污泥處理新技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)
行業(yè)動(dòng)態(tài)
隨著人民生活水平的提高，污水量持續(xù)增加，污泥產(chǎn)量隨之增多，預(yù)計(jì)到2020年將突破6000萬(wàn)噸/年。衛(wèi)生填埋、土地利用和焚燒等傳統(tǒng)污泥處理方法已無(wú)法滿足要求，且二次污染、運(yùn)營(yíng)成本等問(wèn)題日益暴露。目前，污泥處理逐漸向“減量化、資源化和無(wú)害化”（簡(jiǎn)稱(chēng)“三化”）的方向發(fā)展?！叭碧幚韮?yōu)點(diǎn)有節(jié)約資源、高效利用等，已成為國(guó)內(nèi)外污泥處理研究熱點(diǎn)。部分發(fā)達(dá) 已將污泥視為一種資源加以利用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益。中國(guó)污泥“三化”研究起步晚，但隨著 政策重視，圍繞“三化”的新技術(shù)發(fā)展迅速。圍繞“三化”技術(shù)闡述污泥處理新技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析新技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，旨在為污泥“三化”技術(shù)發(fā)展提供理論支持。
1 污泥處理新技術(shù)
1.1 減量化技術(shù)
污泥的減量化處理參照能量濺溢和維持能理論，使外部能量的輸入與必要維持能達(dá)到某種平衡，無(wú)需更多外部能量的供給來(lái)降低微生物產(chǎn)率。微型動(dòng)物捕食技術(shù)、高溶解氧工藝、防釋磷污泥濃縮技術(shù)等減量化新技術(shù)開(kāi)發(fā)成為國(guó)內(nèi)外研究的主要方向。
微型動(dòng)物捕食技術(shù)，是利用微生物、昆蟲(chóng)參與有機(jī)物礦化過(guò)程的新技術(shù)。此類(lèi)工藝減量效果顯著、投資及能耗低，但微生物種類(lèi)和數(shù)量難以控制，受水力負(fù)荷、溫度、pH等條件影響較大。
微生物活性與反應(yīng)器中的溶解氧水平有關(guān)，氧濃度影響分解和合成代謝的碳平衡。高溶解氧工藝即基于上述理論開(kāi)發(fā)出的污泥減量化新技術(shù)。該技術(shù)維持了高水平的混合液懸浮固體濃度（MLSS），使得污泥產(chǎn)量低、氧轉(zhuǎn)移效率高。Abbassi等報(bào)道，當(dāng)反應(yīng)器溶解氧增加到4.2mg/L時(shí)，污泥量明顯減少。高溶解氧工藝可以明顯減少污泥量，但物料投資較大、對(duì)環(huán)境要求高，仍有待突破。
防釋磷污泥濃縮是在傳統(tǒng)的污泥重力濃縮技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制氧化還原電位，防止富磷活性污泥在濃縮過(guò)程中出現(xiàn)厭氧釋磷的污泥濃縮技術(shù)，既經(jīng)濟(jì)，也不會(huì)讓污泥中的磷釋放出來(lái)。經(jīng)防釋磷技術(shù)調(diào)理后的污泥含水率可以降低到50%以下。該技術(shù)已成功應(yīng)用于污水處理廠，隨著研究的深入，該技術(shù)可以達(dá)到減量的目的，但氧化還原電位優(yōu)化難度大、能耗較大等問(wèn)題亟待解決。
除上述污泥減量化新技術(shù)之外，好氧-沉淀-缺氧聯(lián)合工藝（OSA）等一批新技術(shù)也得到了相應(yīng)研究。部分技術(shù)的減量效果顯著，但存在臭氧投加量大、解偶聯(lián)劑難以選擇、微生物的種類(lèi)數(shù)量難以控制、較優(yōu)電位的選擇、污泥流態(tài)難以控制以及能耗較大等問(wèn)題，仍有待更深一步的研究探討。
1.2 資源化新技術(shù)
污泥資源化是通過(guò)各種物理、化學(xué)和生物工藝，提取污泥中的有效組分，消除二次污染的同時(shí)，使污泥獲得再利用價(jià)值。近些年污泥資源化利用主要研究有能源化、材料化和有機(jī)化等方面。
1.2.1 污泥能源化
污泥能源化是指通過(guò)物理、化學(xué)或生物的手段將污泥中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為熱量，實(shí)現(xiàn)污泥的能源化利用。目前，能源化的研究重點(diǎn)主要集中在污泥低溫?zé)峤饧夹g(shù)和污泥電弧等離子體處理技術(shù)。
污泥低溫?zé)峤?，即利用污泥有機(jī)質(zhì)在加熱條件下熱裂解過(guò)程產(chǎn)生將污泥中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔锱c油或炭等發(fā)生作用的可燃性產(chǎn)物。國(guó)外研究表明螺桿式反應(yīng)器（STYX）中的熱解可成為污泥轉(zhuǎn)化、回收和再循環(huán)的替代技術(shù)，并利用該方法處理了100kg來(lái)自德國(guó)工廠的干化污泥，當(dāng)溫度為350℃和500℃之間時(shí)的油產(chǎn)率約為13.4kg。Menendez J A等在污泥中加入微波吸收劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度上升至900℃時(shí)污泥發(fā)生熱解而不是干化。上述方法為污泥處理提供了新思路，但技術(shù)轉(zhuǎn)化效率較低，工藝復(fù)雜，不利于推廣應(yīng)用，以后研究應(yīng)以此為突破點(diǎn)。
污泥電弧等離子體處理技術(shù)，即利用電弧等離子體可以瞬間產(chǎn)生極高溫，將氣體產(chǎn)物立即點(diǎn)燃加以利用。李軍等使用高溫躍遷法處理城市污泥，可生成能量得率15.5%的CO。這類(lèi)技術(shù)一直是研究熱點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)操作簡(jiǎn)單，環(huán)保無(wú)毒，但此類(lèi)技術(shù)的離子噴槍集中較難，效率低下，操作較難，需要更多優(yōu)化技術(shù)工藝方面的研究。
1.2.2 污泥材料化
污泥材料化主要是指利用污泥制成不同的原材料，如吸附劑、可降解塑料、陶粒等。
污泥制作吸附劑方面，Beeckmans等于上世紀(jì)80年代提出，控制熱解條件和經(jīng)過(guò)化學(xué)處理，可以把污泥轉(zhuǎn)化為有用的吸附劑。王曉飛等利用污泥制備活性炭，并對(duì)制備原理、影響因素和活性炭表征進(jìn)行了研究。將污泥制作成吸附劑是綠色的污泥處理思路，其推廣應(yīng)用具有重要意義。
污泥制作可降解塑料，即利用污泥中大量有機(jī)物制備成可被土壤微生物和酶降解的塑料，如聚經(jīng)基脂肪酸醋（PHAs），中國(guó)在此方面的研究?jī)?yōu)先于發(fā)達(dá) 。熊惠磊等研究污泥可降解塑料時(shí)發(fā)現(xiàn)，污泥厭氧產(chǎn)酸與PHAs合成組合技術(shù)可降低成本。污泥制作塑料是實(shí)現(xiàn)廢物循環(huán)利用的綠色技術(shù)，是污泥資源化利用的一大熱點(diǎn)，而研究方向主要在于提高塑料制備速率、減少二次污染等方面。
污泥材料化已成為有效的污泥資源化技術(shù)，除上述技術(shù)之外，一些新的研究方向也不斷被提出。如胡明玉使用城市污泥和濕排粉煤灰，制得力學(xué)性能和保溫性能良好的輕質(zhì)材料。陳小亮等以污泥焚燒殘?jiān)鼮樵?，以傳統(tǒng)水熱合成方法制得NaPl型沸石和水鈣沸石，與原料相比，其比表面積和陽(yáng)離子交換容量提高了47倍、17倍。污泥的材料化作為有效的資源化方式，為污泥處理提供一個(gè)前景廣泛的研究方向。
1.2.3 污泥建材化
污泥建材化，指污泥經(jīng)過(guò)干化、焚燒之后，再加入粉煤灰等原料，將其制作成水泥、陶粒等建材，污泥焚燒后的灰渣具有一定的火山灰活性，是很好的水泥混合材。Tay等發(fā)現(xiàn)污泥在1000℃下焚燒4h，其火山灰活性較強(qiáng)。但Cry等研究發(fā)現(xiàn)污泥中的氯離子含量遠(yuǎn)超過(guò)《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）中不大于0.06%的規(guī)定，不適合在水泥混凝土中應(yīng)用，降低氯離子含量成為了該技術(shù)的研究重點(diǎn)。
污泥合成水泥，污泥作為水泥熟料煅燒中的添加劑，其礦物結(jié)構(gòu)與常規(guī)硅酸鹽水泥熟料完全相同，且在污泥燒成過(guò)程中溫度有降低的趨勢(shì)，可以節(jié)約能源。目前合成污泥的研究與應(yīng)用相當(dāng)廣泛，已經(jīng)形成了相當(dāng)規(guī)模。但對(duì)于日益劇增的污泥產(chǎn)量，需要效率更高，操作更為簡(jiǎn)單的推廣工藝。
污泥制陶粒技術(shù)，翁煥新發(fā)現(xiàn)污泥陶粒的抗壓強(qiáng)度隨著表觀密度的增加而增大，燒制溫度對(duì)污泥陶粒的抗壓強(qiáng)度和表觀密度產(chǎn)生明顯影響，在1075℃時(shí)，污泥陶粒具有較大的抗壓強(qiáng)度（71.7MPa）和表觀密度（2.45g/cm3）。利用污泥制作陶粒，為污泥資源化提供有效的處理思路。
1.2.4 污泥有機(jī)化
堆肥處理在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用，有利于土地種植的產(chǎn)品，危害小，資源利用率高。王新等研究發(fā)現(xiàn)，污泥堆肥處理后試驗(yàn)組比對(duì)照組樹(shù)高增加了11%～25%、地徑粗增加了19%～50%，可以增加木材產(chǎn)量。污泥土地利用還可以提高土壤中N、P及有機(jī)質(zhì)含量。然而，污泥堆肥后的重金屬等有害物質(zhì)易進(jìn)入植物體內(nèi)，可能造成二次污染，研發(fā)更加環(huán)保無(wú)毒的堆肥技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。
污泥蛋白質(zhì)技術(shù)是對(duì)微生物進(jìn)行破壁處理，釋放其中的蛋白質(zhì)和水分，實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用。秦曉等使用鹽酸提取時(shí)，蛋白質(zhì)濃縮速度隨溫度增加呈先慢后快的趨勢(shì)，隨污泥濃度呈線性增加，隨鹽酸濃度呈先慢后快的趨勢(shì)，隨污泥濃度呈線性增加，隨鹽酸濃度呈先快后慢，并且長(zhǎng)時(shí)間有利于提升蛋白質(zhì)濃度。雖然水解條件低、能耗小和無(wú)臭味，但提取時(shí)間長(zhǎng)，效率低等缺點(diǎn)限制它的應(yīng)用推廣，其安全性和營(yíng)養(yǎng)性也值得深入探討。
1.3 無(wú)害化新技術(shù)
污泥無(wú)害化，即將有害污泥放入有一定強(qiáng)度和防滲透的固體材料里，實(shí)現(xiàn)污泥與環(huán)境的隔離。目前出現(xiàn)了電子束輻照技術(shù)、生物瀝浸技術(shù)、蚯蚓污泥技術(shù)等污泥無(wú)害化新技術(shù)。
電子束輻照技術(shù)，即利用高能電子束輻照污泥，使病菌數(shù)量減少，可生化性提高。吳宇琦發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)γ-射線輻照后，污泥胞外聚合物（EPS）和內(nèi)含物流出，有機(jī)含量增加，提高了污泥的可生化性。作為一種新型 氧化技術(shù)，操作簡(jiǎn)單、安全環(huán)保，在化學(xué)污染物降解方面的作用逐漸受到關(guān)注。
生物瀝浸技術(shù)，即污泥接種微生物，投加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，殺滅病原菌，析出重金屬，改善污泥脫水性。鄭冠宇等研究了生物瀝浸作用去除城市污泥中病原物，總大腸菌群（TC）和糞大腸菌群（FC）的去除率達(dá)到99%以上。國(guó)外研究紙漿和造紙廠污泥熱解提取的生物炭中，重金屬的生物利用度和生態(tài)毒性，發(fā)現(xiàn)重金屬在污泥中的生物利用度較好，缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，效率低。
蚯蚓污泥技術(shù)，是利用蚯蚓的生態(tài)特性分解污泥中的有機(jī)物，富集重金屬，分解有毒有害物質(zhì)，達(dá)到污泥穩(wěn)定化處理的技術(shù)。魏明蓉等研究了蚯蚓對(duì)城市污泥重金屬的富集特征，發(fā)現(xiàn)蚯蚓體內(nèi)的重金屬達(dá)到《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的要求。蚯蚓處理污泥的影響因素較多，可以從溫度、濕度和充氧量等方面進(jìn)行更深入的研究。
無(wú)害化技術(shù)對(duì)污泥處理有重要意義，但目前無(wú)害化涉及的相關(guān)技術(shù)設(shè)備昂貴、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、效率低的缺點(diǎn)亟待解決，需要如微波脈沖殺菌技術(shù)等操作簡(jiǎn)單的新技術(shù)的開(kāi)發(fā)。作為污泥的末端處理過(guò)程，無(wú)害化新技術(shù)應(yīng)該朝著高效節(jié)能，便于推廣，安全性高的方向發(fā)展。
2 污泥處理發(fā)展趨勢(shì)
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的污泥處理新技術(shù)發(fā)展迅速，污泥處理處置已從傳統(tǒng)的衛(wèi)生填埋、土地利用和焚燒等傳統(tǒng)方式逐漸向“三化”的方向發(fā)展。減量化處理新技術(shù)不斷出現(xiàn)，如微型動(dòng)物捕食法等技術(shù)逐漸成熟，但此類(lèi)技術(shù)帶來(lái)的污泥流態(tài)不可控、能耗較大等問(wèn)題仍然存在。污泥的資源化一直是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外污泥處理處置技術(shù)的研究熱點(diǎn)，無(wú)論是以美國(guó)等西方 為代表的土地利用，還是日本的污泥焚燒發(fā)電，都朝著資源化利用方向發(fā)展。資源化新技術(shù)發(fā)展迅速，從污泥低溫?zé)峤饧夹g(shù)到可降解塑料等技術(shù)的發(fā)展可以看出，污泥的處理與資源化利用相結(jié)合才是其較好的出路。進(jìn)一步簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，提高轉(zhuǎn)換效率和簡(jiǎn)化操作，才有利于應(yīng)用推廣。以污泥固體物質(zhì)封存為主的無(wú)害化技術(shù)，其危害性無(wú)法根本消除。電子束輻照技術(shù)、生物瀝浸技術(shù)等無(wú)害化新技術(shù)具有處理效率高、操作簡(jiǎn)單安全和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，有很好的發(fā)展趨勢(shì)；然而，投資大、運(yùn)行參數(shù)不準(zhǔn)確和反應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)等缺點(diǎn)阻止了其應(yīng)用推廣，仍然需要深入研究。
3 結(jié)語(yǔ)
總之，污泥資源化研究是對(duì)污水處理廠污泥進(jìn)行處理、處置的新思路，化“廢”為寶，資源化必將成為未來(lái)污泥處理的主流。污泥的“三化”新技術(shù)一定要兼顧環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)間效益平衡，極大限度地利用材料、能源等專(zhuān)業(yè)的前端科技?！叭?/span>”新技術(shù)亟須通過(guò)技術(shù)革新、研究突破，加以政策支持，形成污泥環(huán)保低耗安全的理論體系和系統(tǒng)性、層次性的解決方案，開(kāi)展污泥“三化”產(chǎn)業(yè)鏈工程技術(shù)的研究，突破研究與應(yīng)用的銜接瓶頸，真正意義上實(shí)現(xiàn)污泥“三化”，實(shí)現(xiàn)污泥處理的生態(tài)文明。
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