水處理污泥處理處置研究進展

劉海麗,杜元新

(1.江南大學(xué)生物工程學(xué)院,江蘇 無錫 214036;2.無錫市環(huán)境監(jiān)測中心站,江蘇 無錫 214023)

·控制技術(shù)·

水處理污泥處理處置研究進展

劉海麗1,杜元新2

(1.江南大學(xué)生物工程學(xué)院,江蘇 無錫 214036;2.無錫市環(huán)境監(jiān)測中心站,江蘇 無錫 214023)

污水污泥是城市廢水處理后的終端產(chǎn)物,既是一種生物質(zhì)原料,可以被有效地資源化和能源化,同時又含有大量有毒有害物質(zhì),如何妥善地處理處置污水污泥,已成為全社會關(guān)注的課題。淺析了污水污泥的處理處置方法以及當前的研究熱點和新技術(shù)。污泥處理處置的發(fā)展方向為減量化、穩(wěn)定化,以及在無害化前提下的資源化、能源化。

污泥;處理處置;研究進展

1 污泥處理

污泥處理主要包括污泥濃縮、脫水、消化 (厭氧消化和好氧消化)、堆肥和干化等工藝過程,目的是達到污泥的減容、減量、穩(wěn)定以及無害化。

1.1 污泥減容

污泥的含水率高不利于后續(xù)處理,如堆肥、填埋和焚燒等都建立在較低的含水率基礎(chǔ)上,因此需要減容,降低污泥的含水率,減少污泥的體積,主要工藝有濃縮、脫水和干化。

研究發(fā)現(xiàn),適宜的微波輻射可明顯改善污泥結(jié)構(gòu)及脫水性[2]。微波干化能有效減少污泥體積,減少有機物和重金屬的溶出,但能耗較大[3]。

對污泥進行水熱處理可以改善污泥脫水性能及沉降性能,同時也能提高污泥的消化性能[4]。

污泥熱干化技術(shù)近些年發(fā)展較快。利用熱能將污泥烘干,同時,高溫滅菌工藝可以殺滅病原體。其能耗比污泥直接焚燒低,效率遠高于堆肥和風(fēng)干,處理后污泥減容顯著,有利于儲藏和運輸,檢測合格的可以用做肥料、土壤改良劑、替代能源等。

1.2 污泥減量

活性污泥工藝是應(yīng)用最廣泛的污水處理方法,但缺點是污泥產(chǎn)量大,不論哪種污泥處理處置方法都或多或少伴隨著對環(huán)境的負面影響,最理想的是在污水處理過程中,采用適當?shù)墓に嚭吞幚矸椒?使污泥中的有機物含量和污泥產(chǎn)量減少。國內(nèi)外報道的污泥減量化技術(shù)主要有:

(1)降低細菌合成量的解偶聯(lián)技術(shù):利用微生物氧化磷酸化解偶聯(lián)控制污泥的產(chǎn)生,如投加解偶聯(lián)劑、高底物濃度 /污泥濃度、改變污泥所處環(huán)境的厭氧和好氧狀態(tài)、升高溫度、提高鹽濃度,以及提高供氧量等方法[5,6]。其中解偶聯(lián)劑使用方便,但化學(xué)解偶聯(lián)劑本身可能對環(huán)境有潛在的危害性,同時還會使污泥的脫水和沉降性能變差。

(2)增強微生物利用二次基質(zhì)進行隱性生長的各種溶胞技術(shù):如臭氧氧化、二氧化氯氧化、堿解等化學(xué)方法;超聲波、熱處理、壓力等物理方法;投加能分泌胞外酶的細菌或直接投加酶制劑或抗菌素等生物方法[5,6]。

各種溶胞方法中臭氧氧化的減量效果最好,但成本偏高,且出水中 N、P含量高,限制了應(yīng)用。二氧化氯氧化比臭氧氧化成本低,但出水色度、濁度、COD有所升高,且氯化過程中會產(chǎn)生有害產(chǎn)物三氯甲烷。污泥堿解和熱處理雖然能減少污泥產(chǎn)率,但需要大量的 NaOH和熱量,投資和運行費用高,且污泥的 BOD/N的值和 COD、NH3的值會升高。污水處理中投加酶制劑或是抗菌素也是有效的污泥減量方法,但需要的投放量大,成本高。

超聲波可以破解污泥中的細胞和有機質(zhì),剩余污泥量可以減少 20%～50%,并能提高污泥的穩(wěn)定化程度,促進污泥消化,改善污泥的脫水性能[7]。德國已經(jīng)全面使用超聲波技術(shù)處理廢水污泥,國內(nèi)尚處于實驗階段。

(3)利用食物鏈作用強化微型動物對細菌捕食的技術(shù):建立起由多種多樣的微生物組成的復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),形成諸如細菌——原生動物——后生動物之類的食物鏈。微型動物作為捕食者,將污泥最終轉(zhuǎn)化為能量、水和 CO2,從而使污泥量減少[8]。此方法所需能耗和資金較少,能有效減少污泥產(chǎn)量,但出水的 N、P濃度高,相關(guān)研究尚不成熟。

1.3 污泥穩(wěn)定化

污泥處理的效果直接影響污泥的最終處置,國內(nèi)污水廠處理污泥時多采用濃縮脫水而較少采用穩(wěn)定化處理,污泥含水率往往達不到要求,增加了運輸?shù)碾y度,為后續(xù)的污泥處置帶來極大不便。

污泥穩(wěn)定化是通過物理、化學(xué)或生化反應(yīng),使其中的有機物發(fā)生分解或降解為礦化程度較高的無機化合物的過程,具體方法有:堿 (石灰)穩(wěn)定、厭氧消化、好氧消化、堆肥、化學(xué)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定等。

污泥經(jīng)過高溫消化,可達到進一步降低水分、生化穩(wěn)定、殺滅蟲卵和致病菌的目的。從國內(nèi)外現(xiàn)有的消化工藝看,好氧消化由于設(shè)備投入大,運行能耗高,比厭氧消化成本高。厭氧消化過程中產(chǎn)生的沼氣也可以作為能源回收利用。

近年來,輻射技術(shù)在污泥穩(wěn)定化方面的研究屢見報道。研究較多的是由60Co或137Cs產(chǎn)生的γ-射線和由電子加速器產(chǎn)生的高能電子束。污泥中有大量病原體,用γ-射線或電子束輻照污泥消毒的效果較之堆肥、熱處理或化學(xué)方法更加徹底與穩(wěn)定,并能改善污泥脫水和生物降解性能。經(jīng)γ-射線輻射處理后,污泥的平均粒徑減小,產(chǎn)氣量大大增加,消化率明顯提高[9]。輻射處理污泥技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景,但裝置的一次性投入比較大,γ-射線處理存在核輻射,安全措施要求高,大多項目尚處于研究和實驗論證階段。目前只有德國、美國和印度等少數(shù)國家進行了γ-射線污泥處理的應(yīng)用,電子束在污泥處理上的應(yīng)用尚未見報道[10]。

利用人工濕地來穩(wěn)定污泥是污泥處理的一種新思路。采用人工濕地處理污水已有一百多年歷史,其運行和設(shè)計都積累了豐富的經(jīng)驗。污泥中液體部分的污染物可被濕地中的生物有效凈化,固體部分則被截留于濕地表面,靠自身消化及濕地生態(tài)活動得到減量和穩(wěn)定。處理后,濕地內(nèi)殘存污泥的固體物質(zhì)含量提高,有機物分解速率快,滲透水質(zhì)好[11]。人工濕地具有處理效果好、經(jīng)濟成本低、環(huán)境友好和高效等特點,它必將發(fā)展成為一種集環(huán)境效益、經(jīng)濟效益及社會效益為一體的污泥處理方式[12]。

2 污泥處置

污泥處置是將處理后的污泥或污泥產(chǎn)品以自然或人工方式達到長期穩(wěn)定并對生態(tài)環(huán)境無不良影響的最終消納方式,主要包括:填埋、土地利用(用于農(nóng)田、林地、園林綠化和土地恢復(fù)等)、焚燒以及綜合利用 (建材利用)等[13]。

2.1 填埋

國內(nèi)多數(shù)污水處理廠污泥主要處置方法是填埋。該方法簡單易行,成本低,但消耗寶貴的土地資源,更會因污泥處置不徹底而造成環(huán)境污染。隨著填埋用地日漸減少和填埋場費用的逐漸增加,污泥填埋的比例將越來越小。歐洲自 1998年禁止海洋棄置后,現(xiàn)在污泥填埋比例為 40%,相關(guān)法規(guī)越來越嚴格,這種方式正逐漸被淘汰。

2.2 土地利用

污泥土地利用即將污泥施用于農(nóng)田、林地和綠化用地等。是最古老和最經(jīng)濟的污泥處置方法,一方面可增加土壤肥力,將污泥有效地資源化,另一方面可利用土壤的自然凈化能力,解決環(huán)境污染問題。歐洲污泥農(nóng)用的比例占 37%,是污泥處置的主要方式,另有 12%為用于林地和土地恢復(fù)等。

由于污泥中含有各種病原菌、重金屬、放射核素以及難降解的有毒有機化合物等,會污染土壤,最終危害人類和環(huán)境,因此,污泥必須經(jīng)過穩(wěn)定化和無害化處理才能進行土地利用。研究表明,穩(wěn)定化和礦化程度高的污泥中重金屬的穩(wěn)定性好,而未經(jīng)穩(wěn)定化的污泥中重金屬的流動性大,易被生物利用或交換[14]。但有研究發(fā)現(xiàn),厭氧消化后的污泥中 Cr的含量很高,仍有 31%的 Cr為不穩(wěn)定態(tài)[15]。因此,即使是厭氧消化的污泥農(nóng)用也必須嚴格控制,做好對施用地的有害物質(zhì)濃度監(jiān)測。在歐洲,未經(jīng)穩(wěn)定化處理的污泥已經(jīng)被禁止農(nóng)用,污泥農(nóng)用的標準越來越嚴,社會的接受和認可程度也限制了這種方式的應(yīng)用。

2.3 熱處理

隨著污泥處理處置問題的日益嚴峻,污泥的熱處理技術(shù)受到重視。其目的是充分利用污泥中生物質(zhì)蘊含的能量,同時實現(xiàn)污泥無害化、減量化,最大程度地減少對環(huán)境的不利影響,主要包括:焚燒、濕式氧化、熱解、氣化、混合焚燒等。

2.3.1 焚燒

污泥填埋場日益短缺,焚燒則能有效減少污泥體積、破壞有毒有機物、減少氣味,并能利用污泥中的熱值發(fā)電供熱。近年來,焚燒的工藝和能源效率有了很大提高,流化床焚燒爐得到廣泛應(yīng)用,高水分的污泥也能被焚燒,使得焚燒成為富有吸引力的污泥處置方式。日本的污泥處置以焚燒為主[16],歐洲污泥焚燒的比例也達 11%。

但焚燒并不是污泥中生物能源的最好利用方式,污泥中 30%左右的固體成分在焚燒后會以灰渣形式存在?；以捎诤懈邼舛鹊闹亟饘俚扔卸居泻Τ煞?其后續(xù)的處理、填埋和制造建筑材料會遇到許多問題[17]。另外,焚燒會產(chǎn)生溫室氣體N2O以及其他有害氣體,需要額外設(shè)備進行凈化[16]。如果能改進技術(shù),控制有害排放,減少凈化成本,焚燒將比其他方式具有更大優(yōu)勢。

2.3.2 濕式氧化

污泥濕式氧化是在一定溫度和壓力下向污泥中通入空氣、氧氣或過氧化物等氧化劑,使污泥中的有機成分在水相下發(fā)生熱降解、水解、氧化,最終轉(zhuǎn)化為 CO、H2O和 N2。該過程中釋放大量的熱,反應(yīng)一旦開始,可以自己維持,無需外界能量[18]。

水的臨界溫度和壓力分別是 374℃和 22MPa,濕式氧化可以在低于 374℃和 10MPa壓力的亞臨界條件或是在高于 374℃和 22MPa壓力的超臨界條件下進行。亞臨界條件相對容易達到,反應(yīng)易于控制,在國外得到了一定的商業(yè)應(yīng)用。超臨界水氧化處理污泥近年來得到了發(fā)展和應(yīng)用,美國和日本先后建成了多座超臨界水氧化處理污泥裝置[19]。國內(nèi)該技術(shù)尚處于實驗研究階段。

濕式氧化技術(shù)適于處理各種難降解的有機污泥,但缺點是設(shè)備復(fù)雜,運行和維護費用高,另外10%～20%的有機物難以被完全氧化。

2.3.3 熱解

污泥熱解是在無氧和 300～900℃溫度條件下,污泥中的有機物發(fā)生熱分解、縮聚反應(yīng),生成氣體、焦油和固態(tài)熱解殘留物,其中熱解氣體主要為H2、CH4、CO和 CO2等。熱解氣體和焦油熱值高,可以作為能源。熱解殘留物可與煤混合燃燒進一步回收其中的熱量,亦可通過改性作吸附劑。

研究發(fā)現(xiàn)微波可以誘導(dǎo)熱解,當微波直接輻照污泥時,僅起到對其干燥的作用,而當污泥中加入炭 (本身也是熱解殘留物)等吸收微波的介質(zhì)時,微波輻照可以使污泥迅速升溫,發(fā)生熱解,比常規(guī)熱解方法節(jié)省了時間和能耗[20]。

熱解比焚燒更為環(huán)保,能量回收率高,經(jīng)濟性優(yōu)于焚燒,但尚未得到廣泛應(yīng)用,熱解機理和動力學(xué)需要進一步研究,其工藝和設(shè)備有待改進。

2.3.4 氣化

污泥氣化即污泥經(jīng)過干燥、熱解后,熱解產(chǎn)物在還原狀態(tài)的氣化室中被氣化,生成 H2、CH4、CO和 CO2等清潔可燃性氣體,這些氣體可作為燃料發(fā)電和供熱,也可作為化工原料或用于燃料電池。該法因其主要產(chǎn)物 H2為清潔能源而更受關(guān)注。

BODOGROB對污泥流化床氣化做了產(chǎn)能分析,污泥經(jīng)過高壓脫水和低溫流化床干燥器干化后,在常壓流化床氣化爐中氣化生成貧氣 (以甲烷為主),經(jīng)過清潔步驟后,被送入熱電聯(lián)產(chǎn)單元燃燒產(chǎn)生熱能和電能。研究表明,污泥流化床氣化處理工藝的產(chǎn)能大于耗能,具有很好的經(jīng)濟性[21]。

MARRERO等人的研究表明,氣化時 Cd、Sr、Cs、Co和 Zn等重金屬殘留在了灰中;而氣化氣中的 Hg大部分被截留在過濾器中,殘留在灰中的重金屬則非常穩(wěn)定,即使在 50%體積濃度的硝酸中亦很少被滲濾出來[22]。污泥氣化可有效避免污泥焚燒時所產(chǎn)生的煙氣二次污染,同時克服了污泥熱解時固態(tài)殘留物中剩余能量的再利用問題。熱解產(chǎn)物除了氣體之外還有焦油,而氣化的主要產(chǎn)物是氣體,焦油成分的產(chǎn)物很少,因此簡化了后續(xù)的清潔程序,減少了成本。因此,污泥氣化技術(shù)被認為是最有應(yīng)用前途的污泥處置技術(shù)。然而,目前污泥氣化技術(shù)的研究工作開展的還較少。

2.3.5 混合焚燒

污泥混合焚燒是將污泥與其他燃料混合燃燒,包括與垃圾混合焚燒、水泥窯或磚窯中混合焚燒、熱電廠焚燒爐混合焚燒發(fā)電等多種形式[23]。限制污泥與其他燃料混合比例的因素主要有:①重金屬和灰塵的排放;②混合燃料的物理化學(xué)性質(zhì) (熱值、水分含量、灰渣的化學(xué)成分等)。污泥混合焚燒在世界各國都有應(yīng)用,但技術(shù)并不成熟。

3 結(jié)語

污泥減量從根本上減少污泥的產(chǎn)生,避免后續(xù)處理處置的經(jīng)濟成本和二次環(huán)境污染,具有應(yīng)用前景。同時,應(yīng)不斷研發(fā)新技術(shù),充分利用污泥的生物質(zhì)原料特點,將其資源化和能源化,并避免環(huán)境污染。目前污泥填埋仍占很大比例,這種方式不具有可持續(xù)性,對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。近階段,土地利用仍是污泥處置的一條重要途徑,能將污泥有效地資源化,但污泥必須經(jīng)過有效的穩(wěn)定化和無害化處理,并經(jīng)檢測合格,同時加強對施用土地的監(jiān)測。污泥熱處理技術(shù)實現(xiàn)了污泥的資源化和能源化,受到廣泛重視。其中污泥焚燒技術(shù)已獲得廣泛的應(yīng)用,而污泥氣化技術(shù)則更具有應(yīng)用前景。

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Advances in Sewage Sludge Treat ment Technology and D isposal Strategy

L IU Hai-li,DU Yuan-xin
(1.School ofBiotechnology,Southern Yangtze University,Wuxi,Jiangsu 214036,China;2.Wuxi EnvironmentalMonitoring Central Station,Wuxi,Jiangsu 214023,China)

Sludge is the m ain solid w aste from sew age treatm ent plant.Because of its potential harm ful impact on the environm ent,disposal of sew age sludge is becom ing a rising challenge all over the world.Progresses in trea tm ent technology and disposal strategy of sew age sludge are discussed.A s a kind of biom ass,the future direction of sludge treatm ent and disposalw ill be reduction,stabilization,resourceful utilization and energy recovery on the prem ise of harm lessness.

sew age sludge;reduction;artificial wetlands;therm al treatm ent

X 7

A

1674-6732(2010)-06-0050-04

10.3969/j.issn.1674-6732.2010.06.015

2009-08-28

劉海麗 (1975—),女,工程師,碩士,從事生物化學(xué)領(lǐng)域研究工作。

(本欄目編輯 熊光陵)