山西省污水厂污泥重金属处理技术

原武斌

(山西省河津市住房制度改革办公室，山西河津 043300)

0 引言

污泥是由水体运动过程或污水处理过程所产生的固体沉淀物质。污泥根据其来源可分为污水厂污泥、自来水厂污泥、管网污泥、河湖淤泥、工业污泥。在本文中主要是指污水处理厂的浓缩污泥或脱水污泥。根据污泥的成分又可分为有机污泥和无机污泥，亲水性污泥和疏水性污泥。对于普通水体中的污泥而言，成分较简单，环境危害较小;对于污水厂污泥而言，成分复杂，危害较大，需慎重处理。污水处理厂的污泥包括生污泥、厌氧消化污泥、好氧消化污泥、活性污泥等。我国污水处理厂年实际处理污水约210亿t。以活性污泥法为例，在每1万t的污水处理过程中，约产生4 t～5 t湿污泥(含水率以80%计)。由此可折合计算知，我国污水厂污泥年产量约900万t。现行的污泥处理技术主要包括:污泥预处理技术、资源化处理技术、处置技术三大类。污泥预处理技术主要是浓缩与脱水(以减小体积为目的)、稳定与消毒(以稳定化学性质，减小质量为目的)、调理(以改善脱水性质为目的)三类。污泥资源化处理技术主要是堆肥或发酵、焚烧(可以以减量为目的，也可以以发电为目的)、燃料化等。污泥处置方法主要是卫生填埋、农业利用、建材利用、筑路等。

重金属污染现在已成为社会热点，尤其是经历了近年来的福建紫金矿业、云南曲靖铬渣、广西龙江镉污染等重金属污染事件之后，环保部门将掀起重金属污染防治风暴，未来五年据称国家计划投入750亿元，同时要将防治成效纳入政府领导考核内容。国家将于2015年前建立起较完善的重金属污染防治体系、应急体系、风险评估体系。环境污染领域所指的重金属主要是指生物毒性显著的Hg，Cd，Pb，Cr，As。我国污泥农用重点控制的污染物包括:Zn，Cu，Ni，Hg，Cd，Pb，Cr，As。污泥中的重金属主要包括Pb，Cd，Hg，Cr，Ni，Cu，Zn，As 等，由于污泥来源和类型不同，致使不同地区污泥中重金属的种类与含量差异较大[1，2]。为了消除污泥中重金属带来的危险，研究者开发了众多的污泥重金属处理技术，首先对重金属进行去除，当去除存在困难时，可以考虑如何降低重金属在污泥中的毒性。去除重金属的方法包括:化学法、物理法、生物法。其原理大多是重金属废水处理技术的逆反应过程。

山西省的发展正处于一个千载难逢的关键时刻，要想抓住国家资源型经济转型综合配套改革试验区的建设机遇，环保问题是否能得到很好地解决，将是非常重要的制约因素。在重金属污染防治工作中，除了企业对重金属的防控之外，污水厂污泥的重金属治理是重要的环节。

1 山西省污水厂污泥的特点

随着山西省经济社会的发展，污水处理厂的接纳污水量日渐增高，其污泥产量也随之增长。现状山西省城市、县城污水排放总量约为9.37亿m3。“十一五”期末，太原市、大同市污水处理率达85%以上，朔州、阳泉等其他9个地级市污水处理率达80%以上，县级城市污水处理率达到60%。山西省污水处理厂污泥的处理处置必须作为一个重大的战略问题予以重视并解决。

山西省城镇污水处理厂多采用二级处理的活性污泥工艺，其剩余污泥占30%～40%。据测定，每万吨废水污泥产生量的平均值为2.7 t(干重)。山西省2010年污泥产量约为36.75万t，脱水污泥约为183.75万t。山西省污水厂污泥中有机物含量较低，碳水化合物含量较高，脂肪含量较低。山西省污水处理厂污泥重金属含量范围见表1。

由表1可以看出，山西省污水处理厂污泥中Ni，Zn，Cd元素的含量均有部分超出污泥农用的酸性标准。

表1 山西省污水处理厂污泥重金属含量

2 山西省污水厂污泥重金属处理技术

2.1 化学法

虽然存在很多化学法都可以用于处理污泥中的重金属，但并非都适用于山西省的污水厂污泥重金属处理。

离子交换技术虽然处理对象精确、选择性强、可实现原位处理[3]，但是该技术的生产周期长，处理过程中的pH值变化较大，当进料化学性质波动较大时存在不稳定性。氯化转化技术能够使污泥中的重金属溶解出来，是污染物研究领域的重要技术[4]。当污泥与氯气接触时，Cl2与H2O会发生反应，生成HCl与HClO(次氯酸)，这会使溶液pH值下降，导致大多数重金属的溶解度升高。但其缺点是去除率较低，成本较高，操作困难，同时，氯化反应可能会伴生毒性氯代有机物，存在安全性问题。超临界流体萃取法，可以使污泥处于临界温度和临界压力以上，实现萃取功能，所借助的介质主要是超临界流体CO2，H2O，C2H4等。电化学法可以实现对重金属的去除，而且可实现金属的回收。其机理包括电渗、扩散、吸附、电迁移等多种作用[5]。在直流电的作用下，溶液中会发生电极反应，使得重金属离子在溶液中发生迁移。但上述方法都存在设备较复杂，成本较高，技术要求高，操作困难的问题。

化学淋滤技术是适用于山西省污水厂污泥重金属处理的技术路线。化学淋滤技术一方面基于溶液pH值的降低，另一方面基于利用络合剂实现对重金属的络合。若要提高硫化物结合态的去除率，就需要进一步提高反应体系的ORP值，这可以通过添加H2O2等物质来实现。从酸化角度考虑，可以采用无机酸或有机酸。常见的用于重金属化学淋滤的无机酸包括:盐酸、硝酸、磷酸等，有机酸有柠檬酸、乙二胺四乙酸(EDTA)、二乙基三胺五乙酸(DTPA)等。EDTA对重金属Cd，Pb，Cu的去除效率均较高，柠檬酸在各种鳌合剂中淋滤效果最好，但对于络合性较差的重金属效果欠佳。化学淋滤技术的优点是速率快，但缺点是耗酸量大。

2.2 物理法

微波法曾被用于污泥重金属的处理，主要是利用微波辐射使污泥颗粒实现破壁、堆积、成孔、包埋，实现污泥中重金属的稳定化。微波处理的影响因素主要与微波功率、反应时间、惰性气体等有关。吸附法是环境工程中的传统方法，也可用于对重金属进行处理。一般常用于吸附重金属的材料有:沸石矿物、蓝藻类吸附剂等。其机理是利用沸石晶体内部的特殊孔道、空穴，或利用微生物细胞壁表面具有金属结合、配位能力的基团。单纯的物理法对重金属的去除能力有限，不宜大规模用作山西省污水厂污泥重金属处理，但可以在小场合使用。

2.3 生物法

植物提取技术也称为植物修复法，是利用超积累植物对重金属进行超量积累。其原理主要涉及植物对重金属的耐性理论以及积累分子机制[6]。超积累植物耐受重金属的机理主要与鳌合机理相关。在此类植物中的鳌合物质既有小分子物质，也有大分子物质。植物修复法可以作为污泥重金属去除工艺的辅助技术。

污泥生物淋滤法是利用硫杆菌以及部分异养菌的生物化学代谢过程，促使污泥中重金属由难溶态逐渐转化成为易溶态的过程。生物淋滤技术既是一种古老的技术，又是一种近年来有发展潜力的新型生物技术。污泥生物淋滤技术，是利用弱嗜酸菌、嗜酸硫的生物化学代谢过程，使重金属转化成为易溶态。污泥生物淋滤法具有以下优点:适用类型广，对重金属元素的适用面广，对操作条件的要求较低，操作简单，无需特殊控制，适用的温度范围宽，所需基质廉价易得，硫杆菌对人体无害，反应温和，与化学淋滤相比，耗酸量可减少80%，可以不进行预酸化处理;除此之外，由于生物淋滤法可与污泥消化工艺同步实施，并可以替代一部分污泥消化的功能，可利用污水厂原有构筑物，基建费小。可见，生物淋滤法可以作为山西省污水厂污泥重金属处理的主要技术路线加以推广。

3 结语

现阶段山西省主要城市污水厂的污泥重金属超标现象还不严重，但随着工业发展以及国家环保政策的逐步加强，重金属污染防治将越来越成为社会关注的热点。为了更好地实现《山西省重金属污染综合防治“十二五”规划》所确定的目标，污泥重金属的去除将是重要的工作内容。通过对山西省污水厂污泥特点以及各种重金属处理技术的分析，可以看到，化学淋滤技术与生物淋滤技术可以作为山西省污水厂污泥重金属处理的主要技术路线。当需要对污泥重金属进行快速处理时，可以选用化学淋滤技术进行污泥重金属处理;当对处理时间要求不严格，但需要考虑运行成本或操作的简易性时，可以选用污泥生物淋滤技术进行污泥重金属处理。

[1] 陈同斌，黄启飞，高 定，等.中国城市污泥的重金属含量及其变化趋势[J].环境科学学报，2003，23(5):561-569.

[2] 吴新民.生活污泥的性质和农业利用可行性研究[J].安徽师范大学学报(自然科学版)，1999，22(4):359-360，374.

[3] 郑 宏.用新型离子交换技术富集分离废水中的混合重金属离子[J].材料保护，2008，41(2):77-79.

[4] 胡建杭，王 华，吴桢芬，等.垃圾焚烧过程重金属的氯化转化与挥发[J].材料与冶金学报，2008，7(1):69-74.

[5] 胡劲梅，李小明，杨 麒，等.动电技术修复城市污泥中重金属的研究[J].微量元素与健康研究，2008，25(3):55-57，60.

[6] 孙 琴，倪吾钟，杨肖娥.超积累植物体内的小分子鳌合物质及其生理作用[J].广东微量元素科学，2001，8(5):1-8.