城市污水处理厂剩余污泥资源化途径探讨

城市污水处理厂剩余污泥资源化途径探讨

文献引用：宗静婷，丁晓倩.城市污水处理厂剩余污泥资源化途径探讨[J].生态经济，2011(7)：163～166.1引言截至2008年年底，全国投运的城市污水处理厂共1521座，处理工艺主要分为四类：活性污泥处理工艺、氧化沟工艺、二级生化工艺、序列间歇式活性污泥法及其改良工艺。上述四种工艺同属活性污泥法。活性污泥法是目前世界上应用最广泛的污水生物处理技术，但它一直存在一个最大的弊端，就是会产生大量的剩余污泥[1]。剩余污泥是指污水处理厂水处理结束后经浓缩、脱水后排出的含水率约为80%的深褐色泥块或泥饼，它含有大量水分、丰富的有机物及氮、磷、钾等营养元素，还含有重金属及病原菌等有害物质，如果不经合适处置即任意排放，不仅对环境造成污染，同时也是对资源的严重浪费[2]。截至2008年年底，全国投入运行的城市污水处理厂日处理能力8553万吨(36个大城市共建成288座，日处理能力为3497万吨)。每天所产生的污泥量约为污水处理量的0.5%～1.0%[3]。若仍使用传统的污泥处置方式(填埋、投海、焚烧等)处置如此大量的污泥，不仅容易造成二次污染，而且占地面积大或处置费用昂贵，给污水处理厂的运营带来了沉重的负担，已无法适应社会环境的发展需要。同时，随着资源短缺危机的加剧，人们不得不寻找新的资源，污泥由于其有机物、营养元素含量高而受到越来越多的关注。因此，如何解决污泥对环境的污染问题，使其化废为宝，是摆在环境科学与工程界的一个重要课题[4]。2传统污泥处置方式及存在问题传统的剩余污泥处置方式主要有填埋、投海(海洋倾倒)、焚烧。填埋是一项成熟的技术，应用较广。该法简单易行，但可能污染地下水，且需占用大量土地。尤其对于人口稠密的国家，大面积选址更加困难。我国大部分地区采用填埋法处置污泥，但仍有很多地区因填埋选址问题和大量运输花费限制了其广泛应用[5]。另外，由于国内污泥处理处置的起步较晚，许多城市没有将污泥处置场所纳入城市总体规划，造成很多处理厂难以找到合适的污泥处置方法和长期的污泥弃置场所[6]，大都是和城市垃圾混合填埋，最终导致填埋场周围的环境恶化，周围居民长期遭受渗滤液、臭气的困扰，造成很坏的社会影响[1]。据估计，美国环保局在今后20年内将有80%的填埋场被关闭[7]。海洋倾倒在一些沿海国家曾采用较多，是一种简便经济的处置方法，但会造成海洋污染，已受到越来越强烈的反对。1991年和1998年，美国和欧盟成员国已经制定相关的法规禁止海洋排放[5]。污泥焚烧不仅可使污泥体积大幅度减少，而且还可以达到灭菌目的。但由于污泥焚烧产生二噁英、二氧化硫、盐酸等气体容易造成二次污染，美国环保局一直准备按1990年制定的清洁大气修改法更严格地控制生物固体焚烧炉烟气的排放，这也将给剩余污泥的焚烧提出更高的要求[1]。而且，焚烧运行费用较高，且热能利用受到规模制约。该法对大型城市污水处理厂的污泥处置才具应用前景[8]。3剩余污泥资源化途径及分析3.1污泥土地利用由于剩余污泥含有丰富的氮、磷、钾等植物生长所必需的营养元素，因此可将污泥土地利用。污泥土地利用已有多年的发展历史，在工业化国家，自20世纪70年代以来，人们就开始堆制高品质的污泥肥料为农业和园林等应用[9]。1972年，美国联邦水污染控制条例指导美国环境保护局实施广泛的国家规则以管理重要污染源的工业废水排放，就是所谓预处理计划。预处理计划保证了城市污水污泥中的重金属含量达标，为污泥土地利用铺平了道路。目前，在美国污泥土地利用已经代替填埋成为最主要的污泥处置方式，研究的重心从处置变为回用[10]。污泥的土地利用主要有农田利用和城市绿化或林地利用。3.1.1农田利用目前实现剩余活性污泥无害化农用技术是将剩余活性污泥经过一系列处理后，达到无害化，并添加物质(其成分主要为菌种、粉煤灰及氮、磷、钾等营养元素等)混合，制成有机、无机复合颗粒肥。其工艺是将脱水污泥按一定比例与添加物质均匀混合，在一定温度条件下，通过好氧发酵堆肥完成对污泥的进一步脱水(污泥含水率可降至50%～80%)和有机物熟化处理；熟化后污泥与粉煤灰、营养元素和添加剂按一定比例混合、造粒、干燥、装袋，制成生物有机肥；在生产过程中实现杀菌、杀虫卵和固化重金属[11]。堆肥方式主要有污泥堆肥、污泥与城市垃圾混合堆肥、污泥与粉煤灰混合堆肥[12]。在我国采用污泥无害化农用技术研制开发了两个系列的有机复合肥：(1)土壤改良剂，其主要成分为有机质25%～38%，氮、磷、钾≥7%，主要用于改良土壤、林业种植；(2)颗粒复合肥，主要成分为有机质10%～20%，氮、磷、钾20%～25%，用于大田种植[11]。预计高温堆肥工艺粗有机复合肥生产成本在300元/吨左右，市场价格在500元/吨左右；精加工有机复合肥生产成本在500元/吨，市场价格在800元/吨左右可以接受[13]。污泥的农用资源化是一种具有广阔前景的污泥处置方法。由于其处理量大，环境安全，经济可行，因此一直深受各国重视。在欧洲，农用污泥在实践中已得到推广。有资料显示，比利时、荷兰、西班牙、瑞典、瑞士、英国等国城市污泥农用率达50%以上，卢森堡、葡萄牙更是达80%以上。田间试验表明，污泥用于农田后可增加农作物产量，提高土地肥力[14]。在我国，约有40%的污水处理厂将污泥消化脱水后农用[15]。污泥农用需要注意相应的环境问题：(1)污泥中重金属能否造成土壤及农作物的二次污染；(2)污泥中的病原体能否对环境造成影响；(3)氮、磷等物质含量过高是否会造成对地下水污染；(4)污泥长期使用对土质的影响[15]。3.1.2城市绿化、林地利用土地利用是一种积极有效而安全的污泥资源化方式。我国主要用于城市绿化及林地改造。华南农业大学与广州市园林研究所合作，把污泥与木屑、绿化公司修剪下来的树枝粉碎、混合堆肥，作为育苗和花卉基质，效果不亚于用泥煤土开发的花卉基质，污泥或污泥堆肥产品应用于城市园林绿地建设，只要对堆肥等进行适当的处理，控制污泥中的污染物含量，保证污泥的质量，并科学合理地施用，一般不会引起土壤、地表水和地下水的污染。而且污泥用于园林绿地建设，避开了食物链，一般不会影响到人体健康[16]。3.2污泥制动物饲料污泥中含有大量有价值的物质。粗蛋白占28.7%～40.9%，灰分占26.4%～46.0%，纤维素占26.6%～44.0%，脂肪酸占0～3.7%。其中，70%的粗蛋白以氨基酸形式存在，包括蛋氨酸、胱氨酸、苏氨酸等。污泥蛋白中含有几乎所有家畜饲料所需的氨基酸，且各种氨基酸之间相对平衡，因此可以作为饲料蛋白加以利用。有学者利用净化的污泥或活污泥加工成含蛋白质的饲料用来喂鱼，可提高产量。还有研究者用污泥制成的饲料养家禽，经过1年多的实验，未发现对动物有有害作用，用活性污泥制成的这种饲料和一般饲料混合(混合比例为9：1)，饲养的动物与完全由一般饲料饲养的动物对照，体重有所增加，鸡的产蛋率也有提高[17]。3.3污泥制燃料3.3.1污泥低温热解制油目前正在发展一种新的热能利用技术——污泥热解制油，即在300℃～500℃、常压(或高压)和缺氧条件下，借助污泥中所含的硅酸铝和重金属(尤其是铜)的催化作用将污泥中的脂类和蛋白质转变成碳氢化合物，最终产物为油、碳、非冷凝气体和反应水。第一座工业规模的污泥炼油厂建在澳大利亚的珀斯，处理干污泥量可达25吨/天[18]。3.3.2污泥直接油化鉴于污泥低温热解制油需要对脱水污泥进行干燥处理，需要很大的能量以及相应的投资，美国、英国、日本等研究了污泥直接油化技术。在250℃～350℃、5.0MPa～15MPa的条件下，在催化剂(通常是Na[，2]CO[，3])的作用下，通过加水分解、缩合、脱氢、环化等一系列反应，污泥中有近50%的有机物能转化为低分子油状物。该工艺是在高压下操作，对设备要求较高，产品在分离、加工过程中产生的异味也较难解决[11]。3.3.3污泥消化制沼气污泥厌氧消化是利用无氧环境下生长于污水、污泥中的厌氧菌菌群的作用，使有机物经液化、气化而分解成稳定物质，病菌寄生虫卵被杀死，固体达到减量和无害化的方法。污泥消化过程分两个阶段：第一阶段是酸性消化阶段，即高分子有机物首先在胞外酶的作用下水解与酸化；第二阶段是碱性消化阶段，即专性厌氧菌将消化过程第一阶段由兼性厌氧菌产生的中间产物和代谢产物分解成二氧化碳、甲烷和氨。污泥厌氧消化过程中产生的能量(甲烷)可供污水处理厂污水处理过程所需的能量，也可以为厂区及附近居民提供生活及生产能源。当污水处理厂规模较小污泥数量少时采用污泥厌氧消化制沼气综合利用价值就不大[19]。3.4污泥制建材3.4.1污泥制水泥近年来，日本利用城市垃圾(污泥)焚烧灰和下水道污泥为原料生产水泥获得成功，用这种原料生产的水泥叫做“生态水泥”。日本在2001年已建成世界第一座“生态水泥厂”，设计年生产能力为11万吨[16]。在我国，胡芝娟等对污泥在水泥窑上资源化处理的可能性及半工业试验研究结果表明，城市污水处理厂剩余污泥在水泥生产中完全能够得到无害化、资源化的生态处理。检测表明，污泥焚烧后的残渣进入水泥熟料中，其主要有害物——重金属固溶在熟料矿物中，其对熟料及水泥强度稍有影响，但对水泥安定性无影响，且熟料中的重金属尤其是对人体有害的砷、铅、镉、铬浸出液含量远小于国家标准[20]。3.4.2污泥制陶粒近年来，开发了直接从脱水污泥制陶粒的烧结术，它是将粉末状物料加热到熔点以上，使一部分物料变成液相，冷却后成为有相当强度的固体[19]。同济大学王中平、徐基斑开展了以苏州河底泥替代普通黏土烧制陶粒的研究，已取得初步成功，经高温焙烧后苏州河底泥中的重金属污染物被固熔于陶粒中，在普通水中浸泡1周无任何析出，不会对环境造成新的污染，焙烧成品经王水浸析后，重金属的溶出量均有大幅下降。华南某轻质陶粒制品厂采用城市污水处理厂污泥替代河道淤泥或部分粘土烧制轻质陶粒获得成功，已应用于实际生产，处理污泥量已达300吨/天[18]。污泥制轻质陶粒一般可做路基材料、混凝土骨料或花卉覆盖材料使用，也可作为污水处理厂快速滤池的滤料代替常用的硅砂、无烟煤，效果良好。污泥制陶技术应该注意和需改善的主要问题是，当污泥中含有大量的重金属时要注意窑炉的烟气治理与控制以及产品重金属浸出性能的监控。3.4.3污泥制砖剩余污泥可直接用干化污泥制砖，或用污泥焚烧灰制砖。浙江大学省级重点项目“污水处理中污泥资源的开发与利用研究”利用污泥资源具有热值较高和轻质地的特点，成功地开发出了一种轻质砖。该轻质砖体的放射性指标符合《建设材料放射卫生防护标准》要求，砖体主要指标达到普通烧结砖的国家标准，具有高抗压强度、节省能耗10%、重量比同体积的普通砖轻，并节省黏土资源10%～15%等优点[17]。另外，任伯帜等以城市污水处理厂剩余污泥为研究对象，进行粉煤灰-黏土砖烧制过程处理城市污泥的试验研究。结果表明：煤中掺入20%左右含水率80%的污泥，可改善和提高煤的燃烧特性；粉煤灰-黏土砖中掺入30%左右含水率80%的污泥不影响烧制成品的各项性能；整个过程中可资源化利用50%左右城市污泥[21]。3.4.4污泥制纤维板活性污泥中的有机成分粗蛋白(约占30%～40%)与酶等属于球蛋白，能溶解于水及稀酸、稀碱、中性盐的水溶液。在碱性条件下，加热、干燥、加压后，会发生一系列的物理、化学性质的改变，称为蛋白质的变性作用。利用这种变性作用能制成活性污泥树脂(又称蛋白胶)，然后与纤维胶合起来，压制成板材[22]。3.5环保利用3.5.1污泥制活性炭剩余活性污泥中含有较多的碳(活性污泥的组成可用分子式表示，理论含碳量53%)，人们选择污泥的最佳炭化、活化条件采用传统的高温炭化或用工业废弃的硫酸来催化炭化。受污泥含碳量的限制，污泥活性炭的质量低于传统活性炭，其碘值为177～700mg/g，但用其处理有机废水时，化学需氧量吸附容量和吸附平衡时间优于商品活性炭，因此有一定的应用前景[11]。3.5.2污泥对氯代化合物的降解作用氯代化合物毒性极强且降解非常困难，不少研究表明污泥对氯代化合物的降解有一定作用。其中一项研究表明从未驯化污泥中接种的升流式厌氧污泥床反应器(UASB)中可形成降解五氯酚(PCP)的颗粒污泥，还有一些研究者利用亨盖特厌氧技术从污泥中分离得到一株氯苯降解兼性菌，它对氯苯等含氯化合物具有一定降解率。另外，经氯苯驯化的污泥对氯苯生物降解过程中有邻二氯苯、间二氯苯共存时，有利于整个体系降解[17]。3.6其他3.6.1污泥制塑料活性污泥是废水处理系统中自然形成的微生物与有机物的聚集体，可从活性污泥中提取到聚羟基烷酸，聚羟基烷酸是许多原核生物在不平衡条件下合成的胞内能量和碳源贮藏性物质，是可完全生物降解，具有良好加工性能和广阔应用前景的新型热塑材料。在化学合成塑料造成白色污染日益严重的今天，利用活性污泥生产合成塑料，既可减少化学合成塑料所带来的污染，又可降低生产成本并使剩余污泥变废为宝[16]。3.6.2污泥制黏结剂污泥本身含有机物，如蛋白质、脂肪和多糖，具有一定的热值，又有一定的黏结性能。活性污泥做黏结剂将无烟粉煤加工成型煤，而污泥在高温气化炉内被处理，防止了污染：污泥