污泥能源化的前景探討
污水處理過程中產(chǎn)生的沉淀物質(zhì)以及從污水表面漂出的浮沫中所得的殘渣稱為污泥(Sewage sludge)，屬于一種固體廢棄物。目前，我國每年排放干污泥約為5×106t[1]，且在不斷增加。污泥成分極其復(fù)雜，其中雖然含有大量氮、磷等多種大量元素、微量元素和有機(jī)質(zhì)等可利用成分，但也含有有毒、有害、難降解的有機(jī)物、病原菌、寄生蟲(卵)及重金屬等[2]。污泥的主要特性是含水率高(可高達(dá)99%以上)，有機(jī)物含量高，容易腐化發(fā)臭，并且顆粒較細(xì)，比重較小，呈膠體液狀，如果處置不當(dāng)將會對生態(tài)環(huán)境和人類造成很大的危害。因此，如何合理處置污泥越來越受到各國的廣泛關(guān)注。為此，筆者探討了污泥能源化的前景。
1污泥處置方法的選擇
關(guān)于處理后污泥的處置，通常有2種觀點。一種觀點認(rèn)為對經(jīng)過處理后的污泥進(jìn)行填埋、投海、焚燒、堆肥、熱解、制建材等均可視為“處置”；另一種觀點認(rèn)為只有填埋或海排才是真正意義上的“處置”，其他如堆肥農(nóng)用、焚燒、熱解及制建材等可被認(rèn)為是污泥的資源化利用[2]。但不管哪種觀點更為正確，因該文重點討論污泥資源化中能量的利用，故將當(dāng)前國內(nèi)外污泥的3種主要處置方法(衛(wèi)生填埋，污泥焚燒，污泥投海)[3]與資源化利用進(jìn)行簡要比較。
1.1衛(wèi)生填埋
該方法操作簡單，投資費用較小，處理費用較低，適應(yīng)性強，但是其侵占土地嚴(yán)重，而且如果防滲技術(shù)不夠，將導(dǎo)致潛在的土壤污染和地下水污染[4]。隨著污泥量的日益增加，其產(chǎn)生的問題也更加突出，易造成二次污染，加重滲濾液收集處理系統(tǒng)和市政污水處理系統(tǒng)的負(fù)荷，另外，大量污泥直接堆積使得填埋作業(yè)面形成沼澤[5]。
1.2污泥焚燒
污泥中含有一定量的有機(jī)成分，經(jīng)脫水干燥的污泥可用焚燒加以處理，從而使有機(jī)物全部碳化，殺死病原體，最大限度地減少污泥體積。該方法的缺點在于處理設(shè)施投資大，處理費用較高。另外，有機(jī)物焚燒也會產(chǎn)生有毒物質(zhì)[6]。
1.3污泥投海
該方法是一種操作簡單的處理方法。但是，隨著生態(tài)環(huán)境意識的不斷加強，人們也越來越多地關(guān)注污泥投海對海洋生態(tài)環(huán)境可能造成的影響。美國于1988年已禁止污泥海洋傾倒，并于1991年全面加以禁止。日本對污泥的海洋投棄作了嚴(yán)格的規(guī)定。中國政府規(guī)定：1994年2月20日起不再在海上處置工業(yè)廢物和污水污泥[7]。
1.4污泥的資源化利用
該方法可以解決污泥處置中的難題，避免城市生態(tài)環(huán)境的污染，節(jié)約處置費用，變廢為寶，使之具有良好的生態(tài)效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，是城市實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展以及實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的必然要求。因此，從經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源開發(fā)利用、城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面來考慮，城市污泥處置的理想出路應(yīng)該是資源化利用[8]。
2污泥的能源化
污泥資源化利用的方法較多，如污泥農(nóng)用，污泥園林化利用，污泥堆肥利用，污泥生產(chǎn)建材制品，污泥能源化等。該文重點討論污泥的能量利用，首先分析國內(nèi)外污泥能源化的現(xiàn)狀，通過國內(nèi)外目前所研究的一些新技術(shù)及研究開展?fàn)顩r，探討其在國內(nèi)污泥能量利用中的應(yīng)用前景。
2.1國內(nèi)外污泥能量利用現(xiàn)狀
2.1.1國外。國外發(fā)達(dá)國家的污泥能源化技術(shù)發(fā)展相對比較成熟，也是從污泥的處理技術(shù)中逐漸探索形成的。目前較成型的技術(shù)有：①污泥發(fā)酵產(chǎn)沼氣發(fā)電；②污泥燃燒發(fā)電；③污泥熱解與制油技術(shù)；④還處在研究試驗階段的污泥制氫技術(shù)[9]。
2.1.2國內(nèi)。我國在城市污泥處理、處置及資源化方面的技術(shù)才剛剛起步，目前仍然采用以土地利用為主，其他利用方式為輔的資源化方式，形式比較單一而且利用率也不高，與國外先進(jìn)國家相比尚有較大差距[10]。目前，我國正面臨著巨大的能源與環(huán)境壓力，礦物能源和資源日益耗盡，開發(fā)并生產(chǎn)各種可再生能源，替代煤炭、石油和天然氣等化石燃料是今后解決能源緊缺的一種有效途徑。因此，我國也逐漸開始重視對能量的回收利用，特別是污泥中含有大量的有機(jī)質(zhì)，為其能源利用提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。雖然國內(nèi)污泥能源化技術(shù)還沒有完全成型，與國外相比也還沒有廣泛的實際應(yīng)用，但是國外所研究的一些回收污泥中能量的前沿技術(shù)，國內(nèi)同樣也在開展試驗，旨在為日后的工程實踐提供指導(dǎo)。
2.2污泥發(fā)酵產(chǎn)沼氣發(fā)電技術(shù)
2.2.1傳統(tǒng)產(chǎn)沼氣發(fā)電技術(shù)。共分為2個階段：第1步將污泥厭氧消化，即污泥在厭氧條件下，由兼性菌和專性厭氧菌(甲烷菌)降解有機(jī)物，分解最終產(chǎn)物為二氧化碳和甲烷；第2步是燃燒甲烷氣使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動，將消化氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)檩S動力，然后用發(fā)電機(jī)使之轉(zhuǎn)化為電能。
2.2.2國外沼氣發(fā)電現(xiàn)狀。采用該技術(shù)使?jié)撃苻D(zhuǎn)換為電能在歐美國家自1920年就開始實施了，目前仍在積極推行之中，如美國的能源農(nóng)場。日本也于1982年開始實施，至今已有10多個污水處理場進(jìn)行了上述潛能的開發(fā)利用[11]。在西歐，如德國、丹麥、奧地利、芬蘭、法國、瑞典等，采用污泥回收能量進(jìn)行城市并網(wǎng)發(fā)電的占其能源總量的比例為10%左右，預(yù)計21世紀(jì)末將增加到25%。
2.2.3國內(nèi)沼氣發(fā)電現(xiàn)狀。目前，天津市紀(jì)莊子污水廠和北京高碑店污水廠就是采用比較完善的污泥厭氧消化處理系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣用于沼氣攪拌和發(fā)電，沼氣發(fā)動機(jī)的熱水作為消化污泥加熱的熱源，實現(xiàn)了熱聯(lián)供電和資源的綜合利用。高碑店污水處理廠是北京市最大的污水處理廠，日處理污泥量達(dá)4000m3，該廠通過技術(shù)改造和調(diào)整工藝，最大限度地收集沼氣，每天沼氣發(fā)電已經(jīng)可以保持在3×104kW•h左右。年發(fā)電有望突破107kW•h，相當(dāng)于5000戶家庭1年的用電量。我國在“九五”、“十五”期間研制出20～600kW純?nèi)颊託獍l(fā)電機(jī)組系列產(chǎn)品，氣耗率0.6～0.8m3/(kW•h)，沼氣熱值≥21MJ/m3，其性價比有較大的優(yōu)勢，適合我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r。
2.2.4技術(shù)存在不足。
(1)沼氣在發(fā)酵產(chǎn)生過程中，可能產(chǎn)生某些雜質(zhì)氣體，如H2S。H2S不僅對人的身體健康有很大的危害，對管道、儀表及設(shè)備還具有很強的腐蝕性。因此，需要對沼氣進(jìn)行凈化，并進(jìn)行脫硫。可以用于沼氣脫硫的方法有2種，即生物法和物化法。以往物化法廣泛用于H2S的去除中，且有著豐富的實際經(jīng)驗，但運行費用高，投資大，容易產(chǎn)生二次污染。生物法設(shè)備簡單，能耗低，產(chǎn)生的二次污染少，適合處理低濃度氣態(tài)污染物。沼氣凈化后還需要注意對氣體的儲存，防止泄露，因甲烷屬于溫室氣體，極易對大氣產(chǎn)生危害。
(2)20世紀(jì)80年代，國外有研究者指出，水解是厭氧消化的限制步驟，污泥細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)對胞內(nèi)易降解物質(zhì)的水解有抑制作用[12-13]，所以，污泥消化產(chǎn)氣往往需要較長的時間進(jìn)行發(fā)酵。因此，需要加快水解作用，加快產(chǎn)氣速度，提高產(chǎn)氣量。
2.3污泥熱解與制油技術(shù)
污泥熱解與制油技術(shù)主要由污泥的熱分解技術(shù)與污泥的油化處理技術(shù)2個部分組成。
2.3.1熱分解技術(shù)。1970年美國EAP公司開發(fā)研究出一種新的城市廢棄物處理技術(shù)，即熱分解技術(shù)，使得垃圾處理向著“無害、安全、減容、資源化”方向又邁出了可喜的一步。隨后，各國環(huán)境保護(hù)工作者競相開展該項研究工作，有的已達(dá)到實用化階段。熱分解技術(shù)不同于焚燒，它是在氧分壓較低狀況下，對可燃性固形物進(jìn)行高溫分解生成氣體產(chǎn)油分、炭類等，以此達(dá)到回收污泥中的潛能。也就是通過熱分解技術(shù)，廢棄物中含碳固形物被分解成高分子有機(jī)液體(如焦油、芳香烴類)、低分子有機(jī)體、有機(jī)酸、炭渣等，其熱量就以上述形式貯留下來。熱分解處理工藝技術(shù)核心部分是熱分解氣化爐，廢棄物在此得以干燥和熱分解，產(chǎn)生可燃性氣體(熱分解生成氣)、各種液態(tài)產(chǎn)品及固態(tài)物如焦渣等。據(jù)日立造船公司研究結(jié)果表明，熱分解生成氣組分及發(fā)熱量如表1所示[11]。
表1熱分解生成氣組分及發(fā)熱量
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2.3.2制油技術(shù)？梢苑譃2種方法，即低溫?zé)峤夥ê椭苯訜峄瘜W(xué)液化法[14] 。
(1)低溫?zé)峤夥ā：喪觯何勰嗟蜏責(zé)峤庵朴褪悄壳罢诎l(fā)展的一種新的熱能利用技術(shù)[15]，即在300～500℃、常壓(或高壓)和缺氧條件下，借助污泥中所含的硅酸鋁和重金屬(尤其是銅)的催化作用將污泥中的脂類和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變成碳?xì)浠衔铮罱K產(chǎn)物為燃料油、氣和炭。熱解前的污泥干燥可利用這些低級燃料(燃料氣、炭)的燃燒來提供能量，實現(xiàn)能源循環(huán)。熱解生成的油(質(zhì)量類似于中號燃料油)可以用來發(fā)電。
國外研究現(xiàn)狀與工程實例：該技術(shù)在20世紀(jì)70年代由Bayer等[16]提出；Campbell評價了該方法的經(jīng)濟(jì)性[17]；Briddle等研究了該過程的二次污染控制[18]；1983年，Briddle和Campbell在加拿大建造了1個小規(guī)模的連續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)。
Frost等評價了熱解油的市場應(yīng)用前景[19]。90年代末，第1座商業(yè)規(guī)模的污泥煉油處理廠在澳大利亞Perth的Subiaco被修建。
表2低溫污泥煉油情況％
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在澳洲較成功的低溫?zé)峤庵朴蛯嵗荅SI(Environmental Solutions International Ltd of Australia)公司設(shè)計的污泥回收生物能量[20]。其主要思路是將干燥的污泥中有機(jī)物通過低溫?zé)峤夥绞睫D(zhuǎn)換為干凈的燃料。首先，將含固率為2%～4%的污泥通過離心脫水后，得到含固率為28%的污泥。經(jīng)干燥后的污泥首先進(jìn)入第1個轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，有機(jī)物在450℃下進(jìn)行分解。其次，有機(jī)物在第2個反應(yīng)器內(nèi)被催化生成碳?xì)浠衔，并且進(jìn)行濃縮、分離及凈化，為下一步能量的生成利用作準(zhǔn)備。非凝性的碳?xì)浠衔镆约胺菗]發(fā)性焦炭從轉(zhuǎn)換反應(yīng)器流入到熱氣機(jī)。通過燃燒提供熱量干燥進(jìn)入的泥餅，完成整個循環(huán)，且在整個過程中使用了燃燒的熱量；曳蛛S燃燒過程產(chǎn)生，可以存儲待銷售。最后，干燥中消耗的熱氣通過氣體污染控制裝置在環(huán)境要求標(biāo)準(zhǔn)下排放。
該工藝對原污泥及消化后的污泥均可產(chǎn)生能量，但能量產(chǎn)生效率較大的還是原生污泥。表2是主要生成的產(chǎn)品以及能量產(chǎn)率。通過該裝置后的產(chǎn)物有較好的商業(yè)價值。主要產(chǎn)生3種可以加以利用的產(chǎn)品。合成油：干燥1t污泥生成200～300L油。熱值約為35GJ/L，用于發(fā)電。惰性灰分：穩(wěn)定性很高，主要用于多種建筑產(chǎn)品，如鋪路的磚塊。燃燒熱：可通過燃燒焦炭、非冷凝性氣體、以及反應(yīng)水得到，其可除去干燥污泥的外界能量。
(2)熱化學(xué)液化法。美國、日本和英國在該技術(shù)方面研究相對較多。該法是將經(jīng)過機(jī)械脫水的污泥(含水率約為70%～80%)，在含有N2、溫度為250～340℃環(huán)境下加壓熱水，并以碳酸鈉作為催化劑。污泥中有近50%的有機(jī)物能通過加水分解、縮合、脫氫、環(huán)化等一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)化為低分子油狀物，得到的重油產(chǎn)物用萃取劑進(jìn)行分離收集。反應(yīng)過程可得到熱值約為33MJ/kg的液體燃料，收率可達(dá)50%左右(以干燥有機(jī)物為基準(zhǔn))，同時產(chǎn)生大量非凝性氣體和固體殘渣。日本Shinji Tton等采用該法對活性污泥進(jìn)行熱解制油，試驗表明，污泥中48%的有機(jī)成分可轉(zhuǎn)化為重油[21]。賀利民對煉油廠廢水處理污泥也進(jìn)行了催化熱解試驗，以Na2CO3為催化劑，以CH2Cl2為萃取劑，總壓強為1.4MPa，產(chǎn)油率隨溫度的升高而增加，當(dāng)溫度為300℃時產(chǎn)油率大于54%[22]。
2.3.3高溫?zé)岱纸馀c污泥油化技術(shù)的選擇。污泥在未脫水前的含水率高達(dá)99%，對這樣高含水率的污泥，如果采用先前的熱分解技術(shù)處理則必須在干燥工序進(jìn)行前設(shè)置處理，這增加了能量的投入與消耗，總的能耗較大。而油化處理則無需先干燥，因此，油化處理技術(shù)適合高含水率的污水污泥。
污泥煉油技術(shù)是正在發(fā)展中的污泥處理新技術(shù)。根據(jù)國外的經(jīng)驗，目前的投資成本與運行維護(hù)成本均比較高，在澳大利亞，投資成本每噸污泥為6500～13000元，運行與維護(hù)成本為每噸650～1600元[2]。同時，油化反應(yīng)涉及的操作條件比較復(fù)雜，需要考慮諸多的因素如反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、觸媒種類、觸媒添加量、反應(yīng)壓力等。此外，油化處理效率也與污泥種類性質(zhì)等有關(guān)。
該技術(shù)的環(huán)境效益和資源化效益比較客觀，能有效控制重金屬的排放，可回收利用易儲藏的液體燃油，可提供700kW•h/t的凈能量，破壞有機(jī)氯化物的生成，占地面積小，運輸材料負(fù)荷少。因此，從國內(nèi)未來經(jīng)濟(jì)與環(huán)境和諧發(fā)展的角度來考慮，污泥油化技術(shù)的前景更加廣闊。
2.3.4低溫?zé)峤馀c熱化學(xué)液化方法的比較與選擇。污泥熱解制油技術(shù)作為一種新興技術(shù)，在國內(nèi)未來發(fā)展空間較大。但還需要比較制油技術(shù)中低溫?zé)峤馀c熱化學(xué)液化的一些特點，為實際工程實踐提供參考。
(1)低溫?zé)峤庵朴图夹g(shù)所采用的污泥需經(jīng)干燥脫水，使其含水率在5%以下，而熱化學(xué)直接液化法所采用的污泥只需進(jìn)行機(jī)械脫水。目前，國內(nèi)大部分污水廠采用的是機(jī)械脫水的方式減少污泥的含水率(99%降低至70%～80%)，相比采用離心脫水后再進(jìn)行干燥，能耗較低。
(2)低溫?zé)峤庵朴蜔o需很高的壓力，常壓即可，而熱化學(xué)液化法則需要較高的壓力，對設(shè)備的要求較高。
(3)低溫?zé)峤庵朴图夹g(shù)產(chǎn)生的一次污染較少，特別是對重金屬等固化作用顯著，但是需要保證反應(yīng)器中的溫度盡量得低，才能減少蒸氣中金屬的排放。熱化學(xué)液化法也可以降低污泥的污染，但是在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量的難聞氣體。熱化學(xué)直接液化法的產(chǎn)物中會有2%～3%的N2殘余，燃燒過程會有氮氧化合物生成，容易對大氣造成污染，應(yīng)采取相應(yīng)措施加以控制。
(4)低溫?zé)峤庵朴图夹g(shù)的能量回收率較高，污泥中的炭有約2/3可以以油的形式回收，炭和油的總回收率占80%以上；而熱化學(xué)直接液化法中油的回收率僅有50%。但由于直接液化法只需提供加熱到反應(yīng)溫度的熱量，省去了原料干燥所需的加熱量。因此，綜合考慮和比較，還是直接液化法的能量剩余較高，大約為20%～30%(一般在污泥含水率80%以下的情況下)。
2.4污泥制氫技術(shù)
氫能是最理想的清潔能源，具有資源豐富、燃燒熱值高、清潔無污染、適用范圍廣等特點。從未來能源的角度來看，氫是高能值、零排放的潔凈燃料，特別是以氫為燃料的燃料電池，具有高效性和環(huán)境友好性，將成為未來理想的能源利用形式。利用污泥來制取氫，不僅可以解決污泥的環(huán)境污染問題，還可以產(chǎn)生氫氣，緩解能源危機(jī)。污泥制氫技術(shù)主要有：污泥生物制氫，污泥高溫氣化制氫，以及污泥超臨界水氣化制氫[23]。
2.4.1污泥生物制氫。污泥生物制氫是利用微生物在常溫常壓下進(jìn)行酶催化反應(yīng)可制得氫氣的原理進(jìn)行的。根據(jù)微生物生長所需能源的來源，污泥生物制氫有3種方法：光合生物產(chǎn)氫，發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫，光合生物與發(fā)酵細(xì)菌的混合培養(yǎng)產(chǎn)氫[24]。
(1)光合生物產(chǎn)氫。光合生物制氫是指在一定的光照條件下，光合生物(一般包括細(xì)菌和藻類)分解底物產(chǎn)生氫氣。目前，研究較多的產(chǎn)氫光合生物主要有：顫藻屬、深紅紅螺菌、球形紅假單胞菌、球形紅微菌等。利用光合細(xì)菌和藻類協(xié)同作用來發(fā)酵產(chǎn)氫，可以簡化對生物質(zhì)的熱處理，降低成本，增加氫氣產(chǎn)量。另一種能夠進(jìn)行光合產(chǎn)氫的微生物是藍(lán)藻，它與高等植物一樣含有光合系統(tǒng)，但其細(xì)胞特征是原核型，屬于原核植物，含有氫酶，能夠催化生物光解水產(chǎn)氫。
(2)發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫。與光合細(xì)菌一樣，發(fā)酵細(xì)菌也能夠利用多種底物在固氮酶或氫酶的作用下將底物分解制取氫氣。這些底物包括甲酸、乳酸、丙酮酸、各種短鏈脂肪酸、葡萄糖、淀粉、纖維素二糖及硫化物等。
(3)生物制氫的不足。生物制氫技術(shù)的整體研究水平仍處于基礎(chǔ)階段，目前還只限于實驗室研究，試驗數(shù)據(jù)也為短期的試驗結(jié)果，連續(xù)穩(wěn)定運行期超過40d的研究實例很少。即便瞬間產(chǎn)氫率較高，長期運行能否獲得高產(chǎn)量尚待討論。另外，天然厭氧微生物的菌種來源大多局限于活性污泥；生物制氫的供氫體僅僅局限于簡單的碳水化合物；大多數(shù)研究都集中在細(xì)胞和酶固定化技術(shù)上，如探討產(chǎn)氫菌種的篩選及包埋劑的選擇等。
2.4.2污泥高溫氣化制氫。污泥高溫氣化制氫一般是指將污泥通過熱化學(xué)方式轉(zhuǎn)化為高品位的氣體燃?xì)饣蚝铣蓺，然后再分離出氫氣。氣化時需要加入活性氣化劑和水蒸氣，活性氣化劑一般為空氣、富氧空氣或氧氣。英國Newcastle大學(xué)的Midillia采用高溫氣化污泥的方法來制取氫氣。試驗裝置主要有下降流氣化器、填充床式洗滌器、過濾器、增壓風(fēng)機(jī)和試驗鍋爐。產(chǎn)生氣體的主要成分是氫氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等；旌蠚怏w的發(fā)熱量為4MJ/m3，經(jīng)分析，氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)為10%～11%[25]。
2.4.3污泥超臨界水氣化制氫。污泥超臨界水氣化制氫是在水的溫度和壓力均高于其臨界溫度(374.3℃)和臨界壓強(22.05MPa)時，以超臨界水作為反應(yīng)介質(zhì)與溶解于其中的有機(jī)物發(fā)生強烈的化學(xué)反應(yīng)生成氫氣。
(1)反應(yīng)機(jī)理。對于在超臨界條件下有機(jī)廢物分解反應(yīng)中的氣化反應(yīng)，主要考慮與C、H、O有關(guān)的蒸氣重整反應(yīng)(吸熱反應(yīng))、甲烷生成反應(yīng)(放熱反應(yīng))、氫生成反應(yīng)及水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)。
C+H2O→CO+H2(△H=131.3J/mol)(1)
CO+H2O→CO2+H2(△H=-41.2J/mol)(2)
在高溫、高壓條件下發(fā)生(1)、(2)反應(yīng)，向反應(yīng)體系中添加Ca(OH)2可吸收并回收副產(chǎn)物CO2，從而促進(jìn)氫生成反應(yīng)的發(fā)生。一般在650℃、25MPa以上的高溫、高壓下，幾乎100%的碳被氣化，氫回收率很高。
(2)國外研究現(xiàn)狀。2004年，日本東京大學(xué)的Yoshida設(shè)計了3段式連續(xù)超臨界水氣化制氫反應(yīng)器。該反應(yīng)器由熱解反應(yīng)器、氧化反應(yīng)器和接觸反應(yīng)器組成。試驗詳細(xì)分析了各個反應(yīng)器中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，獲得了最佳反應(yīng)參數(shù)。在399.85℃、25.7MPa、停留時間為60s的條件下，碳的氣化效率為96%，產(chǎn)生的氣體主要為氫氣和一氧化碳，其中，氫氣的體積分?jǐn)?shù)約為57%[26]。日本三菱水泥公司向20g有機(jī)廢棄物(污泥、廢塑料等)中添加50ml水，然后將其放入超臨界水反應(yīng)器中，在650℃、25MPa的反應(yīng)條件下反應(yīng)，生成以氫氣和一氧化碳為主的氣體，且氫氣占總產(chǎn)生氣體體積的60%。然后使用氫氣分離管將生成的氫氣和其他氣體分離，并加以收集，得到純度為99.6%的氫氣[27]。
2.4.4 3種污泥制氫技術(shù)的比較與選擇。
(1)技術(shù)比較。污泥生物制氫，污泥高溫氣化制氫以及超臨界水氣化制氫都屬于國內(nèi)外目前關(guān)于提取污泥能量研究的新興資源化方法，雖然都還不太成熟，但應(yīng)用前景是光明的。
3種技術(shù)相比較，超臨界水氣化制氫技術(shù)具有良好的環(huán)保優(yōu)勢和應(yīng)用前景，目前已積累了一些試驗研究結(jié)果。該技術(shù)是一種新型、高效的可再生能源轉(zhuǎn)化和利用技術(shù)，具有極高的生物質(zhì)氣化與能量轉(zhuǎn)化效率、極強的有機(jī)物無害化處理能力、反應(yīng)條件比較溫和、產(chǎn)品的能級品位高等優(yōu)點。與污泥的可再生性和水的循環(huán)利用相結(jié)合，可實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化與利用以及大自然的良性循環(huán)。在超臨界水中進(jìn)行污泥催化氣化，污泥的氣化率可達(dá)100%，氣體產(chǎn)物中氫的體積分?jǐn)?shù)甚至可以超過50%，且反應(yīng)不生成焦炭、木炭等副產(chǎn)品，不會造成二次污染，具有良好的發(fā)展前景[28]。
(2)工業(yè)選擇問題。超臨界水氣化制氫技術(shù)還不夠成熟，如果用于工業(yè)還需要進(jìn)一步的完善。主要包括：提供污泥中典型成分的氣化率及產(chǎn)品氣體組成等方面的數(shù)據(jù)，考慮各影響因素，得到最佳的反應(yīng)條件；選擇可經(jīng)濟(jì)操作的、具有較長使用壽命的催化劑及相應(yīng)的載體；重點了解超臨界水的獨特性質(zhì)及其對催化表面和反應(yīng)活性的影響；對多相催化氣化反應(yīng)的機(jī)理及反應(yīng)路徑進(jìn)行探討，在此基礎(chǔ)上得到較為精確的動力學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)。
3結(jié)語
污泥中大量的有機(jī)質(zhì)蘊涵著巨大的能量，如何進(jìn)一步挖掘出污泥中的能量并同時避免污泥中有毒、有害物質(zhì)對環(huán)境的二次負(fù)面影響，對緩解當(dāng)今能源壓力具有現(xiàn)實意義。相比3種能源化技術(shù)，污泥發(fā)酵產(chǎn)沼氣這種能量回收技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展更為成熟，應(yīng)用更為廣泛。污泥發(fā)酵產(chǎn)沼氣可以較好地緩解農(nóng)村能源緊缺的問題，同時減輕對環(huán)境的污染。另外，沼氣不僅可作為能源利用，還具有多種綜合利用途徑，如可為大棚增溫保溫，為蔬菜大棚提供CO2氣肥。
沼氣可以加快蠶的孵化，縮短飼養(yǎng)周期，還可以作為保鮮儲存劑，控制果蔬、糧食的呼吸強度，減少儲藏中的基質(zhì)消耗，防治蟲、霉、病、菌，達(dá)到延長儲藏時間和保持良好品質(zhì)的目的。
現(xiàn)代高溫?zé)峤馀c污泥油化技術(shù)雖然在國外應(yīng)用具有效果，但是其運行成本值普遍較高。因此，在考慮污泥能源化方法用于國內(nèi)時，除需要考慮處理效果外，還需要考慮國家實情，兼顧經(jīng)濟(jì)成本、投資收益等幾個方面。
污泥制氫技術(shù)在國內(nèi)外都是比較前沿的污泥能量利用技術(shù)，但目前還僅僅處于探索起步階段，沒有實際的工程經(jīng)驗可借鑒，為此，需要進(jìn)一步深入討論。
此外要特別注意，國外的某些能源化方法雖然值得借鑒，但不是所有的工藝參數(shù)都適合我國的國情，在實際應(yīng)用時需要慎重考慮；國內(nèi)本身也還需要強化污泥的處理、處置及資源化技術(shù)；另外，要建立宏觀的“污泥能量管理體系”，避免污泥所產(chǎn)生的能量丟失，造成資源的浪費。
參考文獻(xiàn)略
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