摘要:針對目前污水廠污泥傳統(tǒng)處理方法存在的不足與弊端 ,提出污泥資源化利用技術(shù)是今后污泥最終處置的根本方式 ,并就目前研究的污泥熱解制油技術(shù)、制取燃料技術(shù)、堆肥土地利用技術(shù)和熱解制取吸附劑技術(shù)等主要的資源化利用技術(shù)進行了綜述。
關(guān)鍵詞:污泥,處置,污泥資源化,綜合利用
1 引 言
污水廠污泥是指水處理過程中產(chǎn)生的絮狀體 ,它含有大量水分、豐富的有機物及N、P、K等營養(yǎng)元素 ,同時還含有重金屬及病原菌等有害物質(zhì),如果任意排放不加處理 ,不僅對環(huán)境造成污染 ,同時也是對資源的嚴重浪費。
據(jù)不完全統(tǒng)計 ,全國污水排放量為 4 474× 1 0 7m3/d ,不同規(guī)模、不同處理程度的污水處理廠有 1 0 0多座。每天所產(chǎn)生的污泥量約為污水處理量的 0 5 %— 1 0 % ,如果這些污泥還使用傳統(tǒng)的處置方法 (如土地填埋、焚燒和海洋排放等 )進行處理 ,相對于當今更加嚴格化的環(huán)境標準 ,顯然是不合適的 ;同時 ,隨著資源短缺危機的加劇 ,人們不得不尋找新的資源 ,污泥由于其有機物、營養(yǎng)元素含量高而受到越來越多的關(guān)注。因此 ,如何解決污泥對環(huán)境的污染問題 ,使其化廢為寶 ,是擺在環(huán)境科學(xué)與工程界的一個重要課題。
本文就傳統(tǒng)污泥處置方法及目前國內(nèi)外對于污泥的資源化研究的熱點進行了綜述。
2 污泥處置技術(shù)
污水污泥處置技術(shù)不僅包括衛(wèi)生填埋、焚燒、填海和土地利等傳統(tǒng)方法 ,同時包括濕式氧化(WO法 )、厭氧消化法及近年發(fā)展起來的新的處置方法,如: 膜生物反應(yīng)器[3 ] 、污泥酸化[7 ] 等工藝。一般來說,各國或各地區(qū)對于污泥處理方式的選擇,是根據(jù)各自地理環(huán)境、經(jīng)濟水平、技術(shù)措施和交通運輸?shù)纫蛩囟_定的,而且會隨著公眾認識的提高和興趣的改變而發(fā)生變化。這些污泥處置方式在實際應(yīng)用中發(fā)揮了一定的作用,但隨著環(huán)境標準的更加嚴格化,其應(yīng)用中的弊端就明顯暴露出來了[8 ] 。因此,污泥資源化利用應(yīng)該是污泥處置的最終目的。
3 污泥資源化利用途徑
隨著近年來對環(huán)境標準要求的提高和污泥傳統(tǒng)處理方法弊端的逐漸顯露,以及污泥是非常有用的資源的觀點被廣泛接受,一些污泥資源化利用途徑的探討也就被提到日程上來。田寧寧等[9 ]指出,污泥的根本出路是資源化利用。目前,污泥資源化的研究已經(jīng)取得了很大的進展和顯著的成果,污泥資源化利用途徑主要有:污泥熱解制油技術(shù)、污泥制取吸附劑技術(shù)、污泥合成燃料技術(shù)和污泥堆肥土地利用技術(shù)等。
3．1 污泥低溫?zé)峤庵朴图夹g(shù)
近年來,許多國家都著手研究污泥的資源利用和新的處理方法,美、英、日等國主要研究的是熱化學(xué)液化法,即在300 ℃、100 個大氣壓左右將脫水污泥反應(yīng)成油狀物;而德國和加拿大以熱分解油化法為主,我們在這里主要介紹熱分解油化法。污泥低溫?zé)峤庵朴图夹g(shù)是通過無氧加熱污泥干燥至一定溫度( < 500 ℃) ,由干餾和熱分解作用使污泥轉(zhuǎn)化為油、反應(yīng)水、不凝性氣體(NGG) 和炭等4 種可燃產(chǎn)物[10 ] 。該技術(shù)首先由Bayer 等提出[11 ] ;Campbell[12 ]評價了該方法的經(jīng)濟性;Bridle 等[13 ]研究了該過程的二次污染控制;Frost 等[14 ]評價了熱解油的市場應(yīng)用前景。我國學(xué)者何品晶和歐國榮等也對該技術(shù)進行了實驗[15 ,16 ] , 并對轉(zhuǎn)化過程的機理進行了探討[17 ] 。污泥低溫?zé)峤庵朴图夹g(shù)的工藝流程如圖1所示。
在此工藝中,干污泥在無氧環(huán)境下被加熱至300 —350 ℃保持約30 min ,然后由冷卻器收集油、水混合物,在反應(yīng)釜內(nèi)沒有壓力情況下,繼續(xù)加熱到450 ℃左右,由冷卻器收集輕油、焦油和氣體。燃料油的產(chǎn)率在16 % —20 %左右,熱值3313 MJ / kg ,衍生油的元素和化學(xué)組成分別如表1 和表2 所示。
從表中數(shù)據(jù)可見,產(chǎn)油的熱值高,收集起來后可以作為能源儲存。油在熱解過程中以蒸氣相存在,可被明火點燃,性質(zhì)穩(wěn)定。同時,熱解也產(chǎn)生污泥炭,其性質(zhì)穩(wěn)定,可以用于摻煤或直接作為熱解補充能源[18 ] 。這種技術(shù)正逐步經(jīng)過實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用階段,根據(jù)參考文獻[15 ]的分析,該工藝技術(shù)可靠、成本小于直接焚燒的80 % ,同時還可獲得油,成本將更低,應(yīng)該具有很好的發(fā)展前景。
3.2 污泥合成燃料技術(shù)
城市污泥中含有大量的有機物,約占70 % —80 % ,脫水污泥發(fā)熱量也很高[17 ] 。我國部分城市污泥的熱值見表3[19 ,28 ] 。壩煤50 %、消化污泥35 %、添加劑(含固硫劑) 15 %配制的合成燃料,其熱效率比壩煤熱效率高14171 %[18 ] ,環(huán)保測試結(jié)果表明,爐渣含碳量、二氧化硫排放量、林格曼黑度等級均比壩煤低。另外,污泥具有黏結(jié)性能,活性污泥作為黏結(jié)劑將無煙粉煤加工成型煤, 而污泥在高溫氣化爐內(nèi)被處理,防止了污染;污泥作為型煤黏結(jié)劑,可改善在高溫下型煤的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),提高型煤的氣化反應(yīng)性,降低灰渣中的殘?zhí)縖18 ] 。唐黎華[20 ]的研究表明,污泥添加量為2 %(干基) ,白泥添加量為013 %(干基) 時,所制型煤抗壓強度、跌落強度、熱穩(wěn)定性與白泥型煤相當,且污泥型煤無二次污染,其氣化成分符合氨原料氣的要求。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
經(jīng)該技術(shù)合成的燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣,可以通過常規(guī)的氣體凈化裝置去除其中的酸性氣體及其他大氣污染物,為污泥處理提供了一條新的途徑。
3.3 污泥堆肥土地利用技術(shù)
污泥堆肥土地利用與傳統(tǒng)的污泥直接土地利用明顯不同。在我國,污泥堆肥主要有兩種方式:一是污泥消化或污泥和垃圾等其他物質(zhì)混合堆肥后農(nóng)用;二是污泥經(jīng)過堆肥發(fā)酵制成復(fù)合肥農(nóng)用[21] 。污泥直接消化后農(nóng)用目前比較成熟的方法是中溫厭氧消化處理,它具有產(chǎn)氣率高、含水率低等優(yōu)點,但該方法由于一些病菌(如蛔蟲卵等) 幾乎沒有減少,因此,其推廣應(yīng)用受到限制。而混合堆肥通過堆肥過程中的生化反應(yīng),使污泥穩(wěn)定化、無害化,這種處理方法我國已有相關(guān)的研究[22 ,23] ,它既殺死了污泥中的有害細菌,又能提高其肥效。只要控制好城市垃圾中的不穩(wěn)定成分,該方法是很有發(fā)展前景的。
另外,還有人研究開發(fā)了污泥- 化肥復(fù)合肥系列產(chǎn)品進行農(nóng)用,該方法充分利用了污泥中的營養(yǎng)元素,實現(xiàn)了氮、磷、鉀的平衡、有機無機平衡,集用地養(yǎng)地功能與一體,較單純施用化肥或有機肥都更優(yōu)具有優(yōu)越性。其工藝流程為:污泥→風(fēng)干脫水→高溫脫水滅菌→化學(xué)脫水→投配無機肥→破碎篩選→造�！娓伞鋮s篩選→成品。采用上述工藝生產(chǎn)的污泥- 化肥復(fù)合肥,風(fēng)干脫水即自然涼曬,可節(jié)約能耗;而高溫脫水滅菌在烘干機中進行,溫度控制400 —420 ℃,既可以保證有機質(zhì)不會分解,又可以殺滅病菌、病毒和寄生蟲卵;化學(xué)脫水可以脫除多余的水分,又可以減少一直利用高溫脫水所耗費的能量。在經(jīng)檢驗重金屬等的污染物含量符合國家標準,并通過了有關(guān)部門的鑒定。使用后作物產(chǎn)量提高5 %左右,價格大致與無機復(fù)合肥持平。
3.4 污泥活化制取吸附劑技術(shù)
近年來,一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),來源于污泥熱解的衍生材料可以作為很好的吸附劑[24 ,25 ] ,我國學(xué)者吳鍵等[26 ]和馬志毅等[27 ]也從污水污泥中制取了吸附材料,一般的工藝過程如圖2 所示。
從工藝過程可知,污泥制取吸附劑的途徑有3條,針對不同的污泥、所制吸附劑的不同用途,可相應(yīng)采用不同的制取方法,而不同的制取方法所產(chǎn)生的吸附劑的性能差別很大,一般所制得的吸附材料性能為:化學(xué)活化> 物理活化> 空氣中氧化。影響吸附劑性能的主要因素有:活化藥劑的種類、濃度、熱解時間、熱解溫度和活化溫度等。馬志毅等利用污泥制取的吸附材料性能如表4 所示。
對于該種吸附劑的應(yīng)用,由于其中含有大量的重金屬的氧化物,致使其不但可以作為吸附劑,同時也是良好的催化劑,所以,雖然從相關(guān)參數(shù)上比較其不如商業(yè)活性, 但應(yīng)用效果卻與商業(yè)活性炭效果接近,甚至有時會超過活性炭[27 ] 。作者也正在從事這方面的研究,通過化學(xué)活化法,選取氯化鋅作為活化藥劑, 在不同的活化溫度、藥劑濃度及不同的熱解條件下,獲得的吸附材料經(jīng)過SEM 電鏡微觀分析和ASAP2010表面分析,相應(yīng)的性能參數(shù)與商用活性炭相比很接近。利用制成的吸附劑對難處理的農(nóng)藥廢水,COD的去除率也可以達到63125 % ,此種吸附材料對有機和無機有害氣體的凈化研究正在進行,實驗室初探效果顯著。
4 結(jié) 語
如何處置城市污水廠產(chǎn)出的大量污泥,是一個值得深入研究的課題。對污泥的處置首先應(yīng)該注重?zé)o害化、資源化和能源化,對污泥的資源化利用本身就是節(jié)約能源和資源,為污水處理廠的污泥處置與處理找到一條化害為利、變廢為寶的合理出路,實現(xiàn)經(jīng)濟效益與社會效益同步增長。目前污泥的資源化工藝,熱解制油技術(shù)、制燃料技術(shù)、堆肥土地利用技術(shù)和熱解制取吸附劑技術(shù),都是比較好的資源化技術(shù),它們都能夠充分利用污泥中有機物質(zhì)含量高的特點,不僅可以解決污泥出路的問題,還可產(chǎn)生大量有用物質(zhì)。上述方法雖然工藝過程已經(jīng)清楚,但真正能夠達到大規(guī)模處理污泥還應(yīng)進一步研究探索。不過,可以肯定的是,污泥資源化具有很好的發(fā)展前景。（湖南大學(xué)環(huán)境工程系）
