剩余污泥资源化利用新工艺研究进展

李 娟肖恩荣吴振斌

(1. 武汉理工大学资源与环境工程学院, 武汉 430070; 2. 中国科学院水生生物研究所, 淡水生态和生物技术国家重点实验室, 武汉 430072)

剩余污泥资源化利用新工艺研究进展

李 娟1,2肖恩荣2吴振斌2

(1. 武汉理工大学资源与环境工程学院, 武汉 430070; 2. 中国科学院水生生物研究所, 淡水生态和生物技术国家重点实验室, 武汉 430072)

随着城市化进程加速, 污水处理厂剩余污泥大量产生, 如何对其进行处理并有效资源化利用成为广泛关注的问题。文章在综述我国城市污水处理厂剩余污泥特征、相应处理与综合利用方法的基础上, 进一步综述了污泥干化芦苇床、人工湿地、微生物燃料电池以及相关组合工艺等剩余污泥资源化利用新工艺。总结了各种新工艺的优势以及当前尚未解决的关键问题, 对未来新工艺的潜在应用进行了展望, 以期开发出低能耗、低成本、高效率、绿色生态的技术, 真正实现剩余污泥的减量化、无害化、稳定化和资源化。

剩余污泥资源化; 污泥干化芦苇床; 人工湿地; 微生物燃料电池

剩余污泥是在污水生物处理系统中排放的污泥, 由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体[1]。剩余污泥作为城市污水处理厂污水处理的副产物, 成分复杂, 除了含有重金属、病菌等有害物质, 还含有大量的有机物质、氮磷钾等植物所需的营养元素[2], 如果不加任何处理, 不仅造成资源浪费, 还会污染环境。随着城市化进程的加快, 污泥量的增速越来越快, 如果只进行简单的处理将引起严重的二次污染, 给环境综合治理工作带来新的难点。如何将产量巨大、含水率高、成分复杂的污泥进行合理的处理处置, 使其减量化、无害化、稳定化, 最终达到资源化, 越来越受到人们的广泛关注。

1 剩余污泥特征与常规处置、利用方式

表1列举出了污泥的特征与处理处置方法、利用途径之间的关系。剩余污泥的特征主要体现在物理、化学性质和微生物学特性3个方面。

在物理性质上, 主要表征为含水率、热值等。为使含水率降低, 多数采用压滤、离心等机械脱水方式, 使含水率降低到70%—85%[3]。而干化污泥热值的利用, 往往是通过焚烧工艺来实现, 同时可彻底碳化有机物、杀死病原体。焚烧工艺占地面积小, 自动化水平高, 不受外界条件影响, 但投资、运行成本高, 技术难度大, 多用于大城市、用地紧张的地区。根据污泥焚烧应用的案例来看, 焚烧工艺可大致分为2类: 单一焚烧和混合焚烧。从经济性和安全方面考虑, 单一焚烧是比较具有优势的方式。虽然设备投资较大, 但能充分利用污泥本身的热能, 降低能耗和运行费用。污泥在焚烧过程中,对有机物的燃烧温度要求较高, 如果低于850℃, 会产生二英等剧毒物质[10]。焚烧过程中的热能可用于发电, 焚烧后的灰分成分与黏土相似, 可用于建材利用。美国马里兰大学等科研院所利用剩余污泥研制出生物砖[11], 日本先后引进了污泥焚烧制砖技术, 建造了一座11×107kg/年的生态水泥厂[12]。但在用于建材方面时, 要考虑重金属浸出率及放射性污染物、有机污染物的二次污染。在化学性质上, 更多考虑的是回收利用其中的可用资源, 如通过堆肥技术可将剩余污泥中的有机质、氮磷钾等植物营养元素利用为肥料。堆肥技术以土地利用为目的, 是污泥稳定化、无害化的重要手段, 是在有控制的条件下, 加入一定比例调节剂, 利用微生物的作用将有机物氧化分解稳定, 同时杀灭病原微生物及寄生虫卵。堆肥技术投资费用为230—320元/kg, 每天的运行费为0.08—0.18元/kg, 是一种经济的处置方式[13]。堆肥后的产品含有较稳定的腐殖质, 可作为肥料、土壤改良剂等, 不仅可以减少化肥使用, 还可以提高作物产量, 但必须满足《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-84)[14]。剩余污泥因包含寄生虫卵、致病菌等有害生物, 主要通过消化、焚烧、石灰稳定等方法来杀灭后再利用[15]。

表 1 剩余污泥特征与处置方式、利用途径Tab. 1 The relationship between the surplus sludge features and processing methods

卫生填埋是剩余污泥最常规的处理方法, 是把污泥当做垃圾进行处理, 倾倒于垃圾填埋场坑体内,通过防渗、压实、覆盖对污泥处理, 同时治理气体、渗滤液等。该方法简单, 处理量大, 费用低廉,填埋产生的沼气还可再利用。但由于污泥本身含水量大, 含有的各种有毒物质会在雨水的渗漏作用下, 污染地下水, 会给居民的卫生问题带来隐患, 因此坑体需要铺设防渗性能好的材料, 还应配备渗滤液收集、处理装置; 另外, 污泥填埋侵占土地严重,而我国目前垃圾填埋场容量是十分宝贵的[16]。因此, 此种方式多用于经济较落后、土地资源较充足地区。

其实, 污泥处置与利用方式应综合考虑国民经济、处置工艺技术水平以及相应的法规政策等因素。目前根据国情不同, 国际上各国对污泥处置的方法各有侧重[17], 图 1列出了污泥常用处置方式在各国所占的比例[18—21]。可以看出: 土地利用是中、美、英、法、德等国家的主要污泥处置和利用途径, 日本由于土地的限制, 污泥处置的主要工艺为焚烧, 而后作为建材利用为主, 不过现在日本开始注重生物质利用, 以期减少焚烧的比例[22]。美国和欧洲国家对污泥的处理方式以土地农用为主, 填埋和焚烧只占很小部分, 美国还为此专门制定了污泥的土地利用法规《有机固体废物(污泥部分)处置规定》[23]。国外在相关法规制定中, 对污泥填埋标准更加严格(污泥填埋能力的强度参数为横向剪切强度＞25 kPa或单轴压强＞50 kPa, 有机物比例为灼烧减量Ⅰ类填埋场＜3%、Ⅱ类填埋场＜5%)[23], 同时考虑到投资运行成本, 因此逐步开始减少污泥填埋比例, 例如英国和法国。我国也以土地利用中农用为主, 但填埋也是主要方式。我国是一个农业大国,而土壤普遍存在碳源不足的问题, 若污泥经过处理后作为肥料或土壤改良剂, 不但可以解决大量污泥的出路问题, 还可以提高土壤肥力, 从而促进农业发展。因此, 将污泥进行土地利用是符合我国国情的。由于焚烧法投资成本、运行成本和技术难度都较高, 我国还不足以大力发展[24]。

图 1 国内外污泥处置方法所占比例(%)

总体上看, 无论是哪种处置方法, 都有各自的优缺点, 其适用范围也不尽相同。污泥堆肥稳定化效果好, 焚烧法彻底, 卫生填埋简单, 但都并未从根本上去除其中的重金属、难降解的有机物等有毒有害物质。处置后的污泥除了土地利用、建材材料等利用途径, 还可制吸附剂、制絮凝剂、制动物饲料、生产可降解塑料等, 但由于技术并不十分成熟, 并未广泛使用。这些有待解决的问题, 需要和催生了一些新的工艺技术, 为污泥的处置及利用途径寻找更有效的方法。

2 剩余污泥处理处置和资源化利用新工艺

2.1 污泥干化芦苇床技术

污泥干化芦苇床是在传统污泥干化床的基础上发展起来的。在干化床的基质中种植根系发达的芦苇, 形成芦苇床, 然后将剩余污泥间歇性排入,通过植物、微生物、基质、阳光、风等的综合作用, 使剩余污泥得到矿化、稳定化, 转化为可利用的基质[25]。该技术起源于欧洲, 最先由Kaethe Seidel形成较成熟的思想, 利用植物的根区系统及基质的作用来使得污泥渗透脱水, 通过植物摆动使污泥表面破裂, 最终使底层污泥也干化[26], 随后得到广泛关注。“污泥生态处理之父”Nielsen等[27]、Uggetti等[28]研究污泥的脱水性能, 结果表明, 进泥的含固率为0.5%—3.0%, 脱水稳定后, 含固率可达20%—28%, 含水率有效降低。根据研究, 污泥经稳定后, 有机质去除率最高可达66.8%, 氮去除从负去除到最高去除65.5%, 磷去除从负去除到最高去除81%, 有机有害物质多环芳烃可被有效去除[29—31]。对于大型的芦苇床系统, 一般由多个芦苇床构成,设计运行参数范围如下: (1)基质: 总高度30—60 cm,从下往上分别为15—20 cm碎石、20—30 cm砾石、10—15 cm细沙[32,33]; (2)植物: 常见为芦苇, 种植密度为4—15株/m2[34,35]; (3)进泥负荷: ＜60 kgTS/ (m2·a)[36]; (4)进泥方式: 间歇进泥, 7—8天进泥55—56天干化或2—3天进泥14—21天干化[27,37]; (5)运行年限: 8—10年[34,38]。在丹麦, 已拥有满负荷运行的芦苇床系统。例如赫尔辛厄芦苇床污泥处理系统, 占地22000 m2, 有14个芦苇床, 每个轮流运行, 每年处理6.3×109kg干物质, 服务周围4.2万人。10—15年对芦苇床进行一次清床, 留下芦苇根, 经过一段时间, 新的一轮污泥生态处理又可开始。我国针对芦苇床稳定污泥的研究和应用始于2005年,在长春建立了污泥生态稳定化示范工程。污泥经过处理后, 含固量较高、体积减小, 降低了后续处置费用; 有机质、营养物质、重金属等指标都有不同程度的稳定, 矿化程度较高。其最终的产品将适合于土地利用, 弥补了土地填埋和焚烧的一些缺点。稳定化污泥土地利用适合我国国情, 有很好的发展前景。

2.2 人工湿地技术

人工湿地(CW)是20世纪70年代发展起来的用于净化污水的系统, 相对传统的生物处理法来说,具有投资低、管理方便、利用太阳能、对污水适应能力强等更多的优势, 对湿地运行和设计也积累了较多的经验。因此有学者根据此提出了运用人工湿地处理污泥, 这种技术实际上是植物修复与污泥干化床技术的结合, 从本质上说, 干化芦苇床也是一类人工湿地。人工湿地按水流方式可分为自由表面流湿地、潜流湿地和垂直流湿地, 目前常用的污泥处理湿地类型是垂直流人工湿地。Steven等[39]比较垂直流和水平流湿地对水产业污泥的稳定化效果, 发现垂直流湿地的处理效果优于水平流湿地。在植物选择上, 具有生长快、生物量大、浓密和较长根系、吸收能力强等特点的水生植物较为理想, 例如芦苇、香蒲、灯心草、水葱等。有研究者通过比较香蒲和芦苇发现, 两者对污泥有较好的脱水和稳定化效果, 但芦苇湿地的处理效果更优于香蒲湿地[40]。崔玉波等[29,41]通过中试规模的污泥湿地处理系统的研究, 发现有无通风结构的湿地系统对污泥脱水率分别为34.2% 和32.8%, 污泥有机质含量下降分别为54.5% 和51.5%, 全氮含量分别下降了56.3% 和53.2%, 出水COD去除率分别为35.7% 和22.1%, 有通风结构的处理效果要优于无通风结构的湿地系统。植物的选择只是影响湿地处理效果的因素之一, 湿地结构、基质级配、污泥负荷、污泥投配频率、温度变化及渗滤液停留时间都与污泥处理效果有十分密切的关系, 其中一个条件的改变都会影响处理效果, 而对于这些的研究尚不全面, 今后可在这些方面不断地进行探索、研究。另外, 污泥在处理过程中, 能释放碳元素, 这些碳元素在去除自身氮元素的同时, 也能够为系统内反硝化过程提供一些碳源, 从而提高了脱氮效率。因此可考虑通过合理利用, 将污泥作为外加碳源投入系统中, 以期有效解决人工湿地处理低碳氮比污水时脱氮效率低的难题。综上, 该技术具有较好的经济、社会和环境效益, 符合环境友好型发展需要,相信在未来有较大的发展潜能。

污泥还可作为湿地基质来加强对污水的净化能力。湿地中常用的基质包括河沙、砾石和碎石,一般通过组合使用, 对污水中的COD、SS有较好的去除效果, 而对氮、磷的去除并不理想[42]。由于污水处理工艺中会加入混凝剂铝盐, 污泥中由于铝离子的存在, 强化了对阴离子的吸附性能, 尤其是对磷酸盐的吸附[43]。基于铝污泥对磷具有很强的吸附作用, 2006年爱尔兰都柏林大学赵亚乾所在的人工湿地研究小组首次提出了将脱水污泥(以铝污泥为例)用于人工湿地填料的设想, 开展了潮汐流人工湿地(ALS-TFCWs)工艺一系列的试验研究, 在污染物负荷高于传统人工湿地10—70倍的条件下, 对有机物、氨氮和磷的平均去除率分别达到了70%、90% 和90%[44,45], 去除效果优异, 此后在陕西省建造运行了以铝污泥为基质的人工湿地系统。以铝污泥为基质的人工湿地系统发展了一种“以废治污”的新观念, 其基质在磷吸附饱和后可用于磷资源回收或者作为肥料用于农林, 具有巨大的实际应用价值, 是一项有发展前景的污水处理技术。

目前人工湿地在处理污水应用中已有较成功的经验和案例, 同时研究者也继续致力于攻克一个广泛存在的难点: 基质堵塞。而在处理污泥的研究中, 因为在运行过程中采用间歇进泥的方式, 间歇期比进泥期长, 使污泥中的有机物有足够的时间降解; 此外, 湿地中的生物群落丰富, 对防止堵塞有积极作用; 植物较长根茎的生长也会产生新的孔隙,根茎生长还为微生物生长提供表面和氧源, 促进有机物的降解, 因此在一定程度上延缓了堵塞现象的形成, 但预防或修复堵塞仍是亟待解决的难题。堵塞是一个复杂的过程, 主要是由于有机物、悬浮物积累、生物膜生长而产生的, 有研究者通过改变基质级配、优化运行方式、反冲洗、替换堵塞基质等手段, 可延缓堵塞过程[46]。最新有研究通过加入易生物降解、低毒性的鼠李糖脂(RL)到堵塞物中,可使其分解成更小粒度的溶解状态, 从而随出水流出系统, 修复堵塞[47]。这为湿地堵塞问题提供了一种更加安全有效的解决办法, 也使人工湿地的应用更加趋于完善。

2.3 微生物燃料电池技术

微生物燃料电池(Microbial fuel cells, MFC)是一种非常有潜力的新能源技术, 是在电化学技术基础上发展起来的通过微生物作用, 将储存在有机物中的化学能转变成电能, 形成电流[48]。MFC可利用不同的物质产生电能, 包括碳水化合物(醋酸盐、蛋白质等)、富含有机污染物的废水(生活污水、养猪废水), 剩余污泥含有50%—70%的有机质, 虽然一部分不易被微生物分解直接利用, 但在厌氧环境中可发生厌氧水解作用, 被微生物不断地破解, 胞外物质和细胞内的有机物质由固相中不断地释放到液相中, 为MFC提供相对充足的燃料。目前, 已经有研究者通过污泥构建MFC, 成功收集到所产生的电能[48,49]。贾斌等[50]构建了单室无膜微生物燃料电池, 利用厌氧污泥作为接种体, 在不加入任何营养元素的条件下, 20d后成功启动, 并产生了稳定的电压。梁敏等[51]以剩余污泥作为阳极底物, CuSO4溶液为阴极溶液构建了双室有膜微生物燃料电池,实现了在降解污泥中有机质的同时处理含铜废水和回收单质铜。通过研究表明, 利用MFC技术对剩余污泥稳定化、资源化是可行的, 电压和输出功率密度分别为400—700 mV, 40—250 mW/m2或3—30 W/ m3; 对污泥中TCOD的去除率为46.4%—69.1%[52,53], SS去除率为21.4%—32.4%, VSS的去除率为22.3%—33.7%[52,54]。从燃料上看, 污泥作为一种固体废弃物, 不但没有给环境造成负担, 而且污泥中有机物质被微生物利用产生电能, 产生了一定的价值, 具有可喜的发展趋势。

与利用剩余污泥类似, 沉积型微生物燃料电池(SMFC)可利用底泥中丰富的有机质, 对底泥进行修复[54]。将阴、阳极分别置于富氧的水体和缺氧的底泥中, 通过外电路连接阴阳极。在污染严重的底泥中, 通过厌氧微生物的分解作用, 可加快底泥中污染物的代谢过程, 降低恶臭。SMFC成本低廉,不仅在对底泥进行原位修复的同时实现产电, 对上覆水水质也可进行改善, 是一项环境友好的技术。

2.4 组合技术

单纯利用MFC技术并不能完全解决污泥稳定化, 其中的有毒有害物质还需后续处理, 因此有研究者通过MFC-MBR耦合系统对污泥更进一步处理[55]。把MBR的剩余污泥经过预处理(静置2h, 去除DO)作为MFC底物, 处理后再回流至MBR中。这种耦合系统首先通过MFC的作用, 改善污泥性质,再通过MBR处理, 不仅能缓解传统MBR的膜污染问题, 也使污泥更进一步减量化、稳定化, 降低了后续处置费用。MFC技术具有处理废弃物和联产电能的双重功效, 但产电量小使得在实际中并未广泛使用。

除了MFC-MBR耦合系统, 还出现了一种新型产能及废水净化工艺——MFC技术与人工湿地系统结合[56]。湿地植物根系可以通过光合作用将太阳光和CO2转化为有机物质, 其中约70%通过根系沉积被产电菌利用, 作为碳源产电。CW-MFC耦合系统在净化废水的效能上, 普遍高于常规CW系统,对染料废水的脱色效率可达90%以上。这种耦合系统在降解废水的同时产生电能, 具有巨大的应用前景。CW和MFC技术都能对污泥进行稳定化处理, 如果将CW-MFC耦合系统应用于污泥处理, 通过CW和MFC的联合作用, 加强污泥的处理效果, 同时由于植物的作用增强产电, 这是一个新的研究思路。无论是处理废水还是污泥, 如何增大产电量都应当是今后研究的重点。Minteer等[57]在产电方面进行过研究, 把10个小规模的MFC单元串并联, 以厌氧污泥作为底物, 在连续流动的条件下, 发现串并联的输出功率最高可达13.5 W/m3, 比增加单个MFC单元尺寸的输出功率高出24倍。这为今后的研究提供了科学依据, 可以在这个基础上进行更多的研究, 弥补MFC技术的不足之处。

3 结语

剩余污泥的处理处置已成为一个亟待解决的环境问题, 其资源化利用技术也是可持续发展一个重要研究方向。上述的剩余污泥的资源化利用新工艺, 在投入成本、能源消耗、环境友好等方面具有一定优势, 虽然目前并不十分完善, 但随着今后研究的深入, 在新工艺中一些关键问题会逐步得到改善, 推动剩余污泥的资源化利用, 其应用潜能也会越来越大。

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THE REVIEW OF NEW TECHNOLOGY ON DISPOAL OF EXCESS SLUDGE

LI Juan1,2, XIAO En-Rong2and WU Zhen-Bin2
(1. Wuhan University of Technology, Resources and Environment Engineering Institute, Wuhan 430070, China; 2. State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China)

A large amount of excessive sludge is generated from wastewater treatment plants along with the acceleration of urbanization. How to effectively treat and utilize the excessive sludge as resources has become an issue with widespread concern. Based on the overview of excessive sludge characteristics in municipal sewage treatment plants, appropriate sludge disposal and comprehensive utilization methods, this paper further reviews the progress in the sludge drying reed beds, constructed wetlands, microbial fuel cells, related combined processes and other novel sludge resource utilization technologies. This review paper synthesized the advantages of new technologies as well as the current key issues that remain unresolved. The potential applications of these new technologies are promising in reducing energy consumption cost and also in developing a green technology that will truly realize the reduction, detoxification, stabilization and resource utilization of excess sludge.

Excess sludge utilization; Sludge drying reed beds; Constructed wetland; Microbial fuel cell

X171.4

A

1000-3207(2017)05-1149-08

10.7541/2017.143

2016-10-21;

2017-03-10

国家自然科学基金(51308530); 湖北省自然科学基金(2015CFB558)资助 [Supported by the National Natural Science Foundation of China (51308530) and Natural Science Foundation of Hubei of China (2015CFB558)]

李娟(1990—), 女, 湖北石首人; 硕士研究生; 主要研究方向为剩余污泥资源化。E-mail: 717785245@qq.com

肖恩荣, E-mail: erxiao@ihb.ac.cn