剩余污泥預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展

王 晨 ,施素麗

(1.天俱時(shí)工程科技集團(tuán)有限公司,河北 石家莊 050000;2.石家莊國(guó)祥運(yùn)輸設(shè)備有限公司,河北 石家莊 050000)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步,我國(guó)水處理行業(yè)發(fā)展迅猛,剩余污泥產(chǎn)量逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019 年我國(guó)污泥(含水率80%)產(chǎn)量已超過(guò)6 000 萬(wàn)t[1]。但由于過(guò)去“重水輕泥”,我國(guó)污泥處理處置水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大差距。

污泥本身成分復(fù)雜,含有有害物質(zhì)(如病原體等)同時(shí)又含有豐富的資源(如碳、氮、磷等),這使得人們?cè)诳紤]對(duì)污泥進(jìn)行穩(wěn)定化、無(wú)害化、減量化的同時(shí),也在思考如何將污泥資源化乃至商品化。污泥的最終處置方式?jīng)Q定了污泥的處理方法,我國(guó)目前污泥處置方式包括土地利用(26.5%)、焚燒(25.0%)、衛(wèi)生填埋(24.1%)、建材利用(14.4%)等[2]。而2019 年這4 種污泥處置方式產(chǎn)生的CO2占我國(guó)污泥處置CO2排放量的比例分別為:焚燒(45.11%)>衛(wèi)生填埋(23.04%)>土地利用(17.64%)>建筑材料(14.21%)[3],可見(jiàn)合適的污泥處置方式能減少溫室氣體的排放。

厭氧技術(shù)在碳中和方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。厭氧消化能殺死污泥中的病原體、穩(wěn)定污泥,同時(shí)可以產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸,作為污水廠“內(nèi)碳源”或者進(jìn)一步反應(yīng)產(chǎn)生甲烷等可再生能源,因而被認(rèn)為是循環(huán)利用能源與資源最可行、最環(huán)保的生物工藝之一。然而在厭氧消化的實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中,存在著污泥齡較長(zhǎng)、有機(jī)固體降解率低等問(wèn)題。為了破解污泥的絮體結(jié)構(gòu),將污泥中的資源進(jìn)行回收利用,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了廣泛的研究,主要包括機(jī)械法、化學(xué)法、生物法以及它們的組合方法。本研究對(duì)剩余污泥預(yù)處理技術(shù)相關(guān)研究進(jìn)行了回顧,以期為剩余污泥處理處置的科學(xué)研究與工程應(yīng)用提供一定幫助。

1 機(jī)械法

剩余污泥的機(jī)械預(yù)處理法包括超聲波法、熱處理法、微波法、脈沖電場(chǎng)法、高壓均質(zhì)化法等。剩余污泥不同機(jī)械預(yù)處理法的處理效果如表1所示。

表1 剩余污泥機(jī)械預(yù)處理法處理效果

1.1 超聲波法

超聲波是頻率在20 kHz 以上的聲波,一般波速約為1 500 m/s,波長(zhǎng)約為0.01～10 cm。超聲波處理污泥的機(jī)理研究還不是很透徹,現(xiàn)有研究認(rèn)為,超聲波處理污泥主要依靠的是超聲波空化作用所產(chǎn)生的強(qiáng)烈的水力-機(jī)械剪切力、具有氧化作用的自由基(如·OH、·H、·O 等)、溫度的升高和污泥中揮發(fā)性疏水物質(zhì)的熱分解。超聲波能夠改善污泥的沉降性和提升脫水性,并能有效提升剩余污泥的可生化性,進(jìn)而提升厭氧消化的產(chǎn)氣效率[10]。單獨(dú)使用超聲波技術(shù)能耗較大,今后應(yīng)該針對(duì)不同性質(zhì)污泥研究不同類型的超聲波反應(yīng)器,在保證提高處理效率的同時(shí)節(jié)能降耗,此外還應(yīng)該深入研究超聲波預(yù)處理污泥的組合工藝,為超聲波預(yù)處理技術(shù)的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1.2 熱處理法

常規(guī)的污泥熱預(yù)處理法以100 ℃為界限,分為低溫?zé)崽幚?<100 ℃)和高溫?zé)崽幚?>100 ℃)。常規(guī)熱處理法具有處理效果好、裝置工藝較為簡(jiǎn)單、條件控制方便等優(yōu)點(diǎn),因而得到了廣泛的研究和工程應(yīng)用。目前污泥高溫?zé)犷A(yù)處理在全世界工程應(yīng)用較多,但是高溫?zé)崽幚淼哪芎妮^大、凈產(chǎn)能較低,且污泥高溫?zé)崽幚砜赡軙?huì)因?yàn)槊览路磻?yīng)而產(chǎn)生難降解有機(jī)物[5],不利于污泥的后續(xù)處理處置。同時(shí)現(xiàn)有研究[5]表明,低溫?zé)崽幚硪材茉黾游勰嗟目缮?有較好的工程應(yīng)用前景。今后應(yīng)對(duì)污泥熱處理設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)研究,提高熱利用率,同時(shí)對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化,降低污泥熱預(yù)處理對(duì)能源的需求。

1.3 微波法

微波是電磁波譜上紅外線和無(wú)線電波之間的頻率在0.3～300 GHz 的電磁波。李海兵等[7]通過(guò)紅外光譜分析發(fā)現(xiàn),污泥經(jīng)過(guò)微波處理后,部分大分子有機(jī)物被降解為小分子有機(jī)物,有機(jī)物得到釋放。然而微波法處理剩余污泥在工程應(yīng)用方面還比較少,這主要是因?yàn)槲⒉ㄌ幚硌b置還不能完全滿足實(shí)際工程污泥處理的需求以及微波設(shè)備的增加導(dǎo)致工藝技術(shù)路線的改進(jìn)和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化分析還較少,這也是今后污泥微波預(yù)處理法的重要研究方向。

1.4 脈沖電場(chǎng)法

脈沖電場(chǎng)是一種高壓電場(chǎng)法。脈沖電場(chǎng)能破壞污泥聚集體的結(jié)構(gòu),并將復(fù)雜的有機(jī)大分子還原為結(jié)構(gòu)形式更簡(jiǎn)單的小分子,使它們更易于被厭氧微生物吸收利用[8]。我國(guó)關(guān)于脈沖電場(chǎng)污泥預(yù)處理方面的研究還比較少,值得科研工作者們作進(jìn)一步研究。

1.5 高壓均質(zhì)化法

高壓均質(zhì)化處理污泥的工作原理是污泥在降壓作用下會(huì)產(chǎn)生外部剪切、湍流、壓力梯度及空化,從而使得污泥絮體結(jié)構(gòu)破壞,將有機(jī)物從固相釋放到液相[9]。高壓均質(zhì)化在國(guó)外污泥處理中已有一定研究與工程應(yīng)用,而我國(guó)尚無(wú)相關(guān)工程案例報(bào)道,今后應(yīng)該針對(duì)高壓均質(zhì)化法的設(shè)備與組合工藝的優(yōu)化作進(jìn)一步研究。

2 化學(xué)法

剩余污泥的化學(xué)預(yù)處理法主要是通過(guò)投加化學(xué)藥劑與污泥發(fā)生反應(yīng),從而破壞污泥較穩(wěn)定的絮體結(jié)構(gòu)。已有研究的污泥化學(xué)預(yù)處理法藥劑包括酸、堿、游離亞硝酸(Free Nitrous Acid,FNA)、游離氨(free ammonia,FA)、四羥甲基硫酸磷(tetrakis hydroxymethyl phosphonium sulfate,THPS)、高錳酸鉀(KMnO4)、高鐵酸鹽、O3、Fenton 等。表2 列舉了剩余污泥不同化學(xué)預(yù)處理法的處理效果。

表2 剩余污泥化學(xué)預(yù)處理法處理效果

續(xù)表2

2.1 酸堿法

由表2 可知,單純投加酸或堿的預(yù)處理法對(duì)污泥絮體的破壞均有一定效果,然而酸的投加性價(jià)比較低。此外,堿性條件更有利于污泥的厭氧消化,因此目前研究大多關(guān)注于堿的控制條件(包括堿的種類、投加量等)以及堿的組合工藝。

2.2 游離亞硝酸(FNA)法

FNA 是亞硝酸鹽NO2-的游離態(tài)質(zhì)子化形式。FNA 能將污泥中的大分子物質(zhì)如多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等轉(zhuǎn)化成小分子物質(zhì),從而促進(jìn)污泥有機(jī)物的釋放[20]。FNA 可以通過(guò)污泥厭氧消化液在污水處理廠原位產(chǎn)生,剩余污泥FNA 預(yù)處理法具備一定的工程可行性。FNA 預(yù)處理剩余污泥的一項(xiàng)中試研究表明,經(jīng)過(guò)FNA 預(yù)處理的剩余污泥厭氧消化甲烷產(chǎn)量與未經(jīng)預(yù)處理的相比增加了37%[21]。FNA 作為一種新興的剩余污泥預(yù)處理藥劑,還有很多地方(如反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)條件、組合工藝、工程經(jīng)濟(jì)可行性等)值得深入研究。

2.3 游離氨(FA)法

污水中的離子態(tài)氨氮(NH4+)在濃度較高或堿性較大時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化成分子態(tài)的NH3,即游離氨(FA)。Wei Wei 等[14]研究發(fā)現(xiàn),FA 預(yù)處理對(duì)污泥厭氧消化甲烷的產(chǎn)量有良好的提升效果。相關(guān)研究表明,FA 可以通過(guò)污泥厭氧消化直接獲得,同時(shí)初步經(jīng)濟(jì)分析表明,FA 預(yù)處理污泥的經(jīng)濟(jì)成本低于單純用堿處理的[22],這說(shuō)明FA 污泥預(yù)處理法有著較好的工程應(yīng)用前景。

2.4 THPS 法

THPS 是一種綠色環(huán)保殺菌劑,能有效殺滅污泥中的病原體。Wu 等[15]研究發(fā)現(xiàn),THPS 預(yù)處理后,污泥厭氧產(chǎn)酸時(shí)間減少為對(duì)照組的4/7,同時(shí)揮發(fā)性脂肪酸VFAs 產(chǎn)量增加為對(duì)照組的4.35倍。THPS 作為一種新興藥劑,在污泥預(yù)處理方面研究較少,相關(guān)反應(yīng)機(jī)理等研究尚不透徹,有待進(jìn)一步研究。

2.5 氧化劑法

高錳酸鉀、高鐵酸鹽、O3、過(guò)硫酸鹽、Fenton 等藥劑都有較強(qiáng)的氧化能力,能與污泥中的有機(jī)物發(fā)生氧化降解反應(yīng),尤其是能將可生化性低的大分子有機(jī)物(例如分子量較大的蛋白質(zhì)、腐殖酸等)轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物,強(qiáng)氧化劑的合理使用有助于污泥有機(jī)物的釋放,但應(yīng)注意藥劑的經(jīng)濟(jì)性投加和反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)后續(xù)污泥處理處置的影響。

3 生物法

剩余污泥的生物預(yù)處理形式主要為投加酶或特定菌種。表3 列舉了剩余污泥不同生物預(yù)處理法的處理效果。

表3 剩余污泥生物預(yù)處理法處理效果

某些菌種(如嗜熱菌[25])能在特定環(huán)境中產(chǎn)生胞外酶,而蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶等可以通過(guò)破壞污泥中的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、纖維素等大分子有機(jī)物來(lái)破壞污泥的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),從而將污泥中的有機(jī)物釋放出來(lái)。但污泥復(fù)雜的結(jié)構(gòu)往往會(huì)阻礙酶和酶特定作用對(duì)象的接觸,因此多種酶混合使用的效果要好于單一酶處理的效果[24]。

剩余污泥生物預(yù)處理法無(wú)二次污染風(fēng)險(xiǎn),是很有發(fā)展前景的污泥預(yù)處理技術(shù),但受限于經(jīng)濟(jì)成本等因素,目前還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段,距離工程化落地還有較遠(yuǎn)的路要走。

4 組合法

單一的剩余污泥預(yù)處理法各有其優(yōu)點(diǎn)與不足,將已有預(yù)處理方法進(jìn)行組合以追求更好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益是今后研究的熱點(diǎn)之一。表4列舉了剩余污泥不同組合預(yù)處理法的處理效果。

表4 剩余污泥組合預(yù)處理法處理效果

5 結(jié)論與展望

剩余污泥的處理處置將是我國(guó)今后環(huán)保治理的重點(diǎn)之一,而厭氧處理的方式能極大地減少碳排放,同時(shí)進(jìn)行資源能源的回收利用,具有較高的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。目前已有機(jī)械、化學(xué)、生物等多種剩余污泥預(yù)處理技術(shù),機(jī)械法操作簡(jiǎn)單但是前期設(shè)備一次成本投入較高,化學(xué)法效果顯著但應(yīng)考慮藥劑投加可能導(dǎo)致的污泥處理設(shè)備成本的增加(例如防腐),以及藥劑投加帶來(lái)的副產(chǎn)物對(duì)污泥后期處理處置的影響,生物法無(wú)二次污染,相對(duì)綠色環(huán)保,但經(jīng)濟(jì)成本較高。組合法可以進(jìn)一步提升污泥中有機(jī)物的釋放,同時(shí)合理地對(duì)各種預(yù)處理方法進(jìn)行組合可以有效地降低經(jīng)濟(jì)成本。

從科研與工程角度出發(fā),從以下幾個(gè)方向建議學(xué)者們進(jìn)行深入研究:

(1)剩余污泥是成分復(fù)雜的多聚體,預(yù)處理技術(shù)對(duì)污泥各組分的影響有待進(jìn)一步研究。

(2)不同區(qū)域研究者針對(duì)同一種污泥預(yù)處理技術(shù)的研究結(jié)果存在顯著性差異,這可能與不同污泥來(lái)源(水處理工藝、水質(zhì)等)有關(guān),建議針對(duì)預(yù)處理技術(shù)對(duì)不同來(lái)源污泥的影響作進(jìn)一步研究。

(3)當(dāng)前的研究大部分還處在實(shí)驗(yàn)室階段,只有小部分技術(shù)如熱水解法實(shí)現(xiàn)了工程落地,一項(xiàng)技術(shù)的工程化落地受到諸多因素(如處理效果、經(jīng)濟(jì)成本等)的影響,而已有的研究中進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本分析的較少,今后研究者們應(yīng)該將工程可行性作為剩余污泥預(yù)處理技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。