污泥處理及資源化再利用研究進(jìn)展

段先月， 蔡宇凌

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所， 廣東 廣州 511370）

0 引言

我國工業(yè)的迅速發(fā)展， 促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的快速增長， 使得污泥產(chǎn)量逐年增大， 而國內(nèi)一直存在“重污水處理， 輕污泥處理” 的現(xiàn)象。 在全國運(yùn)行的污水處理廠中約有25%的污水廠配備了污泥穩(wěn)定化處理設(shè)施， 僅有10%的污水處理廠擁有污泥最終處置設(shè)施[1]； 將有大部分的污泥得不到最終處置而進(jìn)入到環(huán)境中， 污泥中含有的重金屬及其他有害物質(zhì)對自然環(huán)境的危害不可估量， 遠(yuǎn)超一般固體廢棄物對環(huán)境的影響； 若在堆放過程中有部分污泥被雨水沖刷流入到河道中并沉積在河底， 將有可能導(dǎo)致水體黑臭。 因此污泥的及時處理是非常有必要的。 目前， 美國、 德國以填埋為主， 日本以焚燒為主[2]； 在我國的污泥主要處置方法中， 衛(wèi)生填埋、堆肥、 自然干化和焚燒分別占比為65%、 15%、6%和3%[3]。 各個國家根據(jù)污泥的特性采用不同的技術(shù)進(jìn)行處理， 最終都是要達(dá)到“減量化、 穩(wěn)定化、 無害化、 資源化” 的目的。

下文將對污泥的主要分類、 組成、 特性、 處置方法及利用進(jìn)行闡述。

1 污泥分類、 組成及其主要特性

1.1 污泥分類

根據(jù)污泥來源的不同可以分為市政污泥和工業(yè)污泥。 工業(yè)污泥主要分為電鍍污泥、 冶金污泥、 紡織印染污泥、 化工污泥和造紙污泥。 按處理方法和分離過程區(qū)分， 污泥可以分為4 類： 初沉污泥、 活性污泥、 腐殖污泥和化學(xué)污泥。

1.2 污泥的組成

污泥主要由有機(jī)相、 無機(jī)相、 水分及水溶性組分組成。 污泥中的水分有間隙水、內(nèi)部水、 吸附水和毛細(xì)結(jié)合水， 各種水分在污泥中的占比如圖1所示。

圖1 污泥中的水分組成

1.3 污泥的主要特性

污泥共有的主要特性有： 1） 有機(jī)成分含量較高， 污泥中含有大量的微生物有機(jī)絮體， 有機(jī)成分占比可達(dá)75%~85%； 2） 含水率極高， 污泥中的絮體含有大量的硫酸根、 磷酸根和羧基等帶負(fù)電荷的含氧官能團(tuán)， 與水分子的親和力很強(qiáng)； 3） 含有大量的灰分， 占比為50%以上[4]。 一般污泥含水率大于85%以上時， 污泥呈流態(tài)； 65%~85%時呈塑態(tài)， 小于60%時呈固態(tài)。

2 污泥處理

污泥處理主要是指對污泥進(jìn)行減量化、 穩(wěn)定化、 無害化。 一般對污泥先進(jìn)行濃縮， 去除污泥中的間隙水， 對污泥進(jìn)行初步的脫水并縮減污泥的體積； 然后通過好氧消化、 厭氧消化對污泥進(jìn)行初步穩(wěn)定化處理， 將消化后的污泥再進(jìn)行脫水， 并將其處理成固態(tài)或半固態(tài)， 便于進(jìn)一步的穩(wěn)定化、 無害化。 處理流程如圖2 所示。

圖2 污泥整體處理流程圖

我國對污泥主要的處理方法為衛(wèi)生填埋、 堆肥、 焚燒和自然干化， 其優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示。

表1 污泥處理方法優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 污泥減量化處理

污泥減量化處理主要是處理污泥中的間隙水、結(jié)合水和吸附水， 前期污泥減量化主要為濃縮， 再經(jīng)消化后還需進(jìn)一步地干化。 污泥濃縮的常用方法有重力、 氣浮和離心濃縮法， 也有采用復(fù)合法將污泥進(jìn)行減量化。 Yung 等[5]研究發(fā)現(xiàn)， 將污泥用活性污泥法處理的同時在處理過程中結(jié)合超聲波技術(shù)， 最終污泥減量率可達(dá)到40%以上。

污泥初期減量化主要通過濃縮， 后期主要是污泥在經(jīng)消化處理過后再進(jìn)一步地減量化。 污泥干化常用的方法有自然干化、 造粒干化和機(jī)械干化， 干化主要對象為污泥的毛細(xì)結(jié)合水或吸附水。 這3 種干化都是物理干化， 主要通過環(huán)境溫度、 重力對污泥進(jìn)行脫水。 這3 種方法在高溫條件下對污泥脫水會具有較好的效果， 現(xiàn)有的技術(shù)在低溫條件下也有較好的效果。 有研究者通過聚丙烯酸絮凝劑在低溫條件下將泥餅含水率降至84.59%[6]， 再利用超聲波技術(shù)進(jìn)行處理可加速污泥脫水速度[7]。 Dhote等[8]利用污泥發(fā)酵裝置對污泥進(jìn)行處理， 發(fā)現(xiàn)發(fā)酵溫度從50 ℃升高到55 ℃， 發(fā)酵17 天后， 水中污泥的含量從60%降低到40%， 總氮有下降的趨勢。 Zhang 等[9]采用水熱氧化法并以H2O2為氧化劑發(fā)現(xiàn)可提高對污泥的脫水性能。 Yang 等[10]采用水熱反應(yīng)與熱解法再結(jié)合絮凝劑發(fā)現(xiàn)混凝30 min 后污泥體積由97%降至30%， 處理后污泥含水率由97%降至30%。

2.2 污泥穩(wěn)定化處理

污泥經(jīng)濃縮和進(jìn)一步干化后， 還需對污泥中的病菌和重金屬等有害物質(zhì)進(jìn)一步地穩(wěn)定化和無害化。 污泥初步穩(wěn)定化一般對污泥進(jìn)行消化， 污泥消化主要將污泥降解為以甲烷為主的污泥氣和穩(wěn)定的消化污泥， 好氧消化主要用于處理剩余活性污泥；污泥經(jīng)消化后趨于穩(wěn)定， 在消化過程中產(chǎn)生的甲烷可用于污泥干化。 除消化法外還有堿化穩(wěn)定法。

污泥堿化是通過加入少量的石灰和氨基酸， 在低溫到高溫的反應(yīng)過程中， 通過石灰的作用使得污泥含水率減少， 可將污泥含水率降到70%以下，堆放一周后含水率可降到60%左右。 污泥堿化可處理病原菌、 蟲卵和重金屬， 并降低臭味等； 堿化后的污泥基本上達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)， 可用作填埋場的覆蓋土[11]。 對于部分含重金屬污泥， 有研究者將超聲波與零價鐵/EDTA/AIR 聯(lián)合使用可以有效地固化污泥中的重金屬[12]。

2.3 污泥無害化處理

污泥無害化主要將污泥中的有害物質(zhì)處理成對環(huán)境及人體無害的物質(zhì)， 無害化處理后也便于污泥進(jìn)行資源化利用。

2.3.1 微生物處理技術(shù)

污泥本身含有氮磷鉀等元素及有機(jī)物， 可作為微生物有氧呼吸和無氧呼吸的養(yǎng)料， 通過微生物代謝分解部分污泥； 同時利用微生物間的“一物降一物” 的生物鏈關(guān)系， 在污泥處理系統(tǒng)中加入后生動物或蚯蚓， 減少微生物產(chǎn)生的剩余污泥[13]， 有助于將污泥無害化。

2.3.2 好氧堆肥處理技術(shù)

好氧堆肥就是在氧氣充足的條件下， 好氧菌對廢物進(jìn)行吸收、 氧化和分解。 堆肥溫度一般控制在55~60 ℃， 適宜溫度有助于殺死堆肥中的病原體；堆肥周期控制在7 天左右， 足夠長的時間有助于保證有機(jī)物完全腐殖化[14]； 污泥經(jīng)低溫燃燒后污泥灰分中磷的含量有所提高， 可作為磷肥。 研究發(fā)現(xiàn)， 在不同的氧濃度（20%、 60%、 100%） 下處理污泥， 所得到的灰分中的磷含量提高了45.6%[15]。藻泥堆肥后形成的有機(jī)肥中含有的營養(yǎng)鹽、 游離氨基酸和總氨， 形成的養(yǎng)分能夠有效地促進(jìn)植物生長[15]。 堆肥后的污泥分解成植物、 蔬菜和糧食栽培所需的養(yǎng)分[16-20]。

2.3.3 熱解處理技術(shù)

熱解技術(shù)是指在缺氧微正壓的環(huán)境中可將污泥轉(zhuǎn)化為氣體、 熱解油、 水和殘渣， 將熱解后的水和氣體進(jìn)行收集后經(jīng)處理可再利用。 含油污泥熱解后形成的殘渣， 可作為吸附劑或催化劑的原材料[21]，在460~650 ℃的溫度下， 油與污泥的有效分離效率約為70%~80%[23]。 Tarelho 等[23]研究發(fā)現(xiàn)造紙工業(yè)污泥可以熱解成制備生物炭的原材料， 其產(chǎn)生量為0.40~0.73 kg/kg。

3 污泥資源化利用

污泥經(jīng)穩(wěn)定化、 無害化后的處理方式主要有兩種： 一是污泥填埋； 二是對污泥進(jìn)行資源化利用。污泥衛(wèi)生填埋會產(chǎn)生二次污染， 只是延遲了時間。資源化利用將是污泥未來主要發(fā)展方向。

3.1 作為燃料

污泥中含有可燃物質(zhì)， 可作為燃料。 干燥后的污泥用于循環(huán)流化床鍋爐燃燒， 每噸污泥的熱量相當(dāng)于0.8 t 燃料煤[24]。 印染污泥摻加市政污泥后，可以提高印染污泥的后期燃燒強(qiáng)度， 降低印染污泥燃燒階段的活化能， 促進(jìn)印染污泥的綜合燃燒性能， 摻雜后印染污泥的可燃性指數(shù)提高了近1.6倍， 綜合燃燒特性指數(shù)提高了近2 倍[25]； 酒廠污泥經(jīng)發(fā)酵、 糞便污泥經(jīng)水熱碳化后都可作為燃料進(jìn)行燃燒[26-27]。

污泥還可以作為微生物燃料電池 （MFC：Micorobial Fuel Cells） 燃料， 通過微生物作用， 將儲存在有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能， 固化污泥中的重金屬[28-29]。

3.2 作為工程、 建筑材料的原料

有研究者通過對皮革廠產(chǎn)生的含鉻污泥采用酸浸-堿化-氧化的方法提取污泥中的鉻， 用于制革產(chǎn)業(yè)中制備鉻鞣劑[30]。 另外， 焦化污泥和原煤按1∶10 的配比可制備出粉體煉焦添加劑[31]； 含油污泥可作為封堵防塌劑的原料， 通過瀝青化和乳化分散等工藝可制成封堵防塌劑[32]。

由于污泥中含有不同的金屬元素及金屬氧化物， 可用不同的工業(yè)污泥相互摻加代替石灰石、黏土和鋼渣等原料用于水泥的生產(chǎn)[33]； 對于經(jīng)過脫水、 穩(wěn)定化處理和無害化處理的污泥， 也可摻雜到混凝土或其他建筑材料中制成磚或玻璃[34]。造紙污泥可做陶?；蛲鈮ν苛系纳a(chǎn)原材料[35]。

脫墨污泥可摻入沖擊土為原材料（摻入比例為5%、 10%、 15%、 20%、 25%、 30%）， 脫墨污泥在900~1 000 ℃中進(jìn)行煅燒， 發(fā)現(xiàn)在摻入比例為15%、 溫度為950 ℃時， 所燒成的磚具有最佳的強(qiáng)度[36]。

將干燥的石灰石污泥代替常規(guī)的石粉作為瀝青混凝土混合料填料。 研究結(jié)果表明： 6.45%是最佳摻入百分比， 可得到具有工程性能的瀝青混合料[37]。

此外， 污泥還可作為活性炭原材料。 有研究者利用養(yǎng)豬廠污泥制備成生物炭， 對水中的Pb （II），進(jìn)行吸附， 其最大吸附量為145 mg/g[38]。

3.3 回收利用重金屬

將污泥中的重金屬回收后可作為合金冶煉原材料。 不銹鋼酸洗廢液在中和過程中會產(chǎn)生大量的酸洗污泥， 在1 200 ℃溫度下通過還原法將污泥中的有害組分轉(zhuǎn)化成無害組分， 如將污泥中的有害組分Fe3+、 Cr3+和Ni2+轉(zhuǎn)化為Fe、 Cr 和Ni 金屬， 然后再進(jìn)行磁選， 分離金屬和非金屬， 鐵、 鉻、 鎳的回收率分別為95.3%、 88.7%、 97.53%， 回收回來的合金粉末中鐵、 鉻、 鎳的品位分別為69.31%、 7.6%、16.71%。 回收回來的合金粉末可作為不銹鋼的原料[39-41]。 電鍍污泥、 含油污泥和印染污泥可作為路基填埋材料、 建筑原材料[42-44]。

4 結(jié)束語

污泥水處理過程中產(chǎn)生的固體沉淀物， 含水率極高， 且含有一定量的有機(jī)質(zhì)， 污泥自身特性決定著污泥處理方式和資源化利用方向。 對含有重金屬及其他有害物質(zhì)的污泥， 需對污泥減量化及穩(wěn)定化， 縮減污泥體積， 固化污泥中的金屬， 降低其遷移率。 脫水后再進(jìn)一步地干化處理， 干化后的污泥可用于制備建筑材料， 也可用作燃燒摻雜材料； 含有一定量有機(jī)質(zhì)的污泥， 也可用于堆肥原材料。 填埋及污泥投海雖是最終的處置方式之一， 但只是將污泥轉(zhuǎn)移到一個封閉的環(huán)境， 延緩了污泥產(chǎn)生污染的時間， 將不會是未來污泥最終處置的主要方式。

污泥減量化去除的主要是污泥中的水分， 穩(wěn)定化主要降解有機(jī)物， 但污泥中含有的重金屬總量沒有減少。 由于泥水不分離， 減少廢水的產(chǎn)生， 就有助于減少污泥的產(chǎn)生； 對于生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生廢水的企業(yè)， 可以采用“清潔生產(chǎn)” 的理念， 從原材料的使用、 工藝技術(shù)、 設(shè)備和過程控制， 以及人員、管理等方面去考慮從源頭減少廢水的產(chǎn)生。

今后對污泥產(chǎn)生及處理應(yīng)從末端治理轉(zhuǎn)移至污泥產(chǎn)生的源頭、 過程和最終的處理中去， 更多是在污泥產(chǎn)生的源頭去減少污泥的產(chǎn)量； 污泥處置可在微生物處理方向上探索如何進(jìn)一步地降低污泥產(chǎn)量； 已產(chǎn)生的污泥在對其減量化、 穩(wěn)定化、 無害化后應(yīng)進(jìn)行資源化利用。 最終要做到的將是為了減少污泥的產(chǎn)生， 減少污泥對環(huán)境的破壞， 保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境。