厌氧消化污泥处理处置
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9百度文库
污泥厌氧消化
• 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
10
污泥厌氧消化技术瓶颈
工业废水厌氧消化理论已完善； 污泥厌氧理论研究滞后； 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； 有机质转化效率低（max.50%）、停留时间 长（min.18 d)、沼气产率、甲烷含量；
污泥中大部分重金属含量如 Pb, Cd, Cr, Hg和 Zn都呈逐年下降的趋势， Cu和Ni含量最近几年基本趋于稳定。 19 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。
污泥持久性有机物问题
污水处理过程部分持久性污染
物转移到污泥中;
持久性有机物在污泥处理过程中
20%COD 剩余污泥 20-30%N 75-80%P
CH4: 28%COD
沼液+上清液: 0.1%COD 15-20%N 脱水 脱水沼渣: 27%COD 5-10% N 90% P
富集污泥的 COD 20-50%，N 20-45%；P>90%。
2
污泥的产生、组成和资源化潜能
城市污泥的组成
的迁移规律 污泥含有一定量的持久性有机物,是否增加未来 污泥土地利用的风险 ?
20
我国未来土地利用的可能性
• 重金属的控制 • 厌氧稳定（大型）/好氧稳定（中小型）
• 消毒的要求
• 标准的制定，风险评估
21
几个值得关注的问题
污泥填埋不是未来发展趋势
在希腊污泥 填埋所占的 比重很大， 而在葡萄牙 等国污泥填 埋的比例已 经大幅度减 少。 在荷兰、德 国等一些国 家不得污泥 填埋。
成本和资源回收产出存在差距。
11
污泥处理技术路线
规定动作“稳定和减量在厂区内完成 技术选择全流程评估 很多国家 新建采用FIDIC合同，功能标
欧洲污泥处理传统技术路线
12
污泥资源化能源化新技术—污泥热解
污泥热解碳化
13
污泥资源化能源化新技术—制功能材料
以污泥为原料和模板制备功能材料
*1977 = 100%
220 21
630 378 131 4.8 2140
190 4.1
80 370 48 2.3 1480
113 2.5
62 322 34 2.3 1045
63 1.4
49 289 27 1.0 835
37 1.0
37 300 25 0.6 714
17 4
6 79 19 13 33
5
污泥稳定化的意义
污泥稳定化处理是污泥处理处置的必要环节
污泥生物稳 定化处理 土地利用 后续污 泥处置 建材利用 填埋 污泥热化学处 理热解焚烧
6
污泥处理处置传统技术路线
生污泥
污泥浓缩 污泥稳定（厌氧、好氧） 污泥脱水 污泥干化
消 毒
污泥干化
焚烧
热解
土地 利用 填 建 埋 材
投加石灰
土地 利用
材料
石墨烯 碳纳米管 活性炭-72R 活性炭OMG-12 污泥未活化-碳化 污泥碱活化-碳化 Co3O4纳米线/碳
储能性能/ F/g
~80 ~90 ~22 ~175 ~178 ~379 ~1124
Feng et al., Mater. Chem. A, 2015 Yuan & Dai, RSC Adv., 2015
最大能达到0.27 l H2/g COD (Prasertsan et al., 2008)
转换效率高达36.9% mg C/mg C (Takabatake et al., 2002; Yan et al. 2006)
能源和营养 物质回收
C
微生物燃料电池（MFC） 理论上1kg COD能转化成4 kWh电能 (Halim, 2012) 生物柴油 污泥热解/水热制生物碳 土 提取蛋白
3
污泥处理处置“四化”
减量化
减少污泥的重 量和体积
稳定化
降解污泥中的 易腐有机物质
资源化
回收具有使用价值的 物质和资源
无害化
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
污泥处置
4
污泥稳定化的意义
污泥无稳定化处理
运输、转运过程
未经稳定化 处理的污泥
污泥处置
有机物的腐败、嗅味等 二次污染的风险 如回到水体,原水20-50%的 COD会污染水体 减排目标大 打折扣
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% (Woolf et al., 2010) 蛋白最大化回收80-90% (Chishti et al., 1992; Hwang et al., 2008) 干污泥中N含量3-4% 多为有机氮(US, EPA), 若污水中的氮全部利用，可 占氮肥产量的30% (WERF, 2011). 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%. 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,SiO2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
N P
金属提取
制氮肥 制磷肥 提取Ag, Cu, Au等 制吸附材料
材料化转化
制催化材料 制储能材料
结语
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 处理技术的发展目标； 污泥是污水处理过程“污染物”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 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； 污泥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； 遵循“绿色、低碳、健康”的原则，解决污泥“难题” 的同时，实现物质和能源回收的最大化是未来研究方 向。
其他 (腐殖 国内30%-70% 质, 糖 国外65%-75% 醛 酸,… 污 泥 絮 体
多糖 ~10%
脂肪 ~10%
有机物
• 营养物质和能源物质
• 回收潜力元素：
蛋白质 30%50%
C N P
无机物
泥沙：SiO2等 金属化合物 • 回收潜力金属元素： Ag, Cu, Au, Pt, Fe, Pd, Mn, Zn, Ir, Al, Cd, Ti, Ga , Cr
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
污泥资源化能源化研究热点
作为污水除磷 脱氮的补充碳源 产甲烷 产氢 制PHA
总氮和磷去除率平均提高约30%(Xiang Li et al., 2011) 1g COD~0.35m3甲烷，即12530kJ/g COD (Daigger, 2009)
戴晓虎 教授
同济大学环境科学与工程学院 国家城市污染控制工程研究中心
污泥的产生、组成和资源化潜能
污水处理过程中主要污染物的物质流
N2: 50-70%N O2, 能量 100%COD 100%N 100%P 初沉池 二沉池 CO2: 35%COD
<10% COD 5-15% N 10% P
初沉污泥 35%COD 10-15%N 10-15%P
瓶颈：重金属、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 最经济,低碳,资源循环利用的最佳技术路线之一
18
几个值得关注的问题
污泥重金属含量逐年下降(德国）
元素/年份 1977 1982 19861990 1998 2006 1977-2006减量比 例（%）*
Pb Cd
Cr Cu Ni Hg Zn
污泥土地利用技术路线
• • • • 好氧堆肥 好氧延时稳定 好氧消化 厌氧消化
污泥 稳定 化处 理
污泥 消毒 处理
土地利用
16
国外污泥土地利用现状-欧洲
欧洲土地利用占52%
各成员国差异较大
污泥土地利用的意义
优势：污泥中含有大量有机质，氮磷钾营养
物质，利于后续的资源化利用，尤其是磷资
源,污泥产品可满足农业20%-30%的磷需求
Yuan & Dai, RSC Adv., 2014
污泥资源化能源化新技术—制功能材料
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。
填 埋
土地 利用
填 建 填 建 埋 材 埋 材
土地 利用
填 埋
7
污泥稳定化的意义
生污泥
有机物
熟化后污泥-腐殖质
水+CO2
有机物
无机 物质
无机 物质
8
稳定化-污泥厌氧消化
污泥稳定化减量化为目标；污水处理过程 的一部分；
污泥中的污染物能源（清洁能源）高效回 收；污水厂能耗30-70%
污泥脱水性能提高 – 5%； 实现污泥减量 （30-50%）； 降低温室气体排放； 消化污泥土地利用或焚烧等。
• 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, 2014
污泥厌氧消化
• 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
10
污泥厌氧消化技术瓶颈
工业废水厌氧消化理论已完善； 污泥厌氧理论研究滞后； 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； 有机质转化效率低（max.50%）、停留时间 长（min.18 d)、沼气产率、甲烷含量；
污泥中大部分重金属含量如 Pb, Cd, Cr, Hg和 Zn都呈逐年下降的趋势， Cu和Ni含量最近几年基本趋于稳定。 19 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。
污泥持久性有机物问题
污水处理过程部分持久性污染
物转移到污泥中;
持久性有机物在污泥处理过程中
20%COD 剩余污泥 20-30%N 75-80%P
CH4: 28%COD
沼液+上清液: 0.1%COD 15-20%N 脱水 脱水沼渣: 27%COD 5-10% N 90% P
富集污泥的 COD 20-50%，N 20-45%；P>90%。
2
污泥的产生、组成和资源化潜能
城市污泥的组成
的迁移规律 污泥含有一定量的持久性有机物,是否增加未来 污泥土地利用的风险 ?
20
我国未来土地利用的可能性
• 重金属的控制 • 厌氧稳定（大型）/好氧稳定（中小型）
• 消毒的要求
• 标准的制定，风险评估
21
几个值得关注的问题
污泥填埋不是未来发展趋势
在希腊污泥 填埋所占的 比重很大， 而在葡萄牙 等国污泥填 埋的比例已 经大幅度减 少。 在荷兰、德 国等一些国 家不得污泥 填埋。
成本和资源回收产出存在差距。
11
污泥处理技术路线
规定动作“稳定和减量在厂区内完成 技术选择全流程评估 很多国家 新建采用FIDIC合同，功能标
欧洲污泥处理传统技术路线
12
污泥资源化能源化新技术—污泥热解
污泥热解碳化
13
污泥资源化能源化新技术—制功能材料
以污泥为原料和模板制备功能材料
*1977 = 100%
220 21
630 378 131 4.8 2140
190 4.1
80 370 48 2.3 1480
113 2.5
62 322 34 2.3 1045
63 1.4
49 289 27 1.0 835
37 1.0
37 300 25 0.6 714
17 4
6 79 19 13 33
5
污泥稳定化的意义
污泥稳定化处理是污泥处理处置的必要环节
污泥生物稳 定化处理 土地利用 后续污 泥处置 建材利用 填埋 污泥热化学处 理热解焚烧
6
污泥处理处置传统技术路线
生污泥
污泥浓缩 污泥稳定（厌氧、好氧） 污泥脱水 污泥干化
消 毒
污泥干化
焚烧
热解
土地 利用 填 建 埋 材
投加石灰
土地 利用
材料
石墨烯 碳纳米管 活性炭-72R 活性炭OMG-12 污泥未活化-碳化 污泥碱活化-碳化 Co3O4纳米线/碳
储能性能/ F/g
~80 ~90 ~22 ~175 ~178 ~379 ~1124
Feng et al., Mater. Chem. A, 2015 Yuan & Dai, RSC Adv., 2015
最大能达到0.27 l H2/g COD (Prasertsan et al., 2008)
转换效率高达36.9% mg C/mg C (Takabatake et al., 2002; Yan et al. 2006)
能源和营养 物质回收
C
微生物燃料电池（MFC） 理论上1kg COD能转化成4 kWh电能 (Halim, 2012) 生物柴油 污泥热解/水热制生物碳 土 提取蛋白
3
污泥处理处置“四化”
减量化
减少污泥的重 量和体积
稳定化
降解污泥中的 易腐有机物质
资源化
回收具有使用价值的 物质和资源
无害化
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
污泥处置
4
污泥稳定化的意义
污泥无稳定化处理
运输、转运过程
未经稳定化 处理的污泥
污泥处置
有机物的腐败、嗅味等 二次污染的风险 如回到水体,原水20-50%的 COD会污染水体 减排目标大 打折扣
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% (Woolf et al., 2010) 蛋白最大化回收80-90% (Chishti et al., 1992; Hwang et al., 2008) 干污泥中N含量3-4% 多为有机氮(US, EPA), 若污水中的氮全部利用，可 占氮肥产量的30% (WERF, 2011). 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%. 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,SiO2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
N P
金属提取
制氮肥 制磷肥 提取Ag, Cu, Au等 制吸附材料
材料化转化
制催化材料 制储能材料
结语
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 处理技术的发展目标； 污泥是污水处理过程“污染物”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 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； 污泥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； 遵循“绿色、低碳、健康”的原则，解决污泥“难题” 的同时，实现物质和能源回收的最大化是未来研究方 向。
其他 (腐殖 国内30%-70% 质, 糖 国外65%-75% 醛 酸,… 污 泥 絮 体
多糖 ~10%
脂肪 ~10%
有机物
• 营养物质和能源物质
• 回收潜力元素：
蛋白质 30%50%
C N P
无机物
泥沙：SiO2等 金属化合物 • 回收潜力金属元素： Ag, Cu, Au, Pt, Fe, Pd, Mn, Zn, Ir, Al, Cd, Ti, Ga , Cr
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
污泥资源化能源化研究热点
作为污水除磷 脱氮的补充碳源 产甲烷 产氢 制PHA
总氮和磷去除率平均提高约30%(Xiang Li et al., 2011) 1g COD~0.35m3甲烷，即12530kJ/g COD (Daigger, 2009)
戴晓虎 教授
同济大学环境科学与工程学院 国家城市污染控制工程研究中心
污泥的产生、组成和资源化潜能
污水处理过程中主要污染物的物质流
N2: 50-70%N O2, 能量 100%COD 100%N 100%P 初沉池 二沉池 CO2: 35%COD
<10% COD 5-15% N 10% P
初沉污泥 35%COD 10-15%N 10-15%P
瓶颈：重金属、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 最经济,低碳,资源循环利用的最佳技术路线之一
18
几个值得关注的问题
污泥重金属含量逐年下降(德国）
元素/年份 1977 1982 19861990 1998 2006 1977-2006减量比 例（%）*
Pb Cd
Cr Cu Ni Hg Zn
污泥土地利用技术路线
• • • • 好氧堆肥 好氧延时稳定 好氧消化 厌氧消化
污泥 稳定 化处 理
污泥 消毒 处理
土地利用
16
国外污泥土地利用现状-欧洲
欧洲土地利用占52%
各成员国差异较大
污泥土地利用的意义
优势：污泥中含有大量有机质，氮磷钾营养
物质，利于后续的资源化利用，尤其是磷资
源,污泥产品可满足农业20%-30%的磷需求
Yuan & Dai, RSC Adv., 2014
污泥资源化能源化新技术—制功能材料
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。
填 埋
土地 利用
填 建 填 建 埋 材 埋 材
土地 利用
填 埋
7
污泥稳定化的意义
生污泥
有机物
熟化后污泥-腐殖质
水+CO2
有机物
无机 物质
无机 物质
8
稳定化-污泥厌氧消化
污泥稳定化减量化为目标；污水处理过程 的一部分；
污泥中的污染物能源（清洁能源）高效回 收；污水厂能耗30-70%
污泥脱水性能提高 – 5%； 实现污泥减量 （30-50%）； 降低温室气体排放； 消化污泥土地利用或焚烧等。
• 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, 2014