污泥無害化處理與資源化利用的關(guān)鍵技術(shù)研究

李曉東 (蘇州格瑞特環(huán)?？萍籍a(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，江蘇 蘇州 215100)

1 污泥的分類與特性簡(jiǎn)析

1.1 分類

污泥屬于多種來源物質(zhì)的綜合性稱呼，其性質(zhì)與種類根據(jù)來源的不同，存在相應(yīng)的基礎(chǔ)差異。例如，按照產(chǎn)生途徑進(jìn)行分類，污泥可以分為生活污水、工業(yè)廢水、給水三種。若按照包含的化學(xué)成分與基礎(chǔ)性質(zhì)進(jìn)行分類，則可以分為有機(jī)、無機(jī)、親水、疏水四種。除此之外，污泥還可以按照處理工藝進(jìn)行分類，包括生污泥、濃縮污泥、消化污泥等。通過明確污泥的分類，可以了解其無害化處理與資源化處理的主要途徑，能夠?yàn)檫M(jìn)一步分析基礎(chǔ)特性提供重要參考。

1.2 特性

污泥組成成分復(fù)雜性高，其包含細(xì)菌、有機(jī)無機(jī)顆粒、膠體等非均質(zhì)成分。同時(shí)污泥還包含大量的水分，內(nèi)部存在一些具有利用價(jià)值的有機(jī)質(zhì)以及氮磷鉀等元素。根據(jù)來源的不同，污泥還可能包含病原體、寄生蟲卵或重金屬等有害成分[1]。在物理特性方面，污泥屬于含水量高、脫水性較差的膠狀物質(zhì)，其形狀存在不規(guī)則特征，同時(shí)結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，比表面積與孔隙率較高，部分情況下可達(dá)到90%以上。鑒于污泥特殊的物理特性，其密度與體積計(jì)算需要根據(jù)實(shí)際情況，代入公式進(jìn)行計(jì)算，密度計(jì)算如公式(1)所示：

式中：γ為污泥相對(duì)密度參數(shù)；P為污泥含水率參數(shù)；γs為污泥物質(zhì)內(nèi)干固體的相對(duì)密度。

針對(duì)污泥的體積進(jìn)行計(jì)算時(shí)，其體積為水體積與固體體積兩者之和，可按照公式(2)進(jìn)行分析：

式中：V為污泥本身的體積(cm3)；S為污泥物質(zhì)內(nèi)部固體總質(zhì)量(g)；W為污泥物質(zhì)內(nèi)部水分質(zhì)量(g)；ρw為污泥物質(zhì)內(nèi)部水的密度(g/cm3)；ρs為污泥物質(zhì)內(nèi)部干固體密度(g/cm3)。

2 污泥的無害化處理關(guān)鍵技術(shù)

2.1 干化處理技術(shù)

污泥干化屬于無害化處理的關(guān)鍵技術(shù)之一，與常見污染物質(zhì)相比，污泥的含水率較高同時(shí)固體率較低，本質(zhì)上屬于膠狀結(jié)構(gòu)的一種。這一特性決定了污泥的體積較為龐大，不利于存儲(chǔ)運(yùn)輸流程展開。同時(shí)，含水率較高導(dǎo)致污泥的微生物滋生速度快，容易造成生態(tài)環(huán)境污染，如：腐敗、惡臭等。因此，需要做好無害化處理相關(guān)工作，為后續(xù)利用或其他流程夯實(shí)基礎(chǔ)條件。常規(guī)情況下，污泥經(jīng)過減量處理后含水率約為75%～85%，體積重量仍處于不可小覷的狀態(tài)[2]。干化處理技術(shù)可以使污泥含水率得到有效控制，能夠降低其基礎(chǔ)體積與重量，為后續(xù)應(yīng)用做好準(zhǔn)備。在干化處理過程中，污泥內(nèi)部病原體能夠被消滅，使其符合無害化處理需求。同時(shí)，含水量的降低也可以為生物肥料、燃料制造提供有利條件，能夠?qū)崿F(xiàn)提高污泥處理經(jīng)濟(jì)效益的效果。

污泥干化技術(shù)處理流程包含三個(gè)基礎(chǔ)階段，即物料預(yù)熱、恒速干化預(yù)熱、降速干化。預(yù)熱主要目的為提高污泥物質(zhì)的基礎(chǔ)溫度，通過加熱方式使內(nèi)部水分進(jìn)入汽化狀態(tài)，逐漸降低污泥的總含水率。恒溫干化屬于表面汽化控制階段，其能夠?qū)嵩茨芰總鬟f至污泥內(nèi)部，使水分進(jìn)入快速蒸發(fā)狀態(tài)，有效降低污泥基礎(chǔ)含水量，同時(shí)維持表面溫度處于穩(wěn)定階段[3]。降速干化屬于內(nèi)部擴(kuò)散與控制流程，在污泥水分處于較低狀態(tài)時(shí)，降速干化可以進(jìn)一步提高加熱效率，使水分進(jìn)入緩慢減少狀態(tài)，最終與其他物質(zhì)達(dá)成平衡，實(shí)現(xiàn)無害化處理效果。完成干化處理的污泥最終會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀，整體危害性已經(jīng)得到有效控制。

在污泥干化處理過程中，需要做好技術(shù)參數(shù)的合理管控，確保其干化效果能夠達(dá)到理想標(biāo)準(zhǔn)。來源不同的污泥在物料形狀方面存在較為顯著的差異，在干化處理過程中，其將會(huì)逐漸從流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轲?，最后成為塊狀物體。干化處理效率取決于內(nèi)部水分?jǐn)U散速度，根據(jù)水分?jǐn)U散理論進(jìn)行分析，擴(kuò)散速率與物料厚度平方存在反比關(guān)系。因此，合理降低物料層厚度可以大幅提高干化處理效率。除此之外，污泥干化的溫度越高，其水分蒸發(fā)速度越快，干化效率也就越高。因此，需要做好溫度管控工作，確保污泥干化溫度處于20～25 ℃之間。對(duì)于相對(duì)濕度的控制也具有重要影響意義，如圖1～圖3所示，在干化溫度為15 ℃、相對(duì)濕度為40%的條件下，污泥含水率能夠在第7天下降至30%級(jí)別。而同樣的溫度條件、相對(duì)濕度為60%的條件下，污泥含水率下降至30%需要消耗9天時(shí)間。這一數(shù)據(jù)證明，相對(duì)濕度對(duì)干化處理效果具有重要影響意義。

圖1 15 ℃條件下污泥干化濕度與風(fēng)速影響

圖2 20 ℃條件下污泥干化濕度與風(fēng)速影響

圖3 25℃條件下污泥干化濕度與風(fēng)速影響

2.2 蚯蚓堆肥處理技術(shù)

污泥無害化處理除物理技術(shù)外，也可采用生物技術(shù)方式進(jìn)行?，F(xiàn)階段，污泥農(nóng)用屬于最為經(jīng)濟(jì)、最為有效的無害化處理方式。而在農(nóng)用前，污泥需要經(jīng)過無害化與穩(wěn)定化處理，才能夠?qū)崿F(xiàn)理想應(yīng)用目標(biāo)。通過結(jié)合生物蚯蚓堆肥處理技術(shù)，可以使污泥物質(zhì)得到有效調(diào)理、濃縮、脫水，盡可能降低內(nèi)部有害物質(zhì)基礎(chǔ)含量，最終達(dá)到理想的應(yīng)用效果。蚯蚓可以富集污泥內(nèi)部的重金屬物質(zhì)，同時(shí)去除病原菌并轉(zhuǎn)移有害物質(zhì)。通過利用蚯蚓堆肥技術(shù)，能夠充分發(fā)揮生物方案的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用，為后續(xù)有機(jī)物應(yīng)用做好準(zhǔn)備。蚯蚓屬于土壤雜食動(dòng)物，其可以消化有機(jī)物并將其轉(zhuǎn)化為其他有機(jī)物質(zhì)。污泥中富含的重金屬與有機(jī)化合物屬于蚯蚓的最佳食物，通過堆肥集聚處理，可以使污泥得到有效疏散與降解，最終達(dá)到無害化處理目標(biāo)，基礎(chǔ)流程如圖4所示。

圖4 蚯蚓堆肥污泥處理流程示意

蚯蚓堆肥無害化處理需要首先制定可靠的養(yǎng)殖計(jì)劃，通過篩選質(zhì)量可靠與信譽(yù)良好的供應(yīng)商，能夠有效提高蚯蚓堆肥穩(wěn)定性，減少出現(xiàn)問題的概率。在實(shí)踐過程中，需要做好蚯蚓的馴化與飼養(yǎng)工作，同時(shí)結(jié)合污泥處理需求計(jì)算所需蚓種數(shù)。處理場(chǎng)所應(yīng)當(dāng)選擇在安靜、遠(yuǎn)離居民區(qū)的位置，同時(shí)做好污泥的投放準(zhǔn)備。在正式投放污泥前，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理工作，即控制含水率、調(diào)節(jié)pH值、調(diào)節(jié)污泥厚度。飼養(yǎng)蚯蚓對(duì)于污泥厚度要求較為嚴(yán)格，過高的厚度可能導(dǎo)致通氣不良，過低的厚度可能影響水分與營(yíng)養(yǎng)吸收效果，削弱蚯蚓生長(zhǎng)繁殖效率與污泥處理質(zhì)量。

2.3 焚燒處理技術(shù)

污泥焚燒屬于經(jīng)典、成熟的無害化處理技術(shù)，其能夠通過焚燒方式將污泥體積減小至原有的10%甚至以下，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槎栊曰以镔|(zhì)，有效消除對(duì)環(huán)境的危害性。同時(shí)，污泥焚燒后的產(chǎn)物可以為建材行業(yè)提供資源，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定化、無害化的處理目標(biāo)。但是，與其他技術(shù)方案相比，污泥焚燒工程規(guī)模較為龐大，同時(shí)工藝復(fù)雜程度高，因此需要做好相應(yīng)部署工作，確保焚燒效果能夠達(dá)到理想無害化標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)階段污泥焚燒技術(shù)發(fā)展已經(jīng)出現(xiàn)了多樣化的革新趨勢(shì)，具有代表性的成果包括異重流化床清潔焚燒、濕污泥循環(huán)流化床焚燒、污泥協(xié)同焚燒等。

3 污泥資源化利用關(guān)鍵技術(shù)

3.1 PHA材料制備技術(shù)

污泥資源化利用屬于經(jīng)濟(jì)性發(fā)展與改革的重要方向之一，通過深入挖掘污泥具有的有機(jī)物價(jià)值，可以使其實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”的轉(zhuǎn)化目標(biāo)，能夠?yàn)樵倩厥阵w系建設(shè)與無害化處置后續(xù)部署提供理想條件。在資源化利用關(guān)鍵技術(shù)中，生物降解材料制備屬于典型方案之一。聚羥基烷酸酯，即PHA屬于天然生物聚酯材料。其具有完整的生物降解特性，同時(shí)能夠在一定程度上代替化學(xué)合成塑料，實(shí)現(xiàn)綠色化應(yīng)用的目標(biāo)。污泥內(nèi)部含有的活性物質(zhì)可以為PHA合成創(chuàng)造條件，因此可以通過此類方式創(chuàng)造生物降解材料，實(shí)現(xiàn)資源化利用的目標(biāo)。在相關(guān)研究中，PHA材料制備需要采用低磷濃度進(jìn)行處理。磷含量對(duì)PHA生產(chǎn)具有直接影響，其能夠?qū)⒋姿猁}轉(zhuǎn)化為PHA物質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)理想處理目標(biāo)。因此，在污泥制備過程中應(yīng)當(dāng)做好磷含量控制工作，避免其影響PHA的制備效率。同時(shí)，DO濃度對(duì)于PHA產(chǎn)量也具有顯著影響意義。污泥資源化過程中，DO濃度的提升能夠有效抑制硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)，使PHA的產(chǎn)量得到提升。在污泥資源制備過程中，需要做好DO濃度的配置，使PHA制備產(chǎn)量能夠得到有效增加。

3.2 Fenton催化材料制備技術(shù)

Fenton技術(shù)屬于工業(yè)廢水與垃圾滲濾液的主流處置方案，其具有高級(jí)氧化特征，能夠有效降低物質(zhì)危害性。但是，該技術(shù)的實(shí)施也會(huì)產(chǎn)生大量的污泥，需要進(jìn)行后續(xù)分離、脫水以及無害化處置。針對(duì)該技術(shù)產(chǎn)生的污泥進(jìn)行資源化利用，可以有效降低Fenton技術(shù)實(shí)施成本，同時(shí)還能夠控制其對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，有利于提高工業(yè)生產(chǎn)與垃圾處理工作的基礎(chǔ)效益。Fenton污泥可以結(jié)合多種資源化利用途徑進(jìn)行處置，如生產(chǎn)催化材料等。

通過利用共沉淀處理技術(shù)，可以使Fenton污泥在800 ℃條件下得到有效煅燒，轉(zhuǎn)變?yōu)榇判訬iFe2O4顆粒，為后續(xù)的Fenton技術(shù)實(shí)施提供高效率催化劑材料。NiFe2O4與H2O2同時(shí)應(yīng)用的情況下，能夠有效去除工業(yè)污染物質(zhì)或垃圾滲濾液中含有的苯酚，基礎(chǔ)效率可達(dá)95%以上。同時(shí)，污泥處置催化劑還能夠在非均相條件下發(fā)揮優(yōu)秀性能。不同煅燒溫度處置的污泥可以作為Fenton催化劑降解染料工業(yè)生產(chǎn)廢水，如：降解酸性紅G、亞甲基藍(lán)等。同時(shí)，F(xiàn)enton污泥還可以制備為水熱碳，為Fenton技術(shù)提供類催化劑物質(zhì)。水熱碳的基礎(chǔ)投放量應(yīng)設(shè)置為0.8 g/L，同時(shí)添加適量的H2O2，使溶液的pH能夠接近3，反應(yīng)0.5 h即可去除亞甲基藍(lán)物質(zhì)。通過制備催化劑材料，可以有效消化Fenton技術(shù)產(chǎn)生的污泥，實(shí)現(xiàn)理想的資源化處理目標(biāo)。但是，目前相關(guān)技術(shù)制備的催化劑性能與穩(wěn)定性仍處于有待評(píng)估的狀態(tài)，未來應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)改進(jìn)制備流程與應(yīng)用細(xì)節(jié)，確保其能夠與Fenton技術(shù)構(gòu)成穩(wěn)定消化循環(huán)，為污泥的資源化應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.3 光催化劑材料制備技術(shù)

在光催化劑類別中，具有良好性能表現(xiàn)的種類包 括WO3、TiO2、CdS、ZnS等。其 中TiO2屬于 應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性良好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)且無毒害性的種類，具有重要應(yīng)用價(jià)值，在光催化反應(yīng)中得到了廣泛的利用。通過采用污泥材料制備生物負(fù)載催化劑，可以與TiO2材料相結(jié)合，共同增強(qiáng)光催化活性位點(diǎn)，進(jìn)一步提高污泥的應(yīng)用價(jià)值。在實(shí)際資源化處理過程中，可以將污泥與納米顆粒相結(jié)合，在800 ℃條件下進(jìn)行處理。通過此類熱分解反應(yīng)，可以獲得生物碳復(fù)合材料，包括TiO2、Fe3C等。這種復(fù)合材料可以發(fā)揮高效光催化作用，使有害物質(zhì)得到充分降解，如亞甲基藍(lán)等。同時(shí)，此類復(fù)合材料還可以與ZnCl2結(jié)合，作為活化劑為溶膠凝膠法提供光催化條件。這種應(yīng)用方式可以有效提高光催化降解丙酮?dú)怏w的效率，同時(shí)也具有更為優(yōu)秀的比表面積，能夠增強(qiáng)吸附有機(jī)氣體的實(shí)際效果。針對(duì)市政污泥進(jìn)行資源化處理的過程中，也可以采用此類制備方式，為光催化性能的提升夯實(shí)基礎(chǔ)條件。

3.4 活性炭材料制備技術(shù)

活性炭吸附材料屬于社會(huì)工業(yè)生活中較為常用的資源，其能夠有效去除大部分污染物，在諸如水處理等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。污泥資源化利用可以通過相應(yīng)技術(shù)方式，實(shí)現(xiàn)制備活性炭材料的目標(biāo)，能夠顯著提高污泥的利用價(jià)值，使其在社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境中得到有效循環(huán)。例如，可以采用濃縮污泥與脫水污泥進(jìn)行活性炭制備，使材料的性能得到顯著提升。污泥基活性炭對(duì)水內(nèi)低濃度Cr污染物的吸附效果較為良好，其能夠有效去除100 mg/L以內(nèi)的Cr污染，整體成本相對(duì)較低，具有優(yōu)秀的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，污泥還可以通過ZnCl2與HNO3協(xié)同活化制備方式，獲得大量的生物活性炭。此類活性炭與商品活性炭相比，對(duì)鎘的平均吸附量表現(xiàn)更為優(yōu)秀，具有顯著應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。由此可見，污泥制備活性炭屬于資源化利用的最佳技術(shù)途徑，其能夠在水處理領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，同時(shí)也可以有效去除常見的重金屬污染物，與商業(yè)制品相比具有良好的應(yīng)用價(jià)值。但是，目前污泥活性炭材料內(nèi)部是否存留潛在污染物，仍然處于深入研究階段。同時(shí)對(duì)污泥轉(zhuǎn)化活性炭材料的研究較少，相關(guān)工藝與技術(shù)細(xì)節(jié)有待改進(jìn)。

4 結(jié)語

綜上所述，污泥具有良好的應(yīng)用價(jià)值。未來應(yīng)當(dāng)積極探索其無害化處理技術(shù)應(yīng)用方式，確保污泥材料能夠得到科學(xué)處置，為后續(xù)資源化轉(zhuǎn)變做好準(zhǔn)備。在資源化處置過程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合污泥的實(shí)際情況，探索最佳轉(zhuǎn)化方向，使其產(chǎn)物可以得到充分利用，為發(fā)揮污泥材料經(jīng)濟(jì)性打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。