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城市污泥處置技術及資源化應用進展

發布日期:2019-08-01 09:34:43   瀏覽次數:793
作為城市污水處理廠的副產物,城市污泥產量巨大且成分復雜,如何合理處置城市污泥己越來越受人們關注。城市污泥含有大量有機物、

作為城市污水處理廠的副產物,城市污泥產量巨大且成分復雜,如何合理處置城市污泥己越來越受人們關注。城市污泥含有大量有機物、氮、磷等營養物質,經過適當處理可以變廢為寶,探究適合我國國情的合理處置和利用污泥技術具有重要現實意義。本文闡述近年來國內外城市污泥的常用處置技術,同時分析不同技術的優缺點,擬為讀者提供目前城市污泥處置及污泥資源化利用的基本思路、發展狀況和脈絡。


一、國內外城市污泥常用處置技術


目前污泥處置技術主要有3種:衛生填埋、污泥焚燒、土地利用。城市污泥處置技術因各國經濟、社會發展水平不同而有所差異:西方發達國家工業化較早,污泥處置技術較為完善,其污泥土地利用占相當大的比例,例如美國污泥土地利用占污泥產出總量的33%,英國占55%,法國占50%,葡萄牙高達80%。根據住建部統計數據,截至2014年底,我國通過建材、焚燒、堆肥化、衛生填埋等無害化處置的污泥約占56%,未能達到國務院《“十二五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》中要求的80%的處置目標。


二、城市污泥處置技術綜述


1.衛生填埋


污泥衛生填埋技術開始于20世紀60年代,分為混合填埋和單獨填埋。混合填埋指污泥與生活垃圾充分混合、平展、壓實,最后填埋處置;單獨填埋指污泥經過簡單滅菌處理,在專門填埋場地進行填埋處置,在其上覆以惰性、黏性土壤,種植綠色植物進行生態修復,分為溝填、掩埋和堤壩式填埋三種類型。衛生填埋技術操作簡單、污泥無需高度脫水(自然干化)、無毒無害化成本較低。但同時衛生填埋技術自身也存在許多問題,如處理周期過長(污泥穩定化時間為2-7年),侵占土地嚴重,填埋坑的滲濾液可能導致土壤和地下水污染等。


由于土地資源有限、滲濾液對土壤及地下水的潛在污染風險,使填埋技術進一步發展受到限制。近年來發達國家污泥衛生填埋處置所占比例越來越低,英國城市污泥衛生填埋比例由1980年的27%下降到2005年的6%,并征收污泥衛生填埋處置稅;法國自2005年起禁止污泥填埋;2009年后美國關閉大多數污泥填埋場。我國在2009年發布的《城鎮污泥處理廠污泥處理處置及污染防治技術政策(試行)》明確規定,不具備土地利用和建筑材料綜合利用條件的污泥才可以采用衛生填埋處置,同時越來越多的地區開始減少甚至限制填埋場的建設。


2.污泥焚燒


污泥焚燒技術是在有氧條件下對污泥高溫熱處理的技術,常用于處置毒性強、危害大的有機污泥和剩余污泥。城市污泥中含有大量有機物和纖維木質素,脫水干化后直接焚燒,有機物全部碳化,同時徹底殺死污泥中病原菌與蟲卵,最大限度地減少污泥體積,最終成為更加穩定的灰渣。


污泥焚燒技術處理速度快,無害化徹底,無需長時間儲存,處置占地面積小,同時余熱可用于發電或供熱等。污泥焚燒設備主要有立式多段爐、同轉窯焚燒爐和流化床焚燒爐。目前污泥焚燒技術在西歐和日本己得到廣泛應用,日本的污泥焚燒量己占污泥處理總量的60%以上,歐盟也在10%以上。我國第一座大型污泥焚燒處理設施——深圳市市政環衛綜合處理廠于1988年11月投產,己運行約20年,為污泥焚燒發電積累了許多經驗;2005年建立的青島污泥焚燒發電工程,日處理污泥量可達26t,每小時可發電700多度。


污泥焚燒技術也存在一些問題。首先污泥含水率較高(多在60%以上),燃燒要求高,導致處理設施投資大,能耗高,處理及維護費用高;其次,污泥焚燒易產生有毒有害氣體例如酸性氣體、二噁英等,容易產生二次污染。據日本國土交通省統計,污泥焚燒過程中產生的N2O的量占污水處理行業溫室氣體排放總量21%;另外,污泥中含有大量有價值的生物資源,焚燒后此類資源未得到充分利用,不符合可持續發展需求,因此這些問題限制了污泥焚燒技術的進一步推廣。


3.土地利用


城市污泥含有豐富的有機質、氮、磷、鉀等有益成分,同時具有強黏性與強吸水性,能明顯改善土壤的物化性質,有利于形成土壤團粒、提高團粒的水穩定性和保水能力,減少水土流失,顯著提高土壤肥力與生物活性,實現農業生態環境的良性循環。因此土地利用也是城市污泥處置的重要潛在途徑之一。


雖然污泥可以用于鹽堿地、沙地及受損土壤的修復改良,但由于城市污泥中也含有某些有毒有害物質和病原體、寄生蟲卵等,若污泥未經預處理直接土地利用,濃度過高的氮、磷物質會導致地下水污染;重金屬(汞、鋅、鉻、鉛、鎳等)可能造成土壤的二次污染,并有可能通過食物鏈進入人體;另外,病原體、寄生蟲卵會對環境和公共衛生造成影響。這些都是污泥土地利用在實際應用中亟需解決的問題。


三、城市污泥的資源化利用


從經濟發展、資源開發利用、城市生態環境保護等方面來看,城市污泥處置的理想出路是資源化利用。城市污泥資源化利用應遵循“安全環保、循環利用、節能降耗、因地制宜、穩妥可靠”的基本原則。其中安全環保是必須堅持的基本要求;循環利用是努力實現的重要目標;節能降耗是充分考慮的重要因素;因地制宜是方案比選決策的基本前提;穩妥可靠是貫穿始終的必需條件。目前幾種主要的污泥資源化技術如下。


1.城市污泥農用資源化


(1)城市污泥堆肥化


污泥堆肥化技術是從20世紀60年代迅速發展的一項新興生物處理技術,其屬于污泥土地利用的一種資源化技術,被認為是最有發展潛力的一種處置技術。污泥堆肥化的主要機理是:污泥中不穩定的有機質在微生物發酵作用下,降解和轉化為腐殖質,病原菌與蟲卵被殺死,同時一定程度上消除惡臭。


污泥堆肥化的工藝流程一般為前處理——次發酵——二次發酵——后處理,其優點是投資少、能耗低、運行費用低,堆肥產品便于儲存、運輸和使用。日本在20世紀90年代末己建35座污泥堆肥廠;目前英國、法國、瑞士、瑞典和荷蘭等國家城市污泥的農用資源化達污泥總量的50%左右,盧森堡達80%以上。


污泥堆肥化技術雖然是目前最有發展潛力的一種處置技術,但是由于國內很多污水廠混入工業污水,污泥中含有潛在的污染物質造成污泥堆肥化技術受到限制。目前國家農業部己通過嚴格把控污泥制品的肥料證的方式限制污泥制品進入食物鏈或生態系統,因此對污泥堆肥化產品的后續發展還有待于進一步研究。


(2)城市污泥消化制沼氣


污泥消化制沼氣己有100多年的歷史,20世紀80-90年代開始逐步實現規模化和工業化。城市污泥含有大量有機物,經厭氧消化可分解成穩定物質,實現污泥減量化和無害化處置,同時產生以甲烷為主的沼氣。現代工業化污泥生產沼氣是將污泥置于特定的反應器內,根據污泥不同成分,通過對反應器內厭氧環境的實時監控和調節,充分利用微生物參與有機物的逐級發酵降解,針對國內某些地區污泥有機質比例偏低,可考慮與餐余垃圾協同發酵,最終實現甲烷化。反應后的殘渣(僅剩原總量的40%)中仍存在大量豐富營養成分,可作為有機肥料或土壤改良劑用于農田、土壤的修復與改良等。該技術資源化、無害化程度高。


2.城市污泥的建材資源化


(1)城市污泥制生態水泥


我國建材行業是天然礦物和能源的高消耗行業,每年生產各種建筑材料需消耗50多種資源,給環境帶來沉重負擔。城市污泥含有20%-30%的無機物,尤其是混凝法處理廢水的污泥中含有大量的鋁、鐵等成分,經焚燒后灰渣可替代部分水泥原料;其添加一定量的石灰,高溫焚燒制得質量符合國家標準的生態水泥。


污泥制水泥技術管理簡便、可操作性強、污泥處置成本低、節約資源保護環境,符合循環經濟和可持續發展戰略。發達國家利用城市污泥生產水泥己有豐富的經驗,例如日本利用城市污泥焚燒灰渣和下水道污泥為原料實現水泥的批量化生產,并于2001年建成世界上第一座生態水泥廠,年產量11萬噸水泥。


(2)污泥制輕質陶粒


輕質陶粒是一種人造輕質粗集料,因質地輕、強度高、保溫性好等特性備受關注,可用作路基、混凝土骨料或花卉覆蓋材料,是一種具有發展潛力的新型建材。相關方面的研究于20世紀80年代己趨成熟,并己進行大規模應用。制備機理是用污泥做主要原料,黏土和爐渣做輔助料,經過焙燒、成球形成具有一定硬度的污泥陶粒,常見的技術方法有同轉窯焚燒技術。


(3)污泥制磚


污泥制磚是指將污泥經過一定處理篩選后,與其他原料或外加劑混合(如黏土、頁巖、煤研石、粉煤灰),加壓成型,焙燒后制得污泥磚。該方法不僅在坯料中封存污泥中的有毒重金屬,殺死有害病菌,實現污泥資源化;同時充分利用污泥熱值,制成的污泥磚空隙多、磚質輕,具有一定的隔音隔熱的效果,而且完全沒有異味。經過條件優化,污泥磚的主要指標可達到普通燒結磚的國家標準,具有高抗壓強度、重量比同體積的普通磚輕等優點,可節省10%的能耗,10%-15%的黏土土資源。常見的污泥制磚有兩種方法,分別為污泥焚燒灰制磚和干化污泥直接制磚,目前市場上以干化污泥直接制磚為主,其工藝主要是通過人工烘干或自然晾干將污泥干化后進行磨細處理,之后和其他原料混合加壓成型燒制成磚,污泥制磚主要技術要點是控制污泥摻量(10%-20%),當污泥摻量高于30%時,污泥磚抗壓強度己不能達到磚的性能標準。


3.污泥的環境資源化應用


(1)污泥制黏結劑


城市污泥含有大量有機物,有一定黏結性能與熱值,可用于制備型煤黏結劑。城市污泥替代白泥可以改善高溫下型煤的內部孔結構不通,提高成型煤的氣化反應性,降低燃燒后灰渣中的殘炭,提高碳轉化率,同時污泥在高溫氣化爐內被處理,可以有效防止二次污染。實驗研究表明煤中摻入20%左右的城市污泥(含水率為80%),不會影響煤的燃燒特性,相反改善和提高煤的燃燒性能。


(2)污泥制吸附劑


活性炭是一種常見的高效吸附劑,但是制備商品活性炭的原材料昂貴,其是導致活性炭生產成本高原因之一。理論上幾乎所有含碳物質均可用作制備活性炭的原材料,而城市污泥含有豐富的有機碳。以含碳較多的生化污泥為原料在一定高溫下可以通過化學途徑將其制成含碳吸附劑,可用于處理污水處理。


4.污泥其他資源化應用


(1)污泥制動物飼料


污泥中含有大量有價值的營養物質,粗蛋白占28.7%-40.9%、灰分占26.4%-46.0%、纖維素占26.6%-44.0%,脂肪酸占0%-3.7%,且污泥蛋白中含有幾乎所有家畜飼料所需的氨基酸,各種氨基酸之間相對平衡,因此可以將凈化處理后的污泥加工成污泥飼料。研究表明將污泥飼料用來喂魚,可提高魚的產量,同時用污泥飼料與一般飼料混合(混合比例為9:1)飼養的雞與用一般飼料飼養的雞對照,雞的體重有所增加,產蛋率也有提高。但是如果污泥未經預處理而被制成污泥飼料,污泥飼料中的有毒物質在動物體內的積累,可能會造成的潛在危害,其影響還有待于進一步研究。


(2)污泥低溫裂解制油


污泥低溫裂解制油研究開始于20世紀80年代,己成功應用于處置市政污泥。該技術是把含水率約為65%的污泥在無氧條件下加熱升溫至4500℃左右,在催化劑作用下污泥中的脂肪烴化合物轉化為油、炭、不凝性氣體和反應水。


污泥低溫熱解制油技術的產物如氣體和油有很高的熱值,是潛在的燃料。目前該種技術在國外己開始用于生產實踐,加拿大正在進行中試實驗,澳大利亞柏斯建造了世界上第一座工業規模的污泥煉油廠,處理十污泥量可達25t/d。目前國內的污泥熱解技術還停留在實驗室階段。

 
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