1 引言
污泥作為污水處理的伴生物，占污水總量的0．5％～1％。據統計，我國城市污水處理廠每年污泥發生量(干重)約為130萬 t，且以每年10％的速度增長[1]。污泥如果處置不當則會產生二次污染，對環境和人類造成很大的危害。因此，尋找和探索城市污泥無害化、資源化途徑，已成為污水處理行業亟待解決的一個重要課題。污泥中含有近40％的有機生物質，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資源。合理利用污泥發電已成為污泥有效利用的一個新的發展趨勢。污泥發電不但可以實現污泥安全處理，同時還可以從污泥中抽取能量，替代部分化石燃料，即節約資源和能源，又保護環境，有利于促進我國向可持續的循環型社會的轉變。
2典型的污泥發電工藝污泥發電主要有以下2種方式：
(1)污泥燃料燃燒發電。
(2)污泥厭氧消化產生沼氣發電。
2．1污泥燃料燃燒發電
2．1．1 污泥焚燒發電原理污泥焚燒是在一定溫度和氧氣存在條件下，使污泥中的有機質發生燃燒反應，生成C02、HzO、Nz等。焚燒處理的產物是灰渣和煙氣[2]。污泥的低位熱值與其可燃分(揮發分)的含量、含水率和可燃分的熱值有關，如下式所示。
CV, 污泥揮發分的熱值，MJ／k。根據上式計算得燃燒最高限含水率為67．7％，超出了一般污泥機械脫水設備的水平，因此直接以脫水污泥為燃燒處理對象的焚燒爐，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熱回收系統和發電系統實現能量的轉化，見圖l。
2．1．2污泥燃料焚燒發電應用實例以污泥燃料焚燒為核心的污泥發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，無害化較徹底，余熱可用于發電，焚燒后產生的灰渣可以用于改良土壤、筑路、制磚瓦、陶瓷、混凝土填料等優點。漿狀污泥燃料可以通過管道用泵輸送，美、日、英的污泥燃料多為固態顆粒狀[3]。美國近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電，2007年正式投入運行，東京每年產生130萬t下水道污泥，其中9900t污泥制成燃料污泥送火力發電廠發電。1998年，英國倫敦開始將污泥進行脫水、干燥、粉碎，然后利用污泥燃燒的熱能作為能源進行發電。
2005 年，浙江紹興采用具有我國自主知識產權的“煤助燃循環硫化床”技術興建了國內首座污泥焚燒發電大型示范項目，日處理污泥1500t以上，污泥處理價格為 80元／t，年上網電力2．66×10^8kW·h，供蒸汽150t／h。1天可節約原煤450t，相當于每年節約原煤13．5萬t。2006年，浙江省富陽市某污水處理廠將污泥(600t／d)焚燒發電，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。該工程日處理污泥 400t，年發電量達730萬kW·h。2007年6月在合肥投產運行的污泥發電供熱項目，日產污泥300t，燃燒后灰渣用作修路。可見，國外的污泥發電技術已基本成熟，國內污泥發電技術處于成長階段，工程方興未艾。
2．2污泥厭氧消化產生沼氣發電
污泥消化可以抑制病菌，改善污泥的衛生狀況；脫水后的消化污泥還可作為發電廠或水泥廠的輔助燃料。污水處理廠污泥厭氧消化產生的沼氣，主要組分為CHt和 C02，以及H2S、氨等微量有害氣體。與其他燃氣相比，沼氣是一種性能優良的清潔燃料[5]。沼氣發電以其低排放、低污染、節約能源、廢物資源化等優點而倍受關注，開發沼氣發電成為建設綠色環保工程的一項重要措施。利用污泥消化產生的沼氣發電，發電設備主要有兩種：一種是燃氣機一發電機系統；另一種是污泥厭氧消化產生沼氣通過改質器轉化為氫氣，經燃料電池發電。
2．2．1燃氣機一發電機系統消化氣體發電設備的系統流程見圖2。消化氣經精制(脫硫、除濕、脫碳酸)后送人燃氣機燃燒，帶動發電機發電。同時，以水為熱介質將燃氣機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燃燒時損害燃氣機的零件和排氣脫氮用觸媒的耐久性，影響消化氣體發電設備的經濟性和可靠性[6]。因此，沼氣在進入發電機前，須進行凈化處理，采用活性炭吸附技術可保證凈化后沼氣含Si有機物濃度<o．6mg／I。。消化后污泥經脫氣、濃縮、脫水后外運送往焚燒場或電廠和水泥廠作為輔助燃料焚燒，或農用堆肥。
德國城市污水處理廠對污泥處理有85．4％以上采取中溫厭氧消化，利用產生的甲烷發電，基本保證了污水處理廠的供電要求。如：德國KA— helmstedt(sewagen treatment plant helmsstedt)污水處理廠(處理污水10×104t／d)污泥發電系統r7l。污泥消化后產沼氣6000m3／d，其熱值為23MJ／m3。年發電量120×104kW·h，相當于污水處理廠全年運行耗電量的90％～95％，同時還可滿足處理工藝中的供暖及冬季全廠車間、辦公室的供暖。海口市白沙門污水處理廠借鑒了德國處理污泥的經驗和技術Is,9]。該廠消化池產氣量為4800～6000m3／d。發電量相當于廠內平均用電量的27％，每月節省電費約15--一18萬元。沼氣發動機產生的廢熱用于加熱消化池中污泥，在正常運行的2、3月產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m3，日產污泥4000m3，全部進行高溫消化處理，沼氣產量1．8萬m3／d。按沼氣發電1．7kW·h／m3計算，每天發電量為3萬kw·h，1年節約電費500萬元。年發電量近1000萬kW·h，相當于5000戶家庭1年的用電量。2006年北京小紅門污水處理廠污泥發電裝置建設完成，2007年開始利用污泥發電。小紅門污水處理廠是北京第二個裝備“污泥消化、沼氣發電”系統的污水處理廠，每天可從約2000m3污泥中提出沼氣，年最高發電量1．8萬kw·h。
2．2．2 沼氣凈化后通過燃料電池發電燃料電池是利用氫和氧化合產生電能的裝置[1 0|。見圖3。
使甲烷轉換成氫氣的改質器是燃料電池系統的關鍵組成之一。
近年來，日本政府在推行“有機質資源高效能源轉換技術開發”工程(High Efficiency BioenergyConversion Projeet)的基礎上，通過將燃料電池與沼氣發酵系統有機地結合在同一系統中的技術手法，實現了污泥高效發電。從2002年日本政府頒布新能源政策基本法以來，日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)先后在日本各地資助了多項以污泥為原料的生物質高效發電工程的建設L11l。其中，頗具代表性的為山形市水道部凈化中心以下水道污泥為原料，通過沼氣發酵方式制造沼氣，進而通過利用燃料電池，實現污泥高效發電，系統流程見圖4。
東芝公司和橫濱市下水道管理局合作，先將污泥厭氧消化處理，所得沼氣(含甲烷60％～80％)經干式脫硫和活性炭吸附凈化后，送往燃料電池系統的改質器。沼氣產出量為90m3／h。磷酸型燃料電池 PC257m心，功率200kW。此種燃料電池可用于含甲烷、C02的低熱值(22～25Ml／m3)的沼氣發電。美國政府積極支持沼氣燃料電池的商業應用，并給予政府補貼。目前，美國已有多家下水道污泥處理場引進燃料電池技術，并建成投產。紐約州NYPA電力公司沼氣產出量3000m3／d。加州一項同類工程，沼氣量4000m3／d，其燃料電池產生的熱氣體，返回用于加熱厭氧消化罐。在馬薩諸賽州和俄勒岡州也有類似裝置。國內還未見工程應用實例。
3 3種工藝比較
利用污泥進行發電的3種工藝各具優缺點，城市污水處理廠3種方案的基本性能指標見表1。
4結果與討論
我國城市污水處理廠每天產生大量的污泥，給城市環境帶來沉重的壓力。以往的處理方式日益顯示其弊端，將污泥轉化成能源用于發電供熱，符合我國新時期循環經濟建設的要求，符合我國“十一五”節能減排的要求，更可為短缺的能源現狀開辟蹊徑，減輕甚至避免對環境產生二次污染。污泥發電是目前處理污泥最理想的途徑，3種污泥發電工藝各具優缺點，在工程應用中，應根據實際需要，依據現場條件，綜合考慮運行費用的前提下，因地制宜地選擇合理的發電技術。雖然污泥發電的基本建設總投資比燃煤和燒油發電高，但一旦將環境成本內化，并合理實施鼓勵新型能源及可再生能源的財政、稅收、信貸政策，與發達國家看齊，鼓勵全社會積極參與固體廢棄物利用事業，污泥發電技術將非常具有優勢。
參考文獻
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3．羅爭峰，張景云，沈躍棟．等．城市污泥利用的經濟模式一新型污泥燃料成套應用技術[J]．污染防治技術，2005，21(1)：72—77．
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