山西省污水廠污泥重金屬處理技術(shù)

原武斌

(山西省河津市住房制度改革辦公室，山西河津 043300)

0 引言

污泥是由水體運(yùn)動(dòng)過程或污水處理過程所產(chǎn)生的固體沉淀物質(zhì)。污泥根據(jù)其來源可分為污水廠污泥、自來水廠污泥、管網(wǎng)污泥、河湖淤泥、工業(yè)污泥。在本文中主要是指污水處理廠的濃縮污泥或脫水污泥。根據(jù)污泥的成分又可分為有機(jī)污泥和無機(jī)污泥，親水性污泥和疏水性污泥。對(duì)于普通水體中的污泥而言，成分較簡(jiǎn)單，環(huán)境危害較小;對(duì)于污水廠污泥而言，成分復(fù)雜，危害較大，需慎重處理。污水處理廠的污泥包括生污泥、厭氧消化污泥、好氧消化污泥、活性污泥等。我國(guó)污水處理廠年實(shí)際處理污水約210億t。以活性污泥法為例，在每1萬t的污水處理過程中，約產(chǎn)生4 t～5 t濕污泥(含水率以80%計(jì))。由此可折合計(jì)算知，我國(guó)污水廠污泥年產(chǎn)量約900萬t。現(xiàn)行的污泥處理技術(shù)主要包括:污泥預(yù)處理技術(shù)、資源化處理技術(shù)、處置技術(shù)三大類。污泥預(yù)處理技術(shù)主要是濃縮與脫水(以減小體積為目的)、穩(wěn)定與消毒(以穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)，減小質(zhì)量為目的)、調(diào)理(以改善脫水性質(zhì)為目的)三類。污泥資源化處理技術(shù)主要是堆肥或發(fā)酵、焚燒(可以以減量為目的，也可以以發(fā)電為目的)、燃料化等。污泥處置方法主要是衛(wèi)生填埋、農(nóng)業(yè)利用、建材利用、筑路等。

重金屬污染現(xiàn)在已成為社會(huì)熱點(diǎn)，尤其是經(jīng)歷了近年來的福建紫金礦業(yè)、云南曲靖鉻渣、廣西龍江鎘污染等重金屬污染事件之后，環(huán)保部門將掀起重金屬污染防治風(fēng)暴，未來五年據(jù)稱國(guó)家計(jì)劃投入750億元，同時(shí)要將防治成效納入政府領(lǐng)導(dǎo)考核內(nèi)容。國(guó)家將于2015年前建立起較完善的重金屬污染防治體系、應(yīng)急體系、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。環(huán)境污染領(lǐng)域所指的重金屬主要是指生物毒性顯著的Hg，Cd，Pb，Cr，As。我國(guó)污泥農(nóng)用重點(diǎn)控制的污染物包括:Zn，Cu，Ni，Hg，Cd，Pb，Cr，As。污泥中的重金屬主要包括Pb，Cd，Hg，Cr，Ni，Cu，Zn，As 等，由于污泥來源和類型不同，致使不同地區(qū)污泥中重金屬的種類與含量差異較大[1，2]。為了消除污泥中重金屬帶來的危險(xiǎn)，研究者開發(fā)了眾多的污泥重金屬處理技術(shù)，首先對(duì)重金屬進(jìn)行去除，當(dāng)去除存在困難時(shí)，可以考慮如何降低重金屬在污泥中的毒性。去除重金屬的方法包括:化學(xué)法、物理法、生物法。其原理大多是重金屬?gòu)U水處理技術(shù)的逆反應(yīng)過程。

山西省的發(fā)展正處于一個(gè)千載難逢的關(guān)鍵時(shí)刻，要想抓住國(guó)家資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)的建設(shè)機(jī)遇，環(huán)保問題是否能得到很好地解決，將是非常重要的制約因素。在重金屬污染防治工作中，除了企業(yè)對(duì)重金屬的防控之外，污水廠污泥的重金屬治理是重要的環(huán)節(jié)。

1 山西省污水廠污泥的特點(diǎn)

隨著山西省經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，污水處理廠的接納污水量日漸增高，其污泥產(chǎn)量也隨之增長(zhǎng)?，F(xiàn)狀山西省城市、縣城污水排放總量約為9.37億m3?！笆晃濉逼谀?、大同市污水處理率達(dá)85%以上，朔州、陽(yáng)泉等其他9個(gè)地級(jí)市污水處理率達(dá)80%以上，縣級(jí)城市污水處理率達(dá)到60%。山西省污水處理廠污泥的處理處置必須作為一個(gè)重大的戰(zhàn)略問題予以重視并解決。

山西省城鎮(zhèn)污水處理廠多采用二級(jí)處理的活性污泥工藝，其剩余污泥占30%～40%。據(jù)測(cè)定，每萬噸廢水污泥產(chǎn)生量的平均值為2.7 t(干重)。山西省2010年污泥產(chǎn)量約為36.75萬t，脫水污泥約為183.75萬t。山西省污水廠污泥中有機(jī)物含量較低，碳水化合物含量較高，脂肪含量較低。山西省污水處理廠污泥重金屬含量范圍見表1。

由表1可以看出，山西省污水處理廠污泥中Ni，Zn，Cd元素的含量均有部分超出污泥農(nóng)用的酸性標(biāo)準(zhǔn)。

表1 山西省污水處理廠污泥重金屬含量

2 山西省污水廠污泥重金屬處理技術(shù)

2.1 化學(xué)法

雖然存在很多化學(xué)法都可以用于處理污泥中的重金屬，但并非都適用于山西省的污水廠污泥重金屬處理。

離子交換技術(shù)雖然處理對(duì)象精確、選擇性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)原位處理[3]，但是該技術(shù)的生產(chǎn)周期長(zhǎng)，處理過程中的pH值變化較大，當(dāng)進(jìn)料化學(xué)性質(zhì)波動(dòng)較大時(shí)存在不穩(wěn)定性。氯化轉(zhuǎn)化技術(shù)能夠使污泥中的重金屬溶解出來，是污染物研究領(lǐng)域的重要技術(shù)[4]。當(dāng)污泥與氯氣接觸時(shí)，Cl2與H2O會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成HCl與HClO(次氯酸)，這會(huì)使溶液pH值下降，導(dǎo)致大多數(shù)重金屬的溶解度升高。但其缺點(diǎn)是去除率較低，成本較高，操作困難，同時(shí)，氯化反應(yīng)可能會(huì)伴生毒性氯代有機(jī)物，存在安全性問題。超臨界流體萃取法，可以使污泥處于臨界溫度和臨界壓力以上，實(shí)現(xiàn)萃取功能，所借助的介質(zhì)主要是超臨界流體CO2，H2O，C2H4等。電化學(xué)法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬的去除，而且可實(shí)現(xiàn)金屬的回收。其機(jī)理包括電滲、擴(kuò)散、吸附、電遷移等多種作用[5]。在直流電的作用下，溶液中會(huì)發(fā)生電極反應(yīng)，使得重金屬離子在溶液中發(fā)生遷移。但上述方法都存在設(shè)備較復(fù)雜，成本較高，技術(shù)要求高，操作困難的問題。

化學(xué)淋濾技術(shù)是適用于山西省污水廠污泥重金屬處理的技術(shù)路線。化學(xué)淋濾技術(shù)一方面基于溶液pH值的降低，另一方面基于利用絡(luò)合劑實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬的絡(luò)合。若要提高硫化物結(jié)合態(tài)的去除率，就需要進(jìn)一步提高反應(yīng)體系的ORP值，這可以通過添加H2O2等物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。從酸化角度考慮，可以采用無機(jī)酸或有機(jī)酸。常見的用于重金屬化學(xué)淋濾的無機(jī)酸包括:鹽酸、硝酸、磷酸等，有機(jī)酸有檸檬酸、乙二胺四乙酸(EDTA)、二乙基三胺五乙酸(DTPA)等。EDTA對(duì)重金屬Cd，Pb，Cu的去除效率均較高，檸檬酸在各種鰲合劑中淋濾效果最好，但對(duì)于絡(luò)合性較差的重金屬效果欠佳?；瘜W(xué)淋濾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是速率快，但缺點(diǎn)是耗酸量大。

2.2 物理法

微波法曾被用于污泥重金屬的處理，主要是利用微波輻射使污泥顆粒實(shí)現(xiàn)破壁、堆積、成孔、包埋，實(shí)現(xiàn)污泥中重金屬的穩(wěn)定化。微波處理的影響因素主要與微波功率、反應(yīng)時(shí)間、惰性氣體等有關(guān)。吸附法是環(huán)境工程中的傳統(tǒng)方法，也可用于對(duì)重金屬進(jìn)行處理。一般常用于吸附重金屬的材料有:沸石礦物、藍(lán)藻類吸附劑等。其機(jī)理是利用沸石晶體內(nèi)部的特殊孔道、空穴，或利用微生物細(xì)胞壁表面具有金屬結(jié)合、配位能力的基團(tuán)。單純的物理法對(duì)重金屬的去除能力有限，不宜大規(guī)模用作山西省污水廠污泥重金屬處理，但可以在小場(chǎng)合使用。

2.3 生物法

植物提取技術(shù)也稱為植物修復(fù)法，是利用超積累植物對(duì)重金屬進(jìn)行超量積累。其原理主要涉及植物對(duì)重金屬的耐性理論以及積累分子機(jī)制[6]。超積累植物耐受重金屬的機(jī)理主要與鰲合機(jī)理相關(guān)。在此類植物中的鰲合物質(zhì)既有小分子物質(zhì)，也有大分子物質(zhì)。植物修復(fù)法可以作為污泥重金屬去除工藝的輔助技術(shù)。

污泥生物淋濾法是利用硫桿菌以及部分異養(yǎng)菌的生物化學(xué)代謝過程，促使污泥中重金屬由難溶態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化成為易溶態(tài)的過程。生物淋濾技術(shù)既是一種古老的技術(shù)，又是一種近年來有發(fā)展?jié)摿Φ男滦蜕锛夹g(shù)。污泥生物淋濾技術(shù)，是利用弱嗜酸菌、嗜酸硫的生物化學(xué)代謝過程，使重金屬轉(zhuǎn)化成為易溶態(tài)。污泥生物淋濾法具有以下優(yōu)點(diǎn):適用類型廣，對(duì)重金屬元素的適用面廣，對(duì)操作條件的要求較低，操作簡(jiǎn)單，無需特殊控制，適用的溫度范圍寬，所需基質(zhì)廉價(jià)易得，硫桿菌對(duì)人體無害，反應(yīng)溫和，與化學(xué)淋濾相比，耗酸量可減少80%，可以不進(jìn)行預(yù)酸化處理;除此之外，由于生物淋濾法可與污泥消化工藝同步實(shí)施，并可以替代一部分污泥消化的功能，可利用污水廠原有構(gòu)筑物，基建費(fèi)小。可見，生物淋濾法可以作為山西省污水廠污泥重金屬處理的主要技術(shù)路線加以推廣。

3 結(jié)語

現(xiàn)階段山西省主要城市污水廠的污泥重金屬超標(biāo)現(xiàn)象還不嚴(yán)重，但隨著工業(yè)發(fā)展以及國(guó)家環(huán)保政策的逐步加強(qiáng)，重金屬污染防治將越來越成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。為了更好地實(shí)現(xiàn)《山西省重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》所確定的目標(biāo)，污泥重金屬的去除將是重要的工作內(nèi)容。通過對(duì)山西省污水廠污泥特點(diǎn)以及各種重金屬處理技術(shù)的分析，可以看到，化學(xué)淋濾技術(shù)與生物淋濾技術(shù)可以作為山西省污水廠污泥重金屬處理的主要技術(shù)路線。當(dāng)需要對(duì)污泥重金屬進(jìn)行快速處理時(shí)，可以選用化學(xué)淋濾技術(shù)進(jìn)行污泥重金屬處理;當(dāng)對(duì)處理時(shí)間要求不嚴(yán)格，但需要考慮運(yùn)行成本或操作的簡(jiǎn)易性時(shí)，可以選用污泥生物淋濾技術(shù)進(jìn)行污泥重金屬處理。

[1] 陳同斌，黃啟飛，高 定，等.中國(guó)城市污泥的重金屬含量及其變化趨勢(shì)[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23(5):561-569.

[2] 吳新民.生活污泥的性質(zhì)和農(nóng)業(yè)利用可行性研究[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1999，22(4):359-360，374.

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[4] 胡建杭，王 華，吳楨芬，等.垃圾焚燒過程重金屬的氯化轉(zhuǎn)化與揮發(fā)[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2008，7(1):69-74.

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