摘要：為了實(shí)現(xiàn)污泥的減量及資源化利用，本文介紹了近年來(lái)污泥處理處置的一些新興方法，主要通過(guò)污泥源頭控制和預(yù)處理方法實(shí)現(xiàn)污泥的減量化原則;其次介紹了污泥的各種資源化方式，同時(shí)結(jié)合污泥和西北黃土地區(qū)的各自特點(diǎn)重點(diǎn)探討了污泥在西北黃土地區(qū)農(nóng)林用的可行性，為西北黃土地區(qū)污泥找到出路的同時(shí)提高西北黃土的肥效，以期達(dá)到改善黃土的貧瘠特性的目的。
污泥是污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，包括初沉污泥，剩余污泥及其混合污泥。隨著人民生活水平的提高和工業(yè)的快速發(fā)展，污水的產(chǎn)生量與日俱增。目前國(guó)內(nèi)污水產(chǎn)生量為1.39億t/d，城市污水處理率已達(dá)77.5%，十二五規(guī)劃明確指出：到2015年城市污水處理率達(dá)到85%。每萬(wàn)m3污水經(jīng)處理后污泥產(chǎn)生量(按含水率80%計(jì))一般約為5~10 t，污水排放量的大幅度增加和處理效率的提高，必然導(dǎo)致污泥數(shù)量的成倍增加。并且污泥處理處置費(fèi)用占到整個(gè)污水處理廠總費(fèi)用的20%~45%，污泥的處理與處置迫在眉睫。
在傳統(tǒng)污泥處理與處置方法應(yīng)用的同時(shí)，一系列新興的污泥處理工藝方法漸漸推廣，大致可分為源頭減量、預(yù)處理和資源化利用三個(gè)方面。污泥處理應(yīng)當(dāng)遵循減量化為主，資源化末端處置為輔的原則。采用減量化技術(shù)的前提是不影響污水的正常處理。雖然污水處理廠可通過(guò)新方法從源頭控制污泥的產(chǎn)量，但每年仍有大量的剩余活性污泥產(chǎn)生，且經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，污泥體積仍就非常龐大。因此，很有必要對(duì)剩余活性污泥進(jìn)行資源化利用，本文結(jié)合西北黃土地區(qū)土質(zhì)的特點(diǎn)和污泥中含有有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀及鐵、錳、鋅等微量營(yíng)養(yǎng)元素，探討西北地區(qū)污泥的出路和施用于黃土對(duì)黃土改良的可能性。
1源頭減量
城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理工藝的選擇應(yīng)同污水處理工藝和污泥處置技術(shù)統(tǒng)籌考慮，應(yīng)優(yōu)先選擇污泥源頭削減污水處理工藝，降低城市污水處理廠總體運(yùn)行費(fèi)用和能耗，減輕末端污泥處置的負(fù)荷，緩解污泥在處理和處置過(guò)程所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。目前污泥源頭控制的方法主要有解偶聯(lián)代謝，隱性生長(zhǎng)和污泥好氧顆�；N方法。
1.1 解偶聯(lián)
解偶聯(lián)的作用機(jī)理是使氧化和磷酸化脫偶聯(lián)，氧化仍可以進(jìn)行，而磷酸化不能進(jìn)行，使分解代謝和合成代謝不能同時(shí)進(jìn)行，微生物仍能正常分解底物，但其自身合成速度減慢，污泥表觀產(chǎn)率降低。解偶聯(lián)來(lái)源于英國(guó)生物化學(xué)家米切爾(P.Mitchell)在1961年提出的“化學(xué)滲透學(xué)”假說(shuō)，即生成ATP的氧化與磷酸化之間起偶聯(lián)作用的是H+的跨膜梯度。解偶聯(lián)的方式主要有解偶聯(lián)劑和好氧-沉淀-厭氧工藝兩種方法。
解偶聯(lián)劑為離子載體或通道，能增大線粒體內(nèi)膜對(duì)H+的通透性，消除H+梯度，因而無(wú)ATP生成，使氧化釋放出來(lái)的能量全部以熱的形式散發(fā)。解偶聯(lián)的方式主要有解偶聯(lián)劑和好氧-沉淀-厭氧(OSA)工藝兩種。目前研究較多的解偶聯(lián)劑有氯代酚，硝基酚，氨基酚、甲基酚和四氯水楊苯胺等。其具有改變微生物生態(tài)結(jié)構(gòu)、污泥膨脹性能和沉降性能;但微生物可產(chǎn)生抗性，或者產(chǎn)生降解偶聯(lián)劑的分解酶，從而使解偶聯(lián)劑失效;較難生物降解的解偶聯(lián)劑,將會(huì)給污水水處理帶來(lái)新的污染。
Westgarth等首次報(bào)道了在污泥回流過(guò)程中增加一個(gè)厭氧段可減少一半剩余污泥，即好氧-沉淀-厭氧(OSA)工藝，是給微生物提供一個(gè)好氧、厭氧的交替生長(zhǎng)環(huán)境，使細(xì)菌在好氧階段所獲的ATP不能立即用于合成新的細(xì)胞，而是在厭氧階段作為維持細(xì)胞生命活動(dòng)的能量被消耗，從而減少微生物的表觀產(chǎn)率系數(shù)而達(dá)到污泥減量的目的[10,11]。OAS具有污泥產(chǎn)量低、污泥沉降性能好，對(duì)COD和磷的去除效率高等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)污水中氮的去除效果較差。
1.2 隱性生長(zhǎng)(溶胞技術(shù))
隱性生長(zhǎng)又稱溶胞技術(shù)，其有機(jī)械(如超聲波或微波輻射)、化學(xué)(如以O(shè)3、ClO2、H2O2 氧化)等方法。機(jī)械法的機(jī)理是超聲波機(jī)械剪切力和自由基氧化作用破壞了污泥細(xì)胞壁和絮體的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞內(nèi)含物溶出而進(jìn)入水相，從而改變污泥的沉降性能和可生化性，還提高了污泥的脫水性能。其特點(diǎn)為溶解性CODCr顯著增加;無(wú)污染、能量密度高、分解速度快、簡(jiǎn)便靈活且高效等優(yōu)點(diǎn);但作用體積較小，適用于小規(guī)模操作，超聲波處理污泥的比能耗較高。
化學(xué)方法的機(jī)理為強(qiáng)氧化劑首先作用于細(xì)胞壁、細(xì)胞膜，使其構(gòu)成成份受損而導(dǎo)致新陳代謝障
礙。Yasui等首先提出將剩余污泥用臭氧氧化后返回到曝氣池的方法，可以從總體上實(shí)現(xiàn)污泥減量化;即臭氧繼續(xù)滲透，穿透膜而破壞膜內(nèi)脂蛋白和脂多糖，改變細(xì)胞的通透性，導(dǎo)致細(xì)胞溶解、死亡[15,16]。其特點(diǎn)為破解效率高，不產(chǎn)生有害副產(chǎn)物;處理成本高，出水水質(zhì)差，特別是出水中N、P含量高等問(wèn)題操作條件需要優(yōu)化。
1.3污泥顆�；�
污泥顆�；譃楹醚躅w粒污泥和厭氧顆粒污泥兩種。好氧顆粒污泥是微生物在饑餓狀態(tài)表面變得更加疏水，有助于微生物的粘附和聚集，其次，水力剪切力和反應(yīng)器中水的流動(dòng)方式也促進(jìn)了顆粒的形成。其具有沉降性能優(yōu)異、生物量濃度高、 抗沖擊負(fù)荷和耐受有毒物質(zhì)的能力強(qiáng)等特點(diǎn);能有效處理高低濃度的有機(jī)廢水，且出水效果好;具有較強(qiáng)的脫氮除磷能力。
厭氧顆粒污泥一般為產(chǎn)甲烷菌、產(chǎn)乙酸菌和解發(fā)酵菌等構(gòu)成的自凝聚體。其能耗較高，可處理高濃度有機(jī)廢水，但出水COD較高，除氮磷的能力也有限。
2 預(yù)處理
污泥是一種膠狀結(jié)構(gòu)的親水性物質(zhì)，易形成菌膠團(tuán)和絲狀細(xì)菌，當(dāng)大量繁殖時(shí)其表面吸附大量水而使活性污泥膨脹，導(dǎo)致污泥含水率高且不易脫水。有研究得出高干度脫水可使污泥含水率從95%降至50%左右，與現(xiàn)有帶濾機(jī)和離心機(jī)相比，污泥減容可達(dá)60%左右，推廣應(yīng)用后，污泥處理成本和外運(yùn)處置成本都將大幅降低。
傳統(tǒng)的預(yù)處理的方法一般方法有濃縮、破解、調(diào)理、消化、脫水等，污泥經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)預(yù)處理后，含水率仍在80%左右，大大加重了污泥后續(xù)的成本。因資源化是今后污泥處置的發(fā)展方向，而經(jīng)濟(jì)高效的污泥高干度脫水是污泥資源化的前提。因此，以提高污泥的脫水效率，降低后續(xù)污泥熱力干燥作業(yè)的能耗成本，經(jīng)濟(jì)高效的污泥高干度脫水技術(shù)的研究逐漸開(kāi)展起來(lái)。高干脫水法主要有熱干燥法、加消石灰后機(jī)械壓濾法和電滲透脫水法。其中熱干燥法能耗大，設(shè)備體積龐大，污泥易黏在儀器壁上，傳熱受阻效率低;污泥中加入消石灰后，污泥中的水分被消石灰吸收并放出大量的熱量，使得污泥中的水分被蒸發(fā)，但該方法由于加入大量的消石灰，增加了成本且不易后續(xù)的壓濾處理。電滲透對(duì)污泥的高含水段(80%-60%)脫水效率很高，低含水率段(60%-40%)效果相對(duì)不明顯，且設(shè)備費(fèi)較昂貴。
上述污泥處理處置方法主要從破壞微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和對(duì)污泥進(jìn)行高干度脫水處理。這些方法雖能達(dá)到減少污泥體積的目的，但昂貴的費(fèi)用和引起的二次污染說(shuō)明這些方法還有待進(jìn)一步研究。
3 污泥資源化利用
3.1 污泥材料與能源化利用
根據(jù)污泥的理化性質(zhì)，其資源化應(yīng)用的一般途徑非常廣泛。 表1為污泥資源化應(yīng)用的一般途徑。
表1 污泥資源化應(yīng)用特點(diǎn)
3.2 污泥最新資源化利用
因污泥含有大量蛋白質(zhì)、脂肪、多糖等碳水化合物，人們利用微型動(dòng)物捕食污泥，不但能增強(qiáng)污泥減量程度和減量穩(wěn)定性, 且由于能耗低、不產(chǎn)生二次污染, 作為一種生態(tài)工程技術(shù)而備受關(guān)注�，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外利用微型動(dòng)物減量污泥的研究主要集中在寡毛綱環(huán)節(jié)動(dòng)物如紅斑體蟲和體型較大的后生動(dòng)物顫蚓等。已有研究利用污泥養(yǎng)殖蚯蚓并在其體內(nèi)可以提煉出動(dòng)物所需的維生素B12等。
近年來(lái)，污泥燒制陶粒并用于建筑輕集料也得到了快速發(fā)展。張?jiān)品宓纫宰灾铺樟Ｗ鳛檩p粗集料配制輕集料混凝土，通過(guò)調(diào)整水灰比、砂率、粉煤灰摻量，配制出強(qiáng)度等級(jí)滿足CL30強(qiáng)度要求，干表觀密度<1700kg/m3的輕集料混凝土;與普通混凝土相比，具有密度小、強(qiáng)度高、保溫、隔熱、抗震性能好的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕25%左右，若用于工業(yè)和民用建筑，將具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。
污泥通過(guò)氯化鋅為活化劑，制取的污泥活性炭具有微孔容積大、吸附性能好等優(yōu)點(diǎn)。黃錚等以污泥所制備的污泥活性炭在200目粒徑下的BET比表面積3936.2419m2˙g-1，微孔總?cè)莘e1.47768 cm3˙g-1，平均孔徑12.19Å;污泥活性炭浸出液除Zn超出農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)外，其它重金屬濃度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究張斌初步得出當(dāng)污泥含碳吸附劑的投加量不少于0.7g時(shí)，是六價(jià)鉻廢水吸附實(shí)驗(yàn)的最佳吸附條件。
解建坤對(duì)污泥活性炭的制備工藝條件和機(jī)理進(jìn)行了研究，得出與以微孔為主的商品活性炭相比,污泥活性炭屬于中孔性，具有更加開(kāi)放的孔隙結(jié)構(gòu)，其可以作為一種高效、安全、經(jīng)濟(jì)和可行的商品活性炭替代品用于染料等大分子污染物廢水的處理�；罨瘎㈱nCI2起到脫水縮合的作用，使原料中的H和O以水的形式分離出來(lái)，同時(shí)，更多的C鍵合并并保留在原料中。污泥活性炭的浸出實(shí)驗(yàn)表明，污泥活性炭浸出液中幾種主要重金屬的濃度不超標(biāo),將其用于水處理是安全和可行的，從而可以實(shí)現(xiàn)污泥的資源化。
污泥熱解因其經(jīng)濟(jì)性好、二次污染小、熱解產(chǎn)物利用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)而而被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化目標(biāo)的極具潛力的處理技術(shù)，且污泥低溫?zé)峤庵蒲苌蜐u漸得到發(fā)展。污泥低溫?zé)捰图夹g(shù)已在加拿大進(jìn)行了生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn),獲得了較高的產(chǎn)油率。我國(guó)近年來(lái)采用間歇反應(yīng)釜對(duì)城市污水廠污泥直接熱化學(xué)制油的實(shí)驗(yàn)室研究表明:在250℃~300℃的反應(yīng)溫度范圍內(nèi),每千克揮發(fā)性固體(VS)可得油0.14~0.144kg，相應(yīng)有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率為70%~80%[39,40]。邢英杰等得出污泥制油的最佳條件為在溫度270℃，反應(yīng)時(shí)間75分鐘，催化劑NaCO34g/100g污泥。
3.3 污泥農(nóng)林利用
污泥是一種十分有效的生物資源，它含有大量的微生物、有機(jī)質(zhì)以及益于植物生長(zhǎng)的N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素，經(jīng)堆肥后腐熟污泥能夠改善土壤的理化性質(zhì)，提高土壤的肥效，并且增加了土壤中微生物的數(shù)量，改變土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)，并分別提高了土壤硝化細(xì)菌的比例、酶的活性、土壤的基礎(chǔ)肥力和土壤腐殖質(zhì)的含量。其次，污泥中含大量基本礦物質(zhì)組成與土壤相似的腐殖質(zhì).可提高土壤的陽(yáng)離子交換量，改善土壤對(duì)酸堿的緩沖能力，提高土壤的保水、保肥和通透性。
污泥在園林綠化中合理施用, 既避開(kāi)了食物鏈, 又為園林綠化提供了有機(jī)肥。研究結(jié)果表明污泥堆肥促進(jìn)了供試植物的生長(zhǎng)，當(dāng)污泥施加量為9kg/m2時(shí)，月季、白蠟和扶桑的長(zhǎng)勢(shì)最好，而國(guó)槐施用量以6-12kg/m2為最好。薛澄澤又得出污泥施用與林地對(duì)灰化土等土壤上生長(zhǎng)的云杉和松樹生長(zhǎng)都有顯著促進(jìn)作用，能加速樹木的生長(zhǎng)高度和發(fā)育;在松樹、橡樹和黃楊樹等林地上，污泥施加4-6t/km2與施用化肥相比時(shí)，樹高度增加46%-489%，直徑增加50%-453%，生物量增加42%-661%。污泥施用后，森林地表枯枝落葉中氮的積累增加，且土壤中可利用的氮含量也有提高。
當(dāng)污泥應(yīng)用于農(nóng)田時(shí)，污泥堆肥對(duì)農(nóng)作物具有明顯的增長(zhǎng)作用。歐美國(guó)家也把土地利用作為污泥處置的主要方式和鼓勵(lì)方向。國(guó)內(nèi)陳同斌等得出城市污泥復(fù)合肥較化肥能使小麥和玉米增加產(chǎn)量，兩者增產(chǎn)分別為11%-17%和11%-27%。 還有研究得出當(dāng)污泥施用量為56.25 t/ hm2 時(shí)，小麥增產(chǎn)為最大，玉米的產(chǎn)量隨施肥量的增加而增大。但污泥中的重金屬一直被認(rèn)為是影響和限制污泥堆肥與農(nóng)林用資源化的瓶頸。
3.4 污泥改良黃土利用
我國(guó)北方及西北大部地區(qū)主要以黃土覆蓋，其性質(zhì)比較疏松，多以黃灰色或棕黃色的粉土和粉沙細(xì)粒組成，質(zhì)地均一。黃土分布范圍北起陰山山麓，東北至松遼平原和大、小興安嶺山前，西北至天山、昆侖山山麓，南達(dá)長(zhǎng)江中、下游流域，面積約63萬(wàn)平方公里，占全國(guó)土地面積的6%;該地區(qū)黃土平均厚度120～200m，其黃土主要為風(fēng)成黃土，粉粒占黃土總重量的50%，土質(zhì)富含碳酸鹽、偏砂且多孔、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙度大、透水性強(qiáng)、遇水易崩解、抗沖抗蝕性弱。頻繁的水土流失極易造成土壤中有限的植物礦質(zhì)養(yǎng)分大部分丟失，形成不穩(wěn)定的、相對(duì)貧瘠的表土層。極度貧瘠的土壤對(duì)形成良好的植被極為不利。特別是長(zhǎng)期的水土流失造成了土壤環(huán)境的退化，肥力不足，造成苗木成活率低、生長(zhǎng)不良，已經(jīng)成為今后的發(fā)展障礙。
剩余活性污泥中含有在許多植物生長(zhǎng)所必需的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)成分，硫、鐵、鈣、鈉、鎂、鋅、銅、鉬等微量元素和豐富的有機(jī)物和有機(jī)質(zhì)，這些營(yíng)養(yǎng)物可以緩慢釋放，具有長(zhǎng)效性。有機(jī)污泥既有肥效性，又能是土壤形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，具有水穩(wěn)定性，對(duì)土壤的改良和植物的生長(zhǎng)均有促進(jìn)作用，因此被考慮直接施用于土壤和農(nóng)田�；谖勰嗟倪@些特點(diǎn)，把污泥施加到土壤中并研究得出，污泥的土地施用可以改善土壤的生物和物理化學(xué)性質(zhì)，明顯增加了土壤有機(jī)質(zhì)，在土壤改良、育苗、林地綠化等取得了較為明顯的效果。同時(shí)土壤施用適量污泥后，由此帶來(lái)的容重降低、孔隙度、團(tuán)聚體穩(wěn)定度、持水量以及導(dǎo)水性增加，對(duì)農(nóng)業(yè)也起到了積極的作用。通過(guò)施用城鎮(zhèn)污泥，土壤微生物的活動(dòng)加強(qiáng)和有助于土壤團(tuán)粒的形成，減少了地表徑流沖刷，增大了土壤的抗沖性。
西北黃土地區(qū)(陜西、甘肅、青海、寧夏)2010年污水總處理量為331萬(wàn)t/d，污泥產(chǎn)量(含水率80%計(jì))為6.04×105t/a~1.28×106t/a。雖然污泥的出路要有填埋、焚燒、堆肥和土地利用等方式，但針對(duì)于相對(duì)落后和經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的西北黃土地區(qū)，有機(jī)污泥經(jīng)堆肥后施用于黃土是西北地區(qū)污泥的最好出路，因土壤生態(tài)系統(tǒng)有自凈作用，包括生物、物理和化學(xué)等過(guò)程(生物降解、化學(xué)絡(luò)合、氧化-還原、物理吸附等)，可以抑制污泥中一些致病生物的生長(zhǎng)并使其失活，使污泥中大部分有機(jī)物礦化，同時(shí)還可以限制重金屬的遷移、擴(kuò)散與生物可利用特性等;同時(shí)污泥給黃土提供大量微生物、有機(jī)物和氮、磷等植物營(yíng)養(yǎng)素等，不但解決了污泥的處置問(wèn)題，而且有效提高黃土的有機(jī)肥效，并降低了其孔隙度、增大團(tuán)粒穩(wěn)定度、增強(qiáng)保土保水能力，最終既實(shí)現(xiàn)了控制西北地區(qū)水土流失的目的，種植植物后也起到了防風(fēng)護(hù)沙和改善生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)。把污泥添加到黃土中恰可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，既可實(shí)現(xiàn)黃土有效利用，又可促使西北地區(qū)污泥的資源化。將對(duì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)及生態(tài)環(huán)境都有不可估量的意義。
4 結(jié)語(yǔ)與建議
污泥處理與處置是世界范圍內(nèi)關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題，任其污泥的隨意堆放，不僅會(huì)造成資源和能源的浪費(fèi)，還會(huì)污染環(huán)境，危害人類健康。隨著人們對(duì)環(huán)境和能源問(wèn)題的日益關(guān)注，污泥的資源化利用也備受重視，因此，學(xué)者便探討和實(shí)踐了一些新型方法。根據(jù)西北黃土地區(qū)生態(tài)現(xiàn)狀，土壤貧瘠，肥力不足，若把高肥效的污泥應(yīng)用于黃土，不但可以實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用，還能提高黃土的肥效和保水能力，改善黃土地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。同時(shí)長(zhǎng)期施用污泥，黃土將會(huì)積累較多的重金屬，因此，很有必要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)污泥堆肥施入土壤后所含的有害成分在土壤中的行為及變化。
原標(biāo)題:污泥處理處置及資源化主流方法合集
污泥處理處置及資源化主流方法合集
