張宏哲

(1.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局化學(xué)品登記中心，山東青島 2660712.中國石化安全工程研究院，山東青島 2660713.化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071)

剩余污泥低碳循環(huán)處理及資源化利用技術(shù)研究*

張宏哲1，2，3

(1.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局化學(xué)品登記中心，山東青島2660712.中國石化安全工程研究院，山東青島2660713.化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島266071)

對剩余污泥在穩(wěn)定化、無害化、減量化和資源化處理方面的技術(shù)、研究成果進(jìn)行了歸納和總結(jié)，闡述了各種技術(shù)的優(yōu)缺點、相互關(guān)聯(lián)性和適用性。對剩余污泥應(yīng)用前景及未來工作進(jìn)行了評述和展望，指出研發(fā)新型剩余污泥處理技術(shù)應(yīng)著重考慮環(huán)境和健康的污泥無害化處理技術(shù)，低碳與資源化、循環(huán)利用、清潔高效應(yīng)是今后研究工作努力的方向。

剩余活性污泥 減量化 穩(wěn)定化 資源化 無害化

在污水處理過程中，普遍采用活性污泥法，它可以有效地凈化生活污水及各種含有機(jī)物的工業(yè)廢水。這種方法在污水得到凈化的同時，從系統(tǒng)中不斷分離出剩余污泥。剩余污泥是污水中污染物的濃縮，污水中30%～50%的COD、90%的磷轉(zhuǎn)入剩余污泥[1]。如果剩余污泥不能妥善處理，剩余污泥中含有的持久性有機(jī)物、重金屬、病毒微生物，將進(jìn)入到環(huán)境中，造成二次污染，危及人類和其他生物的健康。另一方面，剩余污泥主要由微生物細(xì)胞群體和其解體產(chǎn)物組成，有機(jī)質(zhì)含量高，可以將剩余污泥作為資源加以利用。而隨著我國城市化的迅速發(fā)展，污水處理廠的數(shù)量迅速增加，污泥的產(chǎn)生量也將大幅增加。因此，開展污泥處理技術(shù)方面的研究具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會效益[2-3]。

剩余污泥低碳循環(huán)處理和資源化利用已成為目前環(huán)境學(xué)科的難點問題。為解決剩余污泥進(jìn)入環(huán)境帶來的二次污染問題，應(yīng)對剩余污泥進(jìn)行穩(wěn)定化、無害化、減量化和資源化處理處置，逐步消除和解決剩余污泥對環(huán)境的污染，同時兼顧環(huán)境生態(tài)、社會和經(jīng)濟(jì)效益，需找經(jīng)濟(jì)、合理、有效的污泥處理處置技術(shù)，最大程度地實現(xiàn)剩余污泥的低碳經(jīng)濟(jì)、循環(huán)利用。

1 剩余污泥的穩(wěn)定化

剩余污泥穩(wěn)定化是污泥處理工藝中的一個重要環(huán)節(jié)，也是污泥能否資源化有效利用的關(guān)鍵步驟。其目的是降解污泥中的有機(jī)物質(zhì)，殺滅污泥中的細(xì)菌、病原體等，打破細(xì)胞壁，消除臭味，降低污泥量，穩(wěn)定污泥中的有機(jī)物，使其不再孵化，避免對環(huán)境造成二次污染。目前常用的污泥穩(wěn)定化技術(shù)主要有石灰穩(wěn)定法、熱水解處理法、厭氧消化法、好氧消化法等。

1.1 石灰穩(wěn)定法

石灰穩(wěn)定法能夠解決污泥的臭氣問題，并殺死有毒有害的病原菌。污泥的臭氣來源于厭氧消化過程中產(chǎn)生的含有氨的化合物和硫化物，在污泥中投加石灰，形成的強(qiáng)堿性環(huán)境可以抑制參與臭氣反應(yīng)微生物的活動，甚至進(jìn)一步被殺死，同時病原菌亦在強(qiáng)堿性條件下失去活動能力甚至死亡。

目前,石灰穩(wěn)定化技術(shù)在國內(nèi)外污泥處理中均得到應(yīng)用。Krach等[3]進(jìn)行了石灰穩(wěn)定污泥臭味氣體控制試驗研究。結(jié)果表明，臭味氣體的產(chǎn)生和污泥pH值有明顯關(guān)系，更長的混合時間和適當(dāng)?shù)氖姨砑恿磕苡行У販p少臭味氣體的刺激性。污泥石灰穩(wěn)定化，還可以脫去一定量的水。CaO與水反應(yīng)放出大量的熱，其標(biāo)準(zhǔn)生成熱為1.168×103kJ/kg，當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃，石灰投配率為23%時，即可使反應(yīng)系統(tǒng)溫度迅速升至100 ℃以上，從而蒸發(fā)大量水分[4]。

石灰穩(wěn)定法是一種較為簡單的方法，所需基建費用不高，但是由于石灰穩(wěn)定法會一定程度地增加固體物質(zhì)的量，從而使處理后污泥體積增加，故污泥最終處置的費用高于其他污泥穩(wěn)定化技術(shù)方法。

1.2 熱處理法

熱處理法既是一種穩(wěn)定過程，也是一種調(diào)理過程。熱處理的方法是在一定的壓力下，短時間內(nèi)加熱污泥，破壞凝膠體結(jié)構(gòu)，使污泥固體凝結(jié)，微生物絮體解體，微生物細(xì)胞破碎，細(xì)胞中的有機(jī)物質(zhì)釋放出來并進(jìn)一步水解，以降低污泥固體和水之間的親合力。熱處理法不僅能夠消毒污泥，還能去除污泥的臭味，且不加任何化學(xué)藥品即可在壓濾機(jī)上迅速將污泥脫水[5]。

熱處理還有助于分解污泥中有機(jī)物質(zhì)，特別是污泥中的揮發(fā)性物質(zhì)將會大大減少，提高厭氧消化甲烷的產(chǎn)量，從而達(dá)到污泥穩(wěn)定和減容的目的[6]。

1.3 厭氧消化法

厭氧消化法是最常見的污泥穩(wěn)定化處理工藝，在厭氧條件下，污泥中的有機(jī)物被兼性菌和專性厭氧菌所降解，最終轉(zhuǎn)化為CO2和CH4，達(dá)到一定的穩(wěn)定程度。該過程是由多種微生物參與的復(fù)雜過程，也稱為污泥的生物穩(wěn)定過程[7-8]。

根據(jù)消化過程中甲烷菌對溫度的適應(yīng)范圍，污泥厭氧消化可以分為中溫(30～36 ℃)和高溫消化過程(50～53 ℃)。其中，高溫消化具有消化速度快、處理負(fù)荷高、反應(yīng)時間短和反應(yīng)器容積小等優(yōu)點。高溫條件對有機(jī)物的降解和病原菌的殺滅非常有效，尤其當(dāng)污泥進(jìn)一步作土地利用時，高溫處理更為必要。但能耗相對較高，投入大，控制困難。

厭氧消化是諸多污泥穩(wěn)定法中起步較早的，且近些年來進(jìn)展較快，并成為歐美等發(fā)達(dá)國家污泥處理處置的主流技術(shù)之一。在歐盟，對厭氧消化技術(shù)最為推崇，69%污水處理廠建有污泥消化設(shè)施。

1.4 好氧消化法

污泥好氧消化實質(zhì)上是活性污泥法的繼續(xù)，在不投加其它底料的條件下，對污泥進(jìn)行較長時間的曝氣，使污泥中一部分的有機(jī)物質(zhì)在好氧微生物的作用下進(jìn)行降解和穩(wěn)定的過程。污泥好氧消化的基本原理是使微生物在內(nèi)源呼吸階段進(jìn)行自身氧化，微生物利用氧氣分解可生物降解的有機(jī)物質(zhì)及細(xì)胞原生質(zhì)，轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和氨氣等，從而使污泥逐步達(dá)到穩(wěn)定，同時大大減少污泥量。其目的在于穩(wěn)定污泥，減輕污泥對環(huán)境和土壤的危害，同時減少污泥的最終處理量[9-10]。

溫度對好氧消化的影響很大，溫度高時微生物代謝能力強(qiáng)即比衰減速率大，達(dá)到要求的有機(jī)物去除率所需的時間短。當(dāng)溫度降低時，為達(dá)到污泥穩(wěn)定處理的目的則要延長污泥停留時間。但當(dāng)停留時間增加到某一特定值時，即使停留時間繼續(xù)增加也不會對有機(jī)物的去除率有顯著的提高。這個特定值與進(jìn)泥的性質(zhì)及其所含的可生物降解有機(jī)物的含量有關(guān)。

污泥的好氧消化過程中需要反應(yīng)體系中具有足夠量的空氣，以保證污泥的溶解氧濃度不低于1～2 mg/L，并有足夠的攪拌使污泥顆粒保持懸浮狀態(tài)。在此過程中污泥的含水率應(yīng)大于95%，否則攪拌效果不佳。

污泥好氧消化具有基建投資少，操作運行簡單，最終產(chǎn)物量少，無臭味，上清液的BOD濃度較低的優(yōu)點。但是在好氧消化過程中需要輸入動力，故運行費用較高。

2 剩余污泥的減量化

剩余污泥處理裝置的投資和運行費用約占整個廢水處理廠投資及運行費用的25%～65%，巨大的投資費用嚴(yán)重制約著污泥處理裝置的正常運行。此外，污泥產(chǎn)量的不斷增加給后續(xù)的處理處置也帶來了沉重壓力，而污泥的減量化是解決污泥出路的最佳處置方法。因此在保障污水系統(tǒng)處理效能的前提下，開發(fā)采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，使向外排放的剩余污泥量達(dá)到最小，從而實現(xiàn)從源頭、工藝過程減少污泥的產(chǎn)量顯得尤為重要[1]。

2.1 源頭減量化

生物法處理污水是目前世界應(yīng)用最廣泛的一種處理工藝，但剩余污泥產(chǎn)量大是污水生物處理工藝的主要弱點。因此應(yīng)從源頭上降低剩余污泥的量。根據(jù)生物處理工藝中微生物代謝特性，剩余污泥的產(chǎn)量與微生物利用有機(jī)物合成新細(xì)胞、內(nèi)源呼吸以及微型動物對細(xì)菌捕食作用有關(guān)。前一部分使剩余污泥的量增加，后兩部分使剩余污泥的量減少。為此，減少剩余污泥的產(chǎn)量可以通過降低細(xì)菌的凈合成量、增加生物體的自身氧化速率以及增強(qiáng)微型動物對細(xì)菌的捕食的方式來實現(xiàn)[11-12]。

在活性污泥工藝的污泥回流段增加一級厭氧裝置作為能量解偶聯(lián)池的OSA工藝，能夠限制細(xì)胞獲得能量，抑制細(xì)胞的生長，所以能減少污泥的產(chǎn)量，具有減量效果明顯且無需投加化學(xué)藥劑等優(yōu)點得到廣泛關(guān)注。利用溶胞技術(shù)，使細(xì)菌能夠迅速死亡并分解成基質(zhì)后再被其他細(xì)菌所利用，這樣增大了細(xì)胞衰減速率，可以降低剩余污泥的產(chǎn)量。通過增強(qiáng)微型動物對細(xì)菌的捕食的方式實現(xiàn)污泥減量，也是利用生物學(xué)原理實現(xiàn)變廢為寶的一種有效途徑，微型動物能使污泥中干物質(zhì)含量降低，污泥體積減小，達(dá)到污泥減量的目的。微型動物具有能耗低、不產(chǎn)生二次污染的優(yōu)點。

2.2 污泥濃縮

污泥濃縮的主要目的是降低污泥含水率，減少污泥的體積以利于污泥運輸及后續(xù)的處理和處置。通常初沉污泥含水率在97%以上，二沉污泥含水率在99%以上。當(dāng)污泥含水率由99%降至96%時，污泥的體積可縮小到原來的1/4。污泥濃縮主要是減去污泥的間隙水，經(jīng)濃縮后的污泥近似糊狀，仍保持流動性[1]。

通過對各種濃縮方法的比較發(fā)現(xiàn)，由于污泥含固率低且有機(jī)質(zhì)含量高，重力濃縮效果通常不好，所得污泥含水率一般在96%～98%之間，和重力濃縮相比，氣浮濃縮、離心濃縮盡管效率高，但需要的電耗高、維護(hù)要求較高。

張方梅等[13]研究了影響污泥濃縮效率的因素，結(jié)果表明，污泥初始濃度越小，濃縮效果越明顯。對污泥進(jìn)行酸處理、堿處理或投加高分子絮凝劑后污泥的脫水性能也會發(fā)生變化。酸處理和投加高分子絮凝劑后污泥的脫水性能有所提高，其中投加高分子絮凝劑的效果更明顯，但堿處理后會使污泥的脫水性能有所下降。

2.3 污泥脫水

污水處理廠濃縮穩(wěn)定后的污泥含水率一般在95%～97%左右，近似糊狀，仍保持流動性。所以污泥處理最重要的步驟就是進(jìn)一步分離污泥中的水分以減少污泥體積，為污泥的運輸和綜合利用創(chuàng)造條件。通過脫水處理可以將污泥含水率降到65%～82%以下，其體積為原體積的1/4～1/13。奧蘭治環(huán)保部門的研究表明，污泥的含水率在78%以下每降低一個百分點，每噸污泥的后續(xù)處理費用將減少1美元以上[14]。

在各種脫水方法中，板框壓濾機(jī)是國內(nèi)外最常用的方式。姚尚安等[15]研究了改進(jìn)后的板框壓濾機(jī)對污泥脫水率的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)2 MPa壓力條件下壓濾10 min可將污泥含水率降低至75.3%，在降低污泥含水率的同時也大幅度減少了污泥壓濾所需的時間，提高了污泥壓濾脫水的效率。通過添加鐵系鹽有助于壓濾后污泥含水率的降低，當(dāng)添加氯化鐵3%時，可將壓濾后污泥的含水率降至63.38%。

Star Polypress公司提出高效壓濾機(jī)的概念是：在低成本下得到更干的濾餅，提高板框壓濾機(jī)的工作壓力是降低濾餅水分的重要措施，國外板框壓濾機(jī)的工作壓力，一般為(6～14)×10-5Pa，也可達(dá)到25×10-5Pa或者更高一些，甚至達(dá)到70×10-5Pa[16]。

3 剩余污泥的資源化

污泥既是營養(yǎng)物質(zhì)又是能源物質(zhì)，如何利用污泥中的有用成分，實現(xiàn)變廢為寶，回收具有實用價值的物質(zhì)和資源成為最近幾年解決污泥問題的主要發(fā)展方向。污泥資源化，一方面能夠通過適當(dāng)資源化處理獲得附加經(jīng)濟(jì)效益，減少污水廠處理總運行開支；另一方面還可避免污泥的環(huán)境二次污染。根據(jù)污泥資源化所獲產(chǎn)品種類的不同，可將污泥資源化技術(shù)分成堆肥利用技術(shù)、能源化技術(shù)、建材化技術(shù)等。

3.1 堆肥技術(shù)

污泥作為有機(jī)肥料已普遍采用，經(jīng)無害化處理的污泥含有大量有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)養(yǎng)分。污泥經(jīng)堆肥后，病原菌、寄生蟲卵等幾乎全部被殺死，重金屬有效態(tài)的含量也會降低，營養(yǎng)成分有所增加，污泥的穩(wěn)定性和可利用性大大增加。堆肥后的污泥可以改善土壤理化性質(zhì)、促進(jìn)農(nóng)林作物增產(chǎn)[17]。

張國占等[18]將活性污泥加熱烘干、粉碎后，配入一定的氮、磷、鉀制成污泥復(fù)合有機(jī)肥，并用其進(jìn)行了田間試驗，試驗結(jié)果表明，污泥復(fù)合有機(jī)肥可提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，且不會引起重金屬超標(biāo)。污泥堆肥除可施用于農(nóng)田、園林綠化草坪、廢棄地等外，還可用作林木、花卉育苗基質(zhì)，能降低育苗成本，有較好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。

3.2 能源化技術(shù)

隨著技術(shù)的發(fā)展和人們觀念的進(jìn)步，污泥逐漸被看作是資源而并非僅僅是污染物。污泥中的有機(jī)物含有大量熱值，具有能源化利用的潛力，將污泥處置甚至污水處理過程轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰康膬舢a(chǎn)出過程逐漸引起了研究者的興趣。

在國內(nèi)，早在上世紀(jì)80年代柳麗芬等[19]就開展了污泥快速熱分解研究，熱解產(chǎn)物為煤氣、輕油、焦油及可直接做鍋爐燃料的半焦。污泥熱解制生物炭、油和可燃?xì)猓扇細(xì)饣厥杖紵勺鳛闊峤獾臒嵩矗梢詼p少或者避免對外部熱源的消耗；同時燃燒生成的煙氣可以作為熱源干燥污泥中的水分，實現(xiàn)能源的梯級化利用，最后煙氣凈化后排出，炭得以利用，對環(huán)境無污染，整個熱解過程實現(xiàn)了對污泥的無害化和減量化。

3.3 建材化技術(shù)

污泥中含有的硅、鋁、鐵、鈣等無機(jī)物與許多建筑材料常用的原料成分相近，可作為替代原料制造建筑材料。它不僅解決了污泥危害環(huán)境的問題，也達(dá)到綜合利用的目的。污泥的建材利用技術(shù)已經(jīng)成熟，應(yīng)用前景良好，從所得建材的種類來看，污泥的建材利用大致可分為制磚、制水泥、制輕骨料、制玻璃以及制生化纖維板等[20]。

黏土是燒結(jié)磚的傳統(tǒng)原料，研究發(fā)現(xiàn)，生活污泥與黏土的組成基本接近，對污泥燃燒產(chǎn)物作適當(dāng)調(diào)整，混合必要的添加劑，便可生產(chǎn)出質(zhì)量完全符合標(biāo)準(zhǔn)的建筑用磚。

4 結(jié)論

綜上所述，國內(nèi)外在剩余污泥處理方面開展了大量的研究，并已經(jīng)有了一些行之有效的技術(shù)方法，污泥處理技術(shù)路線已相對成熟。同時也應(yīng)當(dāng)注意到，隨著全球性能源危機(jī)和環(huán)境惡化的到來，節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)已成為人類共同的呼聲。剩余污泥處理為了應(yīng)對這一要求，必須在技術(shù)上發(fā)生以下轉(zhuǎn)變。

a)由傳統(tǒng)的“污泥處理”向關(guān)心“環(huán)境和健康的污泥無害化處理”的轉(zhuǎn)變。污泥中含有病原體、重金屬和持久性有機(jī)物等有毒有害物質(zhì)，在進(jìn)行污泥處理處置時，應(yīng)對所選擇的處理處置方式，進(jìn)行環(huán)境安全性評價，必須達(dá)到污染控制標(biāo)準(zhǔn)的要求，并采取相應(yīng)的污染控制措施，確保公眾健康與環(huán)境安全。

b)由被動式的污泥處理技術(shù)向以“低碳與資源化、循環(huán)利用、清潔高效”主動式污泥處理技術(shù)的轉(zhuǎn)變。污泥的循環(huán)利用體現(xiàn)在污泥處理過程中充分利用污泥中所含有的有機(jī)質(zhì)、各種營養(yǎng)元素和能量。污泥循環(huán)利用，一是土地利用，將污泥中的有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素補(bǔ)充到土地；二是通過厭氧消化、熱解炭化或焚燒等技術(shù)回收污泥中的能量。應(yīng)避免采用消耗大量的優(yōu)質(zhì)清潔能源、物料和土地資源的處理處置技術(shù)，以實現(xiàn)污泥低碳處理處置。

總之，在污泥處理技術(shù)的選擇上，既要考慮選用先進(jìn)成熟的技術(shù)，又要考慮因地制宜。在綜合考慮污泥泥質(zhì)特征及未來的變化、當(dāng)?shù)氐耐恋刭Y源及特征、充分利用其他行業(yè)資源、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平等因素的基礎(chǔ)上，確定穩(wěn)妥可靠的污泥處理技術(shù)路線和方案。

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StudyontheTreatmentofResidualActivatedSludgeforLow-carbonCycleandComprehensiveUtilization

Zhang Hongzhe1,2,3

(1.SAWS National Registration Center of Chemicals, Shandong, Qingdao，266071 2.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao，266071 3.State Key Laboratory of Chemicals Safety, Shandong, Qingdao，266071)

The treatment of residual activated sludge for low-carbon cycle and comprehensive utilization has become a tough issue in the area of environmental science. The present status and new progresses of the treatment of residual activated sludge about stabilization, harmless, reduction, and utilization are reviewed. The hyphenated methods related to treatment residual activated sludge and their applicability are discussed. The potential treatments of residual activated sludge and necessary work in future are outlined briefly. It is pointed out that more work are required in terms of exploring harmless procedures, which will provide low carbon cycle and clean-effective ways for the treatment of residual activated sludge in future.

residual activated sludge; reduction; stabilization; utilization; harmless

2016-02-19

張宏哲，高級工程師，畢業(yè)于大連理工大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工藝專業(yè)，現(xiàn)主要從事功能性炭材料的制備及其在水處理的應(yīng)用，化學(xué)品安全等方面的研究工作。

中國石化集團(tuán)基金項目807030