城市污泥的資源化利用
摘 要：污泥是城市污水處理廠的伴生產(chǎn)物，含有多種污染物，但也是一種二次資源。本文針對(duì)我國(guó)城市污水廠污泥的現(xiàn)狀，對(duì)污泥資源化技術(shù)進(jìn)行了分類，就污泥材料化技術(shù)，能源化技術(shù)，建材化技術(shù)，堆肥利用技術(shù)進(jìn)行了綜述與分析，并提出我國(guó)污泥資源化的制約因素。
關(guān)鍵詞：污泥 資源化
1 前言
隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和人口的增加，城市污水處理廠的負(fù)荷迅速加大，而污水處理產(chǎn)生的大量固體廢棄物——污泥的處置也日益成為一大難題。污泥是污水處理廠對(duì)污水進(jìn)行處理過程中產(chǎn)生的沉淀物質(zhì)以及污水表面漂出的浮沫所得的殘?jiān)Ｒ蛔?jí)污水處理廠產(chǎn)生的污泥量約占總處理污水量的0. 3%～0. 5% (體積) ，如進(jìn)行深度處理，污泥量還可能增加0. 5～1. 0倍[1] 。以廣東省為例，至2010年6月底，廣東省共建成城鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施268座，日處理能力達(dá)1474.8萬噸，污泥日產(chǎn)生量已達(dá)7000噸(含水率80%)[2] 。作為廢水處理過程的副產(chǎn)品，污泥是包含水、泥沙、纖維、動(dòng)植物殘?bào)w及各種絮體、膠體、有機(jī)質(zhì)、微生物、病菌、蟲卵等的復(fù)雜多相體系[3]。中國(guó)的污水處理廠多采用二級(jí)生化處理工藝，污泥主要產(chǎn)自初沉、二沉及其他固液分離工序，含水率高( > 98 %) ，體積龐大，有機(jī)質(zhì)含量約為 40～50 %，總氮含量 4～5 %，磷( P2O5 ) 含量 1～5 %，鉀( K2O) 含量 0. 5～1 %[4];對(duì)于生活污水和工業(yè)廢水混排的場(chǎng)合,污泥中還常含有激素類物質(zhì)( E1、E2 等) 、毒性有機(jī)物(苯、氯酚等) 、重金屬 ( Cd、Cr 等) 以及各種無機(jī)鹽[5]。但由于污泥含有大量有機(jī)物、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，若經(jīng)過適當(dāng)處理，可以作為優(yōu)質(zhì)的“二次資源”[6]。
當(dāng)前污泥普遍采用的處理與處置方法是焚燒與填埋,然而這兩種方法的缺點(diǎn)是： ①處理費(fèi)用高。污泥的處理費(fèi)用可高達(dá)一個(gè)污水處理廠的建設(shè)與日常管理總費(fèi)用的50%左右[7]。②浪費(fèi)了污泥中的氮、磷及植物生長(zhǎng)所需要的多種其它元素。③在污泥焚燒過程中形成的含有多種重金屬的煙霧和飛灰有造成二次污染的可能性。④填埋污泥不但需要占用大量土，且有可能污染地下水源。降低污泥處理成本的有效手段之一是通過適當(dāng)資源化處理使其獲得附加經(jīng)濟(jì)效益，反補(bǔ)到污水處理總成本之中;而此過程的直接環(huán)境效益是避免了污泥二次污染。可以說，污泥資源化處理是未來污泥處理的主流發(fā)展方向[8]。
2 污泥資源化利用的定義及分類
2.1 污泥資源化利用的定義
污泥資源化的定義：根據(jù)不同使用場(chǎng)合，通過各種物理、化學(xué)和生物工藝，提取污泥有價(jià)組分，將其重組或轉(zhuǎn)化成其他能量形式，獲得再利用價(jià)值，并消除二次污染[8]。
2.2 污泥資源化利用的分類
按照所獲產(chǎn)品種類不同，可將污泥資源化技術(shù)分成：材料化技術(shù)、能源化技術(shù)、建材化技術(shù)、堆肥利用技術(shù)。
3 材料化技術(shù)
污泥材料化主要包括制備活性炭、制備生物膜載體填料、制備微生物滅蚊劑、蛋白質(zhì)提取利用等。
3.1 污泥制活性炭
活性炭是以含炭物質(zhì)為原料，經(jīng)高溫炭化活化制成.目前活性炭的制造方法大體上可分為藥品活化法和氣體活化法。由于污泥含有一定的有機(jī)碳源,根據(jù)污泥的組成，適當(dāng)添加鋸末、果殼、果核等副料，提高炭含量，采用在污泥中添加無機(jī)鹽等活化劑(如 ZnCl2、FeSO4、K2S 等) 浸漬活化處理，在一定溫度下炭化，再經(jīng)活化即可獲得活性炭。制備污泥活性炭時(shí)，活化劑濃度、固液比、活化溫度及活化時(shí)間這4個(gè)影響因素的控制對(duì)污泥活性炭的吸附性能起決定性作用[9-10]。以城市污泥為主要原料制備活性炭符合固體廢物污染控制的減量化、資源化、無害化原則，利用現(xiàn)有的活性炭制備技術(shù)路線和設(shè)備即可滿足其生產(chǎn)要求，可以制備出用于去除污水中污染物的吸附劑，體現(xiàn)以廢治廢，化害為利的原則，對(duì)污泥資源化有一定的指導(dǎo)作用。
3.2 污泥制生物膜載體填料
曹鳳云和單舒曼等研究了以污泥代替天然原料，在一定條件下可以燒制成填料，并能用作污水處理中生物膜載體。以脫水污泥為主料，添加適量粉煤灰和粘土，制備生物膜載體填料是實(shí)驗(yàn)研究的主要內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)表明，污泥使用量為70%、 粉煤灰和粘土各15%時(shí)，燒成溫度為1000±25℃、保溫時(shí)間為 40 min,燒制的填料抗壓強(qiáng)度能達(dá)到25mpa、吸水率17%;用于藥廠廢水處理測(cè)試，在常溫下的化學(xué)需氧量 (CODcr)的平均去除率為74.0%、 懸浮物 ( SS)的去除率為54 . 1%[11]。
3.3 污泥制微生物滅蚊劑
污泥中含有大量可被微生物利用的碳、氮、磷以及其它營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。已經(jīng)證實(shí)，可以利用污泥為唯一發(fā)酵原料生產(chǎn)蘇云金桿菌生物殺蟲劑[12]。羅剛和周順桂等以活菌數(shù)、芽孢數(shù)和毒效為參數(shù)，通過搖瓶發(fā)酵試驗(yàn)探討了污泥為原料制備微生物滅蚊劑的可行性。其研究表明，在含固率適宜的條件下，污泥是微生物滅蚊菌株Bacillus thuringiensis subs p. israelensis 187 (Bti 187 )和Bacillussphaericus 2362 (Bs 2362)的優(yōu)良產(chǎn)孢產(chǎn)毒培養(yǎng)基. Bti 187和Bs 2362在污泥中發(fā)酵42h,活菌數(shù)、抗熱性芽孢數(shù)均顯著高于常規(guī)培養(yǎng)基.毒力測(cè)定表明,在污泥中發(fā)酵 42h后，Bti 187發(fā)酵液、Bs 2362發(fā)酵液對(duì)淡色庫蚊和白紋伊蚊的48h的半致死濃度與常規(guī)培養(yǎng)基相比，殺蚊幼蟲毒效顯著提高。采用污泥發(fā)酵制備微生物滅蚊劑可降低生產(chǎn)成本，且發(fā)酵性能優(yōu)良，為污泥資源化開辟了新途徑[13]。
3.4 污泥蛋白質(zhì)提取利用
作為一種微生物絮體，污泥中的微生物胞內(nèi)、胞外酶及其他代謝產(chǎn)物含量較高，從中可提取微生物絮凝劑，在水處理中可替代化學(xué)絮凝藥劑，且不對(duì)后續(xù)水處理無不利影響[14]。同時(shí)，由于污泥含蛋氨酸、胱氨酸、蘇氨酸和纈氨酸等粗蛋白氨基酸28. 7%～40. 9%，可利用剩余污泥制備符合國(guó)家公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的蛋白質(zhì)泡沫滅火劑[15]。而趙順順等以某污水處理廠剩余活性污泥為材料，采用加熱水解法從中提取細(xì)胞蛋白，純度較高，可檢測(cè)7種必需氨基酸和8種非必需氨基酸且含量很高，可作為很好的飼料添加劑[16]。.
4 能源化技術(shù)
污泥能源化主要包括厭氧消化制沼氣、污泥燃料燃燒發(fā)電、合成燃料、低溫?zé)峤庵朴偷取?/p>
4.1 污泥厭氧消化制沼氣
污泥處理過程中可以直接利用厭氧消化產(chǎn)生的沼氣燃燒產(chǎn)生的熱量加熱消化污泥，也可以利用沼氣內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電與廠內(nèi)供電并網(wǎng)，并利用余熱回收裝置回收沼氣內(nèi)燃機(jī)的余熱加熱消化污泥。資源化利用污泥厭氧過程中產(chǎn)生的沼氣，不但可以解決污泥出路問題，而且對(duì)節(jié)能和降低污水
廠運(yùn)行費(fèi)用都有很大意義[17] 。
4.2 污泥燃料燃燒發(fā)電
由于含有大量有機(jī)質(zhì)，污泥的熱值高達(dá)12. 56MJ ·kg – 1，略低于煤餅。污泥可作為替代/輔助能源[18]。脫水污泥的含水率直接影響到污泥處理規(guī)模以及干化焚燒的熱量平衡，理論上越低越好，但是脫水程度越高，設(shè)備投資會(huì)增加，能量消耗也會(huì)增加，處理成本隨之提高，因此，合理選擇設(shè)計(jì)含水率非常重要[19]。根據(jù)蘇丹等人的計(jì)算，污泥燃燒最高限含水率為 67.7%，高于一般污泥機(jī)械脫水設(shè)備的水平，直接以脫水污泥為燃燒處理對(duì)象的焚燒爐，大多需要使用輔助燃料。污泥燃料燃燒所釋放出的熱能通過熱回收系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化[20]。
4.3 污泥合成燃料
生物污泥中可燃成分較多，通過摻加適當(dāng)比例的煤、添加劑等，可制成新型合成燃料。陳瑞軍等人經(jīng)研究，在原料煤粉中加入干化污泥制備民用蜂窩煤，當(dāng)干化污泥的加入量為25%時(shí)，蜂窩煤的熱值為20.25MJ/kg，符合國(guó)家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[21]。
4.4 污泥低溫?zé)峤庵朴?/p>
污泥低溫?zé)峤馐抢梦勰嘤袡C(jī)質(zhì)在加熱條件下的部分熱裂解過程產(chǎn)生污泥衍生燃料的技術(shù)。經(jīng)此過程，污泥轉(zhuǎn)化為燃燒特性優(yōu)越的油、炭和可燃?xì)鈁22]。國(guó)外的污泥低溫?zé)峤庖呀?jīng)開始用于生產(chǎn)實(shí)踐設(shè)備多，主要有流化床反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)爐熱解器。目前國(guó)內(nèi)的污泥低溫?zé)峤膺停留在實(shí)驗(yàn)階段，工藝流程簡(jiǎn)單，設(shè)備也較為簡(jiǎn)單[23]。
5 建材化技術(shù)
污泥的建材化目前主要包括制轉(zhuǎn)、制水泥、制陶粒等。
5.1 污泥制磚
目前與污泥混合制磚的原料主要有黏土、頁巖、煤矸石、粉煤灰，而研究表明燒結(jié)磚的原料還可以是黃金尾礦、硬質(zhì)鋼渣、河沙、建筑垃圾[24~26]等。污泥制磚國(guó)內(nèi)外有4種制法：污泥+土、污泥+頁巖、污泥+土+頁巖、污泥+土+砂[27]。利用污泥制磚，實(shí)現(xiàn)了污泥的資源化，具有良好的社會(huì)效益。在煅燒過程中將有毒重金屬封存在磚坯中，殺死了有害細(xì)菌。污泥磚質(zhì)輕、孔隙多，具有一定的隔音、 隔熱效果等優(yōu)點(diǎn);但在污泥制磚的過程中，因污泥中含有大量的有機(jī)物，無論是污泥灰的制作過程還是污泥磚的燒制過程，會(huì)產(chǎn)生惡臭，應(yīng)考慮二次污染的控制問題。另外污泥制磚對(duì)污泥的預(yù)處理要求高，燒制磚的成本比一般的黏土制磚要高，這些問題還有待于進(jìn)一步的探索研究。
5.2 污泥制水泥
一般情況下，污泥中的灰分和化學(xué)特性與粘土接近，因此從理論上污泥可替代30%的粘土原料參與水泥的生產(chǎn)[28]。廣州市某水泥廠利用水泥窯尾熱煙氣干化城市污泥，污泥水分由80% 烘干至低于30%，分解爐使污泥快速完全燃燒，檢測(cè)結(jié)果表明煙氣重金屬污染濃度、惡臭污染濃度及二惡英排放濃度均達(dá)標(biāo)[29]。日本利用污泥焚燒灰為原料生產(chǎn) “生態(tài)水泥”。 這種類型水泥的原材料中約60%為廢料，水泥燒到溫度為1000～1200 ℃，因而燃料用量和CO2 的排放量也較低[30]。
5.3 污泥制陶粒
生產(chǎn)陶粒的傳統(tǒng)原料為粘土，而粘土的來源絕大部分取自耕地，不符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略污泥陶粒以污泥為原料，摻加適量輔料，經(jīng)成球、焙燒而成。利用污泥制備陶粒不僅可以解決污泥的出路問題，還可以獲得明顯的環(huán)保效益、經(jīng)濟(jì)效益，作為綠色建材產(chǎn)品勢(shì)必會(huì)越來越受到重視[17]。
6 堆肥利用技術(shù)
污泥堆肥就是將污泥與調(diào)理劑(鋸末、秸稈、樹葉、糞便、垃圾)及膨脹劑(木屑、秸稈、花生殼、玉米芯等)在一定條件下進(jìn)行堆漚，利用細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物作用，促進(jìn)可被生物降解的有機(jī)物可控制地向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物學(xué)過程。污泥堆肥除可施用于農(nóng)田、園林綠化、草坪、廢棄地等外，還可用作林木、花卉育苗基質(zhì)，能降低育苗成本[31]。.
6.1 農(nóng)田施用
污泥堆肥施入土壤后,能改變土壤的理化性質(zhì)，增加土壤 N、P、K含量，調(diào)節(jié)土壤 pH值，促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤透水性、蓄水保肥性、通氣性及耕作性。張橋等研究表明：污泥堆肥產(chǎn)品施用于土壤中，可促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量增加，增強(qiáng)微生物活動(dòng)性,增加微生物數(shù)量，但作物和土壤中的重金屬含量也有不同程度的提高[32]。污泥堆肥的農(nóng)田施用應(yīng)防止有害重金屬含量超標(biāo)。
6.2 園林綠地施用
將污泥堆肥使用在森林土壤中， 一方面污泥中的營(yíng)養(yǎng)成分和微量元素可促進(jìn)樹木生長(zhǎng)，另一方面污泥林地使用不進(jìn)入食物鏈，不會(huì)對(duì)人類造成危害。一般林場(chǎng)、森林等地區(qū)在非人口密集區(qū)并且面積較大，使用也較安全。在城市園林綠化中施用污泥，綠化效果相當(dāng)顯著，樹高、灌木的花期、開花量等明顯增加。
7 結(jié)語
隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)污水處理率不斷提高，隨之產(chǎn)生的污泥量不斷加大。作為一種二次資源，污泥含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和可用的無機(jī)組分，應(yīng)在兼顧環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的前提下，盡可能地加以資源化利用。
污泥的資源化利用將成為符合我國(guó)國(guó)情的污泥處置的發(fā)展方向。不過，鑒于我國(guó)目前部分地區(qū)工業(yè)廢水和生活污水混合處理以致污泥重金屬含量較高、出廠污泥含水率較高、且欠缺污泥利用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)的指引及要求等實(shí)際情況，選擇何種污泥資源化技術(shù)，應(yīng)綜合考慮該地區(qū)污水處理的工藝特征、污泥性質(zhì)以及行業(yè)需求，才能將污泥科學(xué)合理的資源化。
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