城市污水廠的污泥是指處理污水所產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)及液態(tài)的廢棄物,是一種由有機(jī)殘片、細(xì)菌體、無(wú)機(jī)顆粒、膠體等組成的極其復(fù)雜的非均質(zhì)體。任意排放不加處理的污泥會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。隨著城市化的進(jìn)展和環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的日益提高,污水處理率和處理程度也日益得到提高和深化,因此污泥的產(chǎn)量也大大提高。據(jù)統(tǒng)計(jì),2003年全國(guó)每年的污泥(干重計(jì))產(chǎn)量約為130萬(wàn)噸,而且以每年10%的速度遞增[1]。如果大量的污泥不加處置就任意堆放和投棄,會(huì)對(duì)環(huán)境造成新的污染。因此,如何將數(shù)量大、成分復(fù)雜的城市污水污泥進(jìn)行處理處置,使其減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化、資源化,已經(jīng)成為全球廣泛關(guān)注的課題之一。

1城市污水處理廠污泥的特點(diǎn)

城市污水污泥的成分復(fù)雜,由多種微生物形成的菌膠團(tuán)與其吸附的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物組成的集合體,含有水分、難降解的有機(jī)物、重金屬、鹽類(lèi)以及少量的病原微生物和寄生蟲(chóng)等。中國(guó)城市污水廠污泥的成分特點(diǎn)如表1所示[2]。

污泥中重金屬含量主要取決于工業(yè)廢水排入污水處理廠的情況。中國(guó)污水中工業(yè)廢水比重大,故污水廠初沉及二沉污泥重金屬含量較高,某些重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)。

2污泥處理處置的一般原則

城市污水廠污泥處理與處置必須遵循“減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化、資源化”的處置原則,將“無(wú)害”作為污泥處置的重點(diǎn),把“資源化”作為污泥處置的最終目標(biāo)。為有效、徹底解決污泥的環(huán)境污染問(wèn)題,可以通過(guò)技術(shù)開(kāi)發(fā)將大量的廢物變?yōu)榭捎梦镔|(zhì),對(duì)污泥進(jìn)行綜合利用,取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

2.1減量化

城市污水處理廠的污泥減量化就是通過(guò)采用過(guò)程減量化的方法減小污泥體積,以降低污泥處理及最終處置的費(fèi)用。污泥減量化通常分為質(zhì)量的減少和過(guò)程減量,質(zhì)量減少的方法主要是通過(guò)穩(wěn)定和焚燒,污泥體積減小的方法主要是通過(guò)污泥濃縮、污泥脫水兩個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn),過(guò)程減量可通過(guò)超聲波技術(shù)、臭氧法、膜生物反應(yīng)器、生物捕食、微生物強(qiáng)化、代謝解偶聯(lián)及氯化法等方法實(shí)現(xiàn)。

2.2穩(wěn)定化

污泥穩(wěn)定化是降解污泥中的有機(jī)物質(zhì),進(jìn)一步減少污泥含水量,殺滅污泥中的細(xì)菌、病原體,消除臭味,使污泥中的各種成分處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的一個(gè)過(guò)程。需要采用生物好氧或厭氧消化工藝,或添加化學(xué)藥劑等方法,使污泥中的有機(jī)組分轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的最終產(chǎn)物,進(jìn)一步消解污泥中的有機(jī)成分,避免在污泥的最終處置過(guò)程中造成二次污染。

2.3無(wú)害化

污泥無(wú)害化處理的目的是采用適當(dāng)?shù)墓こ碳夹g(shù)去除、分解或者“固定”污泥中的有毒、有害物質(zhì)(如有機(jī)有害物質(zhì)、重金屬)及消毒殺菌,使處理后的污泥在最終處置中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成沖擊,防止意想不到的污染物在不同介質(zhì)之間的轉(zhuǎn)移,更具有安全性和可持續(xù)性,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。

2.4資源化

污泥的特點(diǎn)和性質(zhì)決定了污泥的根本出路是資源化。資源化是指在處理污泥的同時(shí),回收其中的氮磷鉀等有用物質(zhì)或回收能源,達(dá)到變害為利、綜合利用、保護(hù)環(huán)境的目的。污泥資源化的特征是:環(huán)境效益高、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效益高、能耗低[3]。

3城市污水廠污泥處理的工藝流程

污泥處理的主要目的是減少污泥量并使其穩(wěn)定,便于污泥的運(yùn)輸和最終處置。污泥處理工藝主要由污泥的性質(zhì)以及污泥最終處置的要求所決定。圖1為以活性污泥法為主的城鎮(zhèn)污水二級(jí)處理廠污泥處理典型流程。

來(lái)自一級(jí)處理的初沉污泥和二級(jí)處理的剩余污泥分別進(jìn)入處理池,以協(xié)調(diào)污水處理系統(tǒng)污泥的產(chǎn)生量和污泥處理系統(tǒng)處理能力之間的平衡;隨后進(jìn)行污泥濃縮,濃縮的方法有自然濃縮和機(jī)械濃縮,自然濃縮又分為重力濃縮和氣浮濃縮,目的均為大幅度地消減污泥體積,減小后續(xù)處理的水量負(fù)荷和污泥調(diào)理時(shí)的藥劑投量;污泥穩(wěn)定則是減少污泥中的有機(jī)物含量和致病微生物的數(shù)量,降低污泥利用的風(fēng)險(xiǎn),穩(wěn)定的方法有厭氧消化、好氧消化和化學(xué)穩(wěn)定;調(diào)理則是提高污泥的脫水性能(減少污泥的比阻);脫水的目的是進(jìn)一步降低污泥的含水率,經(jīng)脫水后的污泥可直接進(jìn)行最終處置,也可經(jīng)干化后再進(jìn)行最終處置[4]。在本文的第四部分將對(duì)污泥的處置進(jìn)行具體論述。

目前在城鎮(zhèn)污水處理中普遍采用生物除磷工藝,此時(shí)所產(chǎn)生的剩余污泥由于富含無(wú)機(jī)磷,進(jìn)行重力濃縮時(shí),由于濃縮池內(nèi)的厭氧狀態(tài)會(huì)促使磷的釋放,常用的一種方法是經(jīng)調(diào)理后直接進(jìn)行機(jī)械濃縮和脫水,使用的主流設(shè)備為污泥濃縮脫水一體機(jī)。典型流程見(jiàn)圖2。

4污泥的最終處置和綜合利用

4.1污泥的衛(wèi)生填埋

污泥填埋處置主要可以分為兩類(lèi):一是在專(zhuān)門(mén)填埋污水污泥的填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋處置;二是在可以和生活垃圾一起在城市固體廢棄物填埋廠進(jìn)行填埋[5]。

衛(wèi)生填埋是從傳統(tǒng)的堆放和填地發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)最終處置技術(shù)。目前已經(jīng)比較成熟,它的優(yōu)點(diǎn)是投資少、容量大、見(jiàn)效快,并且還可以增加一部分城市建設(shè)用地。基本方式是城市污泥經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的滅菌處理,直接傾倒于低地或谷地制造人工平原。

但是這種方法占地面積大,而且污泥中含有的各種有毒有害物質(zhì),會(huì)通過(guò)雨水的侵蝕和滲透作用污染地下水,并不能徹底地避免環(huán)境污染,并且還有填埋場(chǎng)構(gòu)筑物中的沼氣的累計(jì)可能產(chǎn)生火災(zāi)或爆炸,有潛在的危險(xiǎn)性。

4.2污泥的焚燒處理

污泥焚燒的處理法是最徹底、最大程度的減容方法。一是脫水直接焚燒,另一類(lèi)是脫水、干化再焚燒。污泥中含有大量的有機(jī)物和一定量的纖維木質(zhì)素,具有一定的熱值。焚燒法產(chǎn)生的剩余物最少,無(wú)異味,可迅速和較大程度地使污泥達(dá)到減量化。不需作滅菌處理,干污泥顆粒可作發(fā)電廠燃料的摻合料,燃燒灰可作水泥的添加劑,污泥陶粒等可作建筑材料。

污泥通過(guò)干餾可提取焦油、燃料油等,也可制造四氯化碳、有機(jī)玻璃樹(shù)脂、甲醛等化工產(chǎn)品。污泥中合有一定量的有機(jī)成分,經(jīng)脫水干燥的污泥可用焚燒處理。污泥焚燒還可以從廢氣中獲得剩余能量,用來(lái)發(fā)電。在脫水污泥中加入引燃劑、催化劑、疏松劑和固硫劑等添加劑制成合成燃料。該合成燃料可用于工業(yè)和生活鍋妒,燃燒穩(wěn)定,熱工測(cè)試和環(huán)保測(cè)試良好,是污泥有效利用的一種理想途徑[2]。

4.3污泥的土地利用

污泥的土地利用已有多年歷史,主要包括污泥農(nóng)用,污泥用于森林與園藝、廢棄礦場(chǎng)等場(chǎng)地的改良等。污泥中含有豐富的有機(jī)物和N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素以及植物生長(zhǎng)必需的各種微量元素Ca、Mg、Zn、Cu、Fe等,施用于農(nóng)田能夠改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤肥力、促進(jìn)作物的生長(zhǎng)。污泥的土地利用是一種安全積極的污泥處置方式,在美國(guó)約有40%左右的污泥采用土地利用的方式進(jìn)行處置。盡管污泥的土地利用有能耗低、可回收利用污泥中養(yǎng)分等優(yōu)點(diǎn),但污泥中也含大量病原菌、寄生蟲(chóng)(卵),以及銅、鋁、鋅、鉻、汞等重金屬和多氯聯(lián)苯、二噁英、放射性核素等難降解的有毒有害物。一般來(lái)說(shuō),污泥要作土地處置必須經(jīng)無(wú)毒無(wú)害化處理,否則,污泥中的有毒有害物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致土壤或水體的二次污染[1]。

4.4污泥的堆肥處理

污泥堆肥是城市生活污水處理產(chǎn)生的污泥堆肥化產(chǎn)物,也就是將污泥進(jìn)行穩(wěn)定化處理。其堆肥工藝流程如圖3所示。

堆肥處理是一種無(wú)害化、減容化、穩(wěn)定化的綜合處理技術(shù),是由混合微生物群落在潮濕的環(huán)境中對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分解。堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的高溫可以有效地殺死病原微生物及各種寄生蟲(chóng)卵。污泥經(jīng)過(guò)高溫堆肥進(jìn)行生物發(fā)酵技術(shù)處理后,把有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性較高的腐殖質(zhì),可達(dá)到無(wú)害化和資源化。它一方面借助堆肥產(chǎn)生的高溫加快分解速度,更加有效地殺死病原微生物及各種蠕蟲(chóng)卵。另一方面通過(guò)添加調(diào)理劑、膨脹劑以改善污泥的膠體團(tuán)粒結(jié)構(gòu),降低含水率,同時(shí)由于污泥的進(jìn)一步腐殖化,植物可利用的養(yǎng)分增加,大大提高了肥料的利用價(jià)值。

4.5污泥的堿性穩(wěn)定化

堿性穩(wěn)定化是指在污泥中加入石灰或水泥窯灰等堿性物質(zhì),使污泥pH>12并保持一段時(shí)間,利用強(qiáng)堿性和石灰放出的大量熱能殺滅病原體、降低惡臭和鈍化重金屬,處理后污泥可直接施用于農(nóng)田。堿性穩(wěn)定化的兩個(gè)主要處理方法是N-ViroSoil和AgriSoil方法[1]。前者是在堿性穩(wěn)定后通過(guò)機(jī)械翻堆或其他方法使污泥快速干燥,后者則是在混合堿性物料后進(jìn)行堆肥。

4.6污泥的濕式氧化

濕式氧化是指在高溫高壓下利用空氣中的氧來(lái)氧化分解濕污泥中的有機(jī)物的一種處理方法。濕式空氣氧化技術(shù)是將污泥置于密閉反應(yīng)器中,在高溫高壓條件下通入空氣或氧氣作氧化劑,按浸沒(méi)燃燒原理使污泥中有機(jī)物氧化分解,將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物的過(guò)程。

濕式氧化法的特點(diǎn)是能對(duì)污泥中幾乎所有的有機(jī)物進(jìn)行氧化,不但分解程度高,而且可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié);經(jīng)濕式氧化后的污泥主要為礦化物質(zhì),污泥比阻小,一般可直接過(guò)濾脫水,而且效率高,濾餅含水率低。缺點(diǎn)是要求設(shè)備耐高溫高壓,投資費(fèi)用大,運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高,設(shè)備易腐蝕[4]。

4.7污泥的能源利用

4.7.1污泥低溫制油技術(shù)

污泥低溫制油技術(shù)是指在300℃～500℃,常壓或者高壓缺氧條件下,借助污泥中所含的重金屬和硅酸鋁,尤其是銅的催化作用將污泥中的蛋白質(zhì)和脂類(lèi)轉(zhuǎn)變成碳?xì)浠衔?最終產(chǎn)物為碳、油、非冷凝氣體和反應(yīng)水,是一種發(fā)展中的能源回收型的污泥熱化學(xué)處理技術(shù)[3]。外國(guó)學(xué)者Bayer等提出了一種污泥低溫?zé)峤庥偷募夹g(shù),其工藝流程簡(jiǎn)單描述如圖4。

4.7.2污泥沼氣利用

污泥通過(guò)厭氧消化可產(chǎn)生以甲烷為主要成分的沼氣。現(xiàn)代工藝是在電腦控制的反應(yīng)容器內(nèi),根據(jù)處理物的各種不同條件隨時(shí)對(duì)容器里的厭氧環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié),使自然界普遍存在的微生物,充分參與有機(jī)物逐級(jí)發(fā)酵降解(水解、酸化、氣化),最終實(shí)現(xiàn)甲烷化。發(fā)酵產(chǎn)物(沼氣)中主要是甲烷和二氧化碳,將其收集后用作清潔燃料[3]。利用厭氧發(fā)酵制氣的主要優(yōu)點(diǎn)是資源化程度高,既產(chǎn)生高熱值沼氣同時(shí)也生產(chǎn)了有機(jī)肥料;生產(chǎn)環(huán)境好,臭氣產(chǎn)生量極小;大氣污染小,無(wú)酸性物、二噁英、粉塵產(chǎn)生。

4.7.3污泥燃料化利用

目前污泥燃料化包括了污泥能量回收系統(tǒng)和污泥燃料。污泥能量回收系統(tǒng)是將初沉池污泥和剩余活性污泥分別進(jìn)行厭氧消化、混合消化,使污泥含水率至80%,加入輕溶劑油,變成流動(dòng)性漿液,送入四效蒸發(fā)器,脫除輕油(含水率2.6%),含油污泥經(jīng)機(jī)械脫水后,加入重油成流動(dòng)性漿液,將該漿液送至四效蒸發(fā)器蒸發(fā)、脫油,制成含水率5%、含油率10%以下的污泥燃料[3]。污泥燃料可以用于發(fā)電,也可用于廠區(qū)水泥的生產(chǎn),不僅節(jié)約了煤炭資源,燃燒的污泥灰還可以作為生產(chǎn)水泥的原料。污泥燃料還適合紙漿造紙廠應(yīng)用,有利于降低造紙廠的能耗。污泥燃料熱值較高,性質(zhì)比較穩(wěn)定,可以方便控制。

4.8污泥制作建筑材料

污泥生產(chǎn)建筑材料,不僅可以減少污泥填埋所占用的土地,減少自然資源消耗,而且可以使資源得到循環(huán)利用。既解決了污泥的出路,又解決建材面臨的需求,有利于國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展。

4.8.1污泥制瀝青

瀝青混合物的黏度、耐久性和穩(wěn)定性的提高需要向其中添加細(xì)集料。經(jīng)試驗(yàn)研究,加入了污泥灰的瀝青混合物,其各方面性能與傳統(tǒng)的材料制成的混合物相同。

4.8.2污泥制磚

污泥制磚的方法有兩種。一種是用干化污泥直接制磚,另一種是用污泥灰渣制磚[2]。用干化污泥直接制磚時(shí),應(yīng)對(duì)污泥的成分作適當(dāng)調(diào)整,使其成分與制磚粘土的化學(xué)成分相當(dāng)。

4.8.3污泥制生化纖維板

污泥制生化纖維板主要是利用活性污泥中所含粗蛋白(有機(jī)物)與球蛋白(酶)能溶解于水及稀酸、稀堿、中性鹽的水溶液這一性質(zhì),在堿性條件下加熱干燥、加壓后發(fā)生蛋白質(zhì)的變性作用,從而制成活性污泥樹(shù)脂(又稱(chēng)蛋白膠),使之與漂白、脫脂處理的廢纖維壓制成板材。其品質(zhì)優(yōu)于國(guó)家三級(jí)硬質(zhì)纖維板的標(biāo)準(zhǔn)[2]。

4.8.4污泥制混凝土

污泥灰可替細(xì)填料污泥焚燒灰也可以作為混凝土的細(xì)填料,代替部分水泥和細(xì)砂。研究表明污泥灰可替代高達(dá)30%的混凝土的細(xì)填料[3],具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4.8.5污泥制陶粒

污泥制成的陶粒具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、隔熱、保溫、耐久等特性,節(jié)能效果顯著,用途廣泛。

4.8.6污泥制生態(tài)水泥

利用城市污水處理廠產(chǎn)生的脫水污泥為原料制造水泥。這種類(lèi)型的水泥的原材料約60%為廢料,水泥燒成溫度為1000℃～1200℃,因燃料用量和二氧化碳的排放量較低,所以該水泥被稱(chēng)之為“環(huán)保水泥”[3]。

4.9其它綜合利用方法

此外,污泥處理處置還包括:污泥制蛋白塑料、污泥制動(dòng)物飼料、污泥改性制吸附劑等方法。

5污泥處理處置技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

5.1注重源頭減量的技術(shù)研發(fā)

源頭減量是減輕污泥后續(xù)處理處置負(fù)荷的前提,在城市污水處理過(guò)程中進(jìn)行污泥減量預(yù)計(jì)將是今后研究的一個(gè)方向。同時(shí),諸如破壞污泥微生物細(xì)胞壁分離出自由態(tài)水分等降低污泥含水率的污泥減量技術(shù)也將是一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)性研究課題。

5.2突破節(jié)能降耗的技術(shù)障礙

長(zhǎng)期重視污水處理而忽略污泥處理處置的現(xiàn)狀,導(dǎo)致污泥處理處置技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢。目前污泥處理處置運(yùn)行能耗過(guò)高是影響污泥處理處置規(guī)模化推廣應(yīng)用的一項(xiàng)限制性關(guān)鍵因素。預(yù)計(jì)今后在污泥處理處置的節(jié)能降耗技術(shù)方面將有較大的突破。

5.3健全二次污染的防止技術(shù)

在城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置各個(gè)環(huán)節(jié),均存在不問(wèn)程度的二次污染問(wèn)題,目前的技術(shù)和工程應(yīng)用對(duì)二次污染的重視程度普遍不夠。隨著社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,預(yù)計(jì)將有大量污泥處理處置二次污染防治新技術(shù)被研發(fā)和應(yīng)用,形成與污泥處理處置工藝相配套的二次污染防治技術(shù)健全體系。

5.4發(fā)展循環(huán)利用的運(yùn)行模型

在國(guó)家土地資源日益緊缺和建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的大背景下,發(fā)展污泥循環(huán)處理利用的運(yùn)行模式是大勢(shì)所趨。污泥土地利用和建材綜合利用將成為研究熱點(diǎn),前者的技術(shù)難點(diǎn)在于污泥中重金屬的去除和土地利用泥質(zhì)的保證,后者在于運(yùn)行能耗的降低和諸如二噁英控制等二次污染防治技術(shù)的成熟[7]。

6結(jié)束語(yǔ)

盡管世界各地對(duì)污泥的處理、處置和管理措施不盡相同,但最終的目的都是使污泥經(jīng)過(guò)減量、穩(wěn)定和無(wú)害化處理后作為資源加以綜合利用。污泥處理處置和利用應(yīng)同時(shí)考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三方面的因素,污泥作為一種有價(jià)值的資源,進(jìn)行穩(wěn)定化、無(wú)害化處理后再利用,既解決了污泥的出路問(wèn)題,又開(kāi)發(fā)了新的資源,滿足了可持續(xù)發(fā)展的需求。當(dāng)然,各地區(qū)應(yīng)根據(jù)各自經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,制定和實(shí)施目前適宜的處理處置技術(shù),但選擇具體方法時(shí)應(yīng)及早考慮短期適用目標(biāo)與終極發(fā)展目標(biāo)的漸進(jìn)銜接。