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            污泥處理處置及資源化主流方法有哪些?

            作者:上海春巡生物工程有限公司 發表時間:2016年06月15日【


                 為了實現污泥的減量及資源化利用,本文介紹了近年來污泥處理處置的一些新興方法,主要通過污泥源頭控制和預處理方法實現污泥的減量化原則;其次介紹了污泥的各種資源化方式,同時結合污泥和西北黃土地區的各自特點重點探討了污泥在西北黃土地區農林用的可行性,為西北黃土地區污泥找到出路的同時提高西北黃土的肥效,以期達到改善黃土的貧瘠特性的目的。
                 污泥是污水處理過程中產生的副產物,包括初沉污泥,剩余污泥及其混合污泥。隨著人民生活水平的提高和工業的快速發展,污水的產生量與日俱增。目前國內污水產生量為1.39億t/d,城市污水處理率已達77.5%,十二五規劃明確指出:到2015年城市污水處理率達到85%。每萬m3污水經處理后污泥產生量(按含水率80%計)一般約為5~10 t,污水排放量的大幅度增加和處理效率的提高,必然導致污泥數量的成倍增加。并且污泥處理處置費用占到整個污水處理廠總費用的20%~45%,污泥的處理與處置迫在眉睫。
                在傳統污泥處理與處置方法應用的同時,一系列新興的污泥處理工藝方法漸漸推廣,大致可分為源頭減量、預處理和資源化利用三個方面。污泥處理應當遵循減量化為主,資源化末端處置為輔的原則。采用減量化技術的前提是不影響污水的正常處理。雖然污水處理廠可通過新方法從源頭控制污泥的產量,但每年仍有大量的剩余活性污泥產生,且經過預處理后,污泥體積仍就非常龐大。因此,很有必要對剩余活性污泥進行資源化利用,本文結合西北黃土地區土質的特點和污泥中含有有機質、氮、磷、鉀及鐵、錳、鋅等微量營養元素,探討西北地區污泥的出路和施用于黃土對黃土改良的可能性。
            1、源頭減量
                城鎮污水處理廠污泥處理工藝的選擇應同污水處理工藝和污泥處置技術統籌考慮,應優先選擇污泥源頭削減污水處理工藝,降低城市污水處理廠總體運行費用和能耗,減輕末端污泥處置的負荷,緩解污泥在處理和處置過程所帶來的環境污染問題。目前污泥源頭控制的方法主要有解偶聯代謝,隱性生長和污泥好氧顆;N方法。
            1.1 解偶聯
                解偶聯的作用機理是使氧化和磷酸化脫偶聯,氧化仍可以進行,而磷酸化不能進行,使分解代謝和合成代謝不能同時進行,微生物仍能正常分解底物,但其自身合成速度減慢,污泥表觀產率降低。解偶聯來源于英國生物化學家米切爾(P.Mitchell)在1961年提出的“化學滲透學”假說,即生成ATP的氧化與磷酸化之間起偶聯作用的是H+的跨膜梯度。解偶聯的方式主要有解偶聯劑和好氧-沉淀-厭氧工藝兩種方法。
                 解偶聯劑為離子載體或通道,能增大線粒體內膜對H+的通透性,消除H+梯度,因而無ATP生成,使氧化釋放出來的能量全部以熱的形式散發。解偶聯的方式主要有解偶聯劑和好氧-沉淀-厭氧(OSA)工藝兩種。目前研究較多的解偶聯劑有氯代酚,硝基酚,氨基酚、甲基酚和四氯水楊苯胺等。其具有改變微生物生態結構、污泥膨脹性能和沉降性能;但微生物可產生抗性,或者產生降解偶聯劑的分解酶,從而使解偶聯劑失效;較難生物降解的解偶聯劑,將會給污水水處理帶來新的污染。
                Westgarth等首次報道了在污泥回流過程中增加一個厭氧段可減少一半剩余污泥,即好氧-沉淀-厭氧(OSA)工藝,是給微生物提供一個好氧、厭氧的交替生長環境,使細菌在好氧階段所獲的ATP不能立即用于合成新的細胞,而是在厭氧階段作為維持細胞生命活動的能量被消耗,從而減少微生物的表觀產率系數而達到污泥減量的目的[10,11]。OAS具有污泥產量低、污泥沉降性能好,對COD和磷的去除效率高等優點,但對污水中氮的去除效果較差。
            1.2 隱性生長(溶胞技術)
                隱性生長又稱溶胞技術,其有機械(如超聲波或微波輻射)、化學(如以O3、ClO2、H2O2 氧化)等方法。機械法的機理是超聲波機械剪切力和自由基氧化作用破壞了污泥細胞壁和絮體的結構,細胞內含物溶出而進入水相,從而改變污泥的沉降性能和可生化性,還提高了污泥的脫水性能。其特點為溶解性CODCr顯著增加;無污染、能量密度高、分解速度快、簡便靈活且高效等優點;但作用體積較小,適用于小規模操作,超聲波處理污泥的比能耗較高。
                化學方法的機理為強氧化劑首先作用于細胞壁、細胞膜,使其構成成份受損而導致新陳代謝障礙。Yasui等首先提出將剩余污泥用臭氧氧化后返回到曝氣池的方法,可以從總體上實現污泥減量化;即臭氧繼續滲透,穿透膜而破壞膜內脂蛋白和脂多糖,改變細胞的通透性,導致細胞溶解、死亡[15,16]。其特點為破解效率高,不產生有害副產物;處理成本高,出水水質差,特別是出水中N、P含量高等問題操作條件需要優化。
            1.3污泥顆;
                污泥顆;譃楹醚躅w粒污泥和厭氧顆粒污泥兩種。好氧顆粒污泥是微生物在饑餓狀態表面變得更加疏水,有助于微生物的粘附和聚集,其次,水力剪切力和反應器中水的流動方式也促進了顆粒的形成。其具有沉降性能優異、生物量濃度高、 抗沖擊負荷和耐受有毒物質的能力強等特點;能有效處理高低濃度的有機廢水,且出水效果好;具有較強的脫氮除磷能力。
                 厭氧顆粒污泥一般為產甲烷菌、產乙酸菌和解發酵菌等構成的自凝聚體。其能耗較高,可處理高濃度有機廢水,但出水COD較高,除氮磷的能力也有限。
            2、預處理
                污泥是一種膠狀結構的親水性物質,易形成菌膠團和絲狀細菌,當大量繁殖時其表面吸附大量水而使活性污泥膨脹,導致污泥含水率高且不易脫水。有研究得出高干度脫水可使污泥含水率從95%降至50%左右,與現有帶濾機和離心機相比,污泥減容可達60%左右,推廣應用后,污泥處理成本和外運處置成本都將大幅降低。
                傳統的預處理的方法一般方法有濃縮、破解、調理、消化、脫水等,污泥經過傳統預處理后,含水率仍在80%左右,大大加重了污泥后續的成本。因資源化是今后污泥處置的發展方向,而經濟高效的污泥高干度脫水是污泥資源化的前提。因此,以提高污泥的脫水效率,降低后續污泥熱力干燥作業的能耗成本,經濟高效的污泥高干度脫水技術的研究逐漸開展起來。高干脫水法主要有熱干燥法、加消石灰后機械壓濾法和電滲透脫水法。其中熱干燥法能耗大,設備體積龐大,污泥易黏在儀器壁上,傳熱受阻效率低;污泥中加入消石灰后,污泥中的水分被消石灰吸收并放出大量的熱量,使得污泥中的水分被蒸發,但該方法由于加入大量的消石灰,增加了成本且不易后續的壓濾處理。電滲透對污泥的高含水段(80%-60%)脫水效率很高,低含水率段(60%-40%)效果相對不明顯,且設備費較昂貴。
                上述污泥處理處置方法主要從破壞微生物的細胞結構和對污泥進行高干度脫水處理。這些方法雖能達到減少污泥體積的目的,但昂貴的費用和引起的二次污染說明這些方法還有待進一步研究。
            3、污泥資源化利用
            3.1 污泥材料與能源化利用
                  根據污泥的理化性質,其資源化應用的一般途徑非常廣泛。 表1為污泥資源化應用的一般途徑。
            表1 污泥資源化應用特點

            3.2 污泥最新資源化利用
                   因污泥含有大量蛋白質、脂肪、多糖等碳水化合物,人們利用微型動物捕食污泥,不但能增強污泥減量程度和減量穩定性, 且由于能耗低、不產生二次污染, 作為一種生態工程技術而備受關注,F階段國內外利用微型動物減量污泥的研究主要集中在寡毛綱環節動物如紅斑體蟲和體型較大的后生動物顫蚓等。已有研究利用污泥養殖蚯蚓并在其體內可以提煉出動物所需的維生素B12等。
                   近年來,污泥燒制陶粒并用于建筑輕集料也得到了快速發展。張云峰等以自制陶粒作為輕粗集料配制輕集料混凝土,通過調整水灰比、砂率、粉煤灰摻量,配制出強度等級滿足CL30強度要求,干表觀密度<1700kg/m3的輕集料混凝土;與普通混凝土相比,具有密度小、強度高、保溫、隔熱、抗震性能好的特點,結構質量減輕25%左右,若用于工業和民用建筑,將具有很好的經濟效益和應用前景。
                   污泥通過氯化鋅為活化劑,制取的污泥活性炭具有微孔容積大、吸附性能好等優點。黃錚等以污泥所制備的污泥活性炭在200目粒徑下的BET比表面積3936.2419m2˙g-1,微孔總容積1.47768 cm3˙g-1,平均孔徑12.19Å;污泥活性炭浸出液除Zn超出農用污泥中污染物控制標準外,其它重金屬濃度遠低于標準值。通過實驗研究張斌初步得出當污泥含碳吸附劑的投加量不少于0.7g時,是六價鉻廢水吸附實驗的最佳吸附條件。
                   解建坤對污泥活性炭的制備工藝條件和機理進行了研究,得出與以微孔為主的商品活性炭相比,污泥活性炭屬于中孔性,具有更加開放的孔隙結構,其可以作為一種高效、安全、經濟和可行的商品活性炭替代品用于染料等大分子污染物廢水的處理;罨瘎㈱nCI2起到脫水縮合的作用,使原料中的H和O以水的形式分離出來,同時,更多的C鍵合并并保留在原料中。污泥活性炭的浸出實驗表明,污泥活性炭浸出液中幾種主要重金屬的濃度不超標,將其用于水處理是安全和可行的,從而可以實現污泥的資源化。
                   污泥熱解因其經濟性好、二次污染小、熱解產物利用價值高等優點而而被認為是實現污泥減量化、穩定化、無害化和資源化目標的極具潛力的處理技術,且污泥低溫熱解制衍生油漸漸得到發展。污泥低溫煉油技術已在加拿大進行了生產性實驗,獲得了較高的產油率。我國近年來采用間歇反應釜對城市污水廠污泥直接熱化學制油的實驗室研究表明:在250℃~300℃的反應溫度范圍內,每千克揮發性固體(VS)可得油0.14~0.144kg,相應有機質轉化率為70%~80%[39,40]。邢英杰等得出污泥制油的最佳條件為在溫度270℃,反應時間75分鐘,催化劑NaCO34g/100g污泥。
            3.3 污泥農林利用
                   污泥是一種十分有效的生物資源,它含有大量的微生物、有機質以及益于植物生長的N、P、K等營養元素,經堆肥后腐熟污泥能夠改善土壤的理化性質,提高土壤的肥效,并且增加了土壤中微生物的數量,改變土壤微生物群落的結構,并分別提高了土壤硝化細菌的比例、酶的活性、土壤的基礎肥力和土壤腐殖質的含量。其次,污泥中含大量基本礦物質組成與土壤相似的腐殖質.可提高土壤的陽離子交換量,改善土壤對酸堿的緩沖能力,提高土壤的保水、保肥和通透性。
                   污泥在園林綠化中合理施用, 既避開了食物鏈, 又為園林綠化提供了有機肥。研究結果表明污泥堆肥促進了供試植物的生長,當污泥施加量為9kg/m2時,月季、白蠟和扶桑的長勢最好,而國槐施用量以6-12kg/m2為最好。薛澄澤又得出污泥施用與林地對灰化土等土壤上生長的云杉和松樹生長都有顯著促進作用,能加速樹木的生長高度和發育;在松樹、橡樹和黃楊樹等林地上,污泥施加4-6t/km2與施用化肥相比時,樹高度增加46%-489%,直徑增加50%-453%,生物量增加42%-661%。污泥施用后,森林地表枯枝落葉中氮的積累增加,且土壤中可利用的氮含量也有提高。
                   當污泥應用于農田時,污泥堆肥對農作物具有明顯的增長作用。歐美國家也把土地利用作為污泥處置的主要方式和鼓勵方向。國內陳同斌等得出城市污泥復合肥較化肥能使小麥和玉米增加產量,兩者增產分別為11%-17%和11%-27%。 還有研究得出當污泥施用量為56.25 t/ hm2 時,小麥增產為最大,玉米的產量隨施肥量的增加而增大。但污泥中的重金屬一直被認為是影響和限制污泥堆肥與農林用資源化的瓶頸。
            3.4 污泥改良黃土利用
                   我國北方及西北大部地區主要以黃土覆蓋,其性質比較疏松,多以黃灰色或棕黃色的粉土和粉沙細粒組成,質地均一。黃土分布范圍北起陰山山麓,東北至松遼平原和大、小興安嶺山前,西北至天山、昆侖山山麓,南達長江中、下游流域,面積約63萬平方公里,占全國土地面積的6%;該地區黃土平均厚度120~200m,其黃土主要為風成黃土,粉粒占黃土總重量的50%,土質富含碳酸鹽、偏砂且多孔、結構疏松、孔隙度大、透水性強、遇水易崩解、抗沖抗蝕性弱。頻繁的水土流失極易造成土壤中有限的植物礦質養分大部分丟失,形成不穩定的、相對貧瘠的表土層。極度貧瘠的土壤對形成良好的植被極為不利。特別是長期的水土流失造成了土壤環境的退化,肥力不足,造成苗木成活率低、生長不良,已經成為今后的發展障礙。
                   剩余活性污泥中含有在許多植物生長所必需的氮、磷、鉀等營養成分,硫、鐵、鈣、鈉、鎂、鋅、銅、鉬等微量元素和豐富的有機物和有機質,這些營養物可以緩慢釋放,具有長效性。有機污泥既有肥效性,又能是土壤形成團粒結構,具有水穩定性,對土壤的改良和植物的生長均有促進作用,因此被考慮直接施用于土壤和農田;谖勰嗟倪@些特點,把污泥施加到土壤中并研究得出,污泥的土地施用可以改善土壤的生物和物理化學性質,明顯增加了土壤有機質,在土壤改良、育苗、林地綠化等取得了較為明顯的效果。同時土壤施用適量污泥后,由此帶來的容重降低、孔隙度、團聚體穩定度、持水量以及導水性增加,對農業也起到了積極的作用。通過施用城鎮污泥,土壤微生物的活動加強和有助于土壤團粒的形成,減少了地表徑流沖刷,增大了土壤的抗沖性。
                   西北黃土地區(陜西、甘肅、青海、寧夏)2010年污水總處理量為331萬t/d,污泥產量(含水率80%計)為6.04×105t/a~1.28×106t/a。雖然污泥的出路要有填埋、焚燒、堆肥和土地利用等方式,但針對于相對落后和經濟不發達的西北黃土地區,有機污泥經堆肥后施用于黃土是西北地區污泥的最好出路,因土壤生態系統有自凈作用,包括生物、物理和化學等過程(生物降解、化學絡合、氧化-還原、物理吸附等),可以抑制污泥中一些致病生物的生長并使其失活,使污泥中大部分有機物礦化,同時還可以限制重金屬的遷移、擴散與生物可利用特性等;同時污泥給黃土提供大量微生物、有機物和氮、磷等植物營養素等,不但解決了污泥的處置問題,而且有效提高黃土的有機肥效,并降低了其孔隙度、增大團粒穩定度、增強保土保水能力,最終既實現了控制西北地區水土流失的目的,種植植物后也起到了防風護沙和改善生態環境的目標。把污泥添加到黃土中恰可以取長補短,既可實現黃土有效利用,又可促使西北地區污泥的資源化。將對農業、林業及生態環境都有不可估量的意義。
            4、結語與建議
                   污泥處理與處置是世界范圍內關注的環境問題,任其污泥的隨意堆放,不僅會造成資源和能源的浪費,還會污染環境,危害人類健康。隨著人們對環境和能源問題的日益關注,污泥的資源化利用也備受重視,因此,學者便探討和實踐了一些新型方法。根據西北黃土地區生態現狀,土壤貧瘠,肥力不足,若把高肥效的污泥應用于黃土,不但可以實現污泥的資源化利用,還能提高黃土的肥效和保水能力,改善黃土地區的生態環境。同時長期施用污泥,黃土將會積累較多的重金屬,因此,很有必要長期監測污泥堆肥施入土壤后所含的有害成分在土壤中的行為及變化。

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