污泥無害化處理與資源化利用的關鍵技術研究

李曉東 (蘇州格瑞特環保科技產業發展有限公司，江蘇 蘇州 215100)

1 污泥的分類與特性簡析

1.1 分類

污泥屬于多種來源物質的綜合性稱呼，其性質與種類根據來源的不同，存在相應的基礎差異。例如，按照產生途徑進行分類，污泥可以分為生活污水、工業廢水、給水三種。若按照包含的化學成分與基礎性質進行分類，則可以分為有機、無機、親水、疏水四種。除此之外，污泥還可以按照處理工藝進行分類，包括生污泥、濃縮污泥、消化污泥等。通過明確污泥的分類，可以了解其無害化處理與資源化處理的主要途徑，能夠為進一步分析基礎特性提供重要參考。

1.2 特性

污泥組成成分復雜性高，其包含細菌、有機無機顆粒、膠體等非均質成分。同時污泥還包含大量的水分，內部存在一些具有利用價值的有機質以及氮磷鉀等元素。根據來源的不同，污泥還可能包含病原體、寄生蟲卵或重金屬等有害成分[1]。在物理特性方面，污泥屬于含水量高、脫水性較差的膠狀物質，其形狀存在不規則特征，同時結構相對松散，比表面積與孔隙率較高，部分情況下可達到90%以上。鑒于污泥特殊的物理特性，其密度與體積計算需要根據實際情況，代入公式進行計算，密度計算如公式(1)所示：

式中：γ為污泥相對密度參數；P為污泥含水率參數；γs為污泥物質內干固體的相對密度。

針對污泥的體積進行計算時，其體積為水體積與固體體積兩者之和，可按照公式(2)進行分析：

式中：V為污泥本身的體積(cm3)；S為污泥物質內部固體總質量(g)；W為污泥物質內部水分質量(g)；ρw為污泥物質內部水的密度(g/cm3)；ρs為污泥物質內部干固體密度(g/cm3)。

2 污泥的無害化處理關鍵技術

2.1 干化處理技術

污泥干化屬于無害化處理的關鍵技術之一，與常見污染物質相比，污泥的含水率較高同時固體率較低，本質上屬于膠狀結構的一種。這一特性決定了污泥的體積較為龐大，不利于存儲運輸流程展開。同時，含水率較高導致污泥的微生物滋生速度快，容易造成生態環境污染，如：腐敗、惡臭等。因此，需要做好無害化處理相關工作，為后續利用或其他流程夯實基礎條件。常規情況下，污泥經過減量處理后含水率約為75%～85%，體積重量仍處于不可小覷的狀態[2]。干化處理技術可以使污泥含水率得到有效控制，能夠降低其基礎體積與重量，為后續應用做好準備。在干化處理過程中，污泥內部病原體能夠被消滅，使其符合無害化處理需求。同時，含水量的降低也可以為生物肥料、燃料制造提供有利條件，能夠實現提高污泥處理經濟效益的效果。

污泥干化技術處理流程包含三個基礎階段，即物料預熱、恒速干化預熱、降速干化。預熱主要目的為提高污泥物質的基礎溫度，通過加熱方式使內部水分進入汽化狀態，逐漸降低污泥的總含水率。恒溫干化屬于表面汽化控制階段，其能夠將熱源能量傳遞至污泥內部，使水分進入快速蒸發狀態，有效降低污泥基礎含水量，同時維持表面溫度處于穩定階段[3]。降速干化屬于內部擴散與控制流程，在污泥水分處于較低狀態時，降速干化可以進一步提高加熱效率，使水分進入緩慢減少狀態，最終與其他物質達成平衡，實現無害化處理效果。完成干化處理的污泥最終會轉變為顆粒狀，整體危害性已經得到有效控制。

在污泥干化處理過程中，需要做好技術參數的合理管控，確保其干化效果能夠達到理想標準。來源不同的污泥在物料形狀方面存在較為顯著的差異，在干化處理過程中，其將會逐漸從流態轉變為黏滯狀，最后成為塊狀物體。干化處理效率取決于內部水分擴散速度，根據水分擴散理論進行分析，擴散速率與物料厚度平方存在反比關系。因此，合理降低物料層厚度可以大幅提高干化處理效率。除此之外，污泥干化的溫度越高，其水分蒸發速度越快，干化效率也就越高。因此，需要做好溫度管控工作，確保污泥干化溫度處于20～25 ℃之間。對于相對濕度的控制也具有重要影響意義，如圖1～圖3所示，在干化溫度為15 ℃、相對濕度為40%的條件下，污泥含水率能夠在第7天下降至30%級別。而同樣的溫度條件、相對濕度為60%的條件下，污泥含水率下降至30%需要消耗9天時間。這一數據證明，相對濕度對干化處理效果具有重要影響意義。

圖1 15 ℃條件下污泥干化濕度與風速影響

圖2 20 ℃條件下污泥干化濕度與風速影響

圖3 25℃條件下污泥干化濕度與風速影響

2.2 蚯蚓堆肥處理技術

污泥無害化處理除物理技術外，也可采用生物技術方式進行。現階段，污泥農用屬于最為經濟、最為有效的無害化處理方式。而在農用前，污泥需要經過無害化與穩定化處理，才能夠實現理想應用目標。通過結合生物蚯蚓堆肥處理技術，可以使污泥物質得到有效調理、濃縮、脫水，盡可能降低內部有害物質基礎含量，最終達到理想的應用效果。蚯蚓可以富集污泥內部的重金屬物質，同時去除病原菌并轉移有害物質。通過利用蚯蚓堆肥技術，能夠充分發揮生物方案的經濟性優勢，同時還可以實現協同作用，為后續有機物應用做好準備。蚯蚓屬于土壤雜食動物，其可以消化有機物并將其轉化為其他有機物質。污泥中富含的重金屬與有機化合物屬于蚯蚓的最佳食物，通過堆肥集聚處理，可以使污泥得到有效疏散與降解，最終達到無害化處理目標，基礎流程如圖4所示。

圖4 蚯蚓堆肥污泥處理流程示意

蚯蚓堆肥無害化處理需要首先制定可靠的養殖計劃，通過篩選質量可靠與信譽良好的供應商，能夠有效提高蚯蚓堆肥穩定性，減少出現問題的概率。在實踐過程中，需要做好蚯蚓的馴化與飼養工作，同時結合污泥處理需求計算所需蚓種數。處理場所應當選擇在安靜、遠離居民區的位置，同時做好污泥的投放準備。在正式投放污泥前，需要進行適當的預處理工作，即控制含水率、調節pH值、調節污泥厚度。飼養蚯蚓對于污泥厚度要求較為嚴格，過高的厚度可能導致通氣不良，過低的厚度可能影響水分與營養吸收效果，削弱蚯蚓生長繁殖效率與污泥處理質量。

2.3 焚燒處理技術

污泥焚燒屬于經典、成熟的無害化處理技術，其能夠通過焚燒方式將污泥體積減小至原有的10%甚至以下，使其轉變為惰性灰渣物質，有效消除對環境的危害性。同時，污泥焚燒后的產物可以為建材行業提供資源，能夠實現穩定化、無害化的處理目標。但是，與其他技術方案相比，污泥焚燒工程規模較為龐大，同時工藝復雜程度高，因此需要做好相應部署工作，確保焚燒效果能夠達到理想無害化標準。現階段污泥焚燒技術發展已經出現了多樣化的革新趨勢，具有代表性的成果包括異重流化床清潔焚燒、濕污泥循環流化床焚燒、污泥協同焚燒等。

3 污泥資源化利用關鍵技術

3.1 PHA材料制備技術

污泥資源化利用屬于經濟性發展與改革的重要方向之一，通過深入挖掘污泥具有的有機物價值，可以使其實現“變廢為寶”的轉化目標，能夠為再回收體系建設與無害化處置后續部署提供理想條件。在資源化利用關鍵技術中，生物降解材料制備屬于典型方案之一。聚羥基烷酸酯，即PHA屬于天然生物聚酯材料。其具有完整的生物降解特性，同時能夠在一定程度上代替化學合成塑料，實現綠色化應用的目標。污泥內部含有的活性物質可以為PHA合成創造條件，因此可以通過此類方式創造生物降解材料，實現資源化利用的目標。在相關研究中，PHA材料制備需要采用低磷濃度進行處理。磷含量對PHA生產具有直接影響，其能夠將醋酸鹽轉化為PHA物質，進而實現理想處理目標。因此，在污泥制備過程中應當做好磷含量控制工作，避免其影響PHA的制備效率。同時，DO濃度對于PHA產量也具有顯著影響意義。污泥資源化過程中，DO濃度的提升能夠有效抑制硝化反應與反硝化反應，使PHA的產量得到提升。在污泥資源制備過程中，需要做好DO濃度的配置，使PHA制備產量能夠得到有效增加。

3.2 Fenton催化材料制備技術

Fenton技術屬于工業廢水與垃圾滲濾液的主流處置方案，其具有高級氧化特征，能夠有效降低物質危害性。但是，該技術的實施也會產生大量的污泥，需要進行后續分離、脫水以及無害化處置。針對該技術產生的污泥進行資源化利用，可以有效降低Fenton技術實施成本，同時還能夠控制其對環境的負面影響，有利于提高工業生產與垃圾處理工作的基礎效益。Fenton污泥可以結合多種資源化利用途徑進行處置，如生產催化材料等。

通過利用共沉淀處理技術，可以使Fenton污泥在800 ℃條件下得到有效煅燒，轉變為磁性NiFe2O4顆粒，為后續的Fenton技術實施提供高效率催化劑材料。NiFe2O4與H2O2同時應用的情況下，能夠有效去除工業污染物質或垃圾滲濾液中含有的苯酚，基礎效率可達95%以上。同時，污泥處置催化劑還能夠在非均相條件下發揮優秀性能。不同煅燒溫度處置的污泥可以作為Fenton催化劑降解染料工業生產廢水，如：降解酸性紅G、亞甲基藍等。同時，Fenton污泥還可以制備為水熱碳，為Fenton技術提供類催化劑物質。水熱碳的基礎投放量應設置為0.8 g/L，同時添加適量的H2O2，使溶液的pH能夠接近3，反應0.5 h即可去除亞甲基藍物質。通過制備催化劑材料，可以有效消化Fenton技術產生的污泥，實現理想的資源化處理目標。但是，目前相關技術制備的催化劑性能與穩定性仍處于有待評估的狀態，未來應當重點改進制備流程與應用細節，確保其能夠與Fenton技術構成穩定消化循環，為污泥的資源化應用打下堅實基礎。

3.3 光催化劑材料制備技術

在光催化劑類別中，具有良好性能表現的種類包 括WO3、TiO2、CdS、ZnS等。其 中TiO2屬于 應用經濟性良好、化學穩定性強且無毒害性的種類，具有重要應用價值，在光催化反應中得到了廣泛的利用。通過采用污泥材料制備生物負載催化劑，可以與TiO2材料相結合，共同增強光催化活性位點，進一步提高污泥的應用價值。在實際資源化處理過程中，可以將污泥與納米顆粒相結合，在800 ℃條件下進行處理。通過此類熱分解反應，可以獲得生物碳復合材料，包括TiO2、Fe3C等。這種復合材料可以發揮高效光催化作用，使有害物質得到充分降解，如亞甲基藍等。同時，此類復合材料還可以與ZnCl2結合，作為活化劑為溶膠凝膠法提供光催化條件。這種應用方式可以有效提高光催化降解丙酮氣體的效率，同時也具有更為優秀的比表面積，能夠增強吸附有機氣體的實際效果。針對市政污泥進行資源化處理的過程中，也可以采用此類制備方式，為光催化性能的提升夯實基礎條件。

3.4 活性炭材料制備技術

活性炭吸附材料屬于社會工業生活中較為常用的資源，其能夠有效去除大部分污染物，在諸如水處理等行業中得到了廣泛應用。污泥資源化利用可以通過相應技術方式，實現制備活性炭材料的目標，能夠顯著提高污泥的利用價值，使其在社會經濟環境中得到有效循環。例如，可以采用濃縮污泥與脫水污泥進行活性炭制備，使材料的性能得到顯著提升。污泥基活性炭對水內低濃度Cr污染物的吸附效果較為良好，其能夠有效去除100 mg/L以內的Cr污染，整體成本相對較低，具有優秀的應用價值。同時，污泥還可以通過ZnCl2與HNO3協同活化制備方式，獲得大量的生物活性炭。此類活性炭與商品活性炭相比，對鎘的平均吸附量表現更為優秀，具有顯著應用優勢。由此可見，污泥制備活性炭屬于資源化利用的最佳技術途徑，其能夠在水處理領域發揮重要作用，同時也可以有效去除常見的重金屬污染物，與商業制品相比具有良好的應用價值。但是，目前污泥活性炭材料內部是否存留潛在污染物，仍然處于深入研究階段。同時對污泥轉化活性炭材料的研究較少，相關工藝與技術細節有待改進。

4 結語

綜上所述，污泥具有良好的應用價值。未來應當積極探索其無害化處理技術應用方式，確保污泥材料能夠得到科學處置，為后續資源化轉變做好準備。在資源化處置過程中，應當結合污泥的實際情況，探索最佳轉化方向，使其產物可以得到充分利用，為發揮污泥材料經濟性打下堅實基礎。