污泥处理处置技术研究综述

朱明璇李梅刘承芳王永强

(山东建筑大学市政与环境工程学院,山东济南250101)

0 引言

近年来,随着城镇化的不断发展,污水的排放量不断增加,污泥的产量也明显增长。截至2016年9月底,我国污水处理厂有3976座,日处理能力达1.7亿m3。污水处理厂的数量不断增多,污水处理能力和处理率都大幅增长。按照处理1万m3生活污水产生污泥5～8 t(含水率80%)计算,污泥年产量超过4000万t[1],预测到2020年,城镇污泥的产量将超过6000万t。污水处理过程中产生的污泥含水量很高,一般为95%～99.5%[2],并且污泥成分复杂,含有病原微生物、寄生虫、重金属以及致癌物质等[3],如果污泥处置不当将会对地下水、土壤等造成二次污染。

我国长期存在“重水轻泥”的现象,对污泥处理的重视程度不够,有大量的污泥未经过稳定化处理处置,造成环境污染,危害了人类的健康[4]。由于我国污泥性质复杂,国外的技术直接引进使用并不能取得良好的处理效果,因此,对于污泥的处理处置需要根据来源的不同,选取合适的技术[5]。发展适合我国的污泥处理处置技术,应分析现在常用的污泥处理处置技术的适用条件,根据我国污泥的特性,研究针对污泥资源化的技术,进一步提高污泥的利用率,减少污泥带来的环境污染。

1 污泥处理处置现状及存在问题

1.1 污泥处理处置现状

进入21世纪以来,污水污泥处理处置问题得到了国家以及相关部门的重视,国家以项目为单位,引进先进技术,加大投入资金,严格监察和管理,从而使污泥的有效处理得到了改善。污泥处置方式中土地填埋的比重从2/3降到1/5,污泥资源化利用的比重从2/15升高到现在的3/5[6]。2012年国务院办公厅印发的《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》中,针对污泥处理处置提出规划指标,即到2015年,直辖市、省会城市和计划单列市的污泥无害化处理处置率达到80%,其他设市城市达到70%,县城及重点镇达到30%；同时要求污泥处理处置设施建设投资达到347亿元[7]。2015年“水十条”发布后,污泥处理处置市场迎来了发展新时期,要求现有污泥处理处置设施于2017年完成达标改造,2020年地级市无害化处理率＞90%[8]。2016年《“十三五”生态环境保护规划》将规划目标进一步提升,提出大力推进污泥稳定化、无害化和资源化处理处置,地级及以上城市污泥无害化处理处置率达到90%,京津冀区域达到95%[9]。

1.2 污泥处理处置存在的问题

污泥处理处置的最终目标是实现污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化,避免污泥带来的二次污染,实现对污泥的有效利用。多年来,我国存在忽视污泥处理处置必要性的问题,对污泥处理处置投资较少,监管力度不到位,导致环境污染危机频现[10]。

1.2.1 污泥处理处置投资问题

我国城市污水处理厂存在严重的“重水轻泥”现象,对污泥的处理处置投资较少。欧美发达国家污泥处理处置设施的资金一般占总资金的50%～70%,而我国只占到20%～50%[11]。大多数中小型污水处理厂对污泥只进行初步的减量化处理,并没有进行稳定化和无害化处理。并且多数城市只征收污水处理费用,不征收污泥处理费用,因此,当前污水处理费普遍不能覆盖污泥的处理处置成本。资金的短缺严重影响了污泥的处理效果。

1.2.2 污泥处理处置技术问题

我国城镇污水处理厂污泥处理处置技术落后,目前还没有规模化且经过时间验证、效果良好的技术路线和设备；污泥处理处置的稳定化、无害化程度低。从历史上看,超过80%的污泥没有得到有效和安全的处理处置[12],很多污泥只是进行了简单的浓缩、脱水处理,污泥的处置仍以直接填埋为主。有资料显示,采用稳定化技术处理污泥的污水处理厂＜10%[13]。在污泥处置方面,多数污水处理厂采用填埋和污泥农用等方法,这些处理方式都可能造成环境污染,一些地区由于滥用污泥,造成地下水污染或重金属污染[14],直接影响人类健康。当采用焚烧的处置措施时,污泥中的重金属等污染物进入土壤或大气,带来二次污染的风险。

1.2.3 污泥性质问题

我国污泥中的有机质、含沙量低,工业污水源头处理率低,污泥重金属含量偏高,制约了学习利用国外技术,严重影响了污泥能源化处理的发展。如污泥的厌氧消化技术在我国的应用存在成本效益不明显、无稳定的约束性指标要求、设备运行管理要求高、对操作人员要求高等问题；在农村化学肥料的使用量较大,利用和推广污泥土地农用等处置方式受限。因此,照搬国外的污泥处理处置技术并不能达到良好的效果。但由于此前并不重视污泥的处理处置,因此目前适合我国情况的污泥处理处置技术路线非常少,限制了污泥的处理和利用。

1.2.4 污泥处理处置监管问题

建立完善的污泥监管体系,是有效解决污泥处理处置问题的关键。与污水处理监管相比,政府对于污泥处理处置的监管存在很多问题[15]。由于污泥的处理处置过程涉及多个环节和部门,各个主体职责划分不清晰,管理标准不统一,造成了污泥处理处置监管的混乱[16]。对污泥处理机构的建设工程没有稳定化和无害化的强制性要求,监管部门缺少约束性指标(如COD),间歇性排泥给污泥的监管都带来了困难。

2 污泥处理处置技术研究进展

污泥的处理处置过程分为污泥处理和污泥处置2个阶段,目的是对污泥进行深度无害化处理,降低污泥的含水率,去除污泥中的病原微生物、重金属等物质,避免污泥进入环境后带来二次污染。污泥的处理阶段是指实现污泥减量化、无害化、稳定化的全过程,主要的污泥处理技术包括污泥浓缩、脱水、稳定和干化。而污泥的处置阶段是指在污泥处理阶段后将污泥置于自然环境或者再利用的过程,是实现污泥资源化的过程,一般包括土地利用、填埋、焚烧、制作建筑材料等[17]。我国污泥处理处置起步较晚,与国外先进的处理处置技术相比还有很大的差距。图1列出了我国常用污泥处置技术所占的比例。目前,常用的污泥处置技术有污泥填埋、堆肥、自然干化、焚烧等方式,其所占的比例分别为65%、15%、6%、3%,可以得出我国污泥的处置方式依然以填埋为主；此外,由于我国长期存在的“重水轻泥”现象,污水处理厂用于污泥处理处置的资金较少,因此大部分的污泥只是进行了初步的减容处理,并没有实现污泥的稳定化,存在二次污染的风险。

图1 我国常用污泥处置技术占比图

2.1 常规污泥处理处置技术

2.1.1 污泥浓缩技术

城市污水处理厂产生的污泥通常含水率都很高,初沉池污泥的含水率＞97%,二沉池的含水率＞99%。污泥的体积大,给后续处理造成极大困难。污泥浓缩的目的在于减少容积,主要减少的是污泥中的间隙水[18]。如果后续处理是厌氧消化,则消化池的容积、加热量、搅拌能耗等都可以极大地降低；如果后续处理是机械脱水,则浓缩后调理污泥的混凝剂用量以及机械设备的处理量都可极大地减少。经过浓缩的污泥的含水率可达95%～97%,基本实现了污泥的减量化[19]。污泥浓缩的方式主要有重力浓缩、离心浓缩、气浮浓缩、带式浓缩机浓缩、转股机械浓缩等。根据我国污泥的特点,重力浓缩和浮选浓缩是城市污水处理厂最常用的污泥浓缩方法。

2.1.2 污泥脱水技术

污泥脱水可使污泥的含水率极大地降低,有效减少污泥的体积,便于污泥的运输及储存,且利于污泥后续的处理处置[20]。污泥脱水的传统方法是自然干化,其缺点是占地面积大,容易造成环境污染；适用范围小,不适合在大型城市使用。相比之下,污泥的机械脱水具有占地面积小、处理效率高等优势。在我国,污泥脱水技术发展迅速,各类脱水机械已经在逐渐开发制造。目前常用的脱水设备主要有真空过滤机、带式压滤机、板框压滤机、离心脱水机等。但是污水厂使用的深度脱水设备仍存在能耗高、药剂投加量大、不能连续处理等问题。上海市城市排水有限公司与上海交通大学根据当前污泥深度脱水压滤机存在的问题,开发了一套能够使污泥更加易于脱水的预处理技术[21]。该技术在污泥中投加污泥改性剂,然后污泥进入一套可连续进行脱水的新型带式压滤试验机(处理能力为20～30 t/d),污泥通过与改性剂反应并经过连续带式压滤后,含水率可从80%～85%降低到50%～55%,这就使得污泥的体积减少,方便了后续对污泥进行处理和处置。污泥脱水应作为污泥减量化发展的重要方法。

2.1.3 污泥的厌氧消化技术

污泥的厌氧消化技术是在无氧条件下,利用厌氧菌和兼性菌进行厌氧生化反应,将污泥中的有机质分解成二氧化碳、甲烷和水等稳定的物质,消化过程中产生的沼气可以作为能源进一步被利用。厌氧消化可以实现污泥的稳定化,降低污泥的含水率,使得污泥的生物稳定性得到有效改善。污泥的厌氧消化技术是目前最普遍的的污泥生物处理方法,一般可使污泥减量＞30%。具有运行成本低,较高的生物去除率(30%～50%)等优点,是大型污水厂最为经济的污泥处理方法,但是也存在工艺操作复杂,产生的甲烷气体存在安全隐患等问题。目前,在北京、上海等地约有60座大型污水处理厂建设了厌氧污泥消化系统,但是在运行的仅有20余座[22]。主要是由于污水厂产生的污泥中有机质含量过低,泥沙含量过高,污泥的可生化性较差,导致厌氧污泥消化设备运行不稳定,产沼气率低于国外设备的处理指标[23]。因此直接将传统污泥厌氧消化工艺应用于我国的污泥处理并不能取得良好的处理效果。研究人员针对我国污泥的特性,研发出了以热水解、微波以及超声波等为预处理手段的污泥处理技术,通过对污泥进行热水解等预处理,提高传统厌氧过程中污泥的水解和酸化速率,使厌氧装置的容积减少,厌氧消化所用的时间缩短,污泥的厌氧消化整体效率提高[24]。目前,对于日处理能力≥10万t的大型二级污水处理设施产生的污泥,多采取中温或高温厌氧消化技术[25]。

2.1.4 污泥的卫生填埋

当污泥的性质不适合土地利用,且当地不具备焚烧和建材利用条件时,可采用污泥填埋处理[26]。有单独填埋、混合填埋和特殊填埋等方法。污泥填埋之前必须进行稳定化处理,处理后的泥质应符合相关条例要求。我国一般采用混合土地填埋的形式,单独填埋较少使用。污泥填埋的优点是投资少,见效快,适用范围广等,但是也存在填埋场地不易寻找、污泥运输费用高、污泥中的有害成分容易渗漏,造成地下水污染等问题[27]。随着城市化的加快,垃圾和污泥量不断增多,同时污泥本身难分解,容易造成地下水污染,现在很多垃圾填埋场都拒收污泥入场。故污泥填埋不能作为有效的处置途径,这种处理途径会被逐渐淘汰。

2.1.5 污泥的焚烧

污泥的焚烧是指在氧气充分的条件下,对污泥进行完全焚烧,使污泥中的有机固体转化为二氧化碳、水和污泥灰,并彻底杀死污泥中的病原体。通过焚烧可以最大限度减少污泥容积,缩短污泥处理时间,焚烧后污泥体积只有原来的20%～30%。污泥焚烧后的剩余物质可以再次利用,如可以用作水泥添加剂。污泥焚烧还可以从废气中获取剩余能量用来发电。污泥的焚烧方式有单独焚烧和干化焚烧。单独焚烧是指将污泥单独放入焚烧炉内,在辅助燃料的作用下直接进行焚烧。干化焚烧是指先将污泥进行干化处理,使污泥的含水率大幅降低后再进行焚烧。目前,针对污泥的焚烧技术进行了多方面的研究,清华大学的研究人员以高碑店污水厂的污泥为研究对象,通过实验分析了污泥的成分和燃烧特点,研究了焚烧过程中污泥中重金属的迁移特性,针对污泥灰渣处理提出建议[28]。浙江大学研究人员研究了污泥的燃烧过程、凝聚结团特性、热解特性以及流化床焚烧污泥时产生的二次污染问题[29]。这些研究都促进了污泥焚烧技术的发展。污泥焚烧占地面积小,无害化比较彻底,但是焚烧的成本高,一部分重金属会随燃烧产生的烟尘扩散到空气中。在环保方面如何避免产生二噁英类污染性物质也是不可忽视的问题[30]。因此,目前污泥焚烧的处置技术主要应用于发达地区。

2.1.6 污泥的土地利用

污泥的土地利用是指污泥经过脱水和无害化处理后用于园林绿化、农田、盐碱地改良等,是污泥资源化的一种处置方式。污泥中含有大量氮、磷、钾等有机物,能够增加土壤肥力,对土壤的性质具有一定的改良作用。由于我国土地面积广,具有较强的污泥消纳能力,因此污泥的土地利用得到了广泛应用。北京北小河污水处理厂等单位尝试利用污泥制造有机肥料,从而实现污泥的资源化利用,提高了污泥的土地利用率[31]。但污泥的土地利用在实现污泥资源化的同时也可能带来二次污染。污泥中含有对植物和土壤有害的病原菌、病毒以及寄生虫等,并且污水处理厂的污泥可能存在重金属含量超标的问题。病毒或重金属等物质进入土壤可能造成土壤以及地下水的二次污染,进而对农作物、植被造成影响。因此,污泥要经过堆肥或者严格的无害化处理后,才可用于土地利用[32]。

2.1.7 污泥的建材利用

污泥中的无机物占20%～30%,包括硅、铝、钙、铁等成分,与建筑材料的成分相似。因此在污泥中添加适当比例的高岭土、粉煤灰后,经过高温处理可以将污泥用来制作建筑材料。污泥的建材利用范围比较广,主要包括制作轻质陶粒、水泥、砖、生化纤维板等。将污泥用于制作建筑材料,能够有效避免污泥的二次污染,节约资金,充分利用污泥自身的热值。污泥的建材利用作为一种有限的资源化方式,已经有诸多的研究和利用。南京鑫翔建材公司经过研究发现,利用窑炉余热将污泥翻抛晾晒干化,污泥水分可从80%降至25%,干化后的污泥以一定的比例(约10%)添加到煤矸石和添加材料中,经过高温煅烧后,污泥最终能烧制成一种多孔节能砖,其强度、吸水率等主要指标都达到国家标准[33]。另外,在重庆、上海等地已经成功实现利用污泥制备陶粒和烧结砖,推动了污泥建材利用的发展[34]。但是,由于符合利用要求的污泥产量少,并且存在生产符合利用要求的污泥成本高和使用范围小等问题,污泥的建材利用一直受到限制。应参考国外的成功案例,在资金来源、建材产品的出路等方面对污泥的建材利用给予相应的支持,促进污泥的资源化发展。

2.2 污泥处理处置新技术

2.2.1 污泥的原位减量技术

污泥的原位减量技术是通过降低污水处理过程中的细胞合成量,增强微生物自身内源呼吸的能力,加快微生物自身分解,最终达到减少污泥产生的1种技术,其污泥减量可达21%～87%[35]。污泥的原位减量技术主要的工艺有代谢解偶联、细胞溶解、生物补食等。这些技术需在传统活性污泥法工艺流程中增加超声波发生器等装置,或投加臭氧、解偶联剂等化学药剂。近年来,国内外学者对污泥原位减量技术进行了大量的研究。Lan等在SBR反应器前增加了预处理过程,即高压均质过程,经检测出水中化学需氧量、总氮、总磷等出水水质指标均满足国家一级A排放标准(总固体悬浮物略有增加),且处理成本与传统处理工艺相比可以降低约57%,系统达到稳定运行状态后,产生污泥量减少43.9%,化学需氧量的去除率升高[36],从处理成本和效果来看,该工艺有很大的优势。初里冰等研究的好氧——厌氧反复耦合反应器污泥原位减量化处理技术,利用多孔微生物载体及生物反应器,能够实现污泥的原位减量,并在中小规模污水处理中得到了一系列应用[37]。原位减量技术有助于提高传统工艺的处理效果,能够有效减少污泥的产生量,促进了污泥的减量化发展。

2.2.2 污泥的生物沥浸技术

生物沥浸技术是利用微生物对污泥进行调理,使污泥中重金属和病原菌得到有效去除的1种技术。微生物的种类以嗜酸性氧化硫杆菌为主,耐酸性异养菌为辅,在生物反应后通过自然重力浓缩使得污泥含水率降至90%～92%。而在不添加任何絮凝剂的情况下,经板框式压滤机脱水,污泥含水率直接降至＜60%,使剩余污泥的脱水性能得到极大改善。生物沥浸技术有许多的优势,如处理时间短,仅需1～2 d；并可以直接堆肥,彻底解决了含水率为80%的污泥堆肥占地需要大量辅料以及存在恶臭等弊端；反应全过程在常温、常压下进行,运行安全,无二次污染；能够有效去除污泥中的重金属等[38]。生物沥浸技术由南京农业大学研发成功并推向实际工程应用[39]。2010年8月在无锡太湖新城污水处理厂建成污泥生物沥浸处理深度脱水和资源化科技示范工程并正式运行,该工程可日处理5万m3污水所产生的污泥,是国际上第一个采用污泥生物沥浸法深度脱水和资源化的工程案例。随后在宁波北区污水处理厂、无锡芦村污水处理厂、宁波三菱化学有限公司、西安第六污水处理厂等陆续建成或在建大型生产性污泥生物沥浸处理工程,都实现了污泥处理效率的提高[40]。采用生物沥浸的方法处理污泥,不仅可以使污泥的脱水率大幅提高,而且可以去除污泥中的重金属,避免了污泥带来的二次污染,因此应用前景非常广阔。

2.2.3 污泥资源化利用的新途径

(1)污泥制可降解塑料

污水处理厂的污泥中含有大量能够积累聚羟基脂肪酸的细菌,向污泥中添加碳源和无机盐培养基,可以用来制备可降解塑料——聚羟基脂肪酸。霄云等将污泥在120℃、202.65 kPa条件下进行处理,研究选用一种特种微生物,这种微生物能够在体内贮存可生物降解聚酯,将这种微生物与污泥混合,促使微生物繁殖,可以大幅度提高聚酯塑料的生产率[41]。这种利用剩余活性污泥生产可降解塑料的方法实现了污泥的资源化利用,同时也能够达到环保的目的。

(2)污泥制活性炭

污水处理厂产生的剩余污泥中碳含量较高,热解后的衍生物具有良好的吸附性,可以用来处理污水,是一种性能良好的吸附絮凝剂[42]。由于活性炭吸附剂能够除去废水中的化学需氧量及某些重金属离子,因此能够彻底氧化分解原污泥中的有害因子[43]。目前,污泥制备活性炭技术主要包括2个过程,即高温热解和活化。高温热解是把原料热解为碳渣,活化是根据各种要求把碳化物变为所需要的多孔物质。根据活化方式的不同,制备污泥活性炭的方法分为物理活化法、化学活化法或物理化学活化法、催化活化法等[44]。污泥生产活性炭不仅能为活性炭的制备提供了廉价的原料,同时还可以减轻污泥带来的二次污染,使资源得到充分的利用,将得到越来越多的关注和发展。

3 展望

随着污泥产量的不断增多,污泥的处理处置技术也受到越来越多的关注。污泥作为一种有价值的资源,进行稳定化、无害化处理后再应用,既可以避免二次污染,又开发了新的资源,满足了可持续发展的要求。在现阶段污泥的处理处置以减量化、无害化为治理的首要目标,要符合安全环保的原则,未来污泥的资源化利用将成为污泥处理处置的发展方向。目前污泥处理处置压力较大,应根据我国污泥特性,以常用的污泥处理处置技术为基础,发展适合我国污泥处理处置的新技术,实现污泥的资源化利用。此外,污泥的处理处置应该考虑到环境生态、社会和经济效益之间的平衡。各种因地制宜的污泥处理处置技术路线需要大力推广和应用,以促进污泥处理处置产业的发展。