实现污泥深度脱水和重金属去除的生物沥浸处理技术

周立祥

（南京农业大学固体废弃物研究所，南京 210095）

实现污泥深度脱水和重金属去除的生物沥浸处理技术

周立祥

（南京农业大学固体废弃物研究所，南京 210095）

阐述了生物沥浸处理技术的基本原理、工艺流程及主要技术特点，通过典型应用工程实例表明，采用生物沥浸预处理方法不但可大幅度提高污泥脱水性能，而且可去除污泥中的重金属、恶臭，杀灭病原物，脱水后的污泥水分含量很低（60%以下），无臭、卫生、无害，可广泛应用于城镇污水处理厂及工业行业的污泥处理，市场前景十分广阔。

污泥;微生物;生物沥浸;预处理;工程应用

1 引言

截至2011年底，我国城镇污水处理厂已达3135座，年产生脱水污泥（含水80%）近4000万吨。由于我国城市污泥主要是污水处理厂二级生化处理后排出的剩余污泥或与一沉池混合而成的混合污泥，有机质含量高，亲水性强，加之进行机械脱水前均采用聚丙烯酰胺（PAM）絮凝，因此脱水污泥含水率高（80%～85%），给后续处置或利用增加了很大难度（如堆肥极不方便，需要大量的辅料、有恶臭、占地大；干化焚烧成本高；不能直接填埋；做建材原料时难混合均匀，且有恶臭，影响产品质量等）。同时，部分污泥中的重金属等有害物质明显超标，因此实现污泥深度脱水以及（当污泥重金属超标时）去除重金属等有害物质是破解污泥处置难题的重要途径。

要实现污泥含水率由80%～85%进一步降低到60%以下，必须进行以增强污泥脱水性能为目标的污泥机械脱水前的预处理技术的研发。而目前一些正在研究或投入生产应用的污泥预处理方法，如采用物理方法（如高温高压的水热处理技术、冻融处理、微波处理、超声波处理等）或化学方法（如以添加大量石灰或粉煤灰-三氯化铁或聚合氯化铝PAC-PAM为代表的改性方法等）预处理，然后再经隔膜厢式压滤脱水的方法，也能使脱水污泥的含水量降低到60%以下。但都不能去除重金属，而且物理方法成本相对较高，压滤液的COD和氨氮高，增加了水处理的负荷。化学法则因需大量引入无机物质，实际上增加了污泥干物质量，降低了污泥的有机质和热值，影响了污泥的后续资源化利用的性质。

针对上述实际情况，采用微生物沥浸处理技术可有效弥补上述方法的不足。其最大特点是既能实现污泥深度脱水（含水率低于60%），也能实现污泥无害化（污泥中的重金属80%以上脱出回收，病原物99%以上杀灭，恶臭完全消除），更重要的是，经过微生物处理，污泥的有益成分（有机质、热值等）并不损失。生物沥浸后的污泥饼非常容易资源化（如高温发酵后开发成园林绿化用肥、土壤改良剂以及作为低热值燃料等）。

2 生物沥浸污泥处理技术

2.1 生物沥浸法促进污泥脱水的基本原理

生物沥浸微生物主要由以自养菌为主的10余株微生物复配而成，微生物替代效应和生物酸化效应是促进污泥脱水性能提高的关键因素。

（1）微生物替代效应

生物沥浸微生物是以自养菌（不分解有机物）为主，而原污泥中活性污泥则以异养菌（分解污水污泥中COD或有机物）为主，前者菌的个体比后者的要小很多。原剩余活性污泥中水分主要以间隙水、毛细管水、表面吸附水和细胞内结合水形式存在。由于个体较小的菌完全替代了原来个体较大的菌，原来菌死亡或新陈代谢停止，因此原来毛细管水等束缚水将容易释放出来变成间隙水，故经过生物沥浸处理后，污泥还可进一步重力浓缩滗出部分水。另外，生物沥浸微生物分泌的胞外聚合物（EPS）明显比传统活性污泥少得多也是重要原因。因为EPS亲水性较强，EPS越多污泥越难脱水。

（2）生物酸化效应

生物沥浸处理因微生物会氧化污泥或营养剂中少量S会导致污泥的pH下降，在生物沥浸池中，污泥的pH可降低到4.5以下，pH降低意味着H+浓度的增加。由于带正电荷的H+的增加，会中和污泥颗粒表面的负电荷，因此污泥颗粒因表面不带电荷而不会互相排斥，有利于污泥聚沉和脱水。

2.2 生物沥浸法去除污泥重金属、消除恶臭的基本原理

（1）去除污泥重金属

污泥中的重金属主要以难溶态形式存在，包括金属硫化物形态、有机质结合态等，因此，一般很难通过脱水机脱出这些重金属。但污泥生物沥浸微生物中的自养菌具有明显的生物氧化作用和生物酸化作用，能将难溶态的金属硫化物氧化成易溶性的金属硫酸盐，同时由于生物沥浸导致污泥pH值的下降，可进一步溶出污泥中的重金属，使其进入水相。经过沉淀后，收取上清液，沉淀泥通过压滤脱水收获压滤液，污泥重金属就全部进入这些上清液和压滤液中，污泥则变干净。水中重金属采用石灰中和到pH为6.5左右即可变成金属氢氧化物沉淀，压滤脱水收获金属泥饼或加其他沉淀剂或电解方法回收重金属，金属泥饼可用于冶炼或安全填埋。中和后的水可排到污水处理厂处理。

（2）去除恶臭

由于生物沥浸微生物本身就可氧化致臭物质（如硫醇、硫醚、硫化氢、氨等），是非常好的除臭微生物，因此，生物沥浸过程不存在任何恶臭，最终生成的污泥饼也无恶臭。由于酸化和氧化作用，污泥中的病原菌杀灭率可达到99%以上。

2.3 工艺流程

（1）当污泥中重金属不超标时的工艺流程（见图1）

图1 污泥生物沥浸处理与利用工艺流程图（当重金属不超标时）

适合处理：重金属不超标的市政污泥、毛纺与印染废水污泥、某些化工污泥、化纤污泥、石化污泥、制浆造纸污泥、制药污泥、酿造与食品加工污泥、养殖行业污泥等。

（2）当污泥中重金属超标，需要去除时的工艺流程（见图2）

图2 污泥生物沥浸处理与利用工艺流程图（当重金属超标时）

适合处理：重金属超标的市政污泥、制革污泥、某些化工污泥、电镀行业污泥、IT行业污泥、机械加工及冶炼等行业含金属污泥等。对无机污泥，处理后污泥含水率可低至45%以下。

3 技术主要特点

（1）实现污泥深度脱水

污泥容易机械脱水至含水60%以下，成为半干化污泥饼。

（2）处理时间短

污泥处理时间仅需1～2天，是污泥厌氧或好氧消化技术所需时间的1/20～1/10。

（3）处理过程无臭味

菌种生态安全，病原菌杀灭率99%以上。

（4）可去除重金属

污泥重金属去除率或回收率达80%以上。

（5）泥饼可直接堆肥

彻底解决了含水80%的污泥堆肥占地、需要大量辅料以及存在恶臭的弊端。所需要的调理剂仅为常规脱水污泥堆肥的1/10，而且占地大幅度减少，恶臭消除。

（6）有机质热值高

污泥处理后的干基热值和有机质含量不受影响，污泥干物质重量几乎不变。

（7）经济高效

运行费用低且可节省常规污泥脱水需添加PAM等絮凝剂的成本。

（8）设备稳定成套

反应设备成套化、系列化，运行稳定。

4 典型案例（无锡芦村污水处理厂污泥处理工艺改造工程）

该项目采用的工艺是“污泥生物沥浸处理-高温发酵-园林用肥和营养基质工艺”，设计规模为日处理污泥200吨（折成含水率为80%的污泥）。该工程于2012年6月底投产运行。

4.1 污泥生物沥浸深度脱水部分

由于该厂污泥的重金属含量不超标，故主要工艺单元包括污泥生物沥浸处理单元、隔膜厢式压滤脱水单元。工程建设在无锡芦村污水处理厂原厌氧消化池区域，构筑物占地约2500平方米，处理该厂1、2、3期的污水所产生的污泥。图3～图7为污泥生物沥浸处理结果。

结果表明，污泥生物沥浸处理前后干基有机质和氮磷含量、热值均没有明显变化。但生物沥浸污泥饼水分含量降低到60%以下，无污泥特有的恶臭只仅具土腥味，外观为土黄色半干化饼状，pH5.2～6.0。压滤水COD、TN、TP分别在200、60～120、1mg/L以下，可排入污水处理厂处理。

图3 污泥生物沥浸反应池正在处理浓缩液态污泥

图4 用于生物沥浸污泥脱水的普通隔膜厢式压滤机

图5 压出的生物沥浸污泥饼（含水55%～60%，无恶臭）

图6 生物沥浸污泥饼厚度一般在20～30mm

图7 生物沥浸污泥隔膜厢式压滤机压滤出水情况

4.2 生物沥浸污泥饼高温发酵制作园林用肥和营养基质部分

该工程每天产生的半干化污泥由于有机质高，含水率低，全部用于高温发酵堆肥制备园林绿化用肥和营养基质。堆肥时由于泥饼水分低，需要调理剂极少，恶臭少，因此彻底解决了目前常规脱水污泥饼污泥堆肥占地大、有恶臭、需要大量的辅料（调理剂）的缺陷。图8～图10是生物沥浸污泥饼堆肥过程及使用效果，下表是生物沥浸污泥饼堆肥与常规污泥堆肥的比较结果。

生物沥浸污泥堆肥与常规污泥堆肥的比较

5 推广应用前景

图8 行走式翻抛机正在对生物沥浸污泥饼进行翻抛作业

图9 生物沥浸污泥饼堆肥后的腐熟堆肥产品

图10 采用生物沥浸污泥堆肥作为有机肥的效果（油菜）

截至2011年12月底，我国已建成运转的城镇污水处理厂有3135座，日处理污水能力1.36亿立方米，日产脱水污泥10万吨。“十二五”期间我国将完成每年新增污水集中处理能力1500万立方米/日，“十二五”末，城镇污水处理厂预计会增加到4000多座，日产污泥将达12万～15万吨，污泥处置已成为生活污水处理领域的重点和难点。近年来，住建部、环保部、发改委等有关部门相继发文指导规范污泥处理工作。在相关文件中，都要求或倡导实现污泥深度脱水以减少污泥体积和促进污泥处置利用，要求污泥的处理处置遵循无害化、减量化、资源化的原则。

采用生物沥浸预处理方法不但可大幅度提高污泥脱水性能，而且可去除污泥中的重金属、恶臭，杀灭病原物，脱水后的污泥水分含量很低（60%以下），无臭、卫生、无害，可广泛应用于城镇污水处理厂，以及工业行业的污泥处理，市场前景十分广阔。

Bioleaching Technology for Improving Sludge Dehydration and Removal of Sludge-borne Heavy Metals

ZHOU Li-xiang

X703

A

1006-5377（2012）09-0017-04