污水厂剩余污泥资源的滤料化研究

2022-11-23王一帆

皮革制作与环保科技 2022年15期

王一帆，姜博，谢添，张琮

（1.吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林长春 130118；2.吉林省建筑科学研究设计院（吉林省建筑工程质量检测中心），吉林长春 130118；3.吉林中源建筑市政工程设计有限公司，吉林长春 130118）

随着全球城市化进程的加快，基础设施不断完善，城市污水处理率不断提高的同时，也伴随着严格的污水排放标准的实施[1]。其中，污泥成为城市污水厂处理过程中产生的主要副产品[2]，并且产量在不断增加，污泥量呈现指数级增长状态。

污水处理过程中产生的污泥中含有大量的有机污染物（氮磷化合物）和重金属，且含有大量水分（通常高达99%），以及大量微生物和有机物质，容易腐化，散发恶臭。污水厂污泥的颗粒较细，比重较小，是一种介于液体和固体之间的粘稠胶体状物质，很难通过静置沉淀的方式进行固液分离[3]。研究表明，污水厂污泥很难降解，并长期具有毒性。如果处置不当，其将以空气、地表水、地下水和土壤等为媒介进入食物链，在新陈代谢循环过程中威胁人类健康，因此不容忽视。

1 传统污泥处理方式存在的问题

传统的污泥常规处理方式有填埋、海洋倾倒、焚烧、堆肥等[4]，不仅会造成严重的环境污染，还会导致资源的大量浪费。

（1）填埋需要将污泥脱水后运输至指定场地，这些地方需要远离水源，人迹罕至，因此运输成本极高[5]。欧洲和美国等发达国家已将剩余污泥土地使用实行严格标准，不能随意进行填埋[6]，因此，污泥填埋场的环境经济效益值得评估。

（2）海洋倾倒[7]是将污泥倾倒入海洋，看似过程简单，处理成本低，然而必须严格评估海洋倾倒对海洋生态环境的负面影响[8]。

（3）焚烧过程可能会产生有害气体SO2（二氧化硫）、TCDD（四氯二苯并对二恶英）和其他气体，造成空气污染[9，10]，污泥焚烧产生的环境污染不可避免[11]。

（4）污泥堆肥可以有效利用污泥和有机物中的微量元素，如氮、磷和钾[12]，然而污泥堆肥土壤的长期食物链安全性需要进一步研究。

所有这些方法都有一定的局限性。

2 污泥滤料化研究进程及其工艺

探索污泥处置的新方法和资源综合利用的新途径，对解决污泥处置问题具有重要意义。因此，将污水厂污泥用于制备陶粒、进行以建筑材料为主的建材化利用技术受到越来越多学者的关注。

2.1 污泥滤料化研究进程

Nakouzi S.等人是最早[13]提出采用污泥制备陶粒的，以污泥为主要原料，掺加适量辅料（如粉煤灰、活性碳、煤矸石等）作为粘结剂或者造孔剂，经过成球、干燥、陈化、升温等工序，最终在高温的条件下，陶粒内部气体膨胀，形成多孔结构。

陶粒是一种合成粘土矿物，主要由钙含量为50%（重量百分比）的碱性钙矿物组成。近年来，陶粒因其成本低、无二次污染、吸附性能强等优点，在生态修复，特别是除磷方面的应用得到了广泛研究。污泥制备陶粒技术，研究起步较晚，目前大都将研究重点放在原料配比、工艺条件优化等方面，然而污泥掺量较低也是目前亟待解决的问题之一。成品滤料的性能也各不相同，金属氧化物被认为是去除废水中磷的最有潜力的吸附剂之一，它通过一定的化学反应和煅烧产生，具有较强的吸附能力，固体吸附剂支撑的金属氧化物合成材料，在固体材料和金属氧化物之间表现出协同效应。

2.2 污泥陶粒制备原理及工艺概述

目前，我国对陶粒尚无明确定义，多数学者将其视为轻集料的一种。通过掺杂污泥，加入一定的粘结剂和造孔剂，再经过高温的焙烧，使得污泥中原本含有的致病细菌、微生物、有机氮、磷等有害成分分解；而且污泥所含有的铁铝等金属经过高温烧制，稳定固结在陶粒内部，让原本属于危险废弃物的污泥能够安全应用于实际生产。此外高温产生的气体在向外逸散的过程中，会在陶粒表面形成大量气孔，能够增大陶粒的比表面积，增大陶粒表面的粗糙度，增强微生物的生物挂膜性能。

污泥陶粒按照制作工艺可以分为烧制陶粒和非烧制陶粒，给水厂陶粒因为所含污染物较少，因此一般采用免烧结的方式。免烧结一般通过添加胶凝材料（水泥等），经过一段时间的晾干而得到，优点是无需烧结因而减少大量能源消耗；污水厂污泥所含污染物较多，多采用烧结的方式，通过高温煅烧原料制备陶粒能够提高材料性能和安全性，值得推广应用的一种很有前途的方法。烧结陶粒可以给产品带来很多好处，例如通过固化，稳定提高机械强度；通过添加嵌入晶体，稳定有害金属；通过热解和气化去除有机污染物、病原体；通过生成微孔结构来提高吸附能力。在陶粒生产过程中，许多因素会影响陶粒的性能，例如污泥掺杂量、预热温度、焙烧温度和焙烧时间、烧制工艺等，其中污泥掺量主要影响陶粒孔隙率和堆积密度等性能。由于每一种污泥的含量都不同，所以没有明显规律来提升套利的性能。

当前，为确保陶粒的强度，生产中主要掺杂粘土、粉煤灰、煤矸石等充当骨料，对污泥制备陶粒的研究较少。由于我国耕地面积有限，大量使用粘土来烧制陶粒也是不被允许的，所以污泥就成为很好的替代品。污泥经过干化后，掺杂粉煤灰，根据发热量计算调配比例，添加适量水分成球后，可以大幅度降低烧制温度，缩短烧制时间。相比较于粘土、煤矸石等矿物材料，污泥价格更加低廉，能够带来更多的经济效益，同时实现固体废弃物的无害化处理。污水厂污泥是粘土的最佳替代品之一，因为其主要成分与粘土相似，从自然资源恢复和保护的角度来看，利用污泥代替粘土生产陶粒具有重大意义。污泥烧制陶粒不仅能够减少污水厂药品的投加，而且会推动社会经济效益的发展，是一个可持续发展的过程。

2.3 陶粒用于废水处理

目前，在固体废物的联合处置中，污染控制和利用相结合是一种趋势，陶粒被认为是处理各种危险废物（包括污泥、泥浆、污染土壤、灰尘和其他有害物质）最有前途和应用前景的方法之一。陶粒是一种多孔球形材料，可用于废水处理，因为它具有很高的稳定性和对微生物生物膜、生物量的亲和力。污泥陶粒所用原料为固体废弃物材料，经过烧结后具有较高强度，耐腐蚀，具有较高比表面积，可应用于水厂的水处理滤料和人工湿地作为植物和微生物载体。陶粒作为人工湿地的填充物，能够有效维持湿地的稳定性，延缓湿地堵塞，显著提高社会和环境的经济效益。此外，陶粒的生产工艺相对成熟，而且原材料容易获得，它被认为是经济、安全和环保的，因此可用于废水处理行业。