純水設備分析城市污泥處置技術及資源化應用進展
【蘭州純水設備http://smarts-edu.cn】城市污泥作為城市污水處理廠的副產物，因其產量大、成分復雜而受到越來越多的關注。城市污泥中含有大量的有機化合物、氮、磷等營養(yǎng)物質，經過適當的處理可轉化為寶貴的資源。因此，探索適合我國國情的污泥技術合理處置和利用具有重要的現實意義。本文介紹了近年來國內外常用的城市污泥處置技術，并分析了不同技術的優(yōu)缺點，以期為讀者提供目前城市污泥處置與資源化的基本思路、發(fā)展現狀及背景。
一、國內外常用的城市污泥處置技術
目前主要有三種污泥處置技術:衛(wèi)生填埋、污泥焚燒和土地利用。國民經濟和社會發(fā)展水平的不同城市污泥處置技術的早期工業(yè)化的西方發(fā)達國家超純水設備,污泥處置技術相對完善,占相當比例的污泥土地利用,如污泥土地利用污泥總產量的33%,占英國(55%)、法國(50%)、葡萄牙高達80%。根據住房和城鄉(xiāng)建設部統(tǒng)計,到2014年底,約56%的污泥通過無害的建筑材料在中國治療,焚燒、堆肥和衛(wèi)生填埋,未能滿足治療需求80%的目標設定在“十二五”規(guī)劃建設的全國城市污水處理和回收設施由國務院發(fā)布。
二世。城市污泥處理技術概述
1. 衛(wèi)生填埋
污泥衛(wèi)生填埋技術始于20世紀60年代，分為混合填埋和分離填埋。混合填埋場是指污泥與生活垃圾在填埋前充分混合、壓扁、壓實。單獨填埋是指對污泥進行簡單的殺菌處理，將填埋場處置在某一特定的填埋場內，用惰性、粘性的土壤將其覆蓋，種植綠色植物進行生態(tài)修復，分為溝渠填埋場、填埋場和堤壩填埋場三種類型。衛(wèi)生填埋技術操作簡單，污泥不需要高度脫水(自然干燥)，無毒無害，成本低。但同時，衛(wèi)生填埋技術本身也存在處理周期長(污泥穩(wěn)定時間2-7年)、占用土地嚴重、填埋滲濾液可能導致土壤和地下水污染等問題。
由于土地資源的限制和滲濾液對土壤和地下水的潛在污染風險，制約了填埋技術的進一步發(fā)展。近年來，發(fā)達國家衛(wèi)生污泥填埋處置的比例越來越低。城市衛(wèi)生污泥填埋處置比例由1980年的27%下降到2005年的6%。法國自2005年起禁止污泥填埋;自2009年以來，美國大部分污泥填埋場已經關閉。2009年，中國頒布了《城市污泥處理廠污泥處理處置和污染防治技術政策(試行)》，明確規(guī)定只有無土地利用和建筑材料綜合利用的污泥才能用于衛(wèi)生填埋處置。與此同時，越來越多的地區(qū)正在減少甚至限制垃圾填埋場的建設。
2. 污泥焚燒
污泥焚燒是一種好氧條件下污泥的高溫熱處理技術。常用于處理有毒有害的有機污泥和剩余污泥。城市污泥中含有大量的有機化合物和纖維木質素。經過脫水干燥，有機物直接燃燒，完全碳化。同時，徹底殺滅污泥中的病原和蟲卵，使污泥體積最小化，最終成為更穩(wěn)定的灰渣。
污泥焚燒技術處理速度快，無害化徹底，無需長時間貯存，處置面積小，且余熱可用于發(fā)電或供熱。污泥焚燒設備主要有立式多級爐、回轉窯式焚燒爐和流化床式焚燒爐。目前，污泥焚燒技術已廣泛應用于西歐和日本。日本污泥焚燒占污泥處理總量的60%以上，歐盟占10%以上。中國第一個大型污泥焚燒處理設施——深圳市環(huán)境衛(wèi)生綜合處理廠于1988年11月投入運行，至今已運行約20年。青島污泥焚燒發(fā)電項目成立于2005年，污泥日處理能力可達26t，每小時可產生700多度。
污泥焚燒技術也存在一些問題。一是污泥含水率高(60%以上)，燃燒要求高，處理設施投資大，能耗高，處理維護費用高。二是污泥焚燒易產生酸性氣體、二惡英等有毒有害氣體，易產生二次污染。據日本國土交通省統(tǒng)計，超純水設備污泥焚燒過程中產生的N2O占污水處理行業(yè)溫室氣體排放總量的21%。此外，污泥中含有大量寶貴的生物資源，焚燒后未得到充分利用，不符合可持續(xù)發(fā)展的需要。因此，這些問題制約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(wěn)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(yè)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。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(huán)境和公共衛(wèi)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(fā)展、資源開發(fā)利用、城市生態(tài)環(huán)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(huán)保、循環(huán)利用、節(jié)能降耗、因地制宜、穩(wěn)妥可靠”的基本原則。其中安全環(huán)保是必須堅持的基本要求;循環(huán)利用是努力實現的重要目標;節(jié)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(wěn)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(fā)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(fā)展?jié)摿Φ囊环N處置技術。污泥堆肥化的主要機理是：污泥中不穩(wěn)定的有機質在微生物發(fā)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(fā)酵——二次發(fā)酵——后處理，其優(yōu)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(fā)展?jié)摿Φ囊环N處置技術，但是由于國內很多污水廠混入工業(yè)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(yè)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(tài)系統(tǒng)，因此對污泥堆肥化產品的后續(xù)發(fā)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(guī)?；凸I(yè)化。城市污泥含有大量有機物，經厭氧消化可分解成穩(wěn)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(yè)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(huán)境的實時監(jiān)控和調節(jié)，充分利用微生物參與有機物的逐級發(fā)酵降解，針對國內某些地區(qū)污泥有機質比例偏低，可考慮與餐余垃圾協同發(fā)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(yǎng)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(tài)水泥
我國建材行業(yè)是天然礦物和能源的高消耗行業(yè)，每年生產各種建筑材料需消耗50多種資源，給環(huán)境帶來沉重負擔。超純水設備城市污泥含有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(tài)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(jié)約資源保護環(huán)境，符合循環(huán)經濟和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。發(fā)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(tài)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(fā)展?jié)摿Φ男滦徒ú?。相關方面的研究于20世紀80年代己趨成熟，并己進行大規(guī)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(yōu)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(yōu)點，可節(jié)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(huán)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?zhí)浚岣咛嫁D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(yǎng)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(yǎng)的雞與用一般飼料飼養(yǎng)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(yè)規(guī)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。水處理設備 去離子水設備
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