污水處理廠的污泥處置及利用途徑

浙江雙益環(huán)保科技發(fā)展有限公司 蔡瀟彥，汪健樺，馬敏杰

世界人口目前約為79億人，而中國人口數(shù)量占據(jù)世界第一，對不可再生資源的需求極其龐大。其中飲用水可被視為可持續(xù)發(fā)展最重要的公共資源，水資源的消耗量可以直接轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)生活中的污水產(chǎn)生量，這些污水在擁有基本衛(wèi)生設(shè)施的國家被引導(dǎo)到特殊工廠進(jìn)行處理和再利用。

污水處理產(chǎn)生由有機(jī)物和水組成的半固體廢物，其中的污泥通常稱為污水處理廠的污水污泥（SS-WWTP）。這種廢物是高度異質(zhì)的，其理化特征取決于多個(gè)參數(shù)，例如所應(yīng)用的處理類型、收集的污水的來源（城市，工業(yè)，農(nóng)村）和天氣。污水污泥的使用既不會降低土壤或水的質(zhì)量，也不會因其施用形式而引起氣味問題。對于污水處理廠的污泥最終處置產(chǎn)生的大部分污水污泥（估計(jì)約為49%）都存在環(huán)境問題。因其龐大的產(chǎn)量，SS-WWTP已成為一個(gè)全球性問題。

一、污泥處置現(xiàn)狀

在發(fā)展中國家，由于污水中存在重金屬 Ar、Cd、Pb、Hg、Ni和可以引起流感、肝炎、破傷風(fēng)、黃熱病和風(fēng)疹的微生物病原體，處置不當(dāng)對人體的危害巨大。然而，在實(shí)際生產(chǎn)活動中，這些污水不能得到正確處置的案例比比皆是，更有甚者在未經(jīng)任何處理和控制的情況下直接排放，嚴(yán)重破壞了生物環(huán)境，對人類生命健康也造成了不可磨滅的潛在危害。在這種局勢下，嚴(yán)格要求污水排放標(biāo)準(zhǔn)、正確處置污水污泥、合理利用其副產(chǎn)品就顯得尤為重要[1]。

我國污水處理廠最常見的污泥處置技術(shù)仍是老派的資源化或拋棄型。資源化技術(shù)就是將處理后的污泥在加工利用，這樣既提高了資源利用率，又保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。另一種拋棄型就是將處理后的污泥直接排放，最常見的處置方式主要有垃圾填埋、焚燒和海洋排放，這種處理方式不僅對生態(tài)環(huán)境造成污染和破壞，而且浪費(fèi)大量的社會資源。例如，垃圾填埋處理技術(shù)不僅會占用大量的土地資源，而且會污染地下水資源；焚燒技術(shù)會污染大氣環(huán)境；海洋排放會威害海洋生物的生命健康、污染海水資源。因?yàn)槲覈勰嗵幚砑夹g(shù)起步較晚，操作手法相對簡單，設(shè)備設(shè)施較為陳舊，所以處理效率相對較低，還需要不斷的完善。此外，由于我國城市化進(jìn)程不斷加快，我們的污水排放量也在不斷增加。然而。我國大多的污水處理廠都把重點(diǎn)放在污水的處理和凈化上，而忽視了正確的污泥處理技術(shù)，加上污水處理廠的資金和場地有限，所以人們無法投入大量資金引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)施設(shè)備和新技術(shù)，以上種種原因都給整個(gè)污泥處置工作帶來了很大的挑戰(zhàn)，阻礙了我國社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

市政污水處理廠（WWTPs）產(chǎn)生的污泥僅占處理廢水量的百分之幾，但其處理量占總運(yùn)營成本的50%，處置價(jià)格高昂。此外，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的污泥管理戰(zhàn)略的必要性已成為人們極為關(guān)注的問題。因此，由于傳統(tǒng)和更傳統(tǒng)的選擇，例如為農(nóng)業(yè)目的鋪設(shè)土地，逐漸受到限制，而且往往在法律上被禁止，因此需要開發(fā)創(chuàng)新系統(tǒng)，以最大限度地回收有用的材料和/或能源?？梢酝ㄟ^綜合方法促進(jìn)向更可持續(xù)的程序的改變，包括通過低能源影響系統(tǒng)評估能夠最大化回收/回收效益的管理路線，以及開發(fā)適合當(dāng)?shù)厍闆r的操作系統(tǒng)?；谏鲜隹紤]，提出一種集成系統(tǒng)。它包括厭氧消化，脫水/干燥和熱解/氣化過程，這些過程有效地耦合以回收產(chǎn)品以進(jìn)行材料再利用和/或能源目的。這種綜合系統(tǒng)還應(yīng)允許回收一種或多種材料，這取決于最適合當(dāng)?shù)鼐唧w情況的工藝組合。

二、污水處理廠的污泥處置技術(shù)

廢水處理過程的各個(gè)階段相當(dāng)保守。大多數(shù)情況下，廢水處理廠的規(guī)模是該過程中使用的技術(shù)的主要決定性因素。以下步驟組成污水處理廠的污水污泥處置過程：濃縮、脫水、消化和焚燒。一些技術(shù)，例如用于污泥穩(wěn)定和調(diào)節(jié)的技術(shù)，需要事先將污泥處理為脫水或濃縮。無論使用何種處理技術(shù)，都有一定的方法可以沉降獲得的污泥，所有這些操作都需要在每個(gè)污水處理廠進(jìn)行。污泥處理工藝過程的數(shù)量和類型不僅取決于處理污泥的性質(zhì)和數(shù)量，而首先取決于污水污泥的最終管理方法。對于小型廢水處理廠來講，曝氣是最耗能的過程。

（一）濃縮

濃縮污泥可以降低污泥的含水量和減少污泥的體積。它主要采用重力法和離心力法等的物理方法有，利用污泥顆粒中所含的縫隙將水從縫隙中擠出來[2]。

（二）脫水

污泥濃縮處理后，還需要進(jìn)行污泥脫水處理[3]。常用的污泥機(jī)械脫水方法有真空脫水、離心脫水和壓濾脫水。真空脫水是利用真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)將一段濾網(wǎng)壓縮成真空狀態(tài)，從而擠出污泥中多余的水分，有效減少污泥的體積。離心脫水的原理是通過離心力的作用將污泥中的水分分離出來。壓濾脫水是利用壓力擠壓污泥中的水分，使其通過介質(zhì)過濾到另一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)污泥中水分的去除。

（三）消化

污泥的消化方式有好氧消化和厭氧消化，其工作原理主要是為了降低污泥中有機(jī)物的含量，保持污泥的穩(wěn)定性。其中，厭氧消化主要是消滅污泥中的病原菌，而好氧消化可以增加污泥的暴露量，加速有機(jī)物的分解。有機(jī)物的消化主要經(jīng)過水解酸化和產(chǎn)甲烷兩個(gè)步驟。污泥中的蛋白質(zhì)可通過水解酸化分解。在產(chǎn)甲烷階段，乙酸等物質(zhì)可以再次分解成甲烷分子，然后通過新陳代謝分解，使污泥的價(jià)值得到充分利用[4]。

（四）焚燒

隨后可以進(jìn)一步焚燒所獲得的生物質(zhì)。完整的焚燒裝置由托盤、螺旋進(jìn)料機(jī)和熔爐組成。螺旋給料機(jī)將燃料送入爐排上，在那里通過受控的空氣爆破進(jìn)行完全燃燒。灰燼通過移動爐排輸送到接收容器。整個(gè)安裝裝置可以補(bǔ)充一個(gè)儲罐（能量輸入1.5 kW，標(biāo)稱容量-100 L）作為處理過的熱水的容器，從而改善整體能量平衡。來自廢水生物處理廠的污泥的有機(jī)部分的特征在于總有機(jī)碳、TOC、含量、環(huán)己烷和甲苯提取物，以及在不同溫度下在氮?dú)夂涂諝饬髦械臒峤馕?。無機(jī)部分通過水萃取、FT-IR 光譜、熱重分析和掃描電子顯微鏡/能量色散 X 射線分析來表征。用焚燒代替常見的直接排出污水污泥，減少了有害物質(zhì)在土地中的擴(kuò)散，有助于減少對人類和生態(tài)系統(tǒng)造成的環(huán)境毒性。所述替代廢水和污水污泥處理工藝的應(yīng)用正在導(dǎo)致整個(gè)廢水處理工藝的概念發(fā)生變化，并正在解決污水污泥產(chǎn)生地的管理問題。

三、污水處理廠的污泥利用途徑

綜合污染預(yù)防和控制概念是處置的基礎(chǔ)，也由用于污水污泥處理的最佳可用技術(shù)定義，該技術(shù)可以更好地管理與溫室氣體排放相關(guān)的污泥量的可實(shí)現(xiàn)排放值/性能率，以及擴(kuò)大農(nóng)業(yè)中處理過的污泥利用，林業(yè)，土壤改良，能量回收。作為穩(wěn)定和衛(wèi)生的堆肥或作為生物質(zhì)輸入，用于直接與廢水處理系統(tǒng)集成的熱裝置。因此，出于保護(hù)自然環(huán)境和節(jié)約自然資源的原因，我們專注于以下污泥處理方法：用作建筑材料、用于農(nóng)業(yè)堆肥和用于燃燒產(chǎn)熱。

（一）用作建筑材料

隨著污水污泥數(shù)量的增加成為每個(gè)國家緊迫和不可避免的問題，其在建筑和建筑材料生產(chǎn)中的應(yīng)用為污泥處置和資源回收提供了替代解決方案。與粘土和硅酸鹽水泥類似，污水污泥中的主要氧化物是SiO2（10-25 %），Al2或3（5-10%）和CaO（10-30%），它們在焚燒后的污泥灰中增加到25-50%，10-20%和15-30%。因此，這種固體廢物不僅可以用作通過燒結(jié)工藝生產(chǎn)生態(tài)水泥，磚塊，陶瓷材料和輕質(zhì)骨料的原料，還可以用作骨灰材料中的補(bǔ)充混合物，例如火山灰成分，細(xì)骨料或填充材料。通過批判性地審查污水污泥的當(dāng)前利用率，在水泥生產(chǎn)中用污水污泥替代高達(dá)15%的天然原料是可行的，并且制造的生態(tài)水泥熟料顯示出與傳統(tǒng)波特蘭水泥相當(dāng)?shù)男阅?。雖然作為磚，陶瓷材料和輕質(zhì)骨料制造中的原料，但20%的污水污泥替代是可以接受的，以生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品（在8%的燒成收縮率和15%的吸水率范圍內(nèi)）。雖然原始污泥中有機(jī)物含量高會導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度下降和水化過程延遲，但受控的低強(qiáng)度材料提供了大量污泥的創(chuàng)新再利用。產(chǎn)品中重金屬的固定化可防止污水污泥造成二次環(huán)境污染。

在建筑行業(yè)內(nèi)，SS-WWTP可以包含在熟料的生產(chǎn)中，并在煅燒后用作混凝土的輕骨料、膨脹粘土顆粒/骨料或混合水泥的補(bǔ)充膠凝材料。污泥添加到粘土混合物中（高達(dá)重量的15%）降低了其可塑性，并且觀察到水需求略高。動態(tài)扭轉(zhuǎn)振蕩（振幅掃描）測試被發(fā)現(xiàn)是確定混合物擠出性的最佳水分范圍的有用工具?；谶@些水分調(diào)節(jié)，無論污泥含量如何，都能生產(chǎn)出高質(zhì)量的微型磚（1：5），沒有表面或體積缺陷。對于2至10%之間的污水污泥添加，最佳含水率為31-33%。較高的污泥含量（高達(dá)15%）可將最佳含水率提高到35%。雖然添加的污泥增加了總體收縮率（干燥和燒制后），但獲得的值仍在標(biāo)準(zhǔn)建議的范圍內(nèi)。盡管吸水率增加，但磚的機(jī)械性能沒有顯著差異。雖然最終燒制產(chǎn)品（磚、瓦）的理化性能已被證明符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，但SS-WTPS作為陶瓷工業(yè)中粘土基原材料的替代品的技術(shù)使用也取決于這種材料如何影響燒制前的生產(chǎn)過程（主要是塑料成型 通過擠出和干燥）。目前，尚不完全了解SS-WWTP如何改變粘土混合物的可塑性和一致性及其在擠出過程中的行為。雖然磚，瓷磚和其他陶瓷建筑產(chǎn)品通常通過擠壓成型，但很少有報(bào)告涉及這種成型過程。在這方面，生坯混合物在擠出過程中應(yīng)在高剪切應(yīng)力下表現(xiàn)出低粘度，但在工藝結(jié)束時(shí)應(yīng)表現(xiàn)出高粘度和剛度，以使擠出物保持其形狀。因此，擠出過程在很大程度上取決于粘土混合物的流變特性以及擠出機(jī)的設(shè)置，只有流變測量才能在特定變形所需的能量方面提供準(zhǔn)確的答案。

在陶瓷工業(yè)中，SS-WWTP可以用作接收（或部分干燥）甚至煅燒材料。當(dāng)在生產(chǎn)過程中摻入污泥的高潛力通過磚塊的基本物理機(jī)械表征來證明。SS-WWTP的無機(jī)部分主要由SiO構(gòu)成2鋁2O3、曹和鐵2O3，這與陶瓷工業(yè)中使用的粘土的化學(xué)成分相似。從SS-WWTP的再利用中獲得的陶瓷產(chǎn)品的性能取決于有機(jī)物的含量，這會影響燒成收縮率、孔隙率、密度、吸水和機(jī)械強(qiáng)度。鑒于不同工藝和不同世界地區(qū)產(chǎn)生的污泥具有很高的物理和化學(xué)異質(zhì)性，用于制造陶瓷產(chǎn)品的塑料粘土混合物中污泥的最大添加量可能會有很大差異，有<重量2.5%的、<重量5%的、<重量10%的、甚至有達(dá)到重量20%的，最終產(chǎn)品的機(jī)械性能降低（在標(biāo)準(zhǔn)建議的限度內(nèi)）是可以接受的。當(dāng)污泥含量增加時(shí)，其表現(xiàn)能力越差。對于它的燃燒，有廣泛的燒成溫度范圍（從88℃-1210℃）。在1210℃下燒制的瓷磚生產(chǎn)中加入60%的半干SS-WWTP是可行的。從這個(gè)意義上說，為了控制由于燃燒過程引起的收縮，發(fā)現(xiàn)污泥含量和溫度是關(guān)鍵因素。因此，鑒于陶瓷行業(yè)巨大的產(chǎn)能和原材料消耗，這項(xiàng)工作所得到的結(jié)果加強(qiáng)了這種污水污泥作為粘土基磚生產(chǎn)替代原料的價(jià)值化潛力，同時(shí)減輕了污泥作為廢物在衛(wèi)生填埋場處置的環(huán)境影響，可以應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。也就是說，將污水處理廠的污水污泥 作為原料，通過擠壓生產(chǎn)紅陶瓷磚具有高度的可行性。就重金屬的浸出性而言，污水污泥不會帶來環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[5]。

在粘土混合特性中，粒徑分布、添加劑和水分含量是塑料成型工藝需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)，SS-WWTP含量較高會降低擠出過程中混合物的可塑性和可加工性。關(guān)于通過Atterberg限評估混合物可塑性的報(bào)告，由于其易于實(shí)施和低成本而被廣泛用于土壤分類，或Pfefferkorn裝置。事實(shí)上，用于表征土壤的傳統(tǒng)測試已被用于粘土基產(chǎn)品成型過程中的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性和評估。然而，關(guān)于SS-WWTP添加如何影響粘土基混合物的流變特性和成型工藝效率的理解尚未完全涵蓋。使用振蕩（振幅掃描）測試可以特別啟發(fā)性地表征被擠出的塑料漿料的粘彈性行為。在線性粘彈性區(qū)域內(nèi)，可以測量復(fù)剪切模量的實(shí)數(shù)和虛部：實(shí)數(shù)分量或彈性存儲模量表示材料的彈性，可回收,虛部或粘性損失模量表示其粘性分?jǐn)?shù)。

（二）用于農(nóng)業(yè)堆肥

在廢水處理工藝過程中，將過多的污水污泥置于堆肥過程中，取代了其穩(wěn)定性。整個(gè)過程可以在這一步停止，根據(jù)RES的定義，將堆肥或“生物量”穩(wěn)定下來，作為土壤改良的肥料。污水污泥中有機(jī)碳（C）和氮作為土壤肥料的礦化作用受廢水處理和污水污泥處理的影響，污泥處理越先進(jìn)，產(chǎn)品越穩(wěn)定。污水污泥的農(nóng)業(yè)利用也因?yàn)槠涞匦蔚貏莺退谖恢迷斐珊芏嗑窒扌?，而污水污泥的肥料效用主要由有機(jī)物氮（N）、磷（P）和鉀（K）的含量以及限制其施用的污染物的數(shù)量所決定。目前，根據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，可以觀察到基于污水污泥生產(chǎn)有機(jī)肥料或有機(jī)礦物的強(qiáng)烈趨勢。為了生產(chǎn)這種肥料，使用大量的無機(jī)基質(zhì)添加。這些最常見的是鈣化合物，硫酸，鎂，鉀化合物或?yàn)r青或褐煤燃燒產(chǎn)生的粉煤灰。這些化合物的應(yīng)用是為了消除用于制造衛(wèi)生產(chǎn)品的病原體，使其化學(xué)和物理性質(zhì)均質(zhì)化（因?yàn)槲鬯勰嗍蔷哂邢喈?dāng)可變成分的基質(zhì)），并獲得用于儲存最終產(chǎn)品肥料的實(shí)用形式。用作肥料的污水污泥顯著增加了植物養(yǎng)分的寶貴來源的含量。這種管理方法可以構(gòu)成補(bǔ)充施肥或用天然肥料代替施肥。在Grobelak等人的研究中，當(dāng)污泥僅脫水（DMS）時(shí)，將混合污泥中含有的C中的90%以上用于現(xiàn)場施用，避免了厭氧消化過程中的C損失[6]。使用灰肥進(jìn)行褐煤燃燒和富集硫酸銨，過磷酸鹽或鉀鹽混合物的可能性。另一種解決方案提出了添加鉀化合物對污水污泥進(jìn)行造粒。因此，污水污泥不僅可以作為有機(jī)物的來源，還可以作為從土壤中浸出礦物肥料部分的抑制劑。在土壤回收過程中使用污水污泥有助于回收有價(jià)值的元素，N、P和其他對植物生長至關(guān)重要的營養(yǎng)素。將未處理的脫水污水污泥和多余的污水污泥輸送到熱堆肥機(jī)，脫水大量的污水污泥，加上未經(jīng)處理的污水污泥（經(jīng)過帶式過濾器和開槽篩后），構(gòu)成堆肥負(fù)荷。然后通過螺旋輸送機(jī)將其輸送到堆肥機(jī)，堆肥機(jī)本身就是熱堆肥機(jī)（AgroNova）。這種在高溫下堆肥的過程適用于不同有機(jī)廢物的處理，例如食物垃圾。該過程在70℃的溫度下進(jìn)行。堆肥被混合、充氣和加熱。

四、結(jié)語

在實(shí)際生產(chǎn)活動中，污水處理廠產(chǎn)生的過量污泥已成為無法預(yù)防的負(fù)擔(dān)。政府應(yīng)該緊抓城市污水污泥處理，重點(diǎn)學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)相關(guān)人員的培訓(xùn)工作。以期達(dá)到污水處理效益最大化和水資源的利用率最大化的美好目標(biāo)，促使我國的城市污水處理事業(yè)得到長足的進(jìn)步和發(fā)展。