污泥制备陶粒滤料在水处理方向的应用与未来

2022-11-23于桢泽盖俊宇

皮革制作与环保科技 2022年15期

于桢泽，姜博，张楠，盖俊宇

（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 13000；3.吉林科龙建筑节能科技股份有限公司吉林长春 13000）

近年来，住建部《城市建设统计年鉴》的数据分析显示，从2016～2020年近5年时间内，我国污水排放量呈现逐年递增趋势，2020年村镇、县城排放量和城市总计排放量为926亿吨，且农村污水处理市场增速高于城镇。污泥作为水处理过程中的产物，其处置问题给环境污染治理造成更大的负担。目前，我国各类污泥的年产总量高达约7 000万吨以上，但能得到有效处置的仅在25%左右。《水污染防治行动计划》《“十三五”生态环境保护规划》等条文明确指示，2020年底前，地级及以上城市污泥无害化处理处置率达到90%以上。目前污泥的处理技术主要有焚烧、填埋、土地利用、污泥制氢和制备建筑材料等[1-5]。近年来秉承着“绿色化学”治理污染的“以废治废”思想，利用水处理产生的污泥废物制备陶粒滤料并回用于水处理工艺，越来越受到广大学者的关注。

1 污泥的来源及处置原则

作为水处理过程中不可避免的伴生产物，污泥含有大量的有机污染物。由于处理水质的差异，还会含有重金属或病原微生物等[6-7]，如不能很好地对其进行处置，很可能会产生二次污染。而且，在污水处理过程中，90%以上的致病虫卵或有害微生物也聚集在了污泥当中，对环境会造成更严重的危害[8]。这些病菌危害会通过以下途径传播：直接接触或吸入含有污泥的粉尘；植物富集，被动物食用进入到食物链，危害人类身体健康；还有污泥经过雨水冲刷等由水体再接触动植物、人体，从而危及人畜健康[9]。

目前对于污泥的处理与处置原则主要体现在无害化、减量化、稳定化和资源化四个方面。首先，由于污泥当中含有大量的病原微生物和重金属等有害物质，因此对于此类污泥的处理必须符合无害化原则，安全性为首要任务，从而降低后续污泥处理对人体或环境带来的风险；水处理产生的污泥通常含水率较大，在95%以上，太大的体积并不利于转运、储存等，因此在处置的过程中减量化处置也是重要的环节之一，减量化处理能很好地降低在整个处理过程中的费用问题，达到降本增效的目的；稳定化则是针对污泥本身性质的处理原则之一，由于污泥有机质含量较高，易发生腐败和变质等问题，采取必要的稳定化处理，一方面可以避免上述问题的产生，另一方面也可以有效地避免二次污染的产生；资源化更是污泥处置的重要研究方向，作为水处理的附加污染物，将其转化为可利用资源使之变废为宝，可以更好地助力于环境治理和相关产业的生产[10-11]。

2 污泥处置方法现状

目前污泥处置的主要方法有填埋、焚烧、土地利用和资源化利用等，随着技术的逐步成熟，各种处置方法也各显利弊，不可否认传统技术发挥的作用，但随着环保标准的逐步提高，资源化利用更是成为主流处置方向。

2.1 填埋

填埋作为粗放式的处置方式之一，一度成为早期污泥处置的主要方法。虽然投资少、见效快，但随着环保标准的提高，其暴露出来的问题也越来越多，并且随着污泥量越来越大，适合填埋的场地资源也越来越短缺。减少填埋处置，对土地资源造成二次污染的风险会随之降低[12]。

2.2 焚烧

作为无害化处理的方式之一，焚烧处理在欧洲十分盛行。焚烧处理始于美国，在英国推广并成熟[13]。在处理的过程中，主要是通过利用污泥中的有机成分具有的热值，来达到处置的目的。焚烧不仅能使污泥减量，使其中的水分得以蒸发，还可以消灭其中的病原体，达到无害化的目的。但也具有一定弊端，在处理过程中，可能会产生有害的气体，如二噁英等，不能有效地控制有害气体的产生，是焚烧方法受限的主要因素之一。

2.3 土地利用

污泥中含有大量的有机质，其中氮、磷、钾等元素含量超过一般的农家肥。污泥资源可以在农业肥料、园林绿化和土地改良方面得到应用，但是要考虑污泥中含有的有害成分，因此，污泥在土地利用方面应进行综合考量。

2.4 资源化利用

针对传统处置方式的弊端，污泥资源化利用技术逐步成为研究的热点。污泥制氢、污泥低温热解制油，和污泥制备建筑材料等资源化方式也崭露头角，变废为宝也符合当下的环境治理趋势。在诸多的资源化方式当中，污泥制备陶粒滤料技术在水处理研究中更备受关注。

3 污泥制备陶粒滤料的研究与应用

利用污泥制备陶粒滤料最早是由Nakouzi[14]等提出，近年来，污泥陶粒的研制开发和生产应用己经受到很大的关注。污泥陶粒一般是以污泥为主要原料并掺入一些辅料如粉煤灰和粘土等，或辅以粘结剂和造孔剂经造粒而成。具有密度轻、强度高、耐腐蚀和隔热的优点[15]。

早在1994年，米尔维基轻集料厂[16]就在美国建设了陶粒生产线，以剩余污泥为主要原料，粘土、粉煤灰等为辅料，成品陶粒的堆积密度可达815 kg/m3。随后，我国的研究者也开始研究污泥陶粒的制备工作。周彩楼等[17]以净水厂污泥作为主要原料，在940～1 100 ℃的温度下制备了优等品超轻陶粒；池长江等[18]也以剩余污泥、粘土等材料制备了高孔隙、大比表面积的轻质陶粒；黄德志[19]等通过脱碳、焙烧等制备流程，将污泥与少量工业废弃物混合制备陶粒，进一步开拓了以废治废的道路；朱斌等[20]基于《轻集料及其试验方法》（GB/T17431-1998）的标准，也成功地以污泥为主料制备出了高性能的陶粒；吴建峰等[21]采用污泥为主料，以煤粉为成孔剂，制备了烧成温度低、烧成范围宽的滤球，性能指标优异，压碎强度、体积密度、吸水率和气孔率分别为6.16MPa、1.38 g/cm3、41.35%、和57.18%。

在应用研究方面，制备的陶粒用于城市水处理实验表明[22]，其性能优异：比表面积大、生物附着力强、挂膜性能良好且容易进行反冲洗。左燕君等[23]以蒸汽养护法制备的陶粒在水处理过程中，运行稳定，出水效果良好。在高、中、低三个进水COD的实验中，其去除率分别可达到97.3%、86.1 %和64.8%；阮传祥[24]等也成功利用滩涂淤泥和脱水污泥制备出了价格更为优异的成品陶粒，并用于实际生产；闻科健[25]等用污泥制作陶粒，在相同的条件下进行实验，结果表明无论在挂膜时间，以及之后对于COD以及NH3-N的去除效果上，均超过普通陶粒。COD去除率稳定在85%以上，对NH3-N去除率稳定在80%，对磷的去除率达到61.81%。葛伟青[26]等将制备的陶粒应用于曝气生物滤池，其中对CODcr的去除率最高可达80%以上，对色度的去除率最高可达60%以上；高仙等[27]利用污泥基陶粒对Cd2+进行吸附研究，其作用机理表明：吸附行为是物理与化学过程共同作用的结果；任新[28]等发现制备的污泥陶粒对水中Cr（VI）的吸附效果显著；付斌等人[29]通过柱状实验发现，污泥陶粒滤层对流经污水起到了初步过滤的效能，对氨氮的平均去除率达到80.34%。与之研究结果相反，郑育毅等[30]制得的陶粒对氨氮的去除效果尚不理想，但对磷的去除率可达98%。陈洋[31]以给水厂污泥为原料制备陶粒，污泥的掺量可达75%～80%，经过1 150 ℃的高温煅烧后，在中性条件下，对水中磷的去除率可达92.8%。

4 污泥制备陶粒滤料的创新研究建议

通过对污泥制备陶粒的研究与应用分析，目前对于污泥陶粒的制备工艺，大都经过烘干、配料、制粉、成球、烧制和筛分等流程，工艺控制条件、能耗等也根据配料比各不相同，并且在其应用的过程中会出现损耗等。因此，在未来的研究与应用过程中，更应该注重创新性开发，避免制备流程繁杂、能耗成本过高以及应用损耗现象严重等问题。

首先，水处理用陶粒滤料长期处于水流冲刷状态，并且一些反冲洗工程中陶粒之间会产生剧烈的碰撞，因此成品污泥陶粒要保证强度的稳定性，在综合考虑污泥掺量的同时，更应注重其强度性能的提高，选择更优异的高强度创新辅料也是今后研究的重要方向之一。与此同时，应加强针对某些污泥的成分分析，例如含有重金属的污泥，在选择其作为原料的同时，成品陶粒的安全性问题也应加以考虑。其次，在应用研究的过程中，污泥滤料对不同污染物的去除效果并不都理想，去除原理以物理吸附为主，若要提高对氨氮等指标的去除效果，在今后的研究中，更应注重对污泥陶粒的改性研究，从而进一步完善其制备过程，达到同步创新增效的目的。