污泥處理技術(shù)淺析

徐振生

（中鐵建發(fā)展集團(tuán)有限公司水處理技術(shù)研究中心，北京 100043）

引言

伴隨我國(guó)的經(jīng)濟(jì)進(jìn)步及城市化建設(shè)的加速，城市人口密集度上升，導(dǎo)致城市居民生活產(chǎn)出的污水量逐年增長(zhǎng)。城市污水處理主要采用生物法，從而產(chǎn)生大量污泥。城市污水處理設(shè)施產(chǎn)出的污泥含有疾病病原體、有機(jī)污染物（例如聚氯二惡英、聯(lián)氯呋喃、可吸附的有機(jī)鹵素、多氯聯(lián)苯等），還有許多鹽類物質(zhì)和重金屬等有毒有害物質(zhì)。如果污泥處理手段不適當(dāng)，污泥未能達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)入我們的生活環(huán)境，日積月累將對(duì)人類生存、水資源、生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生傷害。

污泥無害化是針對(duì)污水處理過程中產(chǎn)生的污泥進(jìn)行處理，以減少其對(duì)環(huán)境和人類健康的危害。有效處理污泥對(duì)保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

1 污泥處理技術(shù)

1.1 干化處理技術(shù)

污泥干化技術(shù)是一種將濕潤(rùn)污泥通過加熱和脫水過程轉(zhuǎn)化為干燥固體的處理方法。它是污泥處理中常用的物理處理方法之一。污泥干化的基本原理是利用熱量將污泥中的水分蒸發(fā)出去，通過降低水分含量來減少污泥體積。雖然此方法處理效果較為理想，但投資費(fèi)用和運(yùn)行能耗較高。對(duì)此，方興等[1]進(jìn)行了冷熱結(jié)合處理市政脫水污泥的可行性研究。結(jié)果表明，在-30 ℃的條件下，細(xì)胞的死亡率是未冷凍的9.7倍。實(shí)驗(yàn)表明，將82%的污泥在-20 ℃下冷凍6小時(shí)，然后在60 ℃下干燥，其效果比直接干化的脫水效果高33%。然而，強(qiáng)化效果與污泥的水分含量呈正相關(guān)，當(dāng)污泥的水分含量下降到45%時(shí)，強(qiáng)化效果就會(huì)消失。污泥餅的厚度對(duì)強(qiáng)化效果的影響較小，餅厚增加會(huì)略微降低強(qiáng)化效果。我國(guó)當(dāng)前污水處理廠的機(jī)械脫水污泥含水率約為75%～85%，污泥餅厚度大約為3～20 mm，這種情況屬于冷凍處理的最佳工作區(qū)間。因此，該方法作為污泥脫水的進(jìn)一步處理措施具有很好的應(yīng)用前景。

1.2 焚燒處理技術(shù)

污泥焚燒處理方式能大幅度減小其最后的填埋體積，并能有效殺毒與降解有毒有害的有機(jī)物，這種處理方式因其處理效果徹底且完整的特質(zhì)，逐漸得到公眾認(rèn)可，目前已有多個(gè)大中型工程在全球范圍內(nèi)成功應(yīng)用了這種處理方式。以焚燒的材質(zhì)分類，焚燒可以細(xì)分為單獨(dú)焚燒和協(xié)同焚燒。單獨(dú)焚燒專指污泥單獨(dú)在焚燒爐中燃燒，只需加入極少量的助燃燃料[2]；而協(xié)同焚燒則主要采用混合摻燒的模式，例如在垃圾焚燒發(fā)電廠和燃煤熱電廠中，混入少量的污泥進(jìn)行并行處理。根據(jù)污泥是否進(jìn)行過預(yù)處理，焚燒又可分為直接焚燒和干化焚燒。直接焚燒是將經(jīng)過脫水處理的污泥直接送入爐內(nèi)燃燒，期間可能會(huì)添加少量的輔燃料以保持焚燒溫度；干化焚燒則是將脫水后的污泥先行干化處理，然后進(jìn)行燃燒。雖然焚燒法應(yīng)用廣泛，技術(shù)相對(duì)成熟，但是其不足之處是污泥焚燒廠在建設(shè)過程中需要投入大量資金，而且在焚燒廠運(yùn)行的過程中也需要投入較多的資金對(duì)焚燒設(shè)備進(jìn)行維護(hù)[2]。此外，相比于其他方法，污泥焚燒的處置費(fèi)用較高，由于污泥成分復(fù)雜，如果對(duì)焚燒的工況控制不當(dāng)，在污泥的焚燒過程中將會(huì)產(chǎn)生二噁英，這種化學(xué)物質(zhì)具有極強(qiáng)的致癌、致畸作用，而且產(chǎn)生的飛灰和殘?jiān)奶幚黼y度較大。

1.3 厭氧消化技術(shù)

厭氧消化工藝是在污泥處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的一種穩(wěn)定化工藝。它通過兼性菌和厭氧菌的共同作用，在無氧條件下進(jìn)行生化反應(yīng)，有效分解污泥中的有機(jī)質(zhì)。目前厭氧消化處理已經(jīng)應(yīng)用于污水處理廠、農(nóng)業(yè)廢水處理廠和工業(yè)廢水處理廠等各種污水處理領(lǐng)域，適用范圍較廣。

盡管厭氧消化處理在提供能源回收和污泥減量方面有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一些挑戰(zhàn)，其中包括工藝控制的復(fù)雜性、抗沖擊負(fù)荷的能力、處理高濃度污泥的挑戰(zhàn)以及消化過程中可能產(chǎn)生H2S等有害氣體的問題。目前國(guó)內(nèi)對(duì)污泥厭氧消化理論的研究和協(xié)同調(diào)控機(jī)制的認(rèn)知有限，同時(shí)傳統(tǒng)的污泥厭氧消化方法也存在有機(jī)質(zhì)厭氧轉(zhuǎn)化不足的問題[3]。目前，研究人員和工程師們正致力于解決這些問題，提高厭氧消化處理的效率和穩(wěn)定性。

1.4 堆肥處理技術(shù)

堆肥處理是一種將污泥與其他有機(jī)廢棄物混合堆肥的方法。該法通過加入適當(dāng)?shù)难鯕夂退?，促進(jìn)污泥中的有機(jī)物降解并將其轉(zhuǎn)化為肥料。堆肥處理可以有效減少污泥的體積，同時(shí)獲得有機(jī)肥料。高溫堆肥過程還可以殺滅病原體和雜草種子，提高堆肥的穩(wěn)定性和品質(zhì)[4]。但此方法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的時(shí)間較短，在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在尚未完全解決的瓶頸問題，如臭氣排放、缺少腐熟度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、中溫室氣體排放量與氮損失量較大等，針對(duì)這些問題的研究一直是堆肥技術(shù)研究的熱點(diǎn)。研究人員在傳統(tǒng)堆肥的基礎(chǔ)上采用玉米秸稈生物炭（CSB）與煤矸石基沸石（ZL）聯(lián)合堆肥。其結(jié)果表明，在加入10% CSB+ZL進(jìn)行共同堆肥處理后，與傳統(tǒng)堆肥相比，其中CH4、NH3、N2O的累積排放量分別顯著降低87.81%～90.87%、41.63%～57.42%、85.01%～94.92%，10% CSB+ZL的加入能有效提高堆肥過程中蛋白酶、脫氫酶、磷酸酶和木聚糖酶的酶活性，且使得CO2的累積排放量比普通堆肥提高55.45%～86.55%。

1.5 離子交換技術(shù)

污泥中富含植物生長(zhǎng)所需的有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（N、P），具有用作農(nóng)業(yè)肥料的潛力。但是污泥中也含有大量重金屬，這使污泥的排放及回收利用受到了限制。離子交換是一種通過離子交換樹脂去除污泥中的重金屬離子的處理方法[5]。這種方法適用于重金屬含量較高的工業(yè)污泥處理。Lee等[6]發(fā)現(xiàn)，單一的強(qiáng)酸浸出液或強(qiáng)酸陽離子交換樹脂在減少污泥中殘留重金屬方面更具優(yōu)勢(shì)，但考慮到酸浸出液和陽離子交換樹脂之間的相互作用，弱酸（檸檬酸）和強(qiáng)酸陽離子交換樹脂的組合具有最高的金屬去除率。這主要是因?yàn)閺?qiáng)酸不僅提高了污泥中重金屬離子的浸出率，還提供了更多的氫離子與重金屬競(jìng)爭(zhēng)可交換位點(diǎn)。相關(guān)研究探討了陽離子交換樹脂（CER）預(yù)處理提高廢活性污泥（WAS）厭氧消化效率的方法[7]。該研究發(fā)現(xiàn)CER能有效去除污泥中的重金屬，并且發(fā)現(xiàn)CER預(yù)處理能夠使揮發(fā)性脂肪酸和甲烷的最大產(chǎn)量分別提高565.7%和80.5%。此外，CER預(yù)處理促進(jìn)了厭氧消化過程中各階段（即溶解、水解、酸化和甲烷化）和關(guān)鍵酶的相應(yīng)活性。盡管離子交換法目前涉及多個(gè)污泥研究方向，并顯示出一定的優(yōu)勢(shì)，但仍存在一些研究空白。例如，離子交換法去除和回收重金屬的研究大多停留在與酸浸劑共同應(yīng)用的階段，而直接利用離子交換法回收污泥中磷的研究還很少。

1.6 生物炭化技術(shù)

生物炭化是一種將污泥在高溫和無氧環(huán)境下轉(zhuǎn)化為生物炭的處理方法。這種方法能夠有效減少污泥體積、消除臭味，并將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的碳質(zhì)產(chǎn)物。生物炭具有良好的環(huán)保特性和廣泛的應(yīng)用潛力，可用于土壤改良、碳儲(chǔ)存和能源生產(chǎn)等方面。在生物炭化處理污泥的過程中，污泥首先經(jīng)過初步處理和濃縮，然后在高溫條件下進(jìn)行熱解和碳化。經(jīng)過這一過程，污泥的有機(jī)物質(zhì)被分解為固體生物炭，同時(shí)釋放出氣體和液體產(chǎn)物。得到的生物炭具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和孔隙結(jié)構(gòu)，能夠提高土壤肥力、吸附有害物質(zhì)、保持土壤濕度并改良土壤結(jié)構(gòu)。

研究表明，生物炭化處理污泥具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，生物炭化能夠大幅度減少污泥的體積，從而減少儲(chǔ)存和處置成本。其次，生物炭可以用作肥料或土壤改良劑，提高土壤質(zhì)量和農(nóng)作物產(chǎn)量。此外，生物炭還可以作為氣體或燃料的源頭，用于能源生產(chǎn)，并減少化石燃料的使用。生物炭化處理污泥，使生物炭的理化性質(zhì)得到了顯著改善，其具有良好的微孔分布和高吸附能力，可以在污水的物理吸附方面發(fā)揮作用，已有多人的研究表明生物炭作為吸附材料具有良好效果。研究表明，污泥基生物炭（SSBC）具有高孔隙率和大比表面積，取得了可喜的應(yīng)用成果。與市場(chǎng)上的活性炭相比，SSBC的成本相對(duì)較低，這使得SSBC成為提高微生物豐度和再生潛力，以及金屬回收和土壤改良的合適替代品，可應(yīng)用于可持續(xù)農(nóng)業(yè)的實(shí)踐，同時(shí)減輕污水處理的負(fù)擔(dān)[8]。

2 結(jié)論

污泥處理技術(shù)是環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的重要課題，通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的綜合評(píng)估和分析，可以得出以下結(jié)論。

首先，資源化利用是污泥處理的關(guān)鍵方向。傳統(tǒng)的處理方法，如填埋和焚燒，存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和資源浪費(fèi)的問題。相比之下，采用厭氧消化、發(fā)酵和干化等技術(shù)可以將污泥中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣、有機(jī)肥或能源等有價(jià)值的資源，實(shí)現(xiàn)將廢物轉(zhuǎn)為寶貴資源的循環(huán)利用，達(dá)到環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的“雙贏”。

其次，污泥處理技術(shù)應(yīng)考慮處理效果和成本效益的平衡。選擇合適的處理技術(shù)需要根據(jù)污泥特性和最終的處理要求進(jìn)行綜合評(píng)估。例如，對(duì)于含水率較高的污泥，采用干化技術(shù)可以減少體積和處理成本；而對(duì)于有機(jī)物含量較高的污泥，則可以選擇厭氧消化等高效處理方法。因此，在選擇污泥處理技術(shù)時(shí)，相關(guān)人員需要綜合考慮處理效果、處理成本以及適用環(huán)境等因素。

此外，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和持續(xù)改進(jìn)是推動(dòng)污泥處理技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。隨著科技的發(fā)展，新的污泥處理技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如生物炭化、熱水解、微生物固化等。這些創(chuàng)新技術(shù)有望提高處理效率、減少污染物排放，并不斷推動(dòng)污泥處理技術(shù)向更高水平發(fā)展。

最后，相關(guān)人員需注重污泥處理技術(shù)的可持續(xù)性。污泥處理不僅要取得環(huán)境效益，還要符合社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和法律法規(guī)的要求。因此，我們應(yīng)注重協(xié)調(diào)各相關(guān)方的利益，加強(qiáng)污泥處理技術(shù)與其他環(huán)境保護(hù)措施的協(xié)同作用，并不斷完善相關(guān)政策和法規(guī)，以推動(dòng)污泥處理技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)語

綜上所述，污泥處理技術(shù)在環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展中起著重要作用。資源化利用、考慮處理效果與成本效益的平衡、進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和持續(xù)改進(jìn)以及保持可持續(xù)性是推動(dòng)污泥處理技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。我們只有綜合考慮這些因素，并不斷提高技術(shù)水平和管理水平，才能有效處理污泥、保護(hù)環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。