剩余污泥資源化利用新工藝研究進展

李 娟肖恩榮吳振斌

(1. 武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院, 武漢 430070; 2. 中國科學院水生生物研究所, 淡水生態(tài)和生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072)

剩余污泥資源化利用新工藝研究進展

李 娟1,2肖恩榮2吳振斌2

(1. 武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院, 武漢 430070; 2. 中國科學院水生生物研究所, 淡水生態(tài)和生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072)

隨著城市化進程加速, 污水處理廠剩余污泥大量產生, 如何對其進行處理并有效資源化利用成為廣泛關注的問題。文章在綜述我國城市污水處理廠剩余污泥特征、相應處理與綜合利用方法的基礎上, 進一步綜述了污泥干化蘆葦床、人工濕地、微生物燃料電池以及相關組合工藝等剩余污泥資源化利用新工藝?？偨Y了各種新工藝的優(yōu)勢以及當前尚未解決的關鍵問題, 對未來新工藝的潛在應用進行了展望, 以期開發(fā)出低能耗、低成本、高效率、綠色生態(tài)的技術, 真正實現(xiàn)剩余污泥的減量化、無害化、穩(wěn)定化和資源化。

剩余污泥資源化; 污泥干化蘆葦床; 人工濕地; 微生物燃料電池

剩余污泥是在污水生物處理系統(tǒng)中排放的污泥, 由多種微生物形成的菌膠團與其吸附的有機物和無機物組成的集合體[1]。剩余污泥作為城市污水處理廠污水處理的副產物, 成分復雜, 除了含有重金屬、病菌等有害物質, 還含有大量的有機物質、氮磷鉀等植物所需的營養(yǎng)元素[2], 如果不加任何處理, 不僅造成資源浪費, 還會污染環(huán)境。隨著城市化進程的加快, 污泥量的增速越來越快, 如果只進行簡單的處理將引起嚴重的二次污染, 給環(huán)境綜合治理工作帶來新的難點。如何將產量巨大、含水率高、成分復雜的污泥進行合理的處理處置, 使其減量化、無害化、穩(wěn)定化, 最終達到資源化, 越來越受到人們的廣泛關注。

1 剩余污泥特征與常規(guī)處置、利用方式

表1列舉出了污泥的特征與處理處置方法、利用途徑之間的關系。剩余污泥的特征主要體現(xiàn)在物理、化學性質和微生物學特性3個方面。

在物理性質上, 主要表征為含水率、熱值等。為使含水率降低, 多數(shù)采用壓濾、離心等機械脫水方式, 使含水率降低到70%—85%[3]。而干化污泥熱值的利用, 往往是通過焚燒工藝來實現(xiàn), 同時可徹底碳化有機物、殺死病原體。焚燒工藝占地面積小, 自動化水平高, 不受外界條件影響, 但投資、運行成本高, 技術難度大, 多用于大城市、用地緊張的地區(qū)。根據污泥焚燒應用的案例來看, 焚燒工藝可大致分為2類: 單一焚燒和混合焚燒。從經濟性和安全方面考慮, 單一焚燒是比較具有優(yōu)勢的方式。雖然設備投資較大, 但能充分利用污泥本身的熱能, 降低能耗和運行費用。污泥在焚燒過程中,對有機物的燃燒溫度要求較高, 如果低于850℃, 會產生二英等劇毒物質[10]。焚燒過程中的熱能可用于發(fā)電, 焚燒后的灰分成分與黏土相似, 可用于建材利用。美國馬里蘭大學等科研院所利用剩余污泥研制出生物磚[11], 日本先后引進了污泥焚燒制磚技術, 建造了一座11×107kg/年的生態(tài)水泥廠[12]。但在用于建材方面時, 要考慮重金屬浸出率及放射性污染物、有機污染物的二次污染。在化學性質上, 更多考慮的是回收利用其中的可用資源, 如通過堆肥技術可將剩余污泥中的有機質、氮磷鉀等植物營養(yǎng)元素利用為肥料。堆肥技術以土地利用為目的, 是污泥穩(wěn)定化、無害化的重要手段, 是在有控制的條件下, 加入一定比例調節(jié)劑, 利用微生物的作用將有機物氧化分解穩(wěn)定, 同時殺滅病原微生物及寄生蟲卵。堆肥技術投資費用為230—320元/kg, 每天的運行費為0.08—0.18元/kg, 是一種經濟的處置方式[13]。堆肥后的產品含有較穩(wěn)定的腐殖質, 可作為肥料、土壤改良劑等, 不僅可以減少化肥使用, 還可以提高作物產量, 但必須滿足《農用污泥中污染物控制標準》(GB4284-84)[14]。剩余污泥因包含寄生蟲卵、致病菌等有害生物, 主要通過消化、焚燒、石灰穩(wěn)定等方法來殺滅后再利用[15]。

表 1 剩余污泥特征與處置方式、利用途徑Tab. 1 The relationship between the surplus sludge features and processing methods

衛(wèi)生填埋是剩余污泥最常規(guī)的處理方法, 是把污泥當做垃圾進行處理, 傾倒于垃圾填埋場坑體內,通過防滲、壓實、覆蓋對污泥處理, 同時治理氣體、滲濾液等。該方法簡單, 處理量大, 費用低廉,填埋產生的沼氣還可再利用。但由于污泥本身含水量大, 含有的各種有毒物質會在雨水的滲漏作用下, 污染地下水, 會給居民的衛(wèi)生問題帶來隱患, 因此坑體需要鋪設防滲性能好的材料, 還應配備滲濾液收集、處理裝置; 另外, 污泥填埋侵占土地嚴重,而我國目前垃圾填埋場容量是十分寶貴的[16]。因此, 此種方式多用于經濟較落后、土地資源較充足地區(qū)。

其實, 污泥處置與利用方式應綜合考慮國民經濟、處置工藝技術水平以及相應的法規(guī)政策等因素。目前根據國情不同, 國際上各國對污泥處置的方法各有側重[17], 圖 1列出了污泥常用處置方式在各國所占的比例[18—21]?？梢钥闯? 土地利用是中、美、英、法、德等國家的主要污泥處置和利用途徑, 日本由于土地的限制, 污泥處置的主要工藝為焚燒, 而后作為建材利用為主, 不過現(xiàn)在日本開始注重生物質利用, 以期減少焚燒的比例[22]。美國和歐洲國家對污泥的處理方式以土地農用為主, 填埋和焚燒只占很小部分, 美國還為此專門制定了污泥的土地利用法規(guī)《有機固體廢物(污泥部分)處置規(guī)定》[23]。國外在相關法規(guī)制定中, 對污泥填埋標準更加嚴格(污泥填埋能力的強度參數(shù)為橫向剪切強度＞25 kPa或單軸壓強＞50 kPa, 有機物比例為灼燒減量Ⅰ類填埋場＜3%、Ⅱ類填埋場＜5%)[23], 同時考慮到投資運行成本, 因此逐步開始減少污泥填埋比例, 例如英國和法國。我國也以土地利用中農用為主, 但填埋也是主要方式。我國是一個農業(yè)大國,而土壤普遍存在碳源不足的問題, 若污泥經過處理后作為肥料或土壤改良劑, 不但可以解決大量污泥的出路問題, 還可以提高土壤肥力, 從而促進農業(yè)發(fā)展。因此, 將污泥進行土地利用是符合我國國情的。由于焚燒法投資成本、運行成本和技術難度都較高, 我國還不足以大力發(fā)展[24]。

圖 1 國內外污泥處置方法所占比例(%)

總體上看, 無論是哪種處置方法, 都有各自的優(yōu)缺點, 其適用范圍也不盡相同。污泥堆肥穩(wěn)定化效果好, 焚燒法徹底, 衛(wèi)生填埋簡單, 但都并未從根本上去除其中的重金屬、難降解的有機物等有毒有害物質。處置后的污泥除了土地利用、建材材料等利用途徑, 還可制吸附劑、制絮凝劑、制動物飼料、生產可降解塑料等, 但由于技術并不十分成熟, 并未廣泛使用。這些有待解決的問題, 需要和催生了一些新的工藝技術, 為污泥的處置及利用途徑尋找更有效的方法。

2 剩余污泥處理處置和資源化利用新工藝

2.1 污泥干化蘆葦床技術

污泥干化蘆葦床是在傳統(tǒng)污泥干化床的基礎上發(fā)展起來的。在干化床的基質中種植根系發(fā)達的蘆葦, 形成蘆葦床, 然后將剩余污泥間歇性排入,通過植物、微生物、基質、陽光、風等的綜合作用, 使剩余污泥得到礦化、穩(wěn)定化, 轉化為可利用的基質[25]。該技術起源于歐洲, 最先由Kaethe Seidel形成較成熟的思想, 利用植物的根區(qū)系統(tǒng)及基質的作用來使得污泥滲透脫水, 通過植物擺動使污泥表面破裂, 最終使底層污泥也干化[26], 隨后得到廣泛關注?！拔勰嗌鷳B(tài)處理之父”Nielsen等[27]、Uggetti等[28]研究污泥的脫水性能, 結果表明, 進泥的含固率為0.5%—3.0%, 脫水穩(wěn)定后, 含固率可達20%—28%, 含水率有效降低。根據研究, 污泥經穩(wěn)定后, 有機質去除率最高可達66.8%, 氮去除從負去除到最高去除65.5%, 磷去除從負去除到最高去除81%, 有機有害物質多環(huán)芳烴可被有效去除[29—31]。對于大型的蘆葦床系統(tǒng), 一般由多個蘆葦床構成,設計運行參數(shù)范圍如下: (1)基質: 總高度30—60 cm,從下往上分別為15—20 cm碎石、20—30 cm礫石、10—15 cm細沙[32,33]; (2)植物: 常見為蘆葦, 種植密度為4—15株/m2[34,35]; (3)進泥負荷: ＜60 kgTS/ (m2·a)[36]; (4)進泥方式: 間歇進泥, 7—8天進泥55—56天干化或2—3天進泥14—21天干化[27,37]; (5)運行年限: 8—10年[34,38]。在丹麥, 已擁有滿負荷運行的蘆葦床系統(tǒng)。例如赫爾辛厄蘆葦床污泥處理系統(tǒng), 占地22000 m2, 有14個蘆葦床, 每個輪流運行, 每年處理6.3×109kg干物質, 服務周圍4.2萬人。10—15年對蘆葦床進行一次清床, 留下蘆葦根, 經過一段時間, 新的一輪污泥生態(tài)處理又可開始。我國針對蘆葦床穩(wěn)定污泥的研究和應用始于2005年,在長春建立了污泥生態(tài)穩(wěn)定化示范工程。污泥經過處理后, 含固量較高、體積減小, 降低了后續(xù)處置費用; 有機質、營養(yǎng)物質、重金屬等指標都有不同程度的穩(wěn)定, 礦化程度較高。其最終的產品將適合于土地利用, 彌補了土地填埋和焚燒的一些缺點。穩(wěn)定化污泥土地利用適合我國國情, 有很好的發(fā)展前景。

2.2 人工濕地技術

人工濕地(CW)是20世紀70年代發(fā)展起來的用于凈化污水的系統(tǒng), 相對傳統(tǒng)的生物處理法來說,具有投資低、管理方便、利用太陽能、對污水適應能力強等更多的優(yōu)勢, 對濕地運行和設計也積累了較多的經驗。因此有學者根據此提出了運用人工濕地處理污泥, 這種技術實際上是植物修復與污泥干化床技術的結合, 從本質上說, 干化蘆葦床也是一類人工濕地。人工濕地按水流方式可分為自由表面流濕地、潛流濕地和垂直流濕地, 目前常用的污泥處理濕地類型是垂直流人工濕地。Steven等[39]比較垂直流和水平流濕地對水產業(yè)污泥的穩(wěn)定化效果, 發(fā)現(xiàn)垂直流濕地的處理效果優(yōu)于水平流濕地。在植物選擇上, 具有生長快、生物量大、濃密和較長根系、吸收能力強等特點的水生植物較為理想, 例如蘆葦、香蒲、燈心草、水蔥等。有研究者通過比較香蒲和蘆葦發(fā)現(xiàn), 兩者對污泥有較好的脫水和穩(wěn)定化效果, 但蘆葦濕地的處理效果更優(yōu)于香蒲濕地[40]。崔玉波等[29,41]通過中試規(guī)模的污泥濕地處理系統(tǒng)的研究, 發(fā)現(xiàn)有無通風結構的濕地系統(tǒng)對污泥脫水率分別為34.2% 和32.8%, 污泥有機質含量下降分別為54.5% 和51.5%, 全氮含量分別下降了56.3% 和53.2%, 出水COD去除率分別為35.7% 和22.1%, 有通風結構的處理效果要優(yōu)于無通風結構的濕地系統(tǒng)。植物的選擇只是影響濕地處理效果的因素之一, 濕地結構、基質級配、污泥負荷、污泥投配頻率、溫度變化及滲濾液停留時間都與污泥處理效果有十分密切的關系, 其中一個條件的改變都會影響處理效果, 而對于這些的研究尚不全面, 今后可在這些方面不斷地進行探索、研究。另外, 污泥在處理過程中, 能釋放碳元素, 這些碳元素在去除自身氮元素的同時, 也能夠為系統(tǒng)內反硝化過程提供一些碳源, 從而提高了脫氮效率。因此可考慮通過合理利用, 將污泥作為外加碳源投入系統(tǒng)中, 以期有效解決人工濕地處理低碳氮比污水時脫氮效率低的難題。綜上, 該技術具有較好的經濟、社會和環(huán)境效益, 符合環(huán)境友好型發(fā)展需要,相信在未來有較大的發(fā)展?jié)撃堋?/p>

污泥還可作為濕地基質來加強對污水的凈化能力。濕地中常用的基質包括河沙、礫石和碎石,一般通過組合使用, 對污水中的COD、SS有較好的去除效果, 而對氮、磷的去除并不理想[42]。由于污水處理工藝中會加入混凝劑鋁鹽, 污泥中由于鋁離子的存在, 強化了對陰離子的吸附性能, 尤其是對磷酸鹽的吸附[43]?；阡X污泥對磷具有很強的吸附作用, 2006年愛爾蘭都柏林大學趙亞乾所在的人工濕地研究小組首次提出了將脫水污泥(以鋁污泥為例)用于人工濕地填料的設想, 開展了潮汐流人工濕地(ALS-TFCWs)工藝一系列的試驗研究, 在污染物負荷高于傳統(tǒng)人工濕地10—70倍的條件下, 對有機物、氨氮和磷的平均去除率分別達到了70%、90% 和90%[44,45], 去除效果優(yōu)異, 此后在陜西省建造運行了以鋁污泥為基質的人工濕地系統(tǒng)。以鋁污泥為基質的人工濕地系統(tǒng)發(fā)展了一種“以廢治污”的新觀念, 其基質在磷吸附飽和后可用于磷資源回收或者作為肥料用于農林, 具有巨大的實際應用價值, 是一項有發(fā)展前景的污水處理技術。

目前人工濕地在處理污水應用中已有較成功的經驗和案例, 同時研究者也繼續(xù)致力于攻克一個廣泛存在的難點: 基質堵塞。而在處理污泥的研究中, 因為在運行過程中采用間歇進泥的方式, 間歇期比進泥期長, 使污泥中的有機物有足夠的時間降解; 此外, 濕地中的生物群落豐富, 對防止堵塞有積極作用; 植物較長根莖的生長也會產生新的孔隙,根莖生長還為微生物生長提供表面和氧源, 促進有機物的降解, 因此在一定程度上延緩了堵塞現(xiàn)象的形成, 但預防或修復堵塞仍是亟待解決的難題。堵塞是一個復雜的過程, 主要是由于有機物、懸浮物積累、生物膜生長而產生的, 有研究者通過改變基質級配、優(yōu)化運行方式、反沖洗、替換堵塞基質等手段, 可延緩堵塞過程[46]。最新有研究通過加入易生物降解、低毒性的鼠李糖脂(RL)到堵塞物中,可使其分解成更小粒度的溶解狀態(tài), 從而隨出水流出系統(tǒng), 修復堵塞[47]。這為濕地堵塞問題提供了一種更加安全有效的解決辦法, 也使人工濕地的應用更加趨于完善。

2.3 微生物燃料電池技術

微生物燃料電池(Microbial fuel cells, MFC)是一種非常有潛力的新能源技術, 是在電化學技術基礎上發(fā)展起來的通過微生物作用, 將儲存在有機物中的化學能轉變成電能, 形成電流[48]。MFC可利用不同的物質產生電能, 包括碳水化合物(醋酸鹽、蛋白質等)、富含有機污染物的廢水(生活污水、養(yǎng)豬廢水), 剩余污泥含有50%—70%的有機質, 雖然一部分不易被微生物分解直接利用, 但在厭氧環(huán)境中可發(fā)生厭氧水解作用, 被微生物不斷地破解, 胞外物質和細胞內的有機物質由固相中不斷地釋放到液相中, 為MFC提供相對充足的燃料。目前, 已經有研究者通過污泥構建MFC, 成功收集到所產生的電能[48,49]。賈斌等[50]構建了單室無膜微生物燃料電池, 利用厭氧污泥作為接種體, 在不加入任何營養(yǎng)元素的條件下, 20d后成功啟動, 并產生了穩(wěn)定的電壓。梁敏等[51]以剩余污泥作為陽極底物, CuSO4溶液為陰極溶液構建了雙室有膜微生物燃料電池,實現(xiàn)了在降解污泥中有機質的同時處理含銅廢水和回收單質銅。通過研究表明, 利用MFC技術對剩余污泥穩(wěn)定化、資源化是可行的, 電壓和輸出功率密度分別為400—700 mV, 40—250 mW/m2或3—30 W/ m3; 對污泥中TCOD的去除率為46.4%—69.1%[52,53], SS去除率為21.4%—32.4%, VSS的去除率為22.3%—33.7%[52,54]。從燃料上看, 污泥作為一種固體廢棄物, 不但沒有給環(huán)境造成負擔, 而且污泥中有機物質被微生物利用產生電能, 產生了一定的價值, 具有可喜的發(fā)展趨勢。

與利用剩余污泥類似, 沉積型微生物燃料電池(SMFC)可利用底泥中豐富的有機質, 對底泥進行修復[54]。將陰、陽極分別置于富氧的水體和缺氧的底泥中, 通過外電路連接陰陽極。在污染嚴重的底泥中, 通過厭氧微生物的分解作用, 可加快底泥中污染物的代謝過程, 降低惡臭。SMFC成本低廉,不僅在對底泥進行原位修復的同時實現(xiàn)產電, 對上覆水水質也可進行改善, 是一項環(huán)境友好的技術。

2.4 組合技術

單純利用MFC技術并不能完全解決污泥穩(wěn)定化, 其中的有毒有害物質還需后續(xù)處理, 因此有研究者通過MFC-MBR耦合系統(tǒng)對污泥更進一步處理[55]。把MBR的剩余污泥經過預處理(靜置2h, 去除DO)作為MFC底物, 處理后再回流至MBR中。這種耦合系統(tǒng)首先通過MFC的作用, 改善污泥性質,再通過MBR處理, 不僅能緩解傳統(tǒng)MBR的膜污染問題, 也使污泥更進一步減量化、穩(wěn)定化, 降低了后續(xù)處置費用。MFC技術具有處理廢棄物和聯(lián)產電能的雙重功效, 但產電量小使得在實際中并未廣泛使用。

除了MFC-MBR耦合系統(tǒng), 還出現(xiàn)了一種新型產能及廢水凈化工藝——MFC技術與人工濕地系統(tǒng)結合[56]。濕地植物根系可以通過光合作用將太陽光和CO2轉化為有機物質, 其中約70%通過根系沉積被產電菌利用, 作為碳源產電。CW-MFC耦合系統(tǒng)在凈化廢水的效能上, 普遍高于常規(guī)CW系統(tǒng),對染料廢水的脫色效率可達90%以上。這種耦合系統(tǒng)在降解廢水的同時產生電能, 具有巨大的應用前景。CW和MFC技術都能對污泥進行穩(wěn)定化處理, 如果將CW-MFC耦合系統(tǒng)應用于污泥處理, 通過CW和MFC的聯(lián)合作用, 加強污泥的處理效果, 同時由于植物的作用增強產電, 這是一個新的研究思路。無論是處理廢水還是污泥, 如何增大產電量都應當是今后研究的重點。Minteer等[57]在產電方面進行過研究, 把10個小規(guī)模的MFC單元串并聯(lián), 以厭氧污泥作為底物, 在連續(xù)流動的條件下, 發(fā)現(xiàn)串并聯(lián)的輸出功率最高可達13.5 W/m3, 比增加單個MFC單元尺寸的輸出功率高出24倍。這為今后的研究提供了科學依據, 可以在這個基礎上進行更多的研究, 彌補MFC技術的不足之處。

3 結語

剩余污泥的處理處置已成為一個亟待解決的環(huán)境問題, 其資源化利用技術也是可持續(xù)發(fā)展一個重要研究方向。上述的剩余污泥的資源化利用新工藝, 在投入成本、能源消耗、環(huán)境友好等方面具有一定優(yōu)勢, 雖然目前并不十分完善, 但隨著今后研究的深入, 在新工藝中一些關鍵問題會逐步得到改善, 推動剩余污泥的資源化利用, 其應用潛能也會越來越大。

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THE REVIEW OF NEW TECHNOLOGY ON DISPOAL OF EXCESS SLUDGE

LI Juan1,2, XIAO En-Rong2and WU Zhen-Bin2
(1. Wuhan University of Technology, Resources and Environment Engineering Institute, Wuhan 430070, China; 2. State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China)

A large amount of excessive sludge is generated from wastewater treatment plants along with the acceleration of urbanization. How to effectively treat and utilize the excessive sludge as resources has become an issue with widespread concern. Based on the overview of excessive sludge characteristics in municipal sewage treatment plants, appropriate sludge disposal and comprehensive utilization methods, this paper further reviews the progress in the sludge drying reed beds, constructed wetlands, microbial fuel cells, related combined processes and other novel sludge resource utilization technologies. This review paper synthesized the advantages of new technologies as well as the current key issues that remain unresolved. The potential applications of these new technologies are promising in reducing energy consumption cost and also in developing a green technology that will truly realize the reduction, detoxification, stabilization and resource utilization of excess sludge.

Excess sludge utilization; Sludge drying reed beds; Constructed wetland; Microbial fuel cell

X171.4

A

1000-3207(2017)05-1149-08

10.7541/2017.143

2016-10-21;

2017-03-10

國家自然科學基金(51308530); 湖北省自然科學基金(2015CFB558)資助 [Supported by the National Natural Science Foundation of China (51308530) and Natural Science Foundation of Hubei of China (2015CFB558)]

李娟(1990—), 女, 湖北石首人; 碩士研究生; 主要研究方向為剩余污泥資源化。E-mail: 717785245@qq.com

肖恩榮, E-mail: erxiao@ihb.ac.cn