戴晓虎——污泥新技术和科技项目
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污泥处理处置关键技术研究及 科技项目介绍
戴晓虎 教授 Prof. Dr.-Ing. Xiaohu DAI
同济大学环境科学与工程学院 College of Environmental Science and Engineering, Tongji University 国家城市污染控制工程研究中心 National Engineering Research Center for Urban Pollution Control
提高厌氧系统效率：厌氧消化负荷从1.5-2.0提高到5-6 kgVSS/m2d
Improve the system efficiency: OLR from 1.5-2.0 kgVSS/m2d to 5-6 kgVSS/m2d
设施利用率高：成本降低，经济效益提高
high utilization of facility: reduce costs, improve economic benefits 4500
内容
一、未来先进污染控制技术的特征 二、中国污泥泥质和国外的差异 三、污泥处理处置科技创新 四、污泥处理处置科技项目
2
一．未来先进污染控制技术的特征
3
现状
矛盾？
目标
污染控制 健康安全 资源保障 可续性发展
经济高速发展 城镇化发展 全球气候变化 能源资源短缺 污染复合性 生物多样性丧失 环境要求的提高
20
污泥/有机质高效协同厌氧消化
Co-fermentation of sludge & kitchen waste
• 污泥与城市有机质联合厌氧消化技术 Co-fermentation
提高系统稳定性：降低抑制物浓度
enhance the stability of the system: reduce the concentration of the inhibitor
第一代厌氧消化池 污泥含固率3% 污泥降解率50%
1 generation, solid content 3%, degradation rate 50%
第二代厌氧消化池 污泥含固率5% 污泥降解率50%
2 generation, solid content 5%, degradation rate 50%
DEMON 厌氧铵氧化
消化液
污泥 厌氧消化
污泥
污水
污泥
A池
B池
二沉池
出水
污泥
污泥 厌氧消化
消化液
DEMON 厌氧铵氧化
全流程高效 节能脱氮
四．污泥处理处置科技项目
23
总体思路
传统核心技术研发，实现国产化； 传统核心技术的提升，针对我国污泥特点，
开发新技术，工艺和装备；
前瞻性技术研究，符合未来可续发展规律的 技术，工艺和装备；
污泥转盘，桨叶干化
污泥板框真空脱水机 污泥高干离心浓缩机
污泥热水解装备
污泥热解装备 污泥提蛋白装备 污泥电渗析脱水装备 沼气提纯装备
强化厌氧消化手段—高含固厌氧消化技术
High solid anaerobic digestion
70年代以前 before 70s 70年代-2000年 70s-2000 2000年以后 after 2000
第三代厌氧消化池 污泥含固率>10Hale Waihona Puke Baidu 污泥降解率50%
3 generation, solid content >10%, degradation rate 50%
关键科学技术问题：高含固消化物质迁移转化？ 污泥的降解率提升的机制？
Key issues: mass flow, increase degradation rate
无机物
比例与进 水含砂量 和污泥泥 龄有关 8 8
城市污泥中重金属的分布
中德两国污泥中重金属含量的对比
元素 中国(2006) 平均值 德国(2006) 平均值 Cd Cu Pb 72.3 Zn 1058 Cr 93.1 Ni 48.7 Hg 2.13 2.01 219
1.0
300
37
714
37
先进污泥处理处置技术
污泥高效厌氧消化技术
高含固厌氧消化技术 污泥热碱处理发酵产沼气
污泥厌氧消化产氢
沼液氨氧化技术
污泥磷回收技术 污泥热解 超临界水解 重金属去除技术 污泥提取蛋白技术
污泥处理处置新装备
污泥干化焚烧
喷雾干化焚烧 污泥带式干化焚烧一体机
城市污泥 有机质物料
预处理系统
城市污泥 （与有机废 弃物）厌氧 消化设备
2500 2000 1500 1000
沼液
沼渣干 化系统
沼渣外运
500 0
VFA (mg / L) VFA ( mg / L )
+
21
0:1
厌氧氨氧化技术-颠覆性突破（？）
污水 初沉池 生物池 二沉池
污泥
出水
消化液高效 节能脱氮
THP有效的提高溶解性COD的比例
THP can effectively increase the ratio of soluble COD
THP大大降低污泥的粘度
THP can greatly reduce the viscosity of sludge
THP能将污泥降解率提高15%
THP can increase 15% of the degradation rate of sludge
强化厌氧消化的手段—优势菌种
Dominant bacteria
定向优势菌种 Dominant bacteria 定向优势菌种筛选？ Directional selection? 提高转化效率？ Improve the conversion efficiency? 定向菌种的环境风险？ Environmental risk?
17
强化厌氧消化的手段——热水解
Thermal hydrolysis pretreatment
高温高压热水解预处理技术 (THP) 对高含固厌氧消化的作用：
The impact of thermal high-pressure pretreatment (THP) on highsolids anaerobic digestion
以处理处置为前提的国际传统通用技术
先进污泥处理处置技术
污泥处理处置技术发展与进步： 主要因素：全球气候变化、能源资源短缺、粮食安全
主要目标：
能源高效回收
降低环境风险，安全处置
资源循环利用利用
污泥污染物利用的潜能
作为污水除磷脱氮补充碳源 产甲烷 产氢 制PHA C资源化利用 开发微生物燃料电池（MFC） 制生物柴油 制生物碳土 提取蛋白 N资源化利用 P资源化利用 制氮肥 制磷肥
粒度小于
200μm颗粒 均在90%以 上。
粒度/（μm）
完善排水系统的国家，污泥中砂的粒径一般都大于200μm
10
三．污泥处理处置科技创新
11
污泥处理处置技术现状
污泥处理处置技术
污泥稳定化 （厌氧、好氧、焚烧） 污泥减量化 （浓縮、脱水、干化、焚烧） 污泥无害化 （卫生填埋，焚烧） 污泥资源化 （厌氧沼气回收，焚烧热能回 收，土地有机质利用，建材无机质利用）
科技创新和资源循环是核心
物质流 能量流 区域系统
物 质 流
能 量 流
污染物（水、固体、气体）
能 量 流
物 质 流
能量流 碳、氮、磷
„
二．中国污泥泥质和国外的差异
6
污水生物处理过程主要污染物物质流
化学药剂 N2: 50-70%N 100%COD 100%N 100%P O2，能量 CO2: 35%COD （0.9-1.0 kWh/kgCOD） 二沉池 初沉池 <10% COD 5-15% N 10% P
25
0.6
*1977 = 100%
德国污泥重金属变化
元素/年份 Pb Cd Cr Cu Ni Hg Zn 1977 220 21 630 378 131 4.8 2140 1982 190 4.1 80 370 48 2.3 1480 19861990 113 2.5 62 322 34 2.3 1045 1998 63 1.4 49 289 27 1.0 835 2006 37 1.0 37 300 25 0.6 714 17 4 6 79 19 13 33
沼气净 化设备
其它城市有机质
沼气储 存设备 热能利用
沼气发 电能利用 电机组
4000 3500 3000
14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 1:0 2.4:1 0.9:1 0.4:1 0:1 0 1:0 2.4:1 0.9:1 0.4:1
Na ( mg / L )
到污泥中 污泥不得到妥善处理，节能减排目 7 标大打折扣
城市污泥的性质
营养物质： 污泥类型
* 占污泥干基的%
中国污泥 2.7±1.4 1.4±1.2 0.7±0.3
德国污泥 4-5 2-3.5 0.2-0.3
总氮 TN 磷 P 钾 K
有机物组成：
有机物
30%-70% （通常50%） 国外平均 65%-75%
强化厌氧消化的手段——酶水解
Enzyme hydrolysis
酶水解对厌氧消化的作用 the impact on digestion 酶对污泥厌氧消化提升？ Enzyme can improve digestion? 酶能否提高污泥降解效率？ Enzyme can increase degradation rate? 酶对消化污泥的脱水性能及沼渣利用影响？ How impact enzyme on dewaterability and sludge utilization?
THP能起到消毒和杀灭病菌的效果
THP can realize the hygienization and kill the pathogens
高温高压热水解罐
Thermal High-Pressure Pretreatment
脱水污泥
Dewatered Sludge
热水解污泥
Thermal Hydrolyzed sludge
1977-2006减量比 例（%）*
9
城市污泥中砂的粒径分布
合肥城市污泥中砂的粒度累积密度分布
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0 50 100 150 200 颗粒累积密度分布/（%）
王小郢 望塘 小仓房 十五里河 塘西河 经开区 朱砖井
各污水厂砂
中值粒度小 于50μm，
35%COD 10-15%N 10-15%P
20%COD 20-30%N 75-80%P
CH4: 28%COD 沼液+上清液: 0.1%COD 15-20%N 脱水 脱水污泥: 27%COD 5-10% N 90% P 水处理过程中相当部分污染物转移
转入污泥的COD约30-50% 转入污泥的N约30-45% 转入污泥的P约90%
提高产气效益：产气率大幅提高
enhance the biogas production: increase biogas production rate
污泥、餐厨全部厌氧消化可产天然气：污泥 15亿立方米 ，餐厨40亿立方米
if all sludge and kitchen waste are digested: 1.5 billion m3 from sludge, 4 billion m3 from kitchen waste
总氮和磷去除率平均提高约30% (Xiang Li et al., 2011) 1g COD理论上能转化成0.35m3甲烷，即 12530kJ/g COD (Daigger, 2009) 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) 理论上1kg COD能转化成4 kWh电能 (Halim, 2012) 研究表明美国的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) 蛋白能最大化回收80-90% (Chishti et al., 1992; Hwang et al., 2008) 若污水中的氮全部利用，可占氮肥产量 的30% (WERF, 2011) 日本测算，若将污水中的磷（每年5万 吨）回收，解决本国磷矿石进口量的 20%。
戴晓虎 教授 Prof. Dr.-Ing. Xiaohu DAI
同济大学环境科学与工程学院 College of Environmental Science and Engineering, Tongji University 国家城市污染控制工程研究中心 National Engineering Research Center for Urban Pollution Control
提高厌氧系统效率：厌氧消化负荷从1.5-2.0提高到5-6 kgVSS/m2d
Improve the system efficiency: OLR from 1.5-2.0 kgVSS/m2d to 5-6 kgVSS/m2d
设施利用率高：成本降低，经济效益提高
high utilization of facility: reduce costs, improve economic benefits 4500
内容
一、未来先进污染控制技术的特征 二、中国污泥泥质和国外的差异 三、污泥处理处置科技创新 四、污泥处理处置科技项目
2
一．未来先进污染控制技术的特征
3
现状
矛盾？
目标
污染控制 健康安全 资源保障 可续性发展
经济高速发展 城镇化发展 全球气候变化 能源资源短缺 污染复合性 生物多样性丧失 环境要求的提高
20
污泥/有机质高效协同厌氧消化
Co-fermentation of sludge & kitchen waste
• 污泥与城市有机质联合厌氧消化技术 Co-fermentation
提高系统稳定性：降低抑制物浓度
enhance the stability of the system: reduce the concentration of the inhibitor
第一代厌氧消化池 污泥含固率3% 污泥降解率50%
1 generation, solid content 3%, degradation rate 50%
第二代厌氧消化池 污泥含固率5% 污泥降解率50%
2 generation, solid content 5%, degradation rate 50%
DEMON 厌氧铵氧化
消化液
污泥 厌氧消化
污泥
污水
污泥
A池
B池
二沉池
出水
污泥
污泥 厌氧消化
消化液
DEMON 厌氧铵氧化
全流程高效 节能脱氮
四．污泥处理处置科技项目
23
总体思路
传统核心技术研发，实现国产化； 传统核心技术的提升，针对我国污泥特点，
开发新技术，工艺和装备；
前瞻性技术研究，符合未来可续发展规律的 技术，工艺和装备；
污泥转盘，桨叶干化
污泥板框真空脱水机 污泥高干离心浓缩机
污泥热水解装备
污泥热解装备 污泥提蛋白装备 污泥电渗析脱水装备 沼气提纯装备
强化厌氧消化手段—高含固厌氧消化技术
High solid anaerobic digestion
70年代以前 before 70s 70年代-2000年 70s-2000 2000年以后 after 2000
第三代厌氧消化池 污泥含固率>10Hale Waihona Puke Baidu 污泥降解率50%
3 generation, solid content >10%, degradation rate 50%
关键科学技术问题：高含固消化物质迁移转化？ 污泥的降解率提升的机制？
Key issues: mass flow, increase degradation rate
无机物
比例与进 水含砂量 和污泥泥 龄有关 8 8
城市污泥中重金属的分布
中德两国污泥中重金属含量的对比
元素 中国(2006) 平均值 德国(2006) 平均值 Cd Cu Pb 72.3 Zn 1058 Cr 93.1 Ni 48.7 Hg 2.13 2.01 219
1.0
300
37
714
37
先进污泥处理处置技术
污泥高效厌氧消化技术
高含固厌氧消化技术 污泥热碱处理发酵产沼气
污泥厌氧消化产氢
沼液氨氧化技术
污泥磷回收技术 污泥热解 超临界水解 重金属去除技术 污泥提取蛋白技术
污泥处理处置新装备
污泥干化焚烧
喷雾干化焚烧 污泥带式干化焚烧一体机
城市污泥 有机质物料
预处理系统
城市污泥 （与有机废 弃物）厌氧 消化设备
2500 2000 1500 1000
沼液
沼渣干 化系统
沼渣外运
500 0
VFA (mg / L) VFA ( mg / L )
+
21
0:1
厌氧氨氧化技术-颠覆性突破（？）
污水 初沉池 生物池 二沉池
污泥
出水
消化液高效 节能脱氮
THP有效的提高溶解性COD的比例
THP can effectively increase the ratio of soluble COD
THP大大降低污泥的粘度
THP can greatly reduce the viscosity of sludge
THP能将污泥降解率提高15%
THP can increase 15% of the degradation rate of sludge
强化厌氧消化的手段—优势菌种
Dominant bacteria
定向优势菌种 Dominant bacteria 定向优势菌种筛选？ Directional selection? 提高转化效率？ Improve the conversion efficiency? 定向菌种的环境风险？ Environmental risk?
17
强化厌氧消化的手段——热水解
Thermal hydrolysis pretreatment
高温高压热水解预处理技术 (THP) 对高含固厌氧消化的作用：
The impact of thermal high-pressure pretreatment (THP) on highsolids anaerobic digestion
以处理处置为前提的国际传统通用技术
先进污泥处理处置技术
污泥处理处置技术发展与进步： 主要因素：全球气候变化、能源资源短缺、粮食安全
主要目标：
能源高效回收
降低环境风险，安全处置
资源循环利用利用
污泥污染物利用的潜能
作为污水除磷脱氮补充碳源 产甲烷 产氢 制PHA C资源化利用 开发微生物燃料电池（MFC） 制生物柴油 制生物碳土 提取蛋白 N资源化利用 P资源化利用 制氮肥 制磷肥
粒度小于
200μm颗粒 均在90%以 上。
粒度/（μm）
完善排水系统的国家，污泥中砂的粒径一般都大于200μm
10
三．污泥处理处置科技创新
11
污泥处理处置技术现状
污泥处理处置技术
污泥稳定化 （厌氧、好氧、焚烧） 污泥减量化 （浓縮、脱水、干化、焚烧） 污泥无害化 （卫生填埋，焚烧） 污泥资源化 （厌氧沼气回收，焚烧热能回 收，土地有机质利用，建材无机质利用）
科技创新和资源循环是核心
物质流 能量流 区域系统
物 质 流
能 量 流
污染物（水、固体、气体）
能 量 流
物 质 流
能量流 碳、氮、磷
„
二．中国污泥泥质和国外的差异
6
污水生物处理过程主要污染物物质流
化学药剂 N2: 50-70%N 100%COD 100%N 100%P O2，能量 CO2: 35%COD （0.9-1.0 kWh/kgCOD） 二沉池 初沉池 <10% COD 5-15% N 10% P
25
0.6
*1977 = 100%
德国污泥重金属变化
元素/年份 Pb Cd Cr Cu Ni Hg Zn 1977 220 21 630 378 131 4.8 2140 1982 190 4.1 80 370 48 2.3 1480 19861990 113 2.5 62 322 34 2.3 1045 1998 63 1.4 49 289 27 1.0 835 2006 37 1.0 37 300 25 0.6 714 17 4 6 79 19 13 33
沼气净 化设备
其它城市有机质
沼气储 存设备 热能利用
沼气发 电能利用 电机组
4000 3500 3000
14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 1:0 2.4:1 0.9:1 0.4:1 0:1 0 1:0 2.4:1 0.9:1 0.4:1
Na ( mg / L )
到污泥中 污泥不得到妥善处理，节能减排目 7 标大打折扣
城市污泥的性质
营养物质： 污泥类型
* 占污泥干基的%
中国污泥 2.7±1.4 1.4±1.2 0.7±0.3
德国污泥 4-5 2-3.5 0.2-0.3
总氮 TN 磷 P 钾 K
有机物组成：
有机物
30%-70% （通常50%） 国外平均 65%-75%
强化厌氧消化的手段——酶水解
Enzyme hydrolysis
酶水解对厌氧消化的作用 the impact on digestion 酶对污泥厌氧消化提升？ Enzyme can improve digestion? 酶能否提高污泥降解效率？ Enzyme can increase degradation rate? 酶对消化污泥的脱水性能及沼渣利用影响？ How impact enzyme on dewaterability and sludge utilization?
THP能起到消毒和杀灭病菌的效果
THP can realize the hygienization and kill the pathogens
高温高压热水解罐
Thermal High-Pressure Pretreatment
脱水污泥
Dewatered Sludge
热水解污泥
Thermal Hydrolyzed sludge
1977-2006减量比 例（%）*
9
城市污泥中砂的粒径分布
合肥城市污泥中砂的粒度累积密度分布
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0 50 100 150 200 颗粒累积密度分布/（%）
王小郢 望塘 小仓房 十五里河 塘西河 经开区 朱砖井
各污水厂砂
中值粒度小 于50μm，
35%COD 10-15%N 10-15%P
20%COD 20-30%N 75-80%P
CH4: 28%COD 沼液+上清液: 0.1%COD 15-20%N 脱水 脱水污泥: 27%COD 5-10% N 90% P 水处理过程中相当部分污染物转移
转入污泥的COD约30-50% 转入污泥的N约30-45% 转入污泥的P约90%
提高产气效益：产气率大幅提高
enhance the biogas production: increase biogas production rate
污泥、餐厨全部厌氧消化可产天然气：污泥 15亿立方米 ，餐厨40亿立方米
if all sludge and kitchen waste are digested: 1.5 billion m3 from sludge, 4 billion m3 from kitchen waste
总氮和磷去除率平均提高约30% (Xiang Li et al., 2011) 1g COD理论上能转化成0.35m3甲烷，即 12530kJ/g COD (Daigger, 2009) 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) 理论上1kg COD能转化成4 kWh电能 (Halim, 2012) 研究表明美国的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) 蛋白能最大化回收80-90% (Chishti et al., 1992; Hwang et al., 2008) 若污水中的氮全部利用，可占氮肥产量 的30% (WERF, 2011) 日本测算，若将污水中的磷（每年5万 吨）回收，解决本国磷矿石进口量的 20%。