污泥处理新技术研究进展

来源:建树环保 2020-06-05 14:37:55 763

  随着人们生活水平的提高,污 水量持续增加,污泥产量随之增多,预计到 2020 年将突破 6 000 万吨/ 年。卫生填埋、土地利用和焚烧等传统污泥处理方法已无法满足需求,且二次污染、运营成本等问题日益显露。目前,污泥处理逐渐向“减量化、资 源化和无害化”( 简称“三化”) 的方向发 展。“三 化”处理优点有节 约资源、高效利用等,已成为国内外污泥处理研究热点( 如图 1 、图 2 所示,来自百度学术) 。部分发达国家已将污泥视为一种资源加以利用,取得了良好的经济环境效益。中国污泥“三化”研究起步晚,但随着国家政策重视,围绕“三化”的新技术发展迅速。围绕“三化”技术阐述污泥处理新技术的研究现状,分析新技术的优缺点,旨在为污泥“三化”技术发展提供理论支持。

  图 1 文章发表趋势图

  图 2 研究相关度趋势图

  1 污泥处理新技术

  1. 1 减量化新技术

  污泥的减量化处理参照能量溅溢和维持能理论,使外部能量的输入与必要维持能达到某种平衡,无需更多外部能量的供给来降低微生物产率。微型动物捕食技术、高溶解氧工艺、防释磷污泥浓缩技术等减量化新技术开发成为国内外研究的主要方向。

  微型动物捕食技术,是利用微生物、昆虫参与有机物矿化过程的新技术。此类工艺减量效果显著、投资及能耗低,但微生物种类和数量难以控制,受水力负荷、温度、pH 等条件影响较大。

  微生物活性与反应器中的溶解氧水平有关,氧浓度影响分解和合成代谢的碳平衡。高溶解氧工艺即基于上述理论开发出的污泥减量化新技术。该技术维持了高水平的混合液悬浮固体浓度( MLSS) ,使得污泥产量低、氧转移效率高。Abbassi 等报道,当反应器溶解氧增加到 4. 2 mg / L 时,污泥量明显减少。高溶解氧工艺可以明显减少污泥量,但物料投资较大、对环境要求高,仍有待突破。

  防释磷污泥浓缩是在传统的污泥重力浓缩技术的基础上,通过控制氧化还原电位,防止富磷活性污泥在浓缩过程中出现厌氧释磷的污泥浓缩技术,既经济,也不会让污泥中的磷释放出来。经防释磷技术调理后的污泥含水率可以降低到 50% 以下。该技术已成功应用于污水处理厂,随着研究的深入,该技术可以达到减量的目的,但氧化还原电位最优化难度大、能耗较大等问题亟待解决。

  除上述污泥减量化新技术之外,好氧 - 沉淀 -缺氧联合工艺( OSA) 等一批新技术也得到了相应研究。部分技术的减量效果显著,但存在臭氧投加量大、解偶联剂难以选择、微生物的种类数量难以控制、最优电位的选择、污泥流态难以控制以及能耗较大等问题,仍有待更深一步的研究探讨。

  1. 2 资源化新技术

  污泥资源化是通过各种物理、化学和生物工艺,提取污泥中的有效组分,消除二次污染的同时,使污泥获得再利用价值。近些年污泥资源化利用主要研究有能源化、材料化和有机化等方面。

  1. 2. 1 污泥能源化

  污泥能源化是指通过物理、化学或生物的手段将污泥中的有机物转化为热量,实现污泥的能源化利用。目前,能源化的研究重点主要集中在污泥低温热解技术和污泥电弧等离子体处理技术。

  污泥低温热解,即利用污泥有机质在加热条件下热裂解过程产生将污泥中的有机物转化为碳氢化合物与油或炭等发生作用的可燃性产物。国外研究表明螺杆式反应器( STYX) 中的热解可成为污泥转化、回收和再循环的替代技术,并利用该方法处理了 100 kg 来自德国工厂的干化污泥,当温度为 350℃ 和 500℃ 之间时的油产率约为 13. 4kg。Menéndez J A 等在污泥中加入微波吸收剂,结果发现温度上升至 900℃ 时污泥发生热解而不是干化。上述方法为污泥处理提供了新思路,但技术转换效率较低,工艺复杂,不利于推广应用,以后研究应以此为突破点。

  污泥电弧等离子体处理技术,即利用电弧等离子体可以瞬间产生极高温,将气体产物立即点燃加以利用。李军等使用高温跃迁法处理城市污泥,可生成能量得率 15. 5% 的 CO。这类技术一直是研究热点,优点操作简单,环保无毒,但此类技术的离子喷枪集中较难,效率低下,操作较难,需要更多优化技术工艺方面的研究。

  1. 2. 2 污泥材料化

  污泥材料化主要是指利用污泥制作成不同的原材料,如吸附剂、可降解塑料、陶粒等。

  污泥制作吸附剂方面,Beeckmans 等于上世纪80 年代提出,控制热解条件和经过化学处理,可以把污泥转化为有用的吸附剂。王晓飞等利用污泥制备活性炭,并对制备原理、影响因素和活性炭表征进行了研究。将污泥制作成吸附剂是绿色的污泥处理思路,其推广应用具有重要意义。

  污泥制作可降解塑料,即利用污泥中大量有机物制备成可被土壤微生物和酶降解的塑料,如聚经基脂肪酸醋( PHAs) ,中国在此方面的研究优先于发达国家。熊惠磊等研究污泥可降解塑料时发现,污泥厌氧产酸与 PHAs 合成组合技术可降低成本。污泥制作塑料是实现废物循环利用的绿色技术,是污泥资源化利用的一大热点,而研究方向主要在于提高塑料制备速率、减少二次污染等方面。

  污泥材料化已成为有效的污泥资源化技术,除上述技术之外,一些新的研究方向也不断被提出。如胡明玉使用城市污泥和湿排粉煤灰,制得力学性能和保温性能良好的轻质材料。陈小亮的以污泥焚烧残渣为原料,以传统水热合成方法制得 NaPl型沸石和水钙沸石,与原料相比,其比表面积和阳离子交换容量提高了 47 倍、17 倍。污泥的材料化作为有效的资源化方式,为污泥处理提供一个前景广泛的研究方向。

  1. 2. 3 污泥建材化

  污泥建材化,指污泥经过干化、焚烧之后,再加入粉煤灰等原料,将其制作成水泥、陶粒等建材,污泥焚烧后的灰渣具有一定的火山灰活性,是很好的水泥混合材。Tay 等发现污泥在1 000℃ 下焚烧 4 h,其火山灰活性最强。但 Cry 等研究发现污泥中的氯离子含量远超过《通用硅酸盐水泥》( GB175 -2007) 中不大于 0. 06% 的规定,不适合在水泥混凝土中应用,降低氯离子含量成为了该技术的研究重点。

  污泥合成水泥,污泥作为水泥熟料煅烧中的添加剂,其矿物结构与常规硅酸盐水泥熟料完全相同,且在污泥烧成过程中温度有降低的趋势,可以节约能源。目前合成污泥的研究与应用相当广泛,已经形成了相当规模。但对于日益剧增的污泥产量,需要效率更高,操作更为简单的推广工艺。

  污泥制陶粒技术,翁焕新发现污泥陶粒的抗压强度随着表观密度的增加而增大,烧制温度对污泥陶粒的抗压强度和表观密度产生明显影响,在 1 075℃ 时,污泥陶粒具有最大的抗压强度( 71. 7MPa) 和表观密度( 2. 45 g / cm3 ) 。利用污泥制作陶粒,为污泥资源化提供有效的处理思路。

  1. 2. 4 污泥有机化

  堆肥处理在国内外广泛应用,有利于土地种植的产品,危害小,资源利用率高。王新等研究发现,污泥堆肥处理后试验组比对照组树高增加了 11%~ 25% 、地径粗增加了 19% ~ 50% ,可以增加木材产量。污泥土地利用还可以提高土壤中 N、P 及有机质含量。然而,污泥堆肥后的重金属等有害物质易进入植物体内,可能造成二次污染,研发更加环保无毒的堆肥技术成为当务之急。

  污泥蛋白质技术是对微生物进行破壁处理,释放其中的蛋白质和水分,实现污泥的资源化利用。秦晓等使用盐酸提取时,蛋白质浓缩速度随温度

  增加呈先慢后快的趋势,随污泥浓度呈线性增加,随盐酸浓度呈先快后慢,并且长时间有利于提升蛋白质浓度。虽然水解条件低、能耗小和无臭味,但提取时间长,效率低等缺点限制它的应用推广,其安全性和营养性也值得深入探讨。

  1. 3 无害化新技术

  污泥无害化,即将有害污泥放入有一定强度和防渗透的固体材料里,实现污泥与环境的隔离。目前出现了电子束辐照技术、生物沥浸技术、蚯蚓污泥技术等污泥无害化新技术。

  电子束辐照技术,即利用高能电子束辐照污泥,使病菌数量减少,可生化性提高。吴宇琦[18]发现经过 γ - 射线辐照后,污泥胞外聚合物( EPS) 和内含物流出,有机含量增加,提高了污泥的可生化性。作为一种新型高级氧化技术,操作简单、安全环保,在化学污染物降解方面的作用逐渐受到关注。

  生物沥浸技术,即污泥接种微生物,投加营养物质,杀灭病原菌,析出重金属,改善污泥脱水性。郑冠宇等[19]研究了生物沥浸作用去除城市污泥中病原物,总大肠菌群( TC) 和粪大肠菌群( FC) 的去除率达到 99% 以上。国外研究纸浆和造纸厂污泥热解提取的生物炭中,重金属的生物利用度和生态毒性,发现重金属在污泥中的生物利用度较好,缺点是反应时间长,效率低。

  蚯蚓污泥技术,是利用蚯蚓的生态特性分解污泥中的有机物,富集重金属,分解有毒有害物质,达到污泥稳定化处理的技术。魏明蓉等研究了蚯蚓对城市污泥重金属的富集特征,发现蚯蚓体内的重金属达到《饲料卫生标准》规定的要求[21]。蚯蚓处理污泥的影响因素较多,可以从最佳温度、湿度和充氧量等方面进行更深入的研究。

  无害化技术对污泥处理有重要意义,但目前无害化涉及的相关技术设备昂贵、反应时间长、效率低的缺点亟待解决,需要如微波脉冲杀菌技术等操作简单的新技术的开发。作为污泥的末端处理过程,无害化新技术应该朝着高效节能,便于推广,安全性高的方向发展。

  2 污泥处理发展趋势

  近年来,国内外的污泥处理新技术发展迅速,污泥处理处置已从传统的卫生填埋、土地利用和焚烧等传统方式逐渐向“三化”的方向发展。减量化处理新技术不断出现,如微型动物捕食法等技术逐渐成熟,但此类技术带来的污泥流态不可控、能耗较大等问题仍然存在。污泥的资源化一直是当前国内外污泥处理处置技术的研究热点,无论是以美国等西方国家为代表的土地利用,还是日本的污泥焚烧发电,都朝着资源化利用方向发展。资源化新技术发展迅速,从污泥低温热解技术到可降解塑料等技术的发展可以看出,污泥的处理与资源化利用相结合才是其最好的出路。进一步简化生产工艺,提高转换效率和简化操作,才有利于应用推广。以污泥固体物质封存为主的无害化技术,其危害性无法根本消除。电子束辐照技术、生物沥浸技术等无害化新技术具有处理效率高、操作简单安全和绿色环保等优点,有很好的发展趋势; 然而,投资大、运行参数不准确和反应时间太长等缺点阻止了其应用推广,仍然需要深入研究。

  3 结语

  总之,污泥资源化研究是对污水处理厂污泥进行处理、处置的新思路,化“废”为宝,资源化必将成为未来污泥处理的主流。污泥的“三化”新技术一定要兼顾环境、社会和经济间效益平衡,最大限度地利用材料、能源等专业的前端科技。“三化”新技术亟须通过技术革新、研究突破,加以政策支持,形成污泥环保低耗安全的理论体系和系统性、层次性的解决方案,开展污泥“三化”产业链工程技术的研究,突破研究与应用的衔接瓶颈,真正意义上实现污泥“三化”,实现污泥处理的生态文明

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