污泥處理新技術研究現狀及其發(fā)展趨勢
行業(yè)動態(tài)
隨著人民生活水平的提高，污水量持續(xù)增加，污泥產量隨之增多，預計到2020年將突破6000萬噸/年。衛(wèi)生填埋、土地利用和焚燒等傳統污泥處理方法已無法滿足要求，且二次污染、運營成本等問題日益暴露。目前，污泥處理逐漸向“減量化、資源化和無害化”（簡稱“三化”）的方向發(fā)展?！叭碧幚韮?yōu)點有節(jié)約資源、高效利用等，已成為國內外污泥處理研究熱點。部分發(fā)達 已將污泥視為一種資源加以利用，取得了良好的經濟環(huán)境效益。中國污泥“三化”研究起步晚，但隨著 政策重視，圍繞“三化”的新技術發(fā)展迅速。圍繞“三化”技術闡述污泥處理新技術的研究現狀，分析新技術的優(yōu)缺點，旨在為污泥“三化”技術發(fā)展提供理論支持。
1 污泥處理新技術
1.1 減量化技術
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到某種平衡，無需更多外部能量的供給來降低微生物產率。微型動物捕食技術、高溶解氧工藝、防釋磷污泥濃縮技術等減量化新技術開發(fā)成為國內外研究的主要方向。
微型動物捕食技術，是利用微生物、昆蟲參與有機物礦化過程的新技術。此類工藝減量效果顯著、投資及能耗低，但微生物種類和數量難以控制，受水力負荷、溫度、pH等條件影響較大。
微生物活性與反應器中的溶解氧水平有關，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發(fā)出的污泥減量化新技術。該技術維持了高水平的混合液懸浮固體濃度（MLSS），使得污泥產量低、氧轉移效率高。Abbassi等報道，當反應器溶解氧增加到4.2mg/L時，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、對環(huán)境要求高，仍有待突破。
防釋磷污泥濃縮是在傳統的污泥重力濃縮技術的基礎上，通過控制氧化還原電位，防止富磷活性污泥在濃縮過程中出現厭氧釋磷的污泥濃縮技術，既經濟，也不會讓污泥中的磷釋放出來。經防釋磷技術調理后的污泥含水率可以降低到50%以下。該技術已成功應用于污水處理廠，隨著研究的深入，該技術可以達到減量的目的，但氧化還原電位優(yōu)化難度大、能耗較大等問題亟待解決。
除上述污泥減量化新技術之外，好氧-沉淀-缺氧聯合工藝（OSA）等一批新技術也得到了相應研究。部分技術的減量效果顯著，但存在臭氧投加量大、解偶聯劑難以選擇、微生物的種類數量難以控制、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題，仍有待更深一步的研究探討。
1.2 資源化新技術
污泥資源化是通過各種物理、化學和生物工藝，提取污泥中的有效組分，消除二次污染的同時，使污泥獲得再利用價值。近些年污泥資源化利用主要研究有能源化、材料化和有機化等方面。
1.2.1 污泥能源化
污泥能源化是指通過物理、化學或生物的手段將污泥中的有機物轉化為熱量，實現污泥的能源化利用。目前，能源化的研究重點主要集中在污泥低溫熱解技術和污泥電弧等離子體處理技術。
污泥低溫熱解，即利用污泥有機質在加熱條件下熱裂解過程產生將污泥中的有機物轉化為碳氫化合物與油或炭等發(fā)生作用的可燃性產物。國外研究表明螺桿式反應器（STYX）中的熱解可成為污泥轉化、回收和再循環(huán)的替代技術，并利用該方法處理了100kg來自德國工廠的干化污泥，當溫度為350℃和500℃之間時的油產率約為13.4kg。Menendez J A等在污泥中加入微波吸收劑，結果發(fā)現溫度上升至900℃時污泥發(fā)生熱解而不是干化。上述方法為污泥處理提供了新思路，但技術轉化效率較低，工藝復雜，不利于推廣應用，以后研究應以此為突破點。
污泥電弧等離子體處理技術，即利用電弧等離子體可以瞬間產生極高溫，將氣體產物立即點燃加以利用。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。這類技術一直是研究熱點，優(yōu)點操作簡單，環(huán)保無毒，但此類技術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80年代提出，控制熱解條件和經過化學處理，可以把污泥轉化為有用的吸附劑。王曉飛等利用污泥制備活性炭，并對制備原理、影響因素和活性炭表征進行了研究。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物制備成可被土壤微生物和酶降解的塑料，如聚經基脂肪酸醋（PHAs），中國在此方面的研究優(yōu)先于發(fā)達 。熊惠磊等研究污泥可降解塑料時發(fā)現，污泥厭氧產酸與PHAs合成組合技術可降低成本。污泥制作塑料是實現廢物循環(huán)利用的綠色技術，是污泥資源化利用的一大熱點，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，除上述技術之外，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，制得力學性能和保溫性能良好的輕質材料。陳小亮等以污泥焚燒殘渣為原料，以傳統水熱合成方法制得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，指污泥經過干化、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)現污泥在1000℃下焚燒4h，其火山灰活性較強。但Cry等研究發(fā)現污泥中的氯離子含量遠超過《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用，降低氯離子含量成為了該技術的研究重點。
污泥合成水泥，污泥作為水泥熟料煅燒中的添加劑，其礦物結構與常規(guī)硅酸鹽水泥熟料完全相同，且在污泥燒成過程中溫度有降低的趨勢，可以節(jié)約能源。目前合成污泥的研究與應用相當廣泛，已經形成了相當規(guī)模。但對于日益劇增的污泥產量，需要效率更高，操作更為簡單的推廣工藝。
污泥制陶粒技術，翁煥新發(fā)現污泥陶粒的抗壓強度隨著表觀密度的增加而增大，燒制溫度對污泥陶粒的抗壓強度和表觀密度產生明顯影響，在1075℃時，污泥陶粒具有較大的抗壓強度（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 污泥有機化
堆肥處理在國內外廣泛應用，有利于土地種植的產品，危害小，資源利用率高。王新等研究發(fā)現，污泥堆肥處理后試驗組比對照組樹高增加了11%～25%、地徑粗增加了19%～50%，可以增加木材產量。污泥土地利用還可以提高土壤中N、P及有機質含量。然而，污泥堆肥后的重金屬等有害物質易進入植物體內，可能造成二次污染，研發(fā)更加環(huán)保無毒的堆肥技術成為當務之急。
污泥蛋白質技術是對微生物進行破壁處理，釋放其中的蛋白質和水分，實現污泥的資源化利用。秦曉等使用鹽酸提取時，蛋白質濃縮速度隨溫度增加呈先慢后快的趨勢，隨污泥濃度呈線性增加，隨鹽酸濃度呈先慢后快的趨勢，隨污泥濃度呈線性增加，隨鹽酸濃度呈先快后慢，并且長時間有利于提升蛋白質濃度。雖然水解條件低、能耗小和無臭味，但提取時間長，效率低等缺點限制它的應用推廣，其安全性和營養(yǎng)性也值得深入探討。
1.3 無害化新技術
污泥無害化，即將有害污泥放入有一定強度和防滲透的固體材料里，實現污泥與環(huán)境的隔離。目前出現了電子束輻照技術、生物瀝浸技術、蚯蚓污泥技術等污泥無害化新技術。
電子束輻照技術，即利用高能電子束輻照污泥，使病菌數量減少，可生化性提高。吳宇琦發(fā)現經過γ-射線輻照后，污泥胞外聚合物（EPS）和內含物流出，有機含量增加，提高了污泥的可生化性。作為一種新型 氧化技術，操作簡單、安全環(huán)保，在化學污染物降解方面的作用逐漸受到關注。
生物瀝浸技術，即污泥接種微生物，投加營養(yǎng)物質，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）的去除率達到99%以上。國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)現重金屬在污泥中的生物利用度較好，缺點是反應時間長，效率低。
蚯蚓污泥技術，是利用蚯蚓的生態(tài)特性分解污泥中的有機物，富集重金屬，分解有毒有害物質，達到污泥穩(wěn)定化處理的技術。魏明蓉等研究了蚯蚓對城市污泥重金屬的富集特征，發(fā)現蚯蚓體內的重金屬達到《飼料衛(wèi)生標準》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行更深入的研究。
無害化技術對污泥處理有重要意義，但目前無害化涉及的相關技術設備昂貴、反應時間長、效率低的缺點亟待解決，需要如微波脈沖殺菌技術等操作簡單的新技術的開發(fā)。作為污泥的末端處理過程，無害化新技術應該朝著高效節(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
近年來，國內外的污泥處理新技術發(fā)展迅速，污泥處理處置已從傳統的衛(wèi)生填埋、土地利用和焚燒等傳統方式逐漸向“三化”的方向發(fā)展。減量化處理新技術不斷出現，如微型動物捕食法等技術逐漸成熟，但此類技術帶來的污泥流態(tài)不可控、能耗較大等問題仍然存在。污泥的資源化一直是當前國內外污泥處理處置技術的研究熱點，無論是以美國等西方 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。資源化新技術發(fā)展迅速，從污泥低溫熱解技術到可降解塑料等技術的發(fā)展可以看出，污泥的處理與資源化利用相結合才是其較好的出路。進一步簡化生產工藝，提高轉換效率和簡化操作，才有利于應用推廣。以污泥固體物質封存為主的無害化技術，其危害性無法根本消除。電子束輻照技術、生物瀝浸技術等無害化新技術具有處理效率高、操作簡單安全和綠色環(huán)保等優(yōu)點，有很好的發(fā)展趨勢；然而，投資大、運行參數不準確和反應時間太長等缺點阻止了其應用推廣，仍然需要深入研究。
3 結語
總之，污泥資源化研究是對污水處理廠污泥進行處理、處置的新思路，化“廢”為寶，資源化必將成為未來污泥處理的主流。污泥的“三化”新技術一定要兼顧環(huán)境、社會和經濟間效益平衡，極大限度地利用材料、能源等專業(yè)的前端科技?！叭?/span>”新技術亟須通過技術革新、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性、層次性的解決方案，開展污泥“三化”產業(yè)鏈工程技術的研究，突破研究與應用的銜接瓶頸，真正意義上實現污泥“三化”，實現污泥處理的生態(tài)文明。
