城市污水處理廠(chǎng)污泥資源化利用技術(shù)

摘要:針對目前污水廠(chǎng)污泥傳統處理方法存在的不足與弊端 ,提出污泥資源化利用技術(shù)是今后污泥最終處置的根本方式 ,并就目前研究的污泥熱解制油技術(shù)、制取燃料技術(shù)、堆肥土地利用技術(shù)和熱解制取吸附劑技術(shù)等主要的資源化利用技術(shù)進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞:污泥,處置,污泥資源化,綜合利用

1　引　言

污水廠(chǎng)污泥是指水處理過(guò)程中產(chǎn)生的絮狀體 ,它含有大量水分、豐富的有機物及N、P、K等營(yíng)養元素 ,同時(shí)還含有重金屬及病原菌等有害物質(zhì),如果任意排放不加處理 ,不僅對環(huán)境造成污染 ,同時(shí)也是對資源的嚴重浪費。

據不完全統計 ,全國污水排放量為 4 474× 1 0 7m3/d ,不同規模、不同處理程度的污水處理廠(chǎng)有 1 0 0多座。每天所產(chǎn)生的污泥量約為污水處理量的 0 5 %— 1 0 %  ,如果這些污泥還使用傳統的處置方法 (如土地填埋、焚燒和海洋排放等 )進(jìn)行處理 ,相對于當今更加嚴格化的環(huán)境標準 ,顯然是不合適的 ;同時(shí) ,隨著(zhù)資源短缺危機的加劇 ,人們不得不尋找新的資源 ,污泥由于其有機物、營(yíng)養元素含量高而受到越來(lái)越多的關(guān)注。因此 ,如何解決污泥對環(huán)境的污染問(wèn)題 ,使其化廢為寶 ,是擺在環(huán)境科學(xué)與工程界的一個(gè)重要課題。

本文就傳統污泥處置方法及目前國內外對于污泥的資源化研究的熱點(diǎn)進(jìn)行了綜述。

2　污泥處置技術(shù)

污水污泥處置技術(shù)不僅包括衛生填埋、焚燒、填海和土地利等傳統方法 ,同時(shí)包括濕式氧化(WO法 )、厭氧消化法及近年發(fā)展起來(lái)的新的處置方法,如: 膜生物反應器[3 ] 、污泥酸化[7 ] 等工藝。一般來(lái)說(shuō),各國或各地區對于污泥處理方式的選擇,是根據各自地理環(huán)境、經(jīng)濟水平、技術(shù)措施和交通運輸等因素而確定的,而且會(huì )隨著(zhù)公眾認識的提高和興趣的改變而發(fā)生變化。這些污泥處置方式在實(shí)際應用中發(fā)揮了一定的作用,但隨著(zhù)環(huán)境標準的更加嚴格化,其應用中的弊端就明顯暴露出來(lái)了[8 ] 。因此,污泥資源化利用應該是污泥處置的最終目的。

3 　污泥資源化利用途徑

隨著(zhù)近年來(lái)對環(huán)境標準要求的提高和污泥傳統處理方法弊端的逐漸顯露,以及污泥是非常有用的資源的觀(guān)點(diǎn)被廣泛接受,一些污泥資源化利用途徑的探討也就被提到日程上來(lái)。田寧寧等[9 ]指出,污泥的根本出路是資源化利用。目前,污泥資源化的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展和顯著(zhù)的成果,污泥資源化利用途徑主要有:污泥熱解制油技術(shù)、污泥制取吸附劑技術(shù)、污泥合成燃料技術(shù)和污泥堆肥土地利用技術(shù)等。

3．1 　污泥低溫熱解制油技術(shù)

近年來(lái),許多國家都著(zhù)手研究污泥的資源利用和新的處理方法,美、英、日等國主要研究的是熱化學(xué)液化法,即在300 ℃、100 個(gè)大氣壓左右將脫水污泥反應成油狀物;而德國和加拿大以熱分解油化法為主,我們在這里主要介紹熱分解油化法。污泥低溫熱解制油技術(shù)是通過(guò)無(wú)氧加熱污泥干燥至一定溫度( < 500 ℃) ,由干餾和熱分解作用使污泥轉化為油、反應水、不凝性氣體(NGG) 和炭等4 種可燃產(chǎn)物[10 ] 。該技術(shù)首先由Bayer 等提出[11 ] ;Campbell[12 ]評價(jià)了該方法的經(jīng)濟性;Bridle 等[13 ]研究了該過(guò)程的二次污染控制;Frost 等[14 ]評價(jià)了熱解油的市場(chǎng)應用前景。我國學(xué)者何品晶和歐國榮等也對該技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗[15 ,16 ] , 并對轉化過(guò)程的機理進(jìn)行了探討[17 ] 。污泥低溫熱解制油技術(shù)的工藝流程如圖1所示。

在此工藝中,干污泥在無(wú)氧環(huán)境下被加熱至300 —350 ℃保持約30 min ,然后由冷卻器收集油、水混合物,在反應釜內沒(méi)有壓力情況下,繼續加熱到450 ℃左右,由冷卻器收集輕油、焦油和氣體。燃料油的產(chǎn)率在16 % —20 %左右,熱值3313 MJ / kg ,衍生油的元素和化學(xué)組成分別如表1 和表2 所示。

從表中數據可見(jiàn),產(chǎn)油的熱值高,收集起來(lái)后可以作為能源儲存。油在熱解過(guò)程中以蒸氣相存在,可被明火點(diǎn)燃,性質(zhì)穩定。同時(shí),熱解也產(chǎn)生污泥炭,其性質(zhì)穩定,可以用于摻煤或直接作為熱解補充能源[18 ] 。這種技術(shù)正逐步經(jīng)過(guò)實(shí)驗室走向實(shí)際應用階段,根據參考文獻[15 ]的分析,該工藝技術(shù)可靠、成本小于直接焚燒的80 % ,同時(shí)還可獲得油,成本將更低,應該具有很好的發(fā)展前景。

3.2 　污泥合成燃料技術(shù)

城市污泥中含有大量的有機物,約占70 % —80 % ,脫水污泥發(fā)熱量也很高[17 ] 。我國部分城市污泥的熱值見(jiàn)表3[19 ,28 ] 。壩煤50 %、消化污泥35 %、添加劑(含固硫劑) 15 %配制的合成燃料,其熱效率比壩煤熱效率高14171 %[18 ] ,環(huán)保測試結果表明,爐渣含碳量、二氧化硫排放量、林格曼黑度等級均比壩煤低。另外,污泥具有黏結性能,活性污泥作為黏結劑將無(wú)煙粉煤加工成型煤, 而污泥在高溫氣化爐內被處理,防止了污染;污泥作為型煤黏結劑,可改善在高溫下型煤的內部孔結構,提高型煤的氣化反應性,降低灰渣中的殘炭[18 ] 。唐黎華[20 ]的研究表明,污泥添加量為2 %(干基) ,白泥添加量為013 %(干基) 時(shí),所制型煤抗壓強度、跌落強度、熱穩定性與白泥型煤相當,且污泥型煤無(wú)二次污染,其氣化成分符合氨原料氣的要求。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

經(jīng)該技術(shù)合成的燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣,可以通過(guò)常規的氣體凈化裝置去除其中的酸性氣體及其他大氣污染物,為污泥處理提供了一條新的途徑。

3.3 　污泥堆肥土地利用技術(shù)

污泥堆肥土地利用與傳統的污泥直接土地利用明顯不同。在我國,污泥堆肥主要有兩種方式:一是污泥消化或污泥和垃圾等其他物質(zhì)混合堆肥后農用;二是污泥經(jīng)過(guò)堆肥發(fā)酵制成復合肥農用[21] 。污泥直接消化后農用目前比較成熟的方法是中溫厭氧消化處理,它具有產(chǎn)氣率高、含水率低等優(yōu)點(diǎn),但該方法由于一些病菌(如蛔蟲(chóng)卵等) 幾乎沒(méi)有減少,因此,其推廣應用受到限制。而混合堆肥通過(guò)堆肥過(guò)程中的生化反應,使污泥穩定化、無(wú)害化,這種處理方法我國已有相關(guān)的研究[22 ,23] ,它既殺死了污泥中的有害細菌,又能提高其肥效。只要控制好城市垃圾中的不穩定成分,該方法是很有發(fā)展前景的。

另外,還有人研究開(kāi)發(fā)了污泥- 化肥復合肥系列產(chǎn)品進(jìn)行農用,該方法充分利用了污泥中的營(yíng)養元素,實(shí)現了氮、磷、鉀的平衡、有機無(wú)機平衡,集用地養地功能與一體,較單純施用化肥或有機肥都更優(yōu)具有優(yōu)越性。其工藝流程為:污泥→風(fēng)干脫水→高溫脫水滅菌→化學(xué)脫水→投配無(wú)機肥→破碎篩選→造�！�烘干→冷卻篩選→成品。采用上述工藝生產(chǎn)的污泥- 化肥復合肥,風(fēng)干脫水即自然涼曬,可節約能耗;而高溫脫水滅菌在烘干機中進(jìn)行,溫度控制400 —420 ℃,既可以保證有機質(zhì)不會(huì )分解,又可以殺滅病菌、病毒和寄生蟲(chóng)卵;化學(xué)脫水可以脫除多余的水分,又可以減少一直利用高溫脫水所耗費的能量。在經(jīng)檢驗重金屬等的污染物含量符合國家標準,并通過(guò)了有關(guān)部門(mén)的鑒定。使用后作物產(chǎn)量提高5 %左右,價(jià)格大致與無(wú)機復合肥持平。

3.4 　污泥活化制取吸附劑技術(shù)

近年來(lái),一些學(xué)者研究發(fā)現,來(lái)源于污泥熱解的衍生材料可以作為很好的吸附劑[24 ,25 ] ,我國學(xué)者吳鍵等[26 ]和馬志毅等[27 ]也從污水污泥中制取了吸附材料,一般的工藝過(guò)程如圖2 所示。

從工藝過(guò)程可知,污泥制取吸附劑的途徑有3條,針對不同的污泥、所制吸附劑的不同用途,可相應采用不同的制取方法,而不同的制取方法所產(chǎn)生的吸附劑的性能差別很大,一般所制得的吸附材料性能為:化學(xué)活化> 物理活化> 空氣中氧化。影響吸附劑性能的主要因素有:活化藥劑的種類(lèi)、濃度、熱解時(shí)間、熱解溫度和活化溫度等。馬志毅等利用污泥制取的吸附材料性能如表4 所示。

對于該種吸附劑的應用,由于其中含有大量的重金屬的氧化物,致使其不但可以作為吸附劑,同時(shí)也是良好的催化劑,所以,雖然從相關(guān)參數上比較其不如商業(yè)活性, 但應用效果卻與商業(yè)活性炭效果接近,甚至有時(shí)會(huì )超過(guò)活性炭[27 ] 。作者也正在從事這方面的研究,通過(guò)化學(xué)活化法,選取氯化鋅作為活化藥劑, 在不同的活化溫度、藥劑濃度及不同的熱解條件下,獲得的吸附材料經(jīng)過(guò)SEM 電鏡微觀(guān)分析和ASAP2010表面分析,相應的性能參數與商用活性炭相比很接近。利用制成的吸附劑對難處理的農藥廢水,COD的去除率也可以達到63125 % ,此種吸附材料對有機和無(wú)機有害氣體的凈化研究正在進(jìn)行,實(shí)驗室初探效果顯著(zhù)。

4 　結　語(yǔ)

如何處置城市污水廠(chǎng)產(chǎn)出的大量污泥,是一個(gè)值得深入研究的課題。對污泥的處置首先應該注重無(wú)害化、資源化和能源化,對污泥的資源化利用本身就是節約能源和資源,為污水處理廠(chǎng)的污泥處置與處理找到一條化害為利、變廢為寶的合理出路,實(shí)現經(jīng)濟效益與社會(huì )效益同步增長(cháng)。目前污泥的資源化工藝,熱解制油技術(shù)、制燃料技術(shù)、堆肥土地利用技術(shù)和熱解制取吸附劑技術(shù),都是比較好的資源化技術(shù),它們都能夠充分利用污泥中有機物質(zhì)含量高的特點(diǎn),不僅可以解決污泥出路的問(wèn)題,還可產(chǎn)生大量有用物質(zhì)。上述方法雖然工藝過(guò)程已經(jīng)清楚,但真正能夠達到大規模處理污泥還應進(jìn)一步研究探索。不過(guò),可以肯定的是,污泥資源化具有很好的發(fā)展前景。（湖南大學(xué)環(huán)境工程系）