剩余污泥氧化处理研究进展及前景

陈淑蓉，吕利平,2,3，李 航

（1.长江师范学院化学化工学院，重庆 涪陵 408100；2.三峡库区环境监测与灾害防治工程研究中心，重庆 涪陵 408100；3.武陵山片区绿色发展协调创新中心，重庆 涪陵 408100；4.重庆市三峡水务涪陵排水有限责任公司，重庆 涪陵408100）

剩余污泥氧化处理研究进展及前景

陈淑蓉1，吕利平1,2,3，李 航4

（1.长江师范学院化学化工学院，重庆 涪陵 408100；2.三峡库区环境监测与灾害防治工程研究中心，重庆 涪陵 408100；3.武陵山片区绿色发展协调创新中心，重庆 涪陵 408100；4.重庆市三峡水务涪陵排水有限责任公司，重庆 涪陵408100）

针对目前城市污泥减量技术现状，介绍了当今国内外研究较多的湿式氧化、超临界氧化、微波热水解、Fenton氧化、臭氧氧化、化学制剂等各类通过氧化破解细胞实现污泥减量的技术，并对它们的优缺点以及未来的发展方向进行了对比阐述，以期推动该类技术的发展应用。

氧化处理；剩余污泥；进展；机理

污泥的处理处置问题已成为当今国内外最为关注的环保话题。针对剩余污泥处置过程中的环境和经济问题，污泥减量是目前解决这个问题最为常用的技术。随着农村城市化的不断推进，城市所产生的废弃污泥也在逐年上升，2013年，全国受调查的5346座城市污水处理厂处理废水45.61Gt，产生的污泥为26.358Mt[1]。目前最常见的处理方法有焚化、填埋、土地利用等，但是土地利用和农业污水利用具有很高争议，而传统的填埋和焚烧处理很容易造成二次污染，因此，当务之急是实现污泥的减量化并降低污泥的外排体积[2-3]。本文论述了目前研究得比较多的通过氧化处理实现污泥减量的技术，包括湿式氧化、超临界氧化、微波热水解、Fenton氧化、臭氧氧化、化学制剂等，详细介绍该类技术的减量机理、研究现状、存在的问题以及发展方向。

图1 污泥湿式氧化实验装置示意图

1 污泥氧化处理处置技术

1.1 湿式氧化技术

湿式氧化技术主要源于湿式空气氧化技术。湿式氧化技术指的是高温高压条件下，以O2为氧化剂，在液相中将有机物氧化为CO2和水等无机物或小分子有机物的过程。它的具体操作如图1所示。

湿式氧化具有应用范围广、处理效率高（在合适的温度和压力条件下，湿式氧化技术的COD处理效率可达到90%以上）、氧化速率快等优点，但也存在对设备要求高、防腐剂性能要好、投资费用大、运行成本高昂等不足。湿式氧化作为一种现代化的科学技术，拥有多方面的优势，但由于它在经济和技术方面有一定要求，目前湿式氧化在我国推广还有制约。如何降低设备的建设费用和投资成本是今后研究的重点。

1.2 超临界水氧化技术

超临界水氧化（SCWO）技术是一种清洁、无污染、对环境友好的有机废物处理技术。在处理有毒、难降解的有机废物方面有显著的效果[4]。昝元峰等[5]研究了超临界水氧化用于城市污泥处理的反应动力学方程，并详细介绍了相关机理。目前，国外超临界氧化技术已应用到生产阶段。1993年，日本organo公司建立首家SCWO实验工厂；2001年，美国德克萨斯州的哈灵根水厂在一年内启动两条SCWO技术处理城市污泥污水的作业线，对比填埋和农田利用的处理费用，单位污泥处理费用减少了235美元·t-1[6-9]。SCWO法虽有诸多优势，但也存在诸多问题：①腐蚀。SCWO法用于处理污泥中一些有机废物时，会含有如硫酸等的其他腐蚀性废物，因此，对反应设备的防腐性能要求比较高，从而提高了经济成本。②盐沉积。SCWO处理时，难溶物会沉淀在管路中，轻则降低了管路换热率，重则堵塞管路，造成事故。③催化剂。目前使用的催化剂寿命短，容易中毒，亟待开发新型的催化剂。

1.3 微波热解技术

微波处理污泥的主要作用来源于微波的热效应和非热效应[10-12]。热效应指污泥中的有机物和水等物质具有诱导偶极的性能，可以吸收微波能量，使温度上升；非热效应指在微波电磁场中，生物大分子极化定向排列导致氢键等次级键发生断裂，分子失活，从而使得污泥絮体的细胞结构被破坏[13]。升温和变性使得有机大分子发生断裂之后成为小分子，改进了污泥减量效果。微波处理的主要优点是加热均匀、速度较快、效率较高，但也存在一些缺点，如能耗高、研究体系不健全等。在接下来的研究中应重点考虑：①与其他技术组合使用；②开发高效低耗的设备。

1.4 Fenton氧化技术

Fenton氧化体系主要是由H2O2和Fe2+组成，H2O2为氧化剂，Fe2+为催化剂，两者相互作用，产生OH·，从而引发和传递链反应，其详细过程如下：

Fenton氧化技术目前已经广泛应用到废水处理中，且技术已相当成熟[14-15]。在污泥处理领域，Neyens采用Fenton试剂氧化技术处理市政污泥，脱水之后污泥含固率由20%～25%升高到47%[16-17]。张亚青将Fenton氧化用于秦皇岛化工废水处理，取得了较明显的处理效果。但Fenton氧化技术用于污泥减量的反应机理和反应动力学仍不是很清楚，尚处于实验室探究阶段，相关实验机理还不明了。

Fenton氧化技术应用广泛，具有高效绿色等优点，但仍存在一些需要完善的地方：①处理成本高。H2O2作为强氧化剂，消耗量巨大，增加了处理成本；②反应最适条件仍需调整，比如最佳pH、反应时间、投加量等；③处理成分较复杂的废水产生的污泥时效果不理想。针对这些不足，我们可以从减量化、稳定化、资源化、无害化这几方面来改善。Fenton氧化技术结合废酸处理污泥，废酸中含有大量的硫酸等，如果直接排放，会污染环境，经过处理再排放则会浪费资源，我们可以利用这些废酸来替换Fenton氧化中的酸，从而实现绿色环保[18]。Fenton技术与其他技术如光-Fenton、电-Fenton、UV-Fenton等联合进行污泥处理，效果更佳[19-21]。

1.5 臭氧氧化技术

污泥臭氧化技术是在20世纪90年代提出的处置污泥的新概念[22]。臭氧具有强氧化性，可以对污泥细胞进行破解。臭氧技术处理污泥的过程主要有三个阶段：破壁阶段、溶胶阶段和矿化阶段[23]。与传统活性污泥法结合时，臭氧投加剂量在（0.02～0.05）O3·（g TSS）-1范围上下波动[24]。臭氧化技术的优点是操作方式简单，设备运行安全稳定，设备占地面积小，具有较好的经济性和推广价值，不会产生二次污染。它的不足主要有：①臭氧技术的相关工艺还不成熟，细胞破碎之后，对所释放的物质不能有效回收；②对设备的要求高，一座污泥处理厂如果日规模处理量为5万t·d-1，则需要配备10kg·h-1的臭氧发生器；③能耗高，臭氧的造价很高，使得成本增加；④影响因素难以控制。臭氧用于污泥减量的过程中，反应的影响因素还不能完全确定，需要今后更多的实验去探究。目前对于臭氧氧化用于污泥减量的研究较多，但经济和效益是阻碍该技术发展的关键，因此，今后更多的研究应该是臭氧氧化与其他技术耦合处理，以达到高效低耗的效果。今后的研究可以从完善资源回收技术、探究最佳臭氧投加量和最佳反应时间等方面开展工作。

1.6 化学制剂技术

在对污泥减量处理的研究中，通过添加化学药剂来改善污泥沉降性能，从而实现污泥减量的方法具有操作简单、投资成本低廉、效果稳定，应用广泛等优点[26]。苏凤宜[27]研究发现，PAA氧化时，污泥破解率为10%，如果再用超声波处理，污泥破解率会进一步升高；ClO2可以与电化学催化氧化耦合实现污泥减量，ClO2利用率高，运行能耗低，减量效果好。宋秀兰等[28]得出Fe2+活化过硫酸钠对污泥减量的最佳条件为：常温下pH为7，过硫酸钠投加量为1.2mmol·（g VSS）-1，FeSO4的投加量1.5mmol·（g VSS）-1，摩尔比为1.25∶1，污泥的比阻从5.36×1012m·kg-1降低到1. 9×1011m·kg-1，含水率从97.0%降低到81.6%，黏度从178 mPa·s 降低到102 mPa·s。超声波可以提高碱性物质在污泥细胞外聚合物的通透性，研究表明，氢氧化钙与超声波联合，污泥的破解率达到19.60%。这种方法的优点在于能量损失少，污泥破解效果好，但也存在试剂成本高，长时间运行会使微生物产生抗药性，使得污泥沉降和脱水性能变差等问题。

2 展望

氧化破解微生物细胞实现污泥减量的技术拥有广阔的应用前景。未来的研究重点可以放在以下几个方面：1）开展技术组合。污泥减量技术具有操作简单、绿色环保、高效经济的优点，但每种方法都存在一定的局限性，下一步可以从技术组合方面发展，全方位地开发减量技术，以期找到最佳的减量工艺。2）寻找合适的反应条件，深入研究反应机理。目前对于减量技术的研究大多处于实验室探究阶段，还不能完全应用于工程生产中，只有对反应机理有了更深入的认识，更好地把握实验的影响因素，才有可能投入到实际生产中。3）开发新型设备。目前，我国在污泥减量方面的高端设备大多来自国外，成本高，且不适合我国国情，只有自己创新设备，我国的污泥处理技术才能实现根本性的进步。

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Progress of Excess Sludge Oxidation Treatment Research and Prospects

CHEN Shurong1, LYU Liping1,2,3, LI Hang4
(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Yangtze Normal University, Fuling 408100, China; 2. Research Center for Environmental Monitoring, Hazard Prevention of Three Gorges Reservoir, Yangtze Normal University, Fuling 408100, China; 3. Collaborative Innovation Center for Green Development in Wuling Mountain Areas, Yangtz Normal University, Fuling 408100, China; 4. Chongqing Three Gorges Water Fuling Drainage Co. Ltd., Fuling 408100, China)

In view of the present status of urban sludge reduction technology, this paper introduced the current research more wet oxidation, supercritical oxidation and microwave thermal hydrolysis, Fenton oxidation and ozone oxidation, chemical agents and other kinds of sludge reduction technology was achieved by oxidative cracking cells. Their advantages and disadvantages, future and development direction, were compared in this paper in order to promote the development of these technology application.

oxidation treatment; excess sludge; progress; mechanism

X 703

A

1671-9905(2017)07-0054-03

2017-05-19