城市污水厂污泥的处理处置与综合利用
城市污水厂的污泥是指处理污水所产生的固态、半固态及液态的废弃物,是一种由有机残片、细菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。任意排放不加处理的污泥会对环境造成严重的污染。随着城市化的进展和环境质量标准的日益提高,污水处理率和处理程度也日益得到提高和深化,因此污泥的产量也大大提高。据统计,2003年全国每年的污泥(干重计)产量约为130万吨,而且以每年10%的速度递增[1]。如果大量的污泥不加处置就任意堆放和投弃,会对环境造成新的污染。因此,如何将数量大、成分复杂的城市污水污泥进行处理处置,使其减量化、稳定化、无害化、资源化,已经成为全球广泛关注的课题之一。
1城市污水处理厂污泥的特点
城市污水污泥的成分复杂,由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体,含有水分、难降解的有机物、重金属、盐类以及少量的病原微生物和寄生虫等。中国城市污水厂污泥的成分特点如表1所示[2]。
污泥中重金属含量主要取决于工业废水排入污水处理厂的情况。中国污水中工业废水比重大,故污水厂初沉及二沉污泥重金属含量较高,某些重金属含量严重超标。
2污泥处理处置的一般原则
城市污水厂污泥处理与处置必须遵循“减量化、稳定化、无害化、资源化”的处置原则,将“无害”作为污泥处置的重点,把“资源化”作为污泥处置的最终目标。为有效、彻底解决污泥的环境污染问题,可以通过技术开发将大量的废物变为可用物质,对污泥进行综合利用,取得良好的经济效益和环保效益。
2.1减量化
城市污水处理厂的污泥减量化就是通过采用过程减量化的方法减小污泥体积,以降低污泥处理及最终处置的费用。污泥减量化通常分为质量的减少和过程减量,质量减少的方法主要是通过稳定和焚烧,污泥体积减小的方法主要是通过污泥浓缩、污泥脱水两个步骤来实现,过程减量可通过超声波技术、臭氧法、膜生物反应器、生物捕食、微生物强化、代谢解偶联及氯化法等方法实现。
2.2稳定化
污泥稳定化是降解污泥中的有机物质,进一步减少污泥含水量,杀灭污泥中的细菌、病原体,消除臭味,使污泥中的各种成分处于相对稳定状态的一个过程。需要采用生物好氧或厌氧消化工艺,或添加化学药剂等方法,使污泥中的有机组分转化成稳定的最终产物,进一步消解污泥中的有机成分,避免在污泥的最终处置过程中造成二次污染。
2.3无害化
污泥无害化处理的目的是采用适当的工程技术去除、分解或者“固定”污泥中的有毒、有害物质(如有机有害物质、重金属)及消毒杀菌,使处理后的污泥在最终处置中不会对环境造成冲击,防止意想不到的污染物在不同介质之间的转移,更具有安全性和可持续性,不会对环境造成危害。
2.4资源化
污泥的特点和性质决定了污泥的根本出路是资源化。资源化是指在处理污泥的同时,回收其中的氮磷钾等有用物质或回收能源,达到变害为利、综合利用、保护环境的目的。污泥资源化的特征是:环境效益高、生产成本低、生产效益高、能耗低[3]。
3城市污水厂污泥处理的工艺流程
污泥处理的主要目的是减少污泥量并使其稳定,便于污泥的运输和最终处置。污泥处理工艺主要由污泥的性质以及污泥最终处置的要求所决定。图1为以活性污泥法为主的城镇污水二级处理厂污泥处理典型流程。
来自一级处理的初沉污泥和二级处理的剩余污泥分别进入处理池,以协调污水处理系统污泥的产生量和污泥处理系统处理能力之间的平衡;随后进行污泥浓缩,浓缩的方法有自然浓缩和机械浓缩,自然浓缩又分为重力浓缩和气浮浓缩,目的均为大幅度地消减污泥体积,减小后续处理的水量负荷和污泥调理时的药剂投量;污泥稳定则是减少污泥中的有机物含量和致病微生物的数量,降低污泥利用的风险,稳定的方法有厌氧消化、好氧消化和化学稳定;调理则是提高污泥的脱水性能(减少污泥的比阻);脱水的目的是进一步降低污泥的含水率,经脱水后的污泥可直接进行最终处置,也可经干化后再进行最终处置[4]。在本文的第四部分将对污泥的处置进行具体论述。
目前在城镇污水处理中普遍采用生物除磷工艺,此时所产生的剩余污泥由于富含无机磷,进行重力浓缩时,由于浓缩池内的厌氧状态会促使磷的释放,常用的一种方法是经调理后直接进行机械浓缩和脱水,使用的主流设备为污泥浓缩脱水一体机。典型流程见图2。
4污泥的最终处置和综合利用
4.1污泥的卫生填埋
污泥填埋处置主要可以分为两类:一是在专门填埋污水污泥的填埋场进行填埋处置;二是在可以和生活垃圾一起在城市固体废弃物填埋厂进行填埋[5]。
卫生填埋是从传统的堆放和填地发展起来的一项最终处置技术。目前已经比较成熟,它的优点是投资少、容量大、见效快,并且还可以增加一部分城市建设用地。基本方式是城市污泥经过简单的灭菌处理,直接倾倒于低地或谷地制造人工平原。
但是这种方法占地面积大,而且污泥中含有的各种有毒有害物质,会通过雨水的侵蚀和渗透作用污染地下水,并不能彻底地避免环境污染,并且还有填埋场构筑物中的沼气的累计可能产生火灾或爆炸,有潜在的危险性。
4.2污泥的焚烧处理
污泥焚烧的处理法是最彻底、最大程度的减容方法。一是脱水直接焚烧,另一类是脱水、干化再焚烧。污泥中含有大量的有机物和一定量的纤维木质素,具有一定的热值。焚烧法产生的剩余物最少,无异味,可迅速和较大程度地使污泥达到减量化。不需作灭菌处理,干污泥颗粒可作发电厂燃料的掺合料,燃烧灰可作水泥的添加剂,污泥陶粒等可作建筑材料。
污泥通过干馏可提取焦油、燃料油等,也可制造四氯化碳、有机玻璃树脂、甲醛等化工产品。污泥中合有一定量的有机成分,经脱水干燥的污泥可用焚烧处理。污泥焚烧还可以从废气中获得剩余能量,用来发电。在脱水污泥中加入引燃剂、催化剂、疏松剂和固硫剂等添加剂制成合成燃料。该合成燃料可用于工业和生活锅妒,燃烧稳定,热工测试和环保测试良好,是污泥有效利用的一种理想途径[2]。
4.3污泥的土地利用
污泥的土地利用已有多年历史,主要包括污泥农用,污泥用于森林与园艺、废弃矿场等场地的改良等。污泥中含有丰富的有机物和N、P、K等营养元素以及植物生长必需的各种微量元素Ca、Mg、Zn、Cu、Fe等,施用于农田能够改良土壤结构、增加土壤肥力、促进作物的生长。污泥的土地利用是一种安全积极的污泥处置方式,在美国约有40%左右的污泥采用土地利用的方式进行处置。尽管污泥的土地利用有能耗低、可回收利用污泥中养分等优点,但污泥中也含大量病原菌、寄生虫(卵),以及铜、铝、锌、铬、汞等重金属和多氯联苯、二噁英、放射性核素等难降解的有毒有害物。一般来说,污泥要作土地处置必须经无毒无害化处理,否则,污泥中的有毒有害物质会导致土壤或水体的二次污染[1]。
4.4污泥的堆肥处理
污泥堆肥是城市生活污水处理产生的污泥堆肥化产物,也就是将污泥进行稳定化处理。其堆肥工艺流程如图3所示。
堆肥处理是一种无害化、减容化、稳定化的综合处理技术,是由混合微生物群落在潮湿的环境中对有机物进行分解。堆肥过程中产生的高温可以有效地杀死病原微生物及各种寄生虫卵。污泥经过高温堆肥进行生物发酵技术处理后,把有机废物转化为稳定性较高的腐殖质,可达到无害化和资源化。它一方面借助堆肥产生的高温加快分解速度,更加有效地杀死病原微生物及各种蠕虫卵。另一方面通过添加调理剂、膨胀剂以改善污泥的胶体团粒结构,降低含水率,同时由于污泥的进一步腐殖化,植物可利用的养分增加,大大提高了肥料的利用价值。
4.5污泥的碱性稳定化
碱性稳定化是指在污泥中加入石灰或水泥窑灰等碱性物质,使污泥pH>12并保持一段时间,利用强碱性和石灰放出的大量热能杀灭病原体、降低恶臭和钝化重金属,处理后污泥可直接施用于农田。碱性稳定化的两个主要处理方法是N-ViroSoil和AgriSoil方法[1]。前者是在碱性稳定后通过机械翻堆或其他方法使污泥快速干燥,后者则是在混合碱性物料后进行堆肥。
4.6污泥的湿式氧化
湿式氧化是指在高温高压下利用空气中的氧来氧化分解湿污泥中的有机物的一种处理方法。湿式空气氧化技术是将污泥置于密闭反应器中,在高温高压条件下通入空气或氧气作氧化剂,按浸没燃烧原理使污泥中有机物氧化分解,将有机物转化为无机物的过程。
湿式氧化法的特点是能对污泥中几乎所有的有机物进行氧化,不但分解程度高,而且可以根据需要进行调节;经湿式氧化后的污泥主要为矿化物质,污泥比阻小,一般可直接过滤脱水,而且效率高,滤饼含水率低。缺点是要求设备耐高温高压,投资费用大,运营费用高,设备易腐蚀[4]。
4.7污泥的能源利用
4.7.1污泥低温制油技术
污泥低温制油技术是指在300℃～500℃,常压或者高压缺氧条件下,借助污泥中所含的重金属和硅酸铝,尤其是铜的催化作用将污泥中的蛋白质和脂类转变成碳氢化合物,最终产物为碳、油、非冷凝气体和反应水,是一种发展中的能源回收型的污泥热化学处理技术[3]。外国学者Bayer等提出了一种污泥低温热解油的技术,其工艺流程简单描述如图4。
4.7.2污泥沼气利用
污泥通过厌氧消化可产生以甲烷为主要成分的沼气。现代工艺是在电脑控制的反应容器内,根据处理物的各种不同条件随时对容器里的厌氧环境进行调节,使自然界普遍存在的微生物,充分参与有机物逐级发酵降解(水解、酸化、气化),最终实现甲烷化。发酵产物(沼气)中主要是甲烷和二氧化碳,将其收集后用作清洁燃料[3]。利用厌氧发酵制气的主要优点是资源化程度高,既产生高热值沼气同时也生产了有机肥料;生产环境好,臭气产生量极小;大气污染小,无酸性物、二噁英、粉尘产生。
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统和污泥燃料。污泥能量回收系统是将初沉池污泥和剩余活性污泥分别进行厌氧消化、混合消化,使污泥含水率至80%,加入轻溶剂油,变成流动性浆液,送入四效蒸发器,脱除轻油(含水率2.6%),含油污泥经机械脱水后,加入重油成流动性浆液,将该浆液送至四效蒸发器蒸发、脱油,制成含水率5%、含油率10%以下的污泥燃料[3]。污泥燃料可以用于发电,也可用于厂区水泥的生产,不仅节约了煤炭资源,燃烧的污泥灰还可以作为生产水泥的原料。污泥燃料还适合纸浆造纸厂应用,有利于降低造纸厂的能耗。污泥燃料热值较高,性质比较稳定,可以方便控制。
4.8污泥制作建筑材料
污泥生产建筑材料,不仅可以减少污泥填埋所占用的土地,减少自然资源消耗,而且可以使资源得到循环利用。既解决了污泥的出路,又解决建材面临的需求,有利于国家的可持续发展。
4.8.1污泥制沥青
沥青混合物的黏度、耐久性和稳定性的提高需要向其中添加细集料。经试验研究,加入了污泥灰的沥青混合物,其各方面性能与传统的材料制成的混合物相同。
4.8.2污泥制砖
污泥制砖的方法有两种。一种是用干化污泥直接制砖,另一种是用污泥灰渣制砖[2]。用干化污泥直接制砖时,应对污泥的成分作适当调整,使其成分与制砖粘土的化学成分相当。
4.8.3污泥制生化纤维板
污泥制生化纤维板主要是利用活性污泥中所含粗蛋白(有机物)与球蛋白(酶)能溶解于水及稀酸、稀碱、中性盐的水溶液这一性质,在碱性条件下加热干燥、加压后发生蛋白质的变性作用,从而制成活性污泥树脂(又称蛋白胶),使之与漂白、脱脂处理的废纤维压制成板材。其品质优于国家三级硬质纤维板的标准[2]。
4.8.4污泥制混凝土
污泥灰可替细填料污泥焚烧灰也可以作为混凝土的细填料,代替部分水泥和细砂。研究表明污泥灰可替代高达30%的混凝土的细填料[3],具有较高的经济价值。
4.8.5污泥制陶粒
污泥制成的陶粒具有质轻、高强、隔热、保温、耐久等特性,节能效果显著,用途广泛。
4.8.6污泥制生态水泥
利用城市污水处理厂产生的脱水污泥为原料制造水泥。这种类型的水泥的原材料约60%为废料,水泥烧成温度为1000℃～1200℃,因燃料用量和二氧化碳的排放量较低,所以该水泥被称之为“环保水泥”[3]。
4.9其它综合利用方法
此外,污泥处理处置还包括:污泥制蛋白塑料、污泥制动物饲料、污泥改性制吸附剂等方法。
5污泥处理处置技术发展趋势
5.1注重源头减量的技术研发
源头减量是减轻污泥后续处理处置负荷的前提,在城市污水处理过程中进行污泥减量预计将是今后研究的一个方向。同时,诸如破坏污泥微生物细胞壁分离出自由态水分等降低污泥含水率的污泥减量技术也将是一项新的挑战性研究课题。
5.2突破节能降耗的技术障碍
长期重视污水处理而忽略污泥处理处置的现状,导致污泥处理处置技术发展相对缓慢。目前污泥处理处置运行能耗过高是影响污泥处理处置规模化推广应用的一项限制性关键因素。预计今后在污泥处理处置的节能降耗技术方面将有较大的突破。
5.3健全二次污染的防止技术
在城镇污水处理厂污泥处理处置各个环节,均存在不问程度的二次污染问题,目前的技术和工程应用对二次污染的重视程度普遍不够。随着社会进步和经济发展,预计将有大量污泥处理处置二次污染防治新技术被研发和应用,形成与污泥处理处置工艺相配套的二次污染防治技术健全体系。
5.4发展循环利用的运行模型
在国家土地资源日益紧缺和建设资源节约型、环境友好型社会的大背景下,发展污泥循环处理利用的运行模式是大势所趋。污泥土地利用和建材综合利用将成为研究热点,前者的技术难点在于污泥中重金属的去除和土地利用泥质的保证,后者在于运行能耗的降低和诸如二噁英控制等二次污染防治技术的成熟[7]。
6结束语
尽管世界各地对污泥的处理、处置和管理措施不尽相同,但最终的目的都是使污泥经过减量、稳定和无害化处理后作为资源加以综合利用。污泥处理处置和利用应同时考虑环境、经济、社会三方面的因素,污泥作为一种有价值的资源,进行稳定化、无害化处理后再利用,既解决了污泥的出路问题,又开发了新的资源,满足了可持续发展的需求。当然,各地区应根据各自经济发展水平,制定和实施目前适宜的处理处置技术,但选择具体方法时应及早考虑短期适用目标与终极发展目标的渐进衔接。