我國長期存在“重水輕泥”的現象,對污泥處理的重視程度不夠,有大量的污泥未經過穩定化處理處置,造成環境污染,危害了人類的健康[4]。由于我國污泥性質復雜,國外的技術直接引進使用并不能取得良好的處理效果,因此,對于污泥的處理處置需要根據來源的不同,選取合適的技術[5]。發展適合我國的污泥處理處置技術,應分析現在常用的污泥處理處置技術的適用條件,根據我國污泥的特性,研究針對污泥資源化的技術,進一步提高污泥的利用率,減少污泥帶來的環境污染。
1污泥處理處置現狀及存在問題
1.1污泥處理處置現狀
進入21世紀以來,污水污泥處理處置問題得到了國家以及相關部門的重視,國家以項目為單位,引進先進技術,加大投入資金,嚴格監察和管理,從而使污泥的有效處理得到了改善。污泥處置方式中土地填埋的比重從2/3降到1/5,污泥資源化利用的比重從2/15升高到現在的3/5[6]。2012年國務院辦公廳印發的《“十二五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》中,針對污泥處理處置提出規劃指標,即到2015年,直轄市、省會城市和計劃單列市的污泥無害化處理處置率達到80％,其他設市城市達到70％,縣城及重點鎮達到30％;同時要求污泥處理處置設施建設投資達到347億元[7]。2015年“水十條”發布后,污泥處理處置市場迎來了發展新時期,要求現有污泥處理處置設施于2017年完成達標改造,2020年地級市無害化處理率>90％[8]。2016年《“十三五”生態環境保護規劃》將規劃目標進一步提升,提出大力推進污泥穩定化、無害化和資源化處理處置,地級及以上城市污泥無害化處理處置率達到90％,京津冀區域達到95％[9]。
1.2污泥處理處置存在的問題
污泥處理處置的最終目標是實現污泥的減量化、穩定化、無害化和資源化,避免污泥帶來的二次污染,實現對污泥的有效利用。多年來,我國存在忽視污泥處理處置必要性的問題,對污泥處理處置投資較少,監管力度不到位,導致環境污染危機頻現[10]。
1.2.1污泥處理處置投資問題
我國城市污水處理廠存在嚴重的“重水輕泥”現象,對污泥的處理處置投資較少。歐美發達國家污泥處理處置設施的資金一般占總資金的50％~70％,而我國只占到20％~50％[11]。大多數中小型污水處理廠對污泥只進行初步的減量化處理,并沒有進行穩定化和無害化處理。并且多數城市只征收污水處理費用,不征收污泥處理費用,因此,當前污水處理費普遍不能覆蓋污泥的處理處置成本。資金的短缺嚴重影響了污泥的處理效果。
1.2.2污泥處理處置技術問題
我國城鎮污水處理廠污泥處理處置技術落后,目前還沒有規模化且經過時間驗證、效果良好的技術路線和設備;污泥處理處置的穩定化、無害化程度低。從歷史上看,超過80％的污泥沒有得到有效和安全的處理處置[12],很多污泥只是進行了簡單的濃縮、脫水處理,污泥的處置仍以直接填埋為主。有資料顯示,采用穩定化技術處理污泥的污水處理廠<10％[13]。在污泥處置方面,多數污水處理廠采用填埋和污泥農用等方法,這些處理方式都可能造成環境污染,一些地區由于濫用污泥,造成地下水污染或重金屬污染[14],直接影響人類健康。當采用焚燒的處置措施時,污泥中的重金屬等污染物進入土壤或大氣,帶來二次污染的風險。
1.2.3污泥性質問題
我國污泥中的有機質、含沙量低,工業污水源頭處理率低,污泥重金屬含量偏高,制約了學習利用國外技術,嚴重影響了污泥能源化處理的發展。如污泥的厭氧消化技術在我國的應用存在成本效益不明顯、無穩定的約束性指標要求、設備運行管理要求高、對操作人員要求高等問題;在農村化學肥料的使用量較大,利用和推廣污泥土地農用等處置方式受限。因此,照搬國外的污泥處理處置技術并不能達到良好的效果。但由于此前并不重視污泥的處理處置,因此目前適合我國情況的污泥處理處置技術路線非常少,限制了污泥的處理和利用。
1.2.4污泥處理處置監管問題
建立完善的污泥監管體系,是有效解決污泥處理處置問題的關鍵。與污水處理監管相比,政府對于污泥處理處置的監管存在很多問題[15]。由于污泥的處理處置過程涉及多個環節和部門,各個主體職責劃分不清晰,管理標準不統一,造成了污泥處理處置監管的混亂[16]。對污泥處理機構的建設工程沒有穩定化和無害化的強制性要求,監管部門缺少約束性指標(如COD),間歇性排泥給污泥的監管都帶來了困難。
2污泥處理處置技術研究進展
污泥的處理處置過程分為污泥處理和污泥處置2個階段,目的是對污泥進行深度無害化處理,降低污泥的含水率,去除污泥中的病原微生物、重金屬等物質,避免污泥進入環境后帶來二次污染。污泥的處理階段是指實現污泥減量化、無害化、穩定化的全過程,主要的污泥處理技術包括污泥濃縮、脫水、穩定和干化。而污泥的處置階段是指在污泥處理階段后將污泥置于自然環境或者再利用的過程,是實現污泥資源化的過程,一般包括土地利用、填埋、焚燒、制作建筑材料等[17]。我國污泥處理處置起步較晚,與國外先進的處理處置技術相比還有很大的差距。圖1列出了我國常用污泥處置技術所占的比例。目前,常用的污泥處置技術有污泥填埋、堆肥、自然干化、焚燒等方式,其所占的比例分別為65％、15％、6％、3％,可以得出我國污泥的處置方式依然以填埋為主;此外,由于我國長期存在的“重水輕泥”現象,污水處理廠用于污泥處理處置的資金較少,因此大部分的污泥只是進行了初步的減容處理,并沒有實現污泥的穩定化,存在二次污染的風險。
2.1常規污泥處理處置技術
2.1.1污泥濃縮技術
城市污水處理廠產生的污泥通常含水率都很高,初沉池污泥的含水率>97％,二沉池的含水率>99％。污泥的體積大,給后續處理造成極大困難。污泥濃縮的目的在于減少容積,主要減少的是污泥中的間隙水[18]。如果后續處理是厭氧消化,則消化池的容積、加熱量、攪拌能耗等都可以極大地降低;如果后續處理是機械脫水,則濃縮后調理污泥的混凝劑用量以及機械設備的處理量都可極大地減少。經過濃縮的污泥的含水率可達95％~97％,基本實現了污泥的減量化[19]。污泥濃縮的方式主要有重力濃縮、離心濃縮、氣浮濃縮、帶式濃縮機濃縮、轉股機械濃縮等。根據我國污泥的特點,重力濃縮和浮選濃縮是城市污水處理廠最常用的污泥濃縮方法。
2.1.2污泥脫水技術
污泥脫水可使污泥的含水率極大地降低,有效減少污泥的體積,便于污泥的運輸及儲存,且利于污泥后續的處理處置[20]。污泥脫水的傳統方法是自然干化,其缺點是占地面積大,容易造成環境污染;適用范圍小,不適合在大型城市使用。相比之下,污泥的機械脫水具有占地面積小、處理效率高等優勢。在我國,污泥脫水技術發展迅速,各類脫水機械已經在逐漸開發制造。目前常用的脫水設備主要有真空過濾機、帶式壓濾機、板框壓濾機、離心脫水機等。但是污水廠使用的深度脫水設備仍存在能耗高、藥劑投加量大、不能連續處理等問題。上海市城市排水有限公司與上海交通大學根據當前污泥深度脫水壓濾機存在的問題,開發了一套能夠使污泥更加易于脫水的預處理技術[21]。該技術在污泥中投加污泥改性劑,然后污泥進入一套可連續進行脫水的新型帶式壓濾試驗機(處理能力為20~30t/d),污泥通過與改性劑反應并經過連續帶式壓濾后,含水率可從80％~85％降低到50％~55％,這就使得污泥的體積減少,方便了后續對污泥進行處理和處置。污泥脫水應作為污泥減量化發展的重要方法。
2.1.3污泥的厭氧消化技術
污泥的厭氧消化技術是在無氧條件下,利用厭氧菌和兼性菌進行厭氧生化反應,將污泥中的有機質分解成二氧化碳、甲烷和水等穩定的物質,消化過程中產生的沼氣可以作為能源進一步被利用。厭氧消化可以實現污泥的穩定化,降低污泥的含水率,使得污泥的生物穩定性得到有效改善。污泥的厭氧消化技術是目前最普遍的的污泥生物處理方法,一般可使污泥減量>30％。具有運行成本低,較高的生物去除率(30％~50％)等優點,是大型污水廠最為經濟的污泥處理方法,但是也存在工藝操作復雜,產生的甲烷氣體存在安全隱患等問題。目前,在北京、上海等地約有60座大型污水處理廠建設了厭氧污泥消化系統,但是在運行的僅有20余座[22]。主要是由于污水廠產生的污泥中有機質含量過低,泥沙含量過高,污泥的可生化性較差,導致厭氧污泥消化設備運行不穩定,產沼氣率低于國外設備的處理指標[23]。因此直接將傳統污泥厭氧消化工藝應用于我國的污泥處理并不能取得良好的處理效果。研究人員針對我國污泥的特性,研發出了以熱水解、微波以及超聲波等為預處理手段的污泥處理技術,通過對污泥進行熱水解等預處理,提高傳統厭氧過程中污泥的水解和酸化速率,使厭氧裝置的容積減少,厭氧消化所用的時間縮短,污泥的厭氧消化整體效率提高[24]。目前,對于日處理能力≥10萬t的大型二級污水處理設施產生的污泥,多采取中溫或高溫厭氧消化技術[25]。
2.1.4污泥的衛生填埋
當污泥的性質不適合土地利用,且當地不具備焚燒和建材利用條件時,可采用污泥填埋處理[26]。有單獨填埋、混合填埋和特殊填埋等方法。污泥填埋之前必須進行穩定化處理,處理后的泥質應符合相關條例要求。我國一般采用混合土地填埋的形式,單獨填埋較少使用。污泥填埋的優點是投資少,見效快,適用范圍廣等,但是也存在填埋場地不易尋找、污泥運輸費用高、污泥中的有害成分容易滲漏,造成地下水污染等問題[27]。隨著城市化的加快,垃圾和污泥量不斷增多,同時污泥本身難分解,容易造成地下水污染,現在很多垃圾填埋場都拒收污泥入場。故污泥填埋不能作為有效的處置途徑,這種處理途徑會被逐漸淘汰。
2.1.5污泥的焚燒
污泥的焚燒是指在氧氣充分的條件下,對污泥進行完全焚燒,使污泥中的有機固體轉化為二氧化碳、水和污泥灰,并徹底殺死污泥中的病原體。通過焚燒可以最大限度減少污泥容積,縮短污泥處理時間,焚燒后污泥體積只有原來的20％~30％。污泥焚燒后的剩余物質可以再次利用,如可以用作水泥添加劑。污泥焚燒還可以從廢氣中獲取剩余能量用來發電。污泥的焚燒方式有單獨焚燒和干化焚燒。單獨焚燒是指將污泥單獨放入焚燒爐內,在輔助燃料的作用下直接進行焚燒。干化焚燒是指先將污泥進行干化處理,使污泥的含水率大幅降低后再進行焚燒。目前,針對污泥的焚燒技術進行了多方面的研究,清華大學的研究人員以高碑店污水廠的污泥為研究對象,通過實驗分析了污泥的成分和燃燒特點,研究了焚燒過程中污泥中重金屬的遷移特性,針對污泥灰渣處理提出建議[28]。浙江大學研究人員研究了污泥的燃燒過程、凝聚結團特性、熱解特性以及流化床焚燒污泥時產生的二次污染問題[29]。這些研究都促進了污泥焚燒技術的發展。污泥焚燒占地面積小,無害化比較徹底,但是焚燒的成本高,一部分重金屬會隨燃燒產生的煙塵擴散到空氣中。在環保方面如何避免產生二噁英類污染性物質也是不可忽視的問題[30]。因此,目前污泥焚燒的處置技術主要應用于發達地區。
2.1.6污泥的土地利用
污泥的土地利用是指污泥經過脫水和無害化處理后用于園林綠化、農田、鹽堿地改良等,是污泥資源化的一種處置方式。污泥中含有大量氮、磷、鉀等有機物,能夠增加土壤肥力,對土壤的性質具有一定的改良作用。由于我國土地面積廣,具有較強的污泥消納能力,因此污泥的土地利用得到了廣泛應用。北京北小河污水處理廠等單位嘗試利用污泥制造有機肥料,從而實現污泥的資源化利用,提高了污泥的土地利用率[31]。但污泥的土地利用在實現污泥資源化的同時也可能帶來二次污染。污泥中含有對植物和土壤有害的病原菌、病毒以及寄生蟲等,并且污水處理廠的污泥可能存在重金屬含量超標的問題。病毒或重金屬等物質進入土壤可能造成土壤以及地下水的二次污染,進而對農作物、植被造成影響。因此,污泥要經過堆肥或者嚴格的無害化處理后,才可用于土地利用[32]。
2.1.7污泥的建材利用
污泥中的無機物占20％~30％,包括硅、鋁、鈣、鐵等成分,與建筑材料的成分相似。因此在污泥中添加適當比例的高嶺土、粉煤灰后,經過高溫處理可以將污泥用來制作建筑材料。污泥的建材利用范圍比較廣,主要包括制作輕質陶粒、水泥、磚、生化纖維板等。將污泥用于制作建筑材料,能夠有效避免污泥的二次污染,節約資金,充分利用污泥自身的熱值。污泥的建材利用作為一種有限的資源化方式,已經有諸多的研究和利用。南京鑫翔建材公司經過研究發現,利用窯爐余熱將污泥翻拋晾曬干化,污泥水分可從80％降至25％,干化后的污泥以一定的比例(約10％)添加到煤矸石和添加材料中,經過高溫煅燒后,污泥最終能燒制成一種多孔節能磚,其強度、吸水率等主要指標都達到國家標準[33]。另外,在重慶、上海等地已經成功實現利用污泥制備陶粒和燒結磚,推動了污泥建材利用的發展[34]。但是,由于符合利用要求的污泥產量少,并且存在生產符合利用要求的污泥成本高和使用范圍小等問題,污泥的建材利用一直受到限制。應參考國外的成功案例,在資金來源、建材產品的出路等方面對污泥的建材利用給予相應的支持,促進污泥的資源化發展。
2.2污泥處理處置新技術
2.2.1污泥的原位減量技術
污泥的原位減量技術是通過降低污水處理過程中的細胞合成量,增強微生物自身內源呼吸的能力,加快微生物自身分解,最終達到減少污泥產生的1種技術,其污泥減量可達21％~87％[35]。污泥的原位減量技術主要的工藝有代謝解偶聯、細胞溶解、生物補食等。這些技術需在傳統活性污泥法工藝流程中增加超聲波發生器等裝置,或投加臭氧、解偶聯劑等化學藥劑。近年來,國內外學者對污泥原位減量技術進行了大量的研究。Lan等在SBR反應器前增加了預處理過程,即高壓均質過程,經檢測出水中化學需氧量、總氮、總磷等出水水質指標均滿足國家一級A排放標準(總固體懸浮物略有增加),且處理成本與傳統處理工藝相比可以降低約57％,系統達到穩定運行狀態后,產生污泥量減少43.9％,化學需氧量的去除率升高[36],從處理成本和效果來看,該工藝有很大的優勢。初里冰等研究的好氧———厭氧反復耦合反應器污泥原位減量化處理技術,利用多孔微生物載體及生物反應器,能夠實現污泥的原位減量,并在中小規模污水處理中得到了一系列應用[37]。原位減量技術有助于提高傳統工藝的處理效果,能夠有效減少污泥的產生量,促進了污泥的減量化發展。
2.2.2污泥的生物瀝浸技術
生物瀝浸技術是利用微生物對污泥進行調理,使污泥中重金屬和病原菌得到有效去除的1種技術。微生物的種類以嗜酸性氧化硫桿菌為主,耐酸性異養菌為輔,在生物反應后通過自然重力濃縮使得污泥含水率降至90％~92％。而在不添加任何絮凝劑的情況下,經板框式壓濾機脫水,污泥含水率直接降至<60％,使剩余污泥的脫水性能得到極大改善。生物瀝浸技術有許多的優勢,如處理時間短,僅需1~2d;并可以直接堆肥,徹底解決了含水率為80％的污泥堆肥占地需要大量輔料以及存在惡臭等弊端;反應全過程在常溫、常壓下進行,運行安全,無二次污染;能夠有效去除污泥中的重金屬等[38]。生物瀝浸技術由南京農業大學研發成功并推向實際工程應用[39]。2010年8月在無錫太湖新城污水處理廠建成污泥生物瀝浸處理深度脫水和資源化科技示范工程并正式運行,該工程可日處理5萬m3污水所產生的污泥,是國際上第一個采用污泥生物瀝浸法深度脫水和資源化的工程案例。隨后在寧波北區污水處理廠、無錫蘆村污水處理廠、寧波三菱化學有限公司、西安第六污水處理廠等陸續建成或在建大型生產性污泥生物瀝浸處理工程,都實現了污泥處理效率的提高[40]。采用生物瀝浸的方法處理污泥,不僅可以使污泥的脫水率大幅提高,而且可以去除污泥中的重金屬,避免了污泥帶來的二次污染,因此應用前景非常廣闊。
2.2.3污泥資源化利用的新途徑
(1)污泥制可降解塑料
污水處理廠的污泥中含有大量能夠積累聚羥基脂肪酸的細菌,向污泥中添加碳源和無機鹽培養基,可以用來制備可降解塑料———聚羥基脂肪酸。霄云等將污泥在120℃、202.65kPa條件下進行處理,研究選用一種特種微生物,這種微生物能夠在體內貯存可生物降解聚酯,將這種微生物與污泥混合,促使微生物繁殖,可以大幅度提高聚酯塑料的生產率[41]。這種利用剩余活性污泥生產可降解塑料的方法實現了污泥的資源化利用,同時也能夠達到環保的目的。
(2)污泥制活性炭
污水處理廠產生的剩余污泥中碳含量較高,熱解后的衍生物具有良好的吸附性,可以用來處理污水,是一種性能良好的吸附絮凝劑[42]。由于活性炭吸附劑能夠除去廢水中的化學需氧量及某些重金屬離子,因此能夠徹底氧化分解原污泥中的有害因子[43]。目前,污泥制備活性炭技術主要包括2個過程,即高溫熱解和活化。高溫熱解是把原料熱解為碳渣,活化是根據各種要求把碳化物變為所需要的多孔物質。根據活化方式的不同,制備污泥活性炭的方法分為物理活化法、化學活化法或物理化學活化法、催化活化法等[44]。污泥生產活性炭不僅能為活性炭的制備提供了廉價的原料,同時還可以減輕污泥帶來的二次污染,使資源得到充分的利用,將得到越來越多的關注和發展。
3展望
隨著污泥產量的不斷增多,污泥的處理處置技術也受到越來越多的關注。污泥作為一種有價值的資源,進行穩定化、無害化處理后再應用,既可以避免二次污染,又開發了新的資源,滿足了可持續發展的要求。在現階段污泥的處理處置以減量化、無害化為治理的首要目標,要符合安全環保的原則,未來污泥的資源化利用將成為污泥處理處置的發展方向。目前污泥處理處置壓力較大,應根據我國污泥特性,以常用的污泥處理處置技術為基礎,發展適合我國污泥處理處置的新技術,實現污泥的資源化利用。此外,污泥的處理處置應該考慮到環境生態、社會和經濟效益之間的平衡。各種因地制宜的污泥處理處置技術路線需要大力推廣和應用,以促進污泥處理處置產業的發展。
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