污泥處理處置技術(shù)研究綜述

朱明璇李梅劉承芳王永強

(山東建筑大學市政與環(huán)境工程學院,山東濟南250101)

0 引言

近年來,隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展,污水的排放量不斷增加,污泥的產(chǎn)量也明顯增長。截至2016年9月底,我國污水處理廠有3976座,日處理能力達1.7億m3。污水處理廠的數(shù)量不斷增多,污水處理能力和處理率都大幅增長。按照處理1萬m3生活污水產(chǎn)生污泥5～8 t(含水率80%)計算,污泥年產(chǎn)量超過4000萬t[1],預測到2020年,城鎮(zhèn)污泥的產(chǎn)量將超過6000萬t。污水處理過程中產(chǎn)生的污泥含水量很高,一般為95%～99.5%[2],并且污泥成分復雜,含有病原微生物、寄生蟲、重金屬以及致癌物質(zhì)等[3],如果污泥處置不當將會對地下水、土壤等造成二次污染。

我國長期存在“重水輕泥”的現(xiàn)象,對污泥處理的重視程度不夠,有大量的污泥未經(jīng)過穩(wěn)定化處理處置,造成環(huán)境污染,危害了人類的健康[4]。由于我國污泥性質(zhì)復雜,國外的技術(shù)直接引進使用并不能取得良好的處理效果,因此,對于污泥的處理處置需要根據(jù)來源的不同,選取合適的技術(shù)[5]。發(fā)展適合我國的污泥處理處置技術(shù),應分析現(xiàn)在常用的污泥處理處置技術(shù)的適用條件,根據(jù)我國污泥的特性,研究針對污泥資源化的技術(shù),進一步提高污泥的利用率,減少污泥帶來的環(huán)境污染。

1 污泥處理處置現(xiàn)狀及存在問題

1.1 污泥處理處置現(xiàn)狀

進入21世紀以來,污水污泥處理處置問題得到了國家以及相關(guān)部門的重視,國家以項目為單位,引進先進技術(shù),加大投入資金,嚴格監(jiān)察和管理,從而使污泥的有效處理得到了改善。污泥處置方式中土地填埋的比重從2/3降到1/5,污泥資源化利用的比重從2/15升高到現(xiàn)在的3/5[6]。2012年國務院辦公廳印發(fā)的《“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設施建設規(guī)劃》中,針對污泥處理處置提出規(guī)劃指標,即到2015年,直轄市、省會城市和計劃單列市的污泥無害化處理處置率達到80%,其他設市城市達到70%,縣城及重點鎮(zhèn)達到30%；同時要求污泥處理處置設施建設投資達到347億元[7]。2015年“水十條”發(fā)布后,污泥處理處置市場迎來了發(fā)展新時期,要求現(xiàn)有污泥處理處置設施于2017年完成達標改造,2020年地級市無害化處理率＞90%[8]。2016年《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》將規(guī)劃目標進一步提升,提出大力推進污泥穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置,地級及以上城市污泥無害化處理處置率達到90%,京津冀區(qū)域達到95%[9]。

1.2 污泥處理處置存在的問題

污泥處理處置的最終目標是實現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化,避免污泥帶來的二次污染,實現(xiàn)對污泥的有效利用。多年來,我國存在忽視污泥處理處置必要性的問題,對污泥處理處置投資較少,監(jiān)管力度不到位,導致環(huán)境污染危機頻現(xiàn)[10]。

1.2.1 污泥處理處置投資問題

我國城市污水處理廠存在嚴重的“重水輕泥”現(xiàn)象,對污泥的處理處置投資較少。歐美發(fā)達國家污泥處理處置設施的資金一般占總資金的50%～70%,而我國只占到20%～50%[11]。大多數(shù)中小型污水處理廠對污泥只進行初步的減量化處理,并沒有進行穩(wěn)定化和無害化處理。并且多數(shù)城市只征收污水處理費用,不征收污泥處理費用,因此,當前污水處理費普遍不能覆蓋污泥的處理處置成本。資金的短缺嚴重影響了污泥的處理效果。

1.2.2 污泥處理處置技術(shù)問題

我國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)落后,目前還沒有規(guī)?；医?jīng)過時間驗證、效果良好的技術(shù)路線和設備；污泥處理處置的穩(wěn)定化、無害化程度低。從歷史上看,超過80%的污泥沒有得到有效和安全的處理處置[12],很多污泥只是進行了簡單的濃縮、脫水處理,污泥的處置仍以直接填埋為主。有資料顯示,采用穩(wěn)定化技術(shù)處理污泥的污水處理廠＜10%[13]。在污泥處置方面,多數(shù)污水處理廠采用填埋和污泥農(nóng)用等方法,這些處理方式都可能造成環(huán)境污染,一些地區(qū)由于濫用污泥,造成地下水污染或重金屬污染[14],直接影響人類健康。當采用焚燒的處置措施時,污泥中的重金屬等污染物進入土壤或大氣,帶來二次污染的風險。

1.2.3 污泥性質(zhì)問題

我國污泥中的有機質(zhì)、含沙量低,工業(yè)污水源頭處理率低,污泥重金屬含量偏高,制約了學習利用國外技術(shù),嚴重影響了污泥能源化處理的發(fā)展。如污泥的厭氧消化技術(shù)在我國的應用存在成本效益不明顯、無穩(wěn)定的約束性指標要求、設備運行管理要求高、對操作人員要求高等問題；在農(nóng)村化學肥料的使用量較大,利用和推廣污泥土地農(nóng)用等處置方式受限。因此,照搬國外的污泥處理處置技術(shù)并不能達到良好的效果。但由于此前并不重視污泥的處理處置,因此目前適合我國情況的污泥處理處置技術(shù)路線非常少,限制了污泥的處理和利用。

1.2.4 污泥處理處置監(jiān)管問題

建立完善的污泥監(jiān)管體系,是有效解決污泥處理處置問題的關(guān)鍵。與污水處理監(jiān)管相比,政府對于污泥處理處置的監(jiān)管存在很多問題[15]。由于污泥的處理處置過程涉及多個環(huán)節(jié)和部門,各個主體職責劃分不清晰,管理標準不統(tǒng)一,造成了污泥處理處置監(jiān)管的混亂[16]。對污泥處理機構(gòu)的建設工程沒有穩(wěn)定化和無害化的強制性要求,監(jiān)管部門缺少約束性指標(如COD),間歇性排泥給污泥的監(jiān)管都帶來了困難。

2 污泥處理處置技術(shù)研究進展

污泥的處理處置過程分為污泥處理和污泥處置2個階段,目的是對污泥進行深度無害化處理,降低污泥的含水率,去除污泥中的病原微生物、重金屬等物質(zhì),避免污泥進入環(huán)境后帶來二次污染。污泥的處理階段是指實現(xiàn)污泥減量化、無害化、穩(wěn)定化的全過程,主要的污泥處理技術(shù)包括污泥濃縮、脫水、穩(wěn)定和干化。而污泥的處置階段是指在污泥處理階段后將污泥置于自然環(huán)境或者再利用的過程,是實現(xiàn)污泥資源化的過程,一般包括土地利用、填埋、焚燒、制作建筑材料等[17]。我國污泥處理處置起步較晚,與國外先進的處理處置技術(shù)相比還有很大的差距。圖1列出了我國常用污泥處置技術(shù)所占的比例。目前,常用的污泥處置技術(shù)有污泥填埋、堆肥、自然干化、焚燒等方式,其所占的比例分別為65%、15%、6%、3%,可以得出我國污泥的處置方式依然以填埋為主；此外,由于我國長期存在的“重水輕泥”現(xiàn)象,污水處理廠用于污泥處理處置的資金較少,因此大部分的污泥只是進行了初步的減容處理,并沒有實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化,存在二次污染的風險。

圖1 我國常用污泥處置技術(shù)占比圖

2.1 常規(guī)污泥處理處置技術(shù)

2.1.1 污泥濃縮技術(shù)

城市污水處理廠產(chǎn)生的污泥通常含水率都很高,初沉池污泥的含水率＞97%,二沉池的含水率＞99%。污泥的體積大,給后續(xù)處理造成極大困難。污泥濃縮的目的在于減少容積,主要減少的是污泥中的間隙水[18]。如果后續(xù)處理是厭氧消化,則消化池的容積、加熱量、攪拌能耗等都可以極大地降低；如果后續(xù)處理是機械脫水,則濃縮后調(diào)理污泥的混凝劑用量以及機械設備的處理量都可極大地減少。經(jīng)過濃縮的污泥的含水率可達95%～97%,基本實現(xiàn)了污泥的減量化[19]。污泥濃縮的方式主要有重力濃縮、離心濃縮、氣浮濃縮、帶式濃縮機濃縮、轉(zhuǎn)股機械濃縮等。根據(jù)我國污泥的特點,重力濃縮和浮選濃縮是城市污水處理廠最常用的污泥濃縮方法。

2.1.2 污泥脫水技術(shù)

污泥脫水可使污泥的含水率極大地降低,有效減少污泥的體積,便于污泥的運輸及儲存,且利于污泥后續(xù)的處理處置[20]。污泥脫水的傳統(tǒng)方法是自然干化,其缺點是占地面積大,容易造成環(huán)境污染；適用范圍小,不適合在大型城市使用。相比之下,污泥的機械脫水具有占地面積小、處理效率高等優(yōu)勢。在我國,污泥脫水技術(shù)發(fā)展迅速,各類脫水機械已經(jīng)在逐漸開發(fā)制造。目前常用的脫水設備主要有真空過濾機、帶式壓濾機、板框壓濾機、離心脫水機等。但是污水廠使用的深度脫水設備仍存在能耗高、藥劑投加量大、不能連續(xù)處理等問題。上海市城市排水有限公司與上海交通大學根據(jù)當前污泥深度脫水壓濾機存在的問題,開發(fā)了一套能夠使污泥更加易于脫水的預處理技術(shù)[21]。該技術(shù)在污泥中投加污泥改性劑,然后污泥進入一套可連續(xù)進行脫水的新型帶式壓濾試驗機(處理能力為20～30 t/d),污泥通過與改性劑反應并經(jīng)過連續(xù)帶式壓濾后,含水率可從80%～85%降低到50%～55%,這就使得污泥的體積減少,方便了后續(xù)對污泥進行處理和處置。污泥脫水應作為污泥減量化發(fā)展的重要方法。

2.1.3 污泥的厭氧消化技術(shù)

污泥的厭氧消化技術(shù)是在無氧條件下,利用厭氧菌和兼性菌進行厭氧生化反應,將污泥中的有機質(zhì)分解成二氧化碳、甲烷和水等穩(wěn)定的物質(zhì),消化過程中產(chǎn)生的沼氣可以作為能源進一步被利用。厭氧消化可以實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化,降低污泥的含水率,使得污泥的生物穩(wěn)定性得到有效改善。污泥的厭氧消化技術(shù)是目前最普遍的的污泥生物處理方法,一般可使污泥減量＞30%。具有運行成本低,較高的生物去除率(30%～50%)等優(yōu)點,是大型污水廠最為經(jīng)濟的污泥處理方法,但是也存在工藝操作復雜,產(chǎn)生的甲烷氣體存在安全隱患等問題。目前,在北京、上海等地約有60座大型污水處理廠建設了厭氧污泥消化系統(tǒng),但是在運行的僅有20余座[22]。主要是由于污水廠產(chǎn)生的污泥中有機質(zhì)含量過低,泥沙含量過高,污泥的可生化性較差,導致厭氧污泥消化設備運行不穩(wěn)定,產(chǎn)沼氣率低于國外設備的處理指標[23]。因此直接將傳統(tǒng)污泥厭氧消化工藝應用于我國的污泥處理并不能取得良好的處理效果。研究人員針對我國污泥的特性,研發(fā)出了以熱水解、微波以及超聲波等為預處理手段的污泥處理技術(shù),通過對污泥進行熱水解等預處理,提高傳統(tǒng)厭氧過程中污泥的水解和酸化速率,使厭氧裝置的容積減少,厭氧消化所用的時間縮短,污泥的厭氧消化整體效率提高[24]。目前,對于日處理能力≥10萬t的大型二級污水處理設施產(chǎn)生的污泥,多采取中溫或高溫厭氧消化技術(shù)[25]。

2.1.4 污泥的衛(wèi)生填埋

當污泥的性質(zhì)不適合土地利用,且當?shù)夭痪邆浞贌徒ú睦脳l件時,可采用污泥填埋處理[26]。有單獨填埋、混合填埋和特殊填埋等方法。污泥填埋之前必須進行穩(wěn)定化處理,處理后的泥質(zhì)應符合相關(guān)條例要求。我國一般采用混合土地填埋的形式,單獨填埋較少使用。污泥填埋的優(yōu)點是投資少,見效快,適用范圍廣等,但是也存在填埋場地不易尋找、污泥運輸費用高、污泥中的有害成分容易滲漏,造成地下水污染等問題[27]。隨著城市化的加快,垃圾和污泥量不斷增多,同時污泥本身難分解,容易造成地下水污染,現(xiàn)在很多垃圾填埋場都拒收污泥入場。故污泥填埋不能作為有效的處置途徑,這種處理途徑會被逐漸淘汰。

2.1.5 污泥的焚燒

污泥的焚燒是指在氧氣充分的條件下,對污泥進行完全焚燒,使污泥中的有機固體轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和污泥灰,并徹底殺死污泥中的病原體。通過焚燒可以最大限度減少污泥容積,縮短污泥處理時間,焚燒后污泥體積只有原來的20%～30%。污泥焚燒后的剩余物質(zhì)可以再次利用,如可以用作水泥添加劑。污泥焚燒還可以從廢氣中獲取剩余能量用來發(fā)電。污泥的焚燒方式有單獨焚燒和干化焚燒。單獨焚燒是指將污泥單獨放入焚燒爐內(nèi),在輔助燃料的作用下直接進行焚燒。干化焚燒是指先將污泥進行干化處理,使污泥的含水率大幅降低后再進行焚燒。目前,針對污泥的焚燒技術(shù)進行了多方面的研究,清華大學的研究人員以高碑店污水廠的污泥為研究對象,通過實驗分析了污泥的成分和燃燒特點,研究了焚燒過程中污泥中重金屬的遷移特性,針對污泥灰渣處理提出建議[28]。浙江大學研究人員研究了污泥的燃燒過程、凝聚結(jié)團特性、熱解特性以及流化床焚燒污泥時產(chǎn)生的二次污染問題[29]。這些研究都促進了污泥焚燒技術(shù)的發(fā)展。污泥焚燒占地面積小,無害化比較徹底,但是焚燒的成本高,一部分重金屬會隨燃燒產(chǎn)生的煙塵擴散到空氣中。在環(huán)保方面如何避免產(chǎn)生二噁英類污染性物質(zhì)也是不可忽視的問題[30]。因此,目前污泥焚燒的處置技術(shù)主要應用于發(fā)達地區(qū)。

2.1.6 污泥的土地利用

污泥的土地利用是指污泥經(jīng)過脫水和無害化處理后用于園林綠化、農(nóng)田、鹽堿地改良等,是污泥資源化的一種處置方式。污泥中含有大量氮、磷、鉀等有機物,能夠增加土壤肥力,對土壤的性質(zhì)具有一定的改良作用。由于我國土地面積廣,具有較強的污泥消納能力,因此污泥的土地利用得到了廣泛應用。北京北小河污水處理廠等單位嘗試利用污泥制造有機肥料,從而實現(xiàn)污泥的資源化利用,提高了污泥的土地利用率[31]。但污泥的土地利用在實現(xiàn)污泥資源化的同時也可能帶來二次污染。污泥中含有對植物和土壤有害的病原菌、病毒以及寄生蟲等,并且污水處理廠的污泥可能存在重金屬含量超標的問題。病毒或重金屬等物質(zhì)進入土壤可能造成土壤以及地下水的二次污染,進而對農(nóng)作物、植被造成影響。因此,污泥要經(jīng)過堆肥或者嚴格的無害化處理后,才可用于土地利用[32]。

2.1.7 污泥的建材利用

污泥中的無機物占20%～30%,包括硅、鋁、鈣、鐵等成分,與建筑材料的成分相似。因此在污泥中添加適當比例的高嶺土、粉煤灰后,經(jīng)過高溫處理可以將污泥用來制作建筑材料。污泥的建材利用范圍比較廣,主要包括制作輕質(zhì)陶粒、水泥、磚、生化纖維板等。將污泥用于制作建筑材料,能夠有效避免污泥的二次污染,節(jié)約資金,充分利用污泥自身的熱值。污泥的建材利用作為一種有限的資源化方式,已經(jīng)有諸多的研究和利用。南京鑫翔建材公司經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),利用窯爐余熱將污泥翻拋晾曬干化,污泥水分可從80%降至25%,干化后的污泥以一定的比例(約10%)添加到煤矸石和添加材料中,經(jīng)過高溫煅燒后,污泥最終能燒制成一種多孔節(jié)能磚,其強度、吸水率等主要指標都達到國家標準[33]。另外,在重慶、上海等地已經(jīng)成功實現(xiàn)利用污泥制備陶粒和燒結(jié)磚,推動了污泥建材利用的發(fā)展[34]。但是,由于符合利用要求的污泥產(chǎn)量少,并且存在生產(chǎn)符合利用要求的污泥成本高和使用范圍小等問題,污泥的建材利用一直受到限制。應參考國外的成功案例,在資金來源、建材產(chǎn)品的出路等方面對污泥的建材利用給予相應的支持,促進污泥的資源化發(fā)展。

2.2 污泥處理處置新技術(shù)

2.2.1 污泥的原位減量技術(shù)

污泥的原位減量技術(shù)是通過降低污水處理過程中的細胞合成量,增強微生物自身內(nèi)源呼吸的能力,加快微生物自身分解,最終達到減少污泥產(chǎn)生的1種技術(shù),其污泥減量可達21%～87%[35]。污泥的原位減量技術(shù)主要的工藝有代謝解偶聯(lián)、細胞溶解、生物補食等。這些技術(shù)需在傳統(tǒng)活性污泥法工藝流程中增加超聲波發(fā)生器等裝置,或投加臭氧、解偶聯(lián)劑等化學藥劑。近年來,國內(nèi)外學者對污泥原位減量技術(shù)進行了大量的研究。Lan等在SBR反應器前增加了預處理過程,即高壓均質(zhì)過程,經(jīng)檢測出水中化學需氧量、總氮、總磷等出水水質(zhì)指標均滿足國家一級A排放標準(總固體懸浮物略有增加),且處理成本與傳統(tǒng)處理工藝相比可以降低約57%,系統(tǒng)達到穩(wěn)定運行狀態(tài)后,產(chǎn)生污泥量減少43.9%,化學需氧量的去除率升高[36],從處理成本和效果來看,該工藝有很大的優(yōu)勢。初里冰等研究的好氧——厭氧反復耦合反應器污泥原位減量化處理技術(shù),利用多孔微生物載體及生物反應器,能夠?qū)崿F(xiàn)污泥的原位減量,并在中小規(guī)模污水處理中得到了一系列應用[37]。原位減量技術(shù)有助于提高傳統(tǒng)工藝的處理效果,能夠有效減少污泥的產(chǎn)生量,促進了污泥的減量化發(fā)展。

2.2.2 污泥的生物瀝浸技術(shù)

生物瀝浸技術(shù)是利用微生物對污泥進行調(diào)理,使污泥中重金屬和病原菌得到有效去除的1種技術(shù)。微生物的種類以嗜酸性氧化硫桿菌為主,耐酸性異養(yǎng)菌為輔,在生物反應后通過自然重力濃縮使得污泥含水率降至90%～92%。而在不添加任何絮凝劑的情況下,經(jīng)板框式壓濾機脫水,污泥含水率直接降至＜60%,使剩余污泥的脫水性能得到極大改善。生物瀝浸技術(shù)有許多的優(yōu)勢,如處理時間短,僅需1～2 d；并可以直接堆肥,徹底解決了含水率為80%的污泥堆肥占地需要大量輔料以及存在惡臭等弊端；反應全過程在常溫、常壓下進行,運行安全,無二次污染；能夠有效去除污泥中的重金屬等[38]。生物瀝浸技術(shù)由南京農(nóng)業(yè)大學研發(fā)成功并推向?qū)嶋H工程應用[39]。2010年8月在無錫太湖新城污水處理廠建成污泥生物瀝浸處理深度脫水和資源化科技示范工程并正式運行,該工程可日處理5萬m3污水所產(chǎn)生的污泥,是國際上第一個采用污泥生物瀝浸法深度脫水和資源化的工程案例。隨后在寧波北區(qū)污水處理廠、無錫蘆村污水處理廠、寧波三菱化學有限公司、西安第六污水處理廠等陸續(xù)建成或在建大型生產(chǎn)性污泥生物瀝浸處理工程,都實現(xiàn)了污泥處理效率的提高[40]。采用生物瀝浸的方法處理污泥,不僅可以使污泥的脫水率大幅提高,而且可以去除污泥中的重金屬,避免了污泥帶來的二次污染,因此應用前景非常廣闊。

2.2.3 污泥資源化利用的新途徑

(1)污泥制可降解塑料

污水處理廠的污泥中含有大量能夠積累聚羥基脂肪酸的細菌,向污泥中添加碳源和無機鹽培養(yǎng)基,可以用來制備可降解塑料——聚羥基脂肪酸。霄云等將污泥在120℃、202.65 kPa條件下進行處理,研究選用一種特種微生物,這種微生物能夠在體內(nèi)貯存可生物降解聚酯,將這種微生物與污泥混合,促使微生物繁殖,可以大幅度提高聚酯塑料的生產(chǎn)率[41]。這種利用剩余活性污泥生產(chǎn)可降解塑料的方法實現(xiàn)了污泥的資源化利用,同時也能夠達到環(huán)保的目的。

(2)污泥制活性炭

污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥中碳含量較高,熱解后的衍生物具有良好的吸附性,可以用來處理污水,是一種性能良好的吸附絮凝劑[42]。由于活性炭吸附劑能夠除去廢水中的化學需氧量及某些重金屬離子,因此能夠徹底氧化分解原污泥中的有害因子[43]。目前,污泥制備活性炭技術(shù)主要包括2個過程,即高溫熱解和活化。高溫熱解是把原料熱解為碳渣,活化是根據(jù)各種要求把碳化物變?yōu)樗枰亩嗫孜镔|(zhì)。根據(jù)活化方式的不同,制備污泥活性炭的方法分為物理活化法、化學活化法或物理化學活化法、催化活化法等[44]。污泥生產(chǎn)活性炭不僅能為活性炭的制備提供了廉價的原料,同時還可以減輕污泥帶來的二次污染,使資源得到充分的利用,將得到越來越多的關(guān)注和發(fā)展。

3 展望

隨著污泥產(chǎn)量的不斷增多,污泥的處理處置技術(shù)也受到越來越多的關(guān)注。污泥作為一種有價值的資源,進行穩(wěn)定化、無害化處理后再應用,既可以避免二次污染,又開發(fā)了新的資源,滿足了可持續(xù)發(fā)展的要求。在現(xiàn)階段污泥的處理處置以減量化、無害化為治理的首要目標,要符合安全環(huán)保的原則,未來污泥的資源化利用將成為污泥處理處置的發(fā)展方向。目前污泥處理處置壓力較大,應根據(jù)我國污泥特性,以常用的污泥處理處置技術(shù)為基礎,發(fā)展適合我國污泥處理處置的新技術(shù),實現(xiàn)污泥的資源化利用。此外,污泥的處理處置應該考慮到環(huán)境生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益之間的平衡。各種因地制宜的污泥處理處置技術(shù)路線需要大力推廣和應用,以促進污泥處理處置產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。