污水处理厂的污泥处置及利用途径

2022-12-28浙江双益环保科技发展有限公司蔡潇彦汪健桦马敏杰

区域治理 2022年25期

浙江双益环保科技发展有限公司蔡潇彦，汪健桦，马敏杰

世界人口目前约为79亿人，而中国人口数量占据世界第一，对不可再生资源的需求极其庞大。其中饮用水可被视为可持续发展最重要的公共资源，水资源的消耗量可以直接转化为实际生产生活中的污水产生量，这些污水在拥有基本卫生设施的国家被引导到特殊工厂进行处理和再利用。

污水处理产生由有机物和水组成的半固体废物，其中的污泥通常称为污水处理厂的污水污泥（SS-WWTP）。这种废物是高度异质的，其理化特征取决于多个参数，例如所应用的处理类型、收集的污水的来源（城市，工业，农村）和天气。污水污泥的使用既不会降低土壤或水的质量，也不会因其施用形式而引起气味问题。对于污水处理厂的污泥最终处置产生的大部分污水污泥（估计约为49%）都存在环境问题。因其庞大的产量，SS-WWTP已成为一个全球性问题。

一、污泥处置现状

在发展中国家，由于污水中存在重金属 Ar、Cd、Pb、Hg、Ni和可以引起流感、肝炎、破伤风、黄热病和风疹的微生物病原体，处置不当对人体的危害巨大。然而，在实际生产活动中，这些污水不能得到正确处置的案例比比皆是，更有甚者在未经任何处理和控制的情况下直接排放，严重破坏了生物环境，对人类生命健康也造成了不可磨灭的潜在危害。在这种局势下，严格要求污水排放标准、正确处置污水污泥、合理利用其副产品就显得尤为重要[1]。

我国污水处理厂最常见的污泥处置技术仍是老派的资源化或抛弃型。资源化技术就是将处理后的污泥在加工利用，这样既提高了资源利用率，又保护了生态环境。另一种抛弃型就是将处理后的污泥直接排放，最常见的处置方式主要有垃圾填埋、焚烧和海洋排放，这种处理方式不仅对生态环境造成污染和破坏，而且浪费大量的社会资源。例如，垃圾填埋处理技术不仅会占用大量的土地资源，而且会污染地下水资源；焚烧技术会污染大气环境；海洋排放会威害海洋生物的生命健康、污染海水资源。因为我国污泥处理技术起步较晚，操作手法相对简单，设备设施较为陈旧，所以处理效率相对较低，还需要不断的完善。此外，由于我国城市化进程不断加快，我们的污水排放量也在不断增加。然而。我国大多的污水处理厂都把重点放在污水的处理和净化上，而忽视了正确的污泥处理技术，加上污水处理厂的资金和场地有限，所以人们无法投入大量资金引进先进的设施设备和新技术，以上种种原因都给整个污泥处置工作带来了很大的挑战，阻碍了我国社会经济的可持续发展。

市政污水处理厂（WWTPs）产生的污泥仅占处理废水量的百分之几，但其处理量占总运营成本的50%，处置价格高昂。此外，实现可持续的污泥管理战略的必要性已成为人们极为关注的问题。因此，由于传统和更传统的选择，例如为农业目的铺设土地，逐渐受到限制，而且往往在法律上被禁止，因此需要开发创新系统，以最大限度地回收有用的材料和/或能源。可以通过综合方法促进向更可持续的程序的改变，包括通过低能源影响系统评估能够最大化回收/回收效益的管理路线，以及开发适合当地情况的操作系统。基于上述考虑，提出一种集成系统。它包括厌氧消化，脱水/干燥和热解/气化过程，这些过程有效地耦合以回收产品以进行材料再利用和/或能源目的。这种综合系统还应允许回收一种或多种材料，这取决于最适合当地具体情况的工艺组合。

二、污水处理厂的污泥处置技术

废水处理过程的各个阶段相当保守。大多数情况下，废水处理厂的规模是该过程中使用的技术的主要决定性因素。以下步骤组成污水处理厂的污水污泥处置过程：浓缩、脱水、消化和焚烧。一些技术，例如用于污泥稳定和调节的技术，需要事先将污泥处理为脱水或浓缩。无论使用何种处理技术，都有一定的方法可以沉降获得的污泥，所有这些操作都需要在每个污水处理厂进行。污泥处理工艺过程的数量和类型不仅取决于处理污泥的性质和数量，而首先取决于污水污泥的最终管理方法。对于小型废水处理厂来讲，曝气是最耗能的过程。

（一）浓缩

浓缩污泥可以降低污泥的含水量和减少污泥的体积。它主要采用重力法和离心力法等的物理方法有，利用污泥颗粒中所含的缝隙将水从缝隙中挤出来[2]。

（二）脱水

污泥浓缩处理后，还需要进行污泥脱水处理[3]。常用的污泥机械脱水方法有真空脱水、离心脱水和压滤脱水。真空脱水是利用真空转鼓过滤机将一段滤网压缩成真空状态，从而挤出污泥中多余的水分，有效减少污泥的体积。离心脱水的原理是通过离心力的作用将污泥中的水分分离出来。压滤脱水是利用压力挤压污泥中的水分，使其通过介质过滤到另一侧，从而实现污泥中水分的去除。

（三）消化

污泥的消化方式有好氧消化和厌氧消化，其工作原理主要是为了降低污泥中有机物的含量，保持污泥的稳定性。其中，厌氧消化主要是消灭污泥中的病原菌，而好氧消化可以增加污泥的暴露量，加速有机物的分解。有机物的消化主要经过水解酸化和产甲烷两个步骤。污泥中的蛋白质可通过水解酸化分解。在产甲烷阶段，乙酸等物质可以再次分解成甲烷分子，然后通过新陈代谢分解，使污泥的价值得到充分利用[4]。

（四）焚烧

随后可以进一步焚烧所获得的生物质。完整的焚烧装置由托盘、螺旋进料机和熔炉组成。螺旋给料机将燃料送入炉排上，在那里通过受控的空气爆破进行完全燃烧。灰烬通过移动炉排输送到接收容器。整个安装装置可以补充一个储罐（能量输入1.5 kW，标称容量-100 L）作为处理过的热水的容器，从而改善整体能量平衡。来自废水生物处理厂的污泥的有机部分的特征在于总有机碳、TOC、含量、环己烷和甲苯提取物，以及在不同温度下在氮气和空气流中的热解吸。无机部分通过水萃取、FT-IR 光谱、热重分析和扫描电子显微镜/能量色散 X 射线分析来表征。用焚烧代替常见的直接排出污水污泥，减少了有害物质在土地中的扩散，有助于减少对人类和生态系统造成的环境毒性。所述替代废水和污水污泥处理工艺的应用正在导致整个废水处理工艺的概念发生变化，并正在解决污水污泥产生地的管理问题。

三、污水处理厂的污泥利用途径

综合污染预防和控制概念是处置的基础，也由用于污水污泥处理的最佳可用技术定义，该技术可以更好地管理与温室气体排放相关的污泥量的可实现排放值/性能率，以及扩大农业中处理过的污泥利用，林业，土壤改良，能量回收。作为稳定和卫生的堆肥或作为生物质输入，用于直接与废水处理系统集成的热装置。因此，出于保护自然环境和节约自然资源的原因，我们专注于以下污泥处理方法：用作建筑材料、用于农业堆肥和用于燃烧产热。

（一）用作建筑材料

随着污水污泥数量的增加成为每个国家紧迫和不可避免的问题，其在建筑和建筑材料生产中的应用为污泥处置和资源回收提供了替代解决方案。与粘土和硅酸盐水泥类似，污水污泥中的主要氧化物是SiO2（10-25 %），Al2或3（5-10%）和CaO（10-30%），它们在焚烧后的污泥灰中增加到25-50%，10-20%和15-30%。因此，这种固体废物不仅可以用作通过烧结工艺生产生态水泥，砖块，陶瓷材料和轻质骨料的原料，还可以用作骨灰材料中的补充混合物，例如火山灰成分，细骨料或填充材料。通过批判性地审查污水污泥的当前利用率，在水泥生产中用污水污泥替代高达15%的天然原料是可行的，并且制造的生态水泥熟料显示出与传统波特兰水泥相当的性能。虽然作为砖，陶瓷材料和轻质骨料制造中的原料，但20%的污水污泥替代是可以接受的，以生产高质量的产品（在8%的烧成收缩率和15%的吸水率范围内）。虽然原始污泥中有机物含量高会导致机械强度下降和水化过程延迟，但受控的低强度材料提供了大量污泥的创新再利用。产品中重金属的固定化可防止污水污泥造成二次环境污染。

在建筑行业内，SS-WWTP可以包含在熟料的生产中，并在煅烧后用作混凝土的轻骨料、膨胀粘土颗粒/骨料或混合水泥的补充胶凝材料。污泥添加到粘土混合物中（高达重量的15%）降低了其可塑性，并且观察到水需求略高。动态扭转振荡（振幅扫描）测试被发现是确定混合物挤出性的最佳水分范围的有用工具。基于这些水分调节，无论污泥含量如何，都能生产出高质量的微型砖（1：5），没有表面或体积缺陷。对于2至10%之间的污水污泥添加，最佳含水率为31-33%。较高的污泥含量（高达15%）可将最佳含水率提高到35%。虽然添加的污泥增加了总体收缩率（干燥和烧制后），但获得的值仍在标准建议的范围内。尽管吸水率增加，但砖的机械性能没有显着差异。虽然最终烧制产品（砖、瓦）的理化性能已被证明符合相关标准的要求，但SS-WTPS作为陶瓷工业中粘土基原材料的替代品的技术使用也取决于这种材料如何影响烧制前的生产过程（主要是塑料成型通过挤出和干燥）。目前，尚不完全了解SS-WWTP如何改变粘土混合物的可塑性和一致性及其在挤出过程中的行为。虽然砖，瓷砖和其他陶瓷建筑产品通常通过挤压成型，但很少有报告涉及这种成型过程。在这方面，生坯混合物在挤出过程中应在高剪切应力下表现出低粘度，但在工艺结束时应表现出高粘度和刚度，以使挤出物保持其形状。因此，挤出过程在很大程度上取决于粘土混合物的流变特性以及挤出机的设置，只有流变测量才能在特定变形所需的能量方面提供准确的答案。

在陶瓷工业中，SS-WWTP可以用作接收（或部分干燥）甚至煅烧材料。当在生产过程中掺入污泥的高潜力通过砖块的基本物理机械表征来证明。SS-WWTP的无机部分主要由SiO构成2铝2O3、曹和铁2O3，这与陶瓷工业中使用的粘土的化学成分相似。从SS-WWTP的再利用中获得的陶瓷产品的性能取决于有机物的含量，这会影响烧成收缩率、孔隙率、密度、吸水和机械强度。鉴于不同工艺和不同世界地区产生的污泥具有很高的物理和化学异质性，用于制造陶瓷产品的塑料粘土混合物中污泥的最大添加量可能会有很大差异，有<重量2.5%的、<重量5%的、<重量10%的、甚至有达到重量20%的，最终产品的机械性能降低（在标准建议的限度内）是可以接受的。当污泥含量增加时，其表现能力越差。对于它的燃烧，有广泛的烧成温度范围（从88℃-1210℃）。在1210℃下烧制的瓷砖生产中加入60%的半干SS-WWTP是可行的。从这个意义上说，为了控制由于燃烧过程引起的收缩，发现污泥含量和温度是关键因素。因此，鉴于陶瓷行业巨大的产能和原材料消耗，这项工作所得到的结果加强了这种污水污泥作为粘土基砖生产替代原料的价值化潜力，同时减轻了污泥作为废物在卫生填埋场处置的环境影响，可以应用在实际生产中。也就是说，将污水处理厂的污水污泥作为原料，通过挤压生产红陶瓷砖具有高度的可行性。就重金属的浸出性而言，污水污泥不会带来环境风险[5]。

在粘土混合特性中，粒径分布、添加剂和水分含量是塑料成型工艺需要考虑的关键参数。根据文献，SS-WWTP含量较高会降低挤出过程中混合物的可塑性和可加工性。关于通过Atterberg限评估混合物可塑性的报告，由于其易于实施和低成本而被广泛用于土壤分类，或Pfefferkorn装置。事实上，用于表征土壤的传统测试已被用于粘土基产品成型过程中的经验相关性和评估。然而，关于SS-WWTP添加如何影响粘土基混合物的流变特性和成型工艺效率的理解尚未完全涵盖。使用振荡（振幅扫描）测试可以特别启发性地表征被挤出的塑料浆料的粘弹性行为。在线性粘弹性区域内，可以测量复剪切模量的实数和虚部：实数分量或弹性存储模量表示材料的弹性，可回收,虚部或粘性损失模量表示其粘性分数。

（二）用于农业堆肥

在废水处理工艺过程中，将过多的污水污泥置于堆肥过程中，取代了其稳定性。整个过程可以在这一步停止，根据RES的定义，将堆肥或“生物量”稳定下来，作为土壤改良的肥料。污水污泥中有机碳（C）和氮作为土壤肥料的矿化作用受废水处理和污水污泥处理的影响，污泥处理越先进，产品越稳定。污水污泥的农业利用也因为其地形地势和所在位置造成很多局限性，而污水污泥的肥料效用主要由有机物氮（N）、磷（P）和钾（K）的含量以及限制其施用的污染物的数量所决定。目前，根据循环经济战略，可以观察到基于污水污泥生产有机肥料或有机矿物的强烈趋势。为了生产这种肥料，使用大量的无机基质添加。这些最常见的是钙化合物，硫酸，镁，钾化合物或沥青或褐煤燃烧产生的粉煤灰。这些化合物的应用是为了消除用于制造卫生产品的病原体，使其化学和物理性质均质化（因为污水污泥是具有相当可变成分的基质），并获得用于储存最终产品肥料的实用形式。用作肥料的污水污泥显着增加了植物养分的宝贵来源的含量。这种管理方法可以构成补充施肥或用天然肥料代替施肥。在Grobelak等人的研究中，当污泥仅脱水（DMS）时，将混合污泥中含有的C中的90%以上用于现场施用，避免了厌氧消化过程中的C损失[6]。使用灰肥进行褐煤燃烧和富集硫酸铵，过磷酸盐或钾盐混合物的可能性。另一种解决方案提出了添加钾化合物对污水污泥进行造粒。因此，污水污泥不仅可以作为有机物的来源，还可以作为从土壤中浸出矿物肥料部分的抑制剂。在土壤回收过程中使用污水污泥有助于回收有价值的元素，N、P和其他对植物生长至关重要的营养素。将未处理的脱水污水污泥和多余的污水污泥输送到热堆肥机，脱水大量的污水污泥，加上未经处理的污水污泥（经过带式过滤器和开槽筛后），构成堆肥负荷。然后通过螺旋输送机将其输送到堆肥机，堆肥机本身就是热堆肥机（AgroNova）。这种在高温下堆肥的过程适用于不同有机废物的处理，例如食物垃圾。该过程在70℃的温度下进行。堆肥被混合、充气和加热。