脱除是污泥脱水性能增强的另一原因。
（二）提高污泥燃料性能
水热处理对污泥等高含水率废弃物有明显的提质效果，一般污泥的热值在15～18MJ/kg之间。但经过水热处理后，污泥的各项燃料特性包括热值、燃料率以及能量密度等均有所提升，这可归因于水热过程中独特的高温高压条件模拟了生物质在自然界地层中的煤化反应。在水热处理过程中，污泥的燃料特性随水热温度与反应时间的增加往煤方向转变，其煤化程度接近甚至达到褐煤水平。污泥中的H与O元素通过脱羟基与脱碳酸基反应以H2O与CO2形式脱除，使得O/C与H/C原子比均呈现下降趋势。同时，污泥的C含量随着碳化反应的进行而增加。因此，由于低能量H—C、O—C键的减少以及高能量C—C键的增加，污泥的能量密度得到有效提升。【3】
（三）脱氮作用
NOx污染物是限制污泥焚烧处理的一个重要限制因素，其在焚烧过程中的生成路径主要有两个方面：其一，在锅炉燃烧区中，当污泥中碳氢化合物过浓时，挥发物中的碳氢化合物就会在高温条件下先分解为CH自由基，并和空气中的N2相互发生反应，生成HCN和N，然后在反应区附近与氧气作用快速生成氮氧化物（快速型NOx）；其二，在焚烧过程中，污泥中含氮化合物首先发生裂解产生N、CN、HCN等中间产物基团，然后再通过氧化作用生成氮氧化物（燃料型NOx）。【4】
（四）脱氯作用
Cl是影响污泥等废弃物焚烧效果的另一重要因素。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在焚烧过程中，含氯化合物中的有机-Cl会产生HCl等酸性气体，对设备造成堵塞与腐蚀，而大部分无机-Cl则被残留在灰分中。尽管污泥中氯含量偏低，但对于将污泥与其他高含氯废弃物如城市废弃物（MSW）、矿化垃圾等进行混合水热处理制备清洁燃料时，水热处理的脱氯作用尤其重要。INDRAWAN在水热温度与时间分别为235℃和90min的条件下处理废弃物时，发现其有机-Cl含量从1.38%降为0.25%。同时，该行业研究人士也证实水热燃料中的Cl元素主要以可溶性无机物的形式存在，这主要是因为：其一，水热过程中产生的HCl会被水热炭表面及其孔道内的水分溶解；其二，水热炭中的碱金属会以化学键形式结合Cl原子从而生成无机盐。【2】此外，在废弃物水热处理过程中添加氨或碱均能有效地使有机-Cl转化为无机-Cl。通过水热处理将有机-Cl转化为易被淋溶脱除的无机-Cl能降低污泥在焚烧过程中的酸性气体排放。【2】
二、污泥的水热处理的影响因素与反应路径
水热温度与反应时间是影响污泥水热处理的两个重要因素，其不仅影响着污泥水热处理后的燃料特性，更影响着污泥在水热过程中的反应路径。并且，不同种类的污泥如造纸污泥、城市污泥等组分不一样，其受水热条件的影响也不一样，导致其在水热过程中发生的反应存在着一定的差异。因此，针对污泥各种组分在水热过程中的转化路径与反应机理的研究尤其重要。在不同温度条件下，污泥水热炭得率随温度的上升而呈现下降趋势，这主要因为污泥中有机物在水热过程中发生水解反应从而降解为可溶性小分子物质溶于液相产物中导致的。其中，含油污泥由于其大部分有机质为油脂，在较低温度下（100～200℃）即可水解生成丙三醇和长链脂肪酸，因此其水热炭得率在190℃下仅为24%。相反，在100～240℃下对造纸污泥进行水热处理可在最大程度上获得水热炭（＞80%），这则是因为造纸污泥中含有大量的木质纤维素而使其具有较强的热稳定性，其降解温度一般为200～320℃。城市污泥则因为其主要有机质为蛋白质与糖类，在100～250℃条件下即可被水解为小分子物质如氨基酸与单分子糖等，因此其水热炭得率一般在40%～80%之间。【4】总体而言，污泥水热制备而成的固体产物由“char”和“coke”组成，其生成途径主要包括以下3条：其一，污泥在水热条件下通过脱挥发分、脱羟基、脱碳酸基以及缩合反应等发生“固固转化”形成水热炭，这类水热炭称为“char”；其二，污泥中的有机质在水解反应下产生可溶性中间物质，并进一步通过聚合反应生成聚合物；其三，液相中颗粒聚合物进一步发生碳化反应形成水热炭，这类水热炭称为“coke”。由于各类污泥的组分不同，其形成水热炭的过程也有所区别。例如半纤维素与其他糖类化合物等首先通过水解反应生成葡萄糖，果糖以及其他可溶性小分子产物，随后通过脱羟基反应生成5-羟甲基糠醛等水热中间产物，并且进一步发生聚合、碳化、芳构化等反应生成水热炭颗粒球。【3】因此，随着水热时间的增加，HMF等中间产物的聚合反应也越充分，使得水热炭的得率随之上升，这与之前的研究结论相符。
结论：
文章主要对污泥水热处理制备清洁燃料方面进行了分析，一方面希望能够获得更高品质的水热燃料，另一方面也希望能够给相关人士提供参考价值[3]。
参考文献：
[1]查湘义.水热处理温度对污泥中碳、氮、磷溶出的影响[J].中国环境管理干部学院学报,2018,28(03):63-66.
[2]王兴栋,林景江,李智伟,赵焕平,余广炜,汪印.水热处理时间对污泥中氮磷钾及重金属迁移的影响[J].环境科学,2016,37(03):1048-1054.
[3]薛香玉,陈德珍,戴晓虎,万铁吾.基于重金属安全性的污泥水热处理温度选择[J].同济大学学报(自然科学版),2014,42(12):1879-1885+1896.
[4]陶明涛,张华.城市污泥水热处理过程中有机物的变化[J].广东化工,2012,39(13):189-190.
论文作者:武琳1,孟思宇2,李名岩1,夏禹1,荣国良1
论文发表刊物:《基层建设》2018年第32期
论文发表时间:2019/1/3
标签：污泥论文; 燃料论文; 过程中论文; 废弃物论文; 温度论文; 条件下论文; 产物论文; 《基层建设》2018年第32期论文;