1、污泥厌氧消化及后续处置途径污泥厌氧消化及后续处置途径 戴晓虎戴晓虎 教授教授同济大学同济大学环境科学与工程环境科学与工程学院学院国家国家城市污染控制工程城市污染控制工程研究中心研究中心污泥的产生、组成和资源化潜能污泥的产生、组成和资源化潜能2100%COD100%N100%P初沉池二沉池N2:50-70%N90%。l污水处理过程中主要污染物的物质流污泥的产生、组成和资源化潜能污泥的产生、组成和资源化潜能3l城市污泥的组成国内30%-70%国外65%-75%泥沙：SiO2等金属化合物多糖10%脂肪10%蛋白质30%-50%其他(腐殖质,糖醛酸,核酸等30%-50%有机物有机物无机物无机物营养营养
2、物质物质和能源物质和能源物质回收潜力元素：回收潜力元素：C N P回收潜力金属元素：回收潜力金属元素：Ag,Cu,Au,Pt,Fe,Pd,Mn,Zn,Ir,Al,Cd,Ti,Ga,Cr污泥絮体污泥处理处置污泥处理处置“四化四化”4稳定化减量化无害化资源化污泥处置通过处理，使其不对环境造成二次污染，不对人体健康产生危害减少污泥的重量和体积回收回收具有使用价值的具有使用价值的物质和资源物质和资源 降解污泥中的易腐有机物质5污泥稳定化的意义污泥稳定化的意义S污泥无稳定化处理污泥无稳定化处理未经稳定化未经稳定化未经稳定化未经稳定化处理的污泥处理的污泥处理的污泥处理的污泥运输、转运过程运输、转运过程污泥
3、处置污泥处置污泥处置污泥处置有机物的腐败、嗅味等有机物的腐败、嗅味等二次污染的风险二次污染的风险如回到水体如回到水体,原原水水2 20-500-50%的的CODCOD会污染水体会污染水体 减排目标大减排目标大打折扣打折扣6污泥稳定化的意义污泥稳定化的意义污泥生物稳污泥生物稳污泥生物稳污泥生物稳定化处理定化处理定化处理定化处理去除宜降解去除宜降解去除宜降解去除宜降解有机物有机物有机物有机物后续污后续污后续污后续污泥处置泥处置泥处置泥处置土地利用土地利用建材利用建材利用填埋填埋S污泥稳定化处理是污泥处理处置的必要环节污泥稳定化处理是污泥处理处置的必要环节污泥热化学处污泥热化学处污泥热化学处污泥热化
4、学处理热解焚烧理热解焚烧理热解焚烧理热解焚烧7污泥处理污泥处理处置传统技术处置传统技术路线路线生污泥污泥浓缩污泥稳定（厌氧、好氧）污泥脱水土地利用填埋土地利用填埋建材填埋建材土地利用填埋建材土地利用填埋消毒污泥干化污泥干化焚烧热解投加石灰8污泥稳定化的意义污泥稳定化的意义生污泥生污泥 熟化后污泥熟化后污泥-腐殖质腐殖质无机无机物质物质有机物有机物有机物有机物无机无机物质物质水水+CO+CO2 29稳定化稳定化-污泥厌氧消化污泥厌氧消化l污泥稳定化减量化为目标；污水处理过程的一部分；l污泥中的污染物能源（清洁能源）高效回收；污水厂能耗30-70%l污泥脱水性能提高5%；l实现污泥减量（30-50
5、%）；l降低温室气体排放；l消化污泥土地利用或焚烧等。10污泥污泥厌氧消化厌氧消化1吨TS为5%的浓缩污泥经厌氧消化脱水或直接脱水后的污泥量无消化11污泥厌氧消化技术瓶颈污泥厌氧消化技术瓶颈l工业废水厌氧消化理论已完善；l污泥厌氧理论研究滞后；l高含固厌氧消化、协同消化的物质迁移转化，协同效应及降解调控机制的认知还很缺乏；l有机质转化效率低（max.50%）、停留时间长（min.18d)、沼气产率、甲烷含量；l成本和资源回收产出存在差距。12污泥污泥处理技术处理技术路线路线欧洲污泥处理传统技术欧洲污泥处理传统技术路线路线规定动作规定动作“稳定和减量在厂区内完成稳定和减量在厂区内完成技术选择全流
6、程评估技术选择全流程评估很多国家很多国家 新建采用新建采用FIDIC合同，功能标合同，功能标 13污泥资源化能源化新技术污泥资源化能源化新技术污泥热解污泥热解l污泥热解碳化污泥资源化能源化新技术污泥资源化能源化新技术制功能材料制功能材料l以污泥为原料和模板制备功能材料催化材料制备过程中充分利用了污泥中的各种有效成分；污泥中的重金属被原位利用作为掺杂剂；瓶颈：污泥中有机物被煅烧气化，利用率低，会释放有毒气体，材料性能受污泥自身性质的影响。污泥为载体制备高效可见光光Fenton催化剂污泥为载体制备高效可见光光催化剂Yuan&Dai,Applied Catalysis B:Environmental
7、,2014Yuan&Dai,RSC Adv.,2014污泥资源化能源化新技术污泥资源化能源化新技术制功能材料制功能材料l污泥制备储能材料污泥高温热解碳化所得碳材料具有N,S,Fe共掺杂的多孔结构；在经过酸洗后处理去除其中的无机物成分后能够被用作电能存储材料；污泥制备具有环境和成本优势。瓶颈：所得材料的储能性能较实际应用还有一定差距，污泥自身组成对材料性能具有决定性影响。材料材料储能性能储能性能/F/g石墨烯80碳纳米管90活性炭-72R22活性炭OMG-12175污泥未活化-碳化178污泥碱活化-碳化379Co3O4纳米线/碳1124Feng et al.,Mater.Chem.A,2015Y
8、uan&Dai,RSC Adv.,201516污泥土地利用技术路线污泥土地利用技术路线污泥污泥污泥污泥稳定稳定稳定稳定化处化处化处化处理理理理好氧堆肥好氧堆肥好氧延时稳定好氧延时稳定好氧消化好氧消化厌氧消化厌氧消化土地利用土地利用污泥污泥污泥污泥消毒消毒消毒消毒处理处理处理处理 欧洲土地利用占欧洲土地利用占欧洲土地利用占欧洲土地利用占52%52%52%52%各成员国差异较大各成员国差异较大各成员国差异较大各成员国差异较大国外污泥土地利用现状国外污泥土地利用现状-欧洲欧洲18污泥土地利用的意义污泥土地利用的意义优势优势：污泥中含有大量有机质，氮磷钾营养污泥中含有大量有机质，氮磷钾营养物质，利于后
9、续的资源化利用，尤其是磷资物质，利于后续的资源化利用，尤其是磷资源源,污泥产品可满足农业污泥产品可满足农业20%-30%20%-30%的磷需求的磷需求瓶颈瓶颈：重金属重金属、持久性有机物、持久性有机物生活污水厂重金属含量低的污泥土地利用是目前生活污水厂重金属含量低的污泥土地利用是目前生活污水厂重金属含量低的污泥土地利用是目前生活污水厂重金属含量低的污泥土地利用是目前最经济最经济最经济最经济,低碳低碳低碳低碳,资源循环利用的最佳技术路线之一资源循环利用的最佳技术路线之一资源循环利用的最佳技术路线之一资源循环利用的最佳技术路线之一元素元素/年份年份197719821986-199019982006
10、1977-2006减量比减量比例（例（%）*Pb220190113633717Cd214.12.51.41.04Cr630806249376Cu37837032228930079Ni1314834272519Hg4.82.32.31.00.613Zn21401480104583571433 污污泥泥中中大大部部分分重重金金属属含含量量如如Pb,Cd,Cr,Hg和和Zn都都呈呈逐逐年年下下降降的的趋趋势势，Cu和和Ni含量最近几年基本趋于稳定。含量最近几年基本趋于稳定。污泥中有机污染物例如：污泥中有机污染物例如：PCB,PCDD/F,AOX等浓度也呈逐年降低的趋势。等浓度也呈逐年降低的趋势。污泥
11、重金属含量逐年下降污泥重金属含量逐年下降(德国）德国）*1977=100%几几个值得关注个值得关注的问题的问题1920污泥持久性有机物问题污泥持久性有机物问题 污水处理过程部分持久性污染污水处理过程部分持久性污染 物转移到污泥中物转移到污泥中;持久性有机物在污泥处理过程中持久性有机物在污泥处理过程中 的迁移规律的迁移规律污泥含有一定量的持久性有机物污泥含有一定量的持久性有机物污泥含有一定量的持久性有机物污泥含有一定量的持久性有机物,是否增加未来是否增加未来是否增加未来是否增加未来污泥土地利用的风险污泥土地利用的风险污泥土地利用的风险污泥土地利用的风险?21我国未来土地利用的可能性我国未来土地利
12、用的可能性重金属的控制重金属的控制厌氧稳定（大型）厌氧稳定（大型）/好氧稳定（中小型）好氧稳定（中小型）消毒的要求消毒的要求标准的制定，风险评估标准的制定，风险评估几个值得关注的问题几个值得关注的问题22数据来源：欧盟委员会报告Environmental,economic and social impacts of the use of sewage sludge on land在希腊污泥在希腊污泥填埋所占的填埋所占的比重很大，比重很大，而在葡萄牙而在葡萄牙等国污泥填等国污泥填埋的比例已埋的比例已经大幅度减经大幅度减少。少。在荷兰、德在荷兰、德国等一些国国等一些国家不得污泥家不得污泥填埋。填埋
13、。污泥填埋不是未来发展趋势污泥填埋不是未来发展趋势CPN美国：干污泥中含P2-3%，1t干污泥含的P价值7美元(Jordan,2011).日本：将污水中的磷（每年5万吨）回收可解决磷矿进口的20%.理论上1kg COD能转化成4 kWh电能(Halim,2012)作为污水除磷作为污水除磷脱氮的补充碳源脱氮的补充碳源产甲烷产甲烷产氢产氢制制PHA微生物燃料电池微生物燃料电池（MFC）生物柴油生物柴油污泥热解污泥热解/水热制生物碳水热制生物碳土土提取蛋白提取蛋白制氮肥制氮肥制磷肥制磷肥提取提取Ag,Cu,Au等等制吸附材料制吸附材料制催化材料制催化材料制储能材料制储能材料干污泥中N含量3-4%多为
14、有机氮(US,EPA),若污水中的氮全部利用，可占氮肥产量的30%(WERF,2011).1g COD0.35m3甲烷，即12530kJ/g COD(Daigger,2009)转换效率高达36.9%mg C/mg C(Takabatake et al.,2002;Yan et al.2006)总氮和磷去除率平均提高约30%(Xiang Li et al.,2011)最大能达到0.27 l H2/g COD(Prasertsan et al.,2008)美国污水厂每年可产生大约1.4*106 m3的生物柴油，相当于全美柴油需求量的1%(Dufreche et al.,2007)碳减排12%(Wo
15、olf et al.,2010)蛋白最大化回收80-90%(Chishti et al.,1992;Hwang et al.,2008)污泥资源化能源化研究热点污泥资源化能源化研究热点能源和营养能源和营养物质回收物质回收金属提取金属提取材料化转化材料化转化美国估算，1t干污泥含价值480美元的Ag,Cu,Au,Pt等13种主要金属(Jordan Peccia,2011)，1吨污泥焚烧灰含Au,Ag约2kg(Cornwall,2015)污泥富含C,Si和有机物，通过物理、化学活化或热解等可制成多孔吸附材料，KOH活化法效果较好，产品比表面积1800m2/g(Smith,2009)污泥中的金属,S
16、iO2和有机固体使之具备制成金属掺杂的多孔催化材料的优势，现已证实可通过易操作的物理化学方法以污泥制负载TiO2可见光光催化材料，负载铁多相光Fenton催化材料等(Yuan,2014,2015)污泥经过热解碳化后能得到具有N，S，Fe共掺杂的活性碳材料，该碳材料具有优越的储能和电化学性能(Yuan,2015),但离商业化还有距离l市政污水处理过程重要污染物资源化回收利用已是趋市政污水处理过程重要污染物资源化回收利用已是趋势；污水中污染物高效资源化回收利用是下一代污水势；污水中污染物高效资源化回收利用是下一代污水处理技术的发展目标；处理技术的发展目标；l污泥是污水处理过程污泥是污水处理过程“污染物污染物”资源回收是关键，目资源回收是关键，目前污泥处理技术落后于科技发展水平，相对污水处理前污泥处理技术落后于科技发展水平，相对污水处理还很传统，一些列关键基础科学问题还有待解决，很还很传统，一些列关键基础科学问题还有待解决，很大发展潜力；大发展潜力；l污泥污泥新的研究方法建立和关键基础科学问题的凝炼是新的研究方法建立和关键基础科学问题的凝炼是未来新创新技术的核心；未来新创新技术的核心；l遵循
