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(jì)，我國(guó)城市污水處理廠每年污泥發(fā)生量(干重)約為130萬(wàn) t，且以每年10％的速度增長(zhǎng)[1]。污泥如果處置不當(dāng)則會(huì)產(chǎn)生二次污染，對(duì)環(huán)境和人類(lèi)造成很大的危害。因此，尋找和探索城市污泥無(wú)害化、資源化途徑，已成為污水處理行業(yè)亟待解決的一個(gè)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(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。污泥發(fā)電不但可以實(shí)現(xiàn)污泥安全處理，同時(shí)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(guó)向可持續(xù)的循環(huán)型社會(huì)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(jì)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(duì)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(guò)熱回收系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，見(jiàn)圖l。

　　2．1．2污泥燃料焚燒發(fā)電應(yīng)用實(shí)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(wú)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(diǎn)。漿狀污泥燃料可以通過(guò)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(guó)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(yùn)行，東京每年產(chǎn)生130萬(wàn)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(guó)倫敦開(kāi)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(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“煤助燃循環(huán)硫化床”技術(shù)興建了國(guó)內(nèi)首座污泥焚燒發(fā)電大型示范項(xiàng)目，日處理污泥1500t以上，污泥處理價(jià)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(wàn)t。2006年，浙江省富陽(yáng)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(yùn)。該工程日處理污泥 400t，年發(fā)電量達(dá)730萬(wàn)kW·h。2007年6月在合肥投產(chǎn)運(yùn)行的污泥發(fā)電供熱項(xiàng)目，日產(chǎn)污泥300t，燃燒后灰渣用作修路?？梢?jiàn)，國(guó)外的污泥發(fā)電技術(shù)已基本成熟，國(guó)內(nèi)污泥發(fā)電技術(shù)處于成長(zhǎng)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(diǎn)而倍受關(guān)注，開(kāi)發(fā)沼氣發(fā)電成為建設(shè)綠色環(huán)保工程的一項(xiàng)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(guò)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(jiàn)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(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。同時(shí)，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(shí)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

　　德國(guó)城市污水處理廠對(duì)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(guó)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(yùn)行耗電量的90％～95％，同時(shí)還可滿(mǎn)足處理工藝中的供暖及冬季全廠車(chē)間、辦公室的供暖。?？谑邪咨抽T(mén)污水處理廠借鑒了德國(guó)處理污泥的經(jīng)驗(yàn)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(fèi)約15--一18萬(wàn)元。沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢熱用于加熱消化池中污泥，在正常運(yùn)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(wàn)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(wàn)m3／d。按沼氣發(fā)電1．7kW·h／m3計(jì)算，每天發(fā)電量為3萬(wàn)kw·h，1年節(jié)約電費(fèi)500萬(wàn)元。年發(fā)電量近1000萬(wàn)kW·h，相當(dāng)于5000戶(hù)家庭1年的用電量。2006年北京小紅門(mén)污水處理廠污泥發(fā)電裝置建設(shè)完成，2007年開(kāi)始利用污泥發(fā)電。小紅門(mén)污水處理廠是北京第二個(gè)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(wàn)kw·h。

　　2．2．2 沼氣凈化后通過(guò)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(jiàn)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。