剩余污泥减量化与资源化研究进展

2019-03-14

四川化工 2019年1期

(四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065)

随着城市的发展，市政污水处理厂的规模和处理量也在不断扩大。活性污泥法作为目前最为成熟的生物法，在市政污水处理中应用广泛，然而作为生物处理过程的副产物，污水处理厂(wastewater treatment plants，WWTPs) 的剩余污泥量逐年增加，约占水量的0.3%～0.5%(污泥含水率以97%计)[1]，而且约80%的污泥尚未得到妥善处理，污泥的处理与处置费用约占污水处理厂运行费用的一半，成为污水厂的严重负担[2]。如表1所示，不同的处理方法和处理单元的污泥产量也不同。此外，剩余污泥成分复杂，通常含有大量的有毒有害物质，如细菌、病毒、重金属等，过去往往将剩余污泥简单处理后丢弃至环境中，这不仅对环境造成危害，而且忽视了污泥中许多可再利用的成分(如N、P、有机物等)。如何经济有效地处置剩余污泥并回收资源已成为研究热点。

表1 城市污水厂不同单元污泥比较

1 主要处理方法

1.1 卫生填埋

卫生填埋，是指对城市垃圾和废物在卫生填埋场进行的填埋处置。发达国家大约38%的剩余污泥都通过卫生填埋处理[3]，土地填埋在我国应用较为广泛。污泥填埋就是先将污泥进行物理脱水如机械压滤等脱水，然后对体积缩减的污泥进行处理。污泥填埋工艺简单，易操作，但需要较大的土地面积和高昂的污泥运输费用，操作不当则会造成污染地下水和有毒气体逃逸等问题[4]。

1.2 污泥焚烧

污泥焚烧即在有氧条件下，以污泥自身的有机物为燃料，实现污泥体积的减少和病菌杀灭，发达国家大约10.5%的剩余污泥采用焚烧法处理。早在20世纪60年代美国就已应用污泥焚烧技术，德国有近40个污水处理厂采用污泥焚烧工艺，根据2011年日本剩余污泥处理方式统计中，日本较大范围采用焚烧法处理剩余污泥[5]。

然而焚烧法存在设备投资大、运行费用高等问题，且易产生污染物如NOx、致癌物二噁英等，污泥的易挥发性还会导致燃烧不稳定、损伤锅炉[6]。

1.3 土地资源化利用

由于可用填埋场土地面积的减少和污泥焚烧的昂贵，土地利用被认为是一种有效的剩余污泥处置方法。污泥土地利用即将污泥经稳定化和无害化处理后，添加到土壤中并利用其中的有机物和微量元素(如Ca、Mg、Cu等)促进植物生长。土地利用能耗低，可实现污泥的资源化利用。但剩余污泥中存在大量病菌，重金属及POPs等难降解有毒物质[7]。日本曾对排水管道污泥实施土地利用，造成土壤中Zn的不断累积和淋溶下渗，甚至停止该法后13年土壤中仍能检测到超量的锌[8]。

1.4 好氧消化与厌氧消化

污泥好氧消化即通过曝气充氧，污泥中微生物通过内源呼吸代谢，分解为二氧化碳、水等简单无机物的过程，因其易操作、建设费用低，多应用于小型污水处理厂[9]。随着能源价格上涨和厌氧消化的深入研究，其应用逐渐减少[10]。

污泥厌氧消化是一种广泛应用的剩余污泥处理法。厌氧生物处理法已有一百多年的历史，其公认机理为1979年Bryant等提出的理论，即第一阶段：在水解与发酵细菌的作用下，复杂有机物分解为简单有机酸，脂类转化成脂肪酸等；第二阶段：在产氢产乙酸菌作用下，偶数碳脂肪酸被转化为乙酸和氢，奇数碳脂肪酸被转化为乙酸、丙酸和氢；第三阶段：产甲烷菌将第二阶段的产物转化为甲烷。李玉祥[11]等研究发现碱性厌氧发酵条件下蓝藻有更优秀的产酸能力和有机物降解能力。Jin等[2]研究了不同的碱类型对碱性厌氧发酵的影响，发现碱性厌氧发酵能通过抑制产甲烷菌从而有效累积短链脂肪酸(SCFAs)，实现污水厂的长期稳定运行，结果表明一价碱(氢氧化钠和氢氧化钾)较二价碱(氢氧化钙和混和碱)表现出更好的水解能力，且同步实现了高效的SCFAs堆积和污泥削减。Skalsky[12]等研究发现当SRT为2d，温度对厌氧发酵产酸过程有明显影响，14℃时SCFAs的生成速率较之21℃时下降了42%。

2 新型处理方法

2.1 湿式氧化

湿式氧化法(wet air oxidation, WAO)即在高温高压下利用氧化剂如空气将污泥氧化从而消除污染。Zimmermann于1958年提出WAO技术[13]，Zimpr公司将其应用于处理造纸黑液等工业废水。李本高等[14]研究发现不同的氧化温度下污泥中VSS的分解机理不同。湿式氧化处理的主要缺点是操作条件苛刻(高温高压)，高成本，高能耗，限制了它的大规模应用。

2.2 制备活性炭

活性炭在去除染料，重金属，VOCs，脱硫脱硝等领域应用广泛。污泥中的有机物可用于合成活性炭。制备污泥活性炭吸附材料既实现了污泥的资源化利用，又减少了煤和木材的使用。刘亚纳等[15]利用污水厂压滤污泥制备活性炭并探究了其对亚甲基蓝的吸附性能，结果表明当温度为15～35℃，吸附量随反应温度增加而增加，通过BET、SEM等表征手段发现污泥孔隙结构发达，平均孔径为9.68nm，适合于吸收如染料分子之类的污染物。任爱玲等[16]用硫酸盐改性污泥活性炭并研究了其对苯乙烯的吸附，研究发现经浸渍改性的污泥活性炭表面酸性官能团和比表面积增加，从而提高了吸附量。污泥活性炭是一种环境友好型材料，成本较低，吸附效果较好[17]；主要缺点是剩余污泥中残存一定量的重金属，在吸附过程中可能造成二次污染。此外，目前污泥活性炭对多种污染物同时去除的机理尚未研究清楚。

2.3 等离子体技术

等离子体技术即电弧等离子体产生的高温减少污泥含水率并降解有机物的过程。在我国，等离子体处理技术虽然还处于开始阶段，但已经取得了一系列科研和实践成果。曹颖等[18]研究了脉冲弧光放电等离子体水解污泥，研究发现在放电过程中，高峰值电压、高频率、高液相电导率和较长放电时间可以促进污泥水解。脉冲弧光放电能够改变污泥性质、降低污泥沉降性，对污泥有良好的水解效果。等离子体技术应用前景广阔，但目前受限于它的高能耗和昂贵的操作费用。

2.4 微生物燃料电池

微生物燃料电池(microbial fuel cells，MFC)是通过微生物催化作用，降解有机物，并产生电能[19]。微生物燃料电池效率高、无污染、燃料来源广泛、反应条件温和，对严峻的资源与能源形势下的污泥资源化利用有积极意义。黄国正等[20]实现MFC连续250h稳定输出，实验发现挥发性脂肪酸(VFAs)是主要的电子供体；Jiang等[21]研究发现相比于传统的污泥厌氧消化，MFC提高了7.9%的TCOD去除率。MFC的不足之处有电池电压与输出功率较低，电极材料较贵，对污泥的利用率较低等。

2.5 污泥制油技术

剩余活性污泥由于含有大量有机物适合制油，城市污水厂剩余污泥的有机成分高达70%～85%。污泥制油技术即在微正压、250～500℃条件下, 污泥中的有机物(主要是脂类、蛋白质类)通过蒸馏、热分解转化为油，油品(热值约33MJ/kg)回收率与污泥中的有机物含量有关，一般为200～300 L/t干污泥[22]。低温热解制油的优点主要有工艺简单，资源回收率高等。