剩余污泥減量化與資源化研究進(jìn)展

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都，610065)

隨著城市的發(fā)展，市政污水處理廠的規(guī)模和處理量也在不斷擴(kuò)大。活性污泥法作為目前最為成熟的生物法，在市政污水處理中應(yīng)用廣泛，然而作為生物處理過程的副產(chǎn)物，污水處理廠(wastewater treatment plants，WWTPs) 的剩余污泥量逐年增加，約占水量的0.3%～0.5%(污泥含水率以97%計(jì))[1]，而且約80%的污泥尚未得到妥善處理，污泥的處理與處置費(fèi)用約占污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用的一半，成為污水廠的嚴(yán)重負(fù)擔(dān)[2]。如表1所示，不同的處理方法和處理單元的污泥產(chǎn)量也不同。此外，剩余污泥成分復(fù)雜，通常含有大量的有毒有害物質(zhì)，如細(xì)菌、病毒、重金屬等，過去往往將剩余污泥簡單處理后丟棄至環(huán)境中，這不僅對(duì)環(huán)境造成危害，而且忽視了污泥中許多可再利用的成分(如N、P、有機(jī)物等)。如何經(jīng)濟(jì)有效地處置剩余污泥并回收資源已成為研究熱點(diǎn)。

表1 城市污水廠不同單元污泥比較

1 主要處理方法

1.1 衛(wèi)生填埋

衛(wèi)生填埋，是指對(duì)城市垃圾和廢物在衛(wèi)生填埋場(chǎng)進(jìn)行的填埋處置。發(fā)達(dá)國家大約38%的剩余污泥都通過衛(wèi)生填埋處理[3]，土地填埋在我國應(yīng)用較為廣泛。污泥填埋就是先將污泥進(jìn)行物理脫水如機(jī)械壓濾等脫水，然后對(duì)體積縮減的污泥進(jìn)行處理。污泥填埋工藝簡單，易操作，但需要較大的土地面積和高昂的污泥運(yùn)輸費(fèi)用，操作不當(dāng)則會(huì)造成污染地下水和有毒氣體逃逸等問題[4]。

1.2 污泥焚燒

污泥焚燒即在有氧條件下，以污泥自身的有機(jī)物為燃料，實(shí)現(xiàn)污泥體積的減少和病菌殺滅，發(fā)達(dá)國家大約10.5%的剩余污泥采用焚燒法處理。早在20世紀(jì)60年代美國就已應(yīng)用污泥焚燒技術(shù)，德國有近40個(gè)污水處理廠采用污泥焚燒工藝，根據(jù)2011年日本剩余污泥處理方式統(tǒng)計(jì)中，日本較大范圍采用焚燒法處理剩余污泥[5]。

然而焚燒法存在設(shè)備投資大、運(yùn)行費(fèi)用高等問題，且易產(chǎn)生污染物如NOx、致癌物二噁英等，污泥的易揮發(fā)性還會(huì)導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定、損傷鍋爐[6]。

1.3 土地資源化利用

由于可用填埋場(chǎng)土地面積的減少和污泥焚燒的昂貴，土地利用被認(rèn)為是一種有效的剩余污泥處置方法。污泥土地利用即將污泥經(jīng)穩(wěn)定化和無害化處理后，添加到土壤中并利用其中的有機(jī)物和微量元素(如Ca、Mg、Cu等)促進(jìn)植物生長。土地利用能耗低，可實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用。但剩余污泥中存在大量病菌，重金屬及POPs等難降解有毒物質(zhì)[7]。日本曾對(duì)排水管道污泥實(shí)施土地利用，造成土壤中Zn的不斷累積和淋溶下滲，甚至停止該法后13年土壤中仍能檢測(cè)到超量的鋅[8]。

1.4 好氧消化與厭氧消化

污泥好氧消化即通過曝氣充氧，污泥中微生物通過內(nèi)源呼吸代謝，分解為二氧化碳、水等簡單無機(jī)物的過程，因其易操作、建設(shè)費(fèi)用低，多應(yīng)用于小型污水處理廠[9]。隨著能源價(jià)格上漲和厭氧消化的深入研究，其應(yīng)用逐漸減少[10]。

污泥厭氧消化是一種廣泛應(yīng)用的剩余污泥處理法。厭氧生物處理法已有一百多年的歷史，其公認(rèn)機(jī)理為1979年Bryant等提出的理論，即第一階段：在水解與發(fā)酵細(xì)菌的作用下，復(fù)雜有機(jī)物分解為簡單有機(jī)酸，脂類轉(zhuǎn)化成脂肪酸等；第二階段：在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌作用下，偶數(shù)碳脂肪酸被轉(zhuǎn)化為乙酸和氫，奇數(shù)碳脂肪酸被轉(zhuǎn)化為乙酸、丙酸和氫；第三階段：產(chǎn)甲烷菌將第二階段的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為甲烷。李玉祥[11]等研究發(fā)現(xiàn)堿性厭氧發(fā)酵條件下藍(lán)藻有更優(yōu)秀的產(chǎn)酸能力和有機(jī)物降解能力。Jin等[2]研究了不同的堿類型對(duì)堿性厭氧發(fā)酵的影響，發(fā)現(xiàn)堿性厭氧發(fā)酵能通過抑制產(chǎn)甲烷菌從而有效累積短鏈脂肪酸(SCFAs)，實(shí)現(xiàn)污水廠的長期穩(wěn)定運(yùn)行，結(jié)果表明一價(jià)堿(氫氧化鈉和氫氧化鉀)較二價(jià)堿(氫氧化鈣和混和堿)表現(xiàn)出更好的水解能力，且同步實(shí)現(xiàn)了高效的SCFAs堆積和污泥削減。Skalsky[12]等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)SRT為2d，溫度對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程有明顯影響，14℃時(shí)SCFAs的生成速率較之21℃時(shí)下降了42%。

2 新型處理方法

2.1 濕式氧化

濕式氧化法(wet air oxidation, WAO)即在高溫高壓下利用氧化劑如空氣將污泥氧化從而消除污染。Zimmermann于1958年提出WAO技術(shù)[13]，Zimpr公司將其應(yīng)用于處理造紙黑液等工業(yè)廢水。李本高等[14]研究發(fā)現(xiàn)不同的氧化溫度下污泥中VSS的分解機(jī)理不同。濕式氧化處理的主要缺點(diǎn)是操作條件苛刻(高溫高壓)，高成本，高能耗，限制了它的大規(guī)模應(yīng)用。

2.2 制備活性炭

活性炭在去除染料，重金屬，VOCs，脫硫脫硝等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。污泥中的有機(jī)物可用于合成活性炭。制備污泥活性炭吸附材料既實(shí)現(xiàn)了污泥的資源化利用，又減少了煤和木材的使用。劉亞納等[15]利用污水廠壓濾污泥制備活性炭并探究了其對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附性能，結(jié)果表明當(dāng)溫度為15～35℃，吸附量隨反應(yīng)溫度增加而增加，通過BET、SEM等表征手段發(fā)現(xiàn)污泥孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，平均孔徑為9.68nm，適合于吸收如染料分子之類的污染物。任愛玲等[16]用硫酸鹽改性污泥活性炭并研究了其對(duì)苯乙烯的吸附，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)浸漬改性的污泥活性炭表面酸性官能團(tuán)和比表面積增加，從而提高了吸附量。污泥活性炭是一種環(huán)境友好型材料，成本較低，吸附效果較好[17]；主要缺點(diǎn)是剩余污泥中殘存一定量的重金屬，在吸附過程中可能造成二次污染。此外，目前污泥活性炭對(duì)多種污染物同時(shí)去除的機(jī)理尚未研究清楚。

2.3 等離子體技術(shù)

等離子體技術(shù)即電弧等離子體產(chǎn)生的高溫減少污泥含水率并降解有機(jī)物的過程。在我國，等離子體處理技術(shù)雖然還處于開始階段，但已經(jīng)取得了一系列科研和實(shí)踐成果。曹穎等[18]研究了脈沖弧光放電等離子體水解污泥，研究發(fā)現(xiàn)在放電過程中，高峰值電壓、高頻率、高液相電導(dǎo)率和較長放電時(shí)間可以促進(jìn)污泥水解。脈沖弧光放電能夠改變污泥性質(zhì)、降低污泥沉降性，對(duì)污泥有良好的水解效果。等離子體技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，但目前受限于它的高能耗和昂貴的操作費(fèi)用。

2.4 微生物燃料電池

微生物燃料電池(microbial fuel cells，MFC)是通過微生物催化作用，降解有機(jī)物，并產(chǎn)生電能[19]。微生物燃料電池效率高、無污染、燃料來源廣泛、反應(yīng)條件溫和，對(duì)嚴(yán)峻的資源與能源形勢(shì)下的污泥資源化利用有積極意義。黃國正等[20]實(shí)現(xiàn)MFC連續(xù)250h穩(wěn)定輸出，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)是主要的電子供體；Jiang等[21]研究發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)的污泥厭氧消化，MFC提高了7.9%的TCOD去除率。MFC的不足之處有電池電壓與輸出功率較低，電極材料較貴，對(duì)污泥的利用率較低等。

2.5 污泥制油技術(shù)

剩余活性污泥由于含有大量有機(jī)物適合制油，城市污水廠剩余污泥的有機(jī)成分高達(dá)70%～85%。污泥制油技術(shù)即在微正壓、250～500℃條件下, 污泥中的有機(jī)物(主要是脂類、蛋白質(zhì)類)通過蒸餾、熱分解轉(zhuǎn)化為油，油品(熱值約33MJ/kg)回收率與污泥中的有機(jī)物含量有關(guān)，一般為200～300 L/t干污泥[22]。低溫?zé)峤庵朴偷膬?yōu)點(diǎn)主要有工藝簡單，資源回收率高等。

3 結(jié)果與展望

剩余污泥的處理與處置越來越受到重視，隨著污泥量增加和可用填埋面積的減少，尋求經(jīng)濟(jì)有效的污泥處置技術(shù)刻不容緩。此外，污泥是一種很有價(jià)值的潛在資源，污泥厭氧消化和污泥制油在污泥資源化利用方面有較好的應(yīng)用前景，土地利用應(yīng)該是未來中國處理剩余污泥的主要方式。