摘要:針對目前污水廠污泥傳統處理方法存在的不足與弊端 ,提出污泥資源化利用技術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、制取燃料技術、堆肥土地利用技術和熱解制取吸附劑技術等主要的資源化利用技術進行了綜述。
關鍵詞: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等營養元素 ,同時還含有重金屬及病原菌等有害物質,如果任意排放不加處理 ,不僅對環境造成污染 ,同時也是對資源的嚴重浪費。
據不完全統計 ,全國污水排放量為 4 474× 1 0 7m3/d ,不同規模、不同處理程度的污水處理廠有 1 0 0多座。每天所產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、營養元素含量高而受到越來越多的關注。因此 ,如何解決污泥對環境的污染問題 ,使其化廢為寶 ,是擺在環境科學與工程界的一個重要課題。
本文就傳統污泥處置方法及目前國內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
污水污泥處置技術不僅包括衛生填埋、焚燒、填海和土地利等傳統方法 ,同時包括濕式氧化(WO法 )、厭氧消化法及近年發展起來的新的處置方法,如: 膜生物反應器[3 ] 、污泥酸化[7 ] 等工藝。一般來說,各國或各地區對于污泥處理方式的選擇,是根據各自地理環境、經濟水平、技術措施和交通運輸等因素而確定的,而且會隨著公眾認識的提高和興趣的改變而發生變化。這些污泥處置方式在實際應用中發揮了一定的作用,但隨著環境標準的更加嚴格化,其應用中的弊端就明顯暴露出來了[8 ] 。因此,污泥資源化利用應該是污泥處置的最終目的。
3 污泥資源化利用途徑
隨著近年來對環境標準要求的提高和污泥傳統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、污泥制取吸附劑技術、污泥合成燃料技術和污泥堆肥土地利用技術等。
3．1 污泥低溫熱解制油技術
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液化法,即在300 ℃、100 個大氣壓左右將脫水污泥反應成油狀物;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。污泥低溫熱解制油技術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化為油、反應水、不凝性氣體(NGG) 和炭等4 種可燃產物[10 ] 。該技術首先由Bayer 等提出[11 ] ;Campbell[12 ]評價了該方法的經濟性;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用前景。我國學者何品晶和歐國榮等也對該技術進行了實驗[15 ,16 ] , 并對轉化過程的機理進行了探討[17 ] 。污泥低溫熱解制油技術的工藝流程如圖1所示。
在此工藝中,干污泥在無氧環境下被加熱至300 —350 ℃保持約30 min ,然后由冷卻器收集油、水混合物,在反應釜內沒有壓力情況下,繼續加熱到450 ℃左右,由冷卻器收集輕油、焦油和氣體。燃料油的產率在16 % —20 %左右,熱值3313 MJ / kg ,衍生油的元素和化學組成分別如表1 和表2 所示。
從表中數據可見,產油的熱值高,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,性質穩定。同時,熱解也產生污泥炭,其性質穩定,可以用于摻煤或直接作為熱解補充能源[18 ] 。這種技術正逐步經過實驗室走向實際應用階段,根據參考文獻[15 ]的分析,該工藝技術可靠、成本小于直接焚燒的80 % ,同時還可獲得油,成本將更低,應該具有很好的發展前景。
3.2 污泥合成燃料技術
城市污泥中含有大量的有機物,約占70 % —80 % ,脫水污泥發熱量也很高[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 ] ,環保測試結果表明,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,污泥具有黏結性能,活性污泥作為黏結劑將無煙粉煤加工成型煤, 而污泥在高溫氣化爐內被處理,防止了污染;污泥作為型煤黏結劑,可改善在高溫下型煤的內部孔結構,提高型煤的氣化反應性,降低灰渣中的殘炭[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.xhxdt.com更多相關技術文檔。
經該技術合成的燃料燃燒產生的煙氣,可以通過常規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
污泥堆肥土地利用與傳統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混合堆肥后農用;二是污泥經過堆肥發酵制成復合肥農用[21] 。污泥直接消化后農用目前比較成熟的方法是中溫厭氧消化處理,它具有產氣率高、含水率低等優點,但該方法由于一些病菌(如蛔蟲卵等) 幾乎沒有減少,因此,其推廣應用受到限制。而混合堆肥通過堆肥過程中的生化反應,使污泥穩定化、無害化,這種處理方法我國已有相關的研究[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定成分,該方法是很有發展前景的。
另外,還有人研究開發了污泥- 化肥復合肥系列產品進行農用,該方法充分利用了污泥中的營養元素,實現了氮、磷、鉀的平衡、有機無機平衡,集用地養地功能與一體,較單純施用化肥或有機肥都更優具有優越性。其工藝流程為:污泥→風干脫水→高溫脫水滅菌→化學脫水→投配無機肥→破碎篩選→造粒→烘干→冷卻篩選→成品。采用上述工藝生產的污泥- 化肥復合肥,風干脫水即自然涼曬,可節約能耗;而高溫脫水滅菌在烘干機中進行,溫度控制400 —420 ℃,既可以保證有機質不會分解,又可以殺滅病菌、病毒和寄生蟲卵;化學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。在經檢驗重金屬等的污染物含量符合國家標準,并通過了有關部門的鑒定。使用后作物產量提高5 %左右,價格大致與無機復合肥持平。
3.4 污泥活化制取吸附劑技術
近年來,一些學者研究發現,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,可相應采用不同的制取方法,而不同的制取方法所產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,雖然從相關參數上比較其不如商業活性, 但應用效果卻與商業活性炭效果接近,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,獲得的吸附材料經過SEM 電鏡微觀分析和ASAP2010表面分析,相應的性能參數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 語
如何處置城市污水廠產出的大量污泥,是一個值得深入研究的課題。對污泥的處置首先應該注重無害化、資源化和能源化,對污泥的資源化利用本身就是節約能源和資源,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,實現經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、制燃料技術、堆肥土地利用技術和熱解制取吸附劑技術,都是比較好的資源化技術,它們都能夠充分利用污泥中有機物質含量高的特點,不僅可以解決污泥出路的問題,還可產生大量有用物質。上述方法雖然工藝過程已經清楚,但真正能夠達到大規模處理污泥還應進一步研究探索。不過,可以肯定的是,污泥資源化具有很好的發展前景。（湖南大學環境工程系）
