摘要:针对目前污水厂污泥传统处理方法存在的不足与弊端 ,提出污泥资源化利用技术是今后污泥最终处置的根本方式 ,并就目前研究的污泥热解制油技术、制取燃料技术、堆肥土地利用技术和热解制取吸附剂技术等主要的资源化利用技术进行了综述。
关键词:污泥,处置,污泥资源化,综合利用
1 引 言
污水厂污泥是指水处理过程中产生的絮状体 ,它含有大量水分、丰富的有机物及N、P、K等营养元素 ,同时还含有重金属及病原菌等有害物质,如果任意排放不加处理 ,不仅对环境造成污染 ,同时也是对资源的严重浪费。
据不完全统计 ,全国污水排放量为 4 474× 1 0 7m3/d ,不同规模、不同处理程度的污水处理厂有 1 0 0多座。每天所产生的污泥量约为污水处理量的 0 5 %— 1 0 % ,如果这些污泥还使用传统的处置方法 (如土地填埋、焚烧和海洋排放等 )进行处理 ,相对于当今更加严格化的环境标准 ,显然是不合适的 ;同时 ,随着资源短缺危机的加剧 ,人们不得不寻找新的资源 ,污泥由于其有机物、营养元素含量高而受到越来越多的关注。因此 ,如何解决污泥对环境的污染问题 ,使其化废为宝 ,是摆在环境科学与工程界的一个重要课题。
本文就传统污泥处置方法及目前国内外对于污泥的资源化研究的热点进行了综述。
2 污泥处置技术
污水污泥处置技术不仅包括卫生填埋、焚烧、填海和土地利等传统方法 ,同时包括湿式氧化(WO法 )、厌氧消化法及近年发展起来的新的处置方法,如: 膜生物反应器[3 ] 、污泥酸化[7 ] 等工艺。一般来说,各国或各地区对于污泥处理方式的选择,是根据各自地理环境、经济水平、技术措施和交通运输等因素而确定的,而且会随着公众认识的提高和兴趣的改变而发生变化。这些污泥处置方式在实际应用中发挥了一定的作用,但随着环境标准的更加严格化,其应用中的弊端就明显暴露出来了[8 ] 。因此,污泥资源化利用应该是污泥处置的最终目的。
3 污泥资源化利用途径
随着近年来对环境标准要求的提高和污泥传统处理方法弊端的逐渐显露,以及污泥是非常有用的资源的观点被广泛接受,一些污泥资源化利用途径的探讨也就被提到日程上来。田宁宁等[9 ]指出,污泥的根本出路是资源化利用。目前,污泥资源化的研究已经取得了很大的进展和显著的成果,污泥资源化利用途径主要有:污泥热解制油技术、污泥制取吸附剂技术、污泥合成燃料技术和污泥堆肥土地利用技术等。
3．1 污泥低温热解制油技术
近年来,许多国家都着手研究污泥的资源利用和新的处理方法,美、英、日等国主要研究的是热化学液化法,即在300 ℃、100 个大气压左右将脱水污泥反应成油状物;而德国和加拿大以热分解油化法为主,我们在这里主要介绍热分解油化法。污泥低温热解制油技术是通过无氧加热污泥干燥至一定温度( < 500 ℃) ,由干馏和热分解作用使污泥转化为油、反应水、不凝性气体(NGG) 和炭等4 种可燃产物[10 ] 。该技术首先由Bayer 等提出[11 ] ;Campbell[12 ]评价了该方法的经济性;Bridle 等[13 ]研究了该过程的二次污染控制;Frost 等[14 ]评价了热解油的市场应用前景。我国学者何品晶和欧国荣等也对该技术进行了实验[15 ,16 ] , 并对转化过程的机理进行了探讨[17 ] 。污泥低温热解制油技术的工艺流程如图1所示。
在此工艺中,干污泥在无氧环境下被加热至300 —350 ℃保持约30 min ,然后由冷却器收集油、水混合物,在反应釜内没有压力情况下,继续加热到450 ℃左右,由冷却器收集轻油、焦油和气体。燃料油的产率在16 % —20 %左右,热值3313 MJ / kg ,衍生油的元素和化学组成分别如表1 和表2 所示。
从表中数据可见,产油的热值高,收集起来后可以作为能源储存。油在热解过程中以蒸气相存在,可被明火点燃,性质稳定。同时,热解也产生污泥炭,其性质稳定,可以用于掺煤或直接作为热解补充能源[18 ] 。这种技术正逐步经过实验室走向实际应用阶段,根据参考文献[15 ]的分析,该工艺技术可靠、成本小于直接焚烧的80 % ,同时还可获得油,成本将更低,应该具有很好的发展前景。
3.2 污泥合成燃料技术
城市污泥中含有大量的有机物,约占70 % —80 % ,脱水污泥发热量也很高[17 ] 。我国部分城市污泥的热值见表3[19 ,28 ] 。坝煤50 %、消化污泥35 %、添加剂(含固硫剂) 15 %配制的合成燃料,其热效率比坝煤热效率高14171 %[18 ] ,环保测试结果表明,炉渣含碳量、二氧化硫排放量、林格曼黑度等级均比坝煤低。另外,污泥具有黏结性能,活性污泥作为黏结剂将无烟粉煤加工成型煤, 而污泥在高温气化炉内被处理,防止了污染;污泥作为型煤黏结剂,可改善在高温下型煤的内部孔结构,提高型煤的气化反应性,降低灰渣中的残炭[18 ] 。唐黎华[20 ]的研究表明,污泥添加量为2 %(干基) ,白泥添加量为013 %(干基) 时,所制型煤抗压强度、跌落强度、热稳定性与白泥型煤相当,且污泥型煤无二次污染,其气化成分符合氨原料气的要求。。
经该技术合成的燃料燃烧产生的烟气,可以通过常规的气体净化装置去除其中的酸性气体及其他大气污染物,为污泥处理提供了一条新的途径。
3.3 污泥堆肥土地利用技术
污泥堆肥土地利用与传统的污泥直接土地利用明显不同。在我国,污泥堆肥主要有两种方式:一是污泥消化或污泥和垃圾等其他物质混合堆肥后农用;二是污泥经过堆肥发酵制成复合肥农用[21] 。污泥直接消化后农用目前比较成熟的方法是中温厌氧消化处理,它具有产气率高、含水率低等优点,但该方法由于一些病菌(如蛔虫卵等) 几乎没有减少,因此,其推广应用受到限制。而混合堆肥通过堆肥过程中的生化反应,使污泥稳定化、无害化,这种处理方法我国已有相关的研究[22 ,23] ,它既杀死了污泥中的有害细菌,又能提高其肥效。只要控制好城市垃圾中的不稳定成分,该方法是很有发展前景的。
另外,还有人研究开发了污泥- 化肥复合肥系列产品进行农用,该方法充分利用了污泥中的营养元素,实现了氮、磷、钾的平衡、有机无机平衡,集用地养地功能与一体,较单纯施用化肥或有机肥都更优具有优越性。其工艺流程为:污泥→风干脱水→高温脱水灭菌→化学脱水→投配无机肥→破碎筛选→造粒→烘干→冷却筛选→成品。采用上述工艺生产的污泥- 化肥复合肥,风干脱水即自然凉晒,可节约能耗;而高温脱水灭菌在烘干机中进行,温度控制400 —420 ℃,既可以保证有机质不会分解,又可以杀灭病菌、病毒和寄生虫卵;化学脱水可以脱除多余的水分,又可以减少一直利用高温脱水所耗费的能量。在经检验重金属等的污染物含量符合国家标准,并通过了有关部门的鉴定。使用后作物产量提高5 %左右,价格大致与无机复合肥持平。
3.4 污泥活化制取吸附剂技术
近年来,一些学者研究发现,来源于污泥热解的衍生材料可以作为很好的吸附剂[24 ,25 ] ,我国学者吴键等[26 ]和马志毅等[27 ]也从污水污泥中制取了吸附材料,一般的工艺过程如图2 所示。
从工艺过程可知,污泥制取吸附剂的途径有3条,针对不同的污泥、所制吸附剂的不同用途,可相应采用不同的制取方法,而不同的制取方法所产生的吸附剂的性能差别很大,一般所制得的吸附材料性能为:化学活化> 物理活化> 空气中氧化。影响吸附剂性能的主要因素有:活化药剂的种类、浓度、热解时间、热解温度和活化温度等。马志毅等利用污泥制取的吸附材料性能如表4 所示。
对于该种吸附剂的应用,由于其中含有大量的重金属的氧化物,致使其不但可以作为吸附剂,同时也是良好的催化剂,所以,虽然从相关参数上比较其不如商业活性, 但应用效果却与商业活性炭效果接近,甚至有时会超过活性炭[27 ] 。作者也正在从事这方面的研究,通过化学活化法,选取氯化锌作为活化药剂, 在不同的活化温度、药剂浓度及不同的热解条件下,获得的吸附材料经过SEM 电镜微观分析和ASAP2010表面分析,相应的性能参数与商用活性炭相比很接近。利用制成的吸附剂对难处理的农药废水,COD的去除率也可以达到63125 % ,此种吸附材料对有机和无机有害气体的净化研究正在进行,实验室初探效果显著。
4 结 语
如何处置城市污水厂产出的大量污泥,是一个值得深入研究的课题。对污泥的处置首先应该注重无害化、资源化和能源化,对污泥的资源化利用本身就是节约能源和资源,为污水处理厂的污泥处置与处理找到一条化害为利、变废为宝的合理出路,实现经济效益与社会效益同步增长。目前污泥的资源化工艺,热解制油技术、制燃料技术、堆肥土地利用技术和热解制取吸附剂技术,都是比较好的资源化技术,它们都能够充分利用污泥中有机物质含量高的特点,不仅可以解决污泥出路的问题,还可产生大量有用物质。上述方法虽然工艺过程已经清楚,但真正能够达到大规模处理污泥还应进一步研究探索。不过,可以肯定的是,污泥资源化具有很好的发展前景。（湖南大学环境工程系）
