剩余污泥预处理技术研究进展

王 晨 ,施素丽

(1.天俱时工程科技集团有限公司,河北 石家庄 050000;2.石家庄国祥运输设备有限公司,河北 石家庄 050000)

随着经济发展与社会进步,我国水处理行业发展迅猛,剩余污泥产量逐年增加。据统计,2019 年我国污泥(含水率80%)产量已超过6 000 万t[1]。但由于过去“重水轻泥”,我国污泥处理处置水平与发达国家相比仍有较大差距。

污泥本身成分复杂,含有有害物质(如病原体等)同时又含有丰富的资源(如碳、氮、磷等),这使得人们在考虑对污泥进行稳定化、无害化、减量化的同时,也在思考如何将污泥资源化乃至商品化。污泥的最终处置方式决定了污泥的处理方法,我国目前污泥处置方式包括土地利用(26.5%)、焚烧(25.0%)、卫生填埋(24.1%)、建材利用(14.4%)等[2]。而2019 年这4 种污泥处置方式产生的CO2占我国污泥处置CO2排放量的比例分别为:焚烧(45.11%)>卫生填埋(23.04%)>土地利用(17.64%)>建筑材料(14.21%)[3],可见合适的污泥处置方式能减少温室气体的排放。

厌氧技术在碳中和方面有着得天独厚的优势。厌氧消化能杀死污泥中的病原体、稳定污泥,同时可以产生挥发性脂肪酸,作为污水厂“内碳源”或者进一步反应产生甲烷等可再生能源,因而被认为是循环利用能源与资源最可行、最环保的生物工艺之一。然而在厌氧消化的实践应用过程中,存在着污泥龄较长、有机固体降解率低等问题。为了破解污泥的絮体结构,将污泥中的资源进行回收利用,国内外学者开展了广泛的研究,主要包括机械法、化学法、生物法以及它们的组合方法。本研究对剩余污泥预处理技术相关研究进行了回顾,以期为剩余污泥处理处置的科学研究与工程应用提供一定帮助。

1 机械法

剩余污泥的机械预处理法包括超声波法、热处理法、微波法、脉冲电场法、高压均质化法等。剩余污泥不同机械预处理法的处理效果如表1所示。

表1 剩余污泥机械预处理法处理效果

1.1 超声波法

超声波是频率在20 kHz 以上的声波,一般波速约为1 500 m/s,波长约为0.01～10 cm。超声波处理污泥的机理研究还不是很透彻,现有研究认为,超声波处理污泥主要依靠的是超声波空化作用所产生的强烈的水力-机械剪切力、具有氧化作用的自由基(如·OH、·H、·O 等)、温度的升高和污泥中挥发性疏水物质的热分解。超声波能够改善污泥的沉降性和提升脱水性,并能有效提升剩余污泥的可生化性,进而提升厌氧消化的产气效率[10]。单独使用超声波技术能耗较大,今后应该针对不同性质污泥研究不同类型的超声波反应器,在保证提高处理效率的同时节能降耗,此外还应该深入研究超声波预处理污泥的组合工艺,为超声波预处理技术的工程应用奠定基础。

1.2 热处理法

常规的污泥热预处理法以100 ℃为界限,分为低温热处理(<100 ℃)和高温热处理(>100 ℃)。常规热处理法具有处理效果好、装置工艺较为简单、条件控制方便等优点,因而得到了广泛的研究和工程应用。目前污泥高温热预处理在全世界工程应用较多,但是高温热处理的能耗较大、净产能较低,且污泥高温热处理可能会因为美拉德反应而产生难降解有机物[5],不利于污泥的后续处理处置。同时现有研究[5]表明,低温热处理也能增加污泥的可生化性,有较好的工程应用前景。今后应对污泥热处理设备进行改进研究,提高热利用率,同时对工艺进行优化,降低污泥热预处理对能源的需求。

1.3 微波法

微波是电磁波谱上红外线和无线电波之间的频率在0.3～300 GHz 的电磁波。李海兵等[7]通过红外光谱分析发现,污泥经过微波处理后,部分大分子有机物被降解为小分子有机物,有机物得到释放。然而微波法处理剩余污泥在工程应用方面还比较少,这主要是因为微波处理装置还不能完全满足实际工程污泥处理的需求以及微波设备的增加导致工艺技术路线的改进和经济性优化分析还较少,这也是今后污泥微波预处理法的重要研究方向。

1.4 脉冲电场法

脉冲电场是一种高压电场法。脉冲电场能破坏污泥聚集体的结构,并将复杂的有机大分子还原为结构形式更简单的小分子,使它们更易于被厌氧微生物吸收利用[8]。我国关于脉冲电场污泥预处理方面的研究还比较少,值得科研工作者们作进一步研究。

1.5 高压均质化法

高压均质化处理污泥的工作原理是污泥在降压作用下会产生外部剪切、湍流、压力梯度及空化,从而使得污泥絮体结构破坏,将有机物从固相释放到液相[9]。高压均质化在国外污泥处理中已有一定研究与工程应用,而我国尚无相关工程案例报道,今后应该针对高压均质化法的设备与组合工艺的优化作进一步研究。

2 化学法

剩余污泥的化学预处理法主要是通过投加化学药剂与污泥发生反应,从而破坏污泥较稳定的絮体结构。已有研究的污泥化学预处理法药剂包括酸、碱、游离亚硝酸(Free Nitrous Acid,FNA)、游离氨(free ammonia,FA)、四羟甲基硫酸磷(tetrakis hydroxymethyl phosphonium sulfate,THPS)、高锰酸钾(KMnO4)、高铁酸盐、O3、Fenton 等。表2 列举了剩余污泥不同化学预处理法的处理效果。

表2 剩余污泥化学预处理法处理效果

续表2

2.1 酸碱法

由表2 可知,单纯投加酸或碱的预处理法对污泥絮体的破坏均有一定效果,然而酸的投加性价比较低。此外,碱性条件更有利于污泥的厌氧消化,因此目前研究大多关注于碱的控制条件(包括碱的种类、投加量等)以及碱的组合工艺。

2.2 游离亚硝酸(FNA)法

FNA 是亚硝酸盐NO2-的游离态质子化形式。FNA 能将污泥中的大分子物质如多糖、蛋白质、脂质等转化成小分子物质,从而促进污泥有机物的释放[20]。FNA 可以通过污泥厌氧消化液在污水处理厂原位产生,剩余污泥FNA 预处理法具备一定的工程可行性。FNA 预处理剩余污泥的一项中试研究表明,经过FNA 预处理的剩余污泥厌氧消化甲烷产量与未经预处理的相比增加了37%[21]。FNA 作为一种新兴的剩余污泥预处理药剂,还有很多地方(如反应机理、反应条件、组合工艺、工程经济可行性等)值得深入研究。

2.3 游离氨(FA)法

污水中的离子态氨氮(NH4+)在浓度较高或碱性较大时会转化成分子态的NH3,即游离氨(FA)。Wei Wei 等[14]研究发现,FA 预处理对污泥厌氧消化甲烷的产量有良好的提升效果。相关研究表明,FA 可以通过污泥厌氧消化直接获得,同时初步经济分析表明,FA 预处理污泥的经济成本低于单纯用碱处理的[22],这说明FA 污泥预处理法有着较好的工程应用前景。

2.4 THPS 法

THPS 是一种绿色环保杀菌剂,能有效杀灭污泥中的病原体。Wu 等[15]研究发现,THPS 预处理后,污泥厌氧产酸时间减少为对照组的4/7,同时挥发性脂肪酸VFAs 产量增加为对照组的4.35倍。THPS 作为一种新兴药剂,在污泥预处理方面研究较少,相关反应机理等研究尚不透彻,有待进一步研究。

2.5 氧化剂法

高锰酸钾、高铁酸盐、O3、过硫酸盐、Fenton 等药剂都有较强的氧化能力,能与污泥中的有机物发生氧化降解反应,尤其是能将可生化性低的大分子有机物(例如分子量较大的蛋白质、腐殖酸等)转化为小分子有机物,强氧化剂的合理使用有助于污泥有机物的释放,但应注意药剂的经济性投加和反应产物对后续污泥处理处置的影响。

3 生物法

剩余污泥的生物预处理形式主要为投加酶或特定菌种。表3 列举了剩余污泥不同生物预处理法的处理效果。

表3 剩余污泥生物预处理法处理效果

某些菌种(如嗜热菌[25])能在特定环境中产生胞外酶,而蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶等可以通过破坏污泥中的蛋白质、脂质、纤维素等大分子有机物来破坏污泥的稳定结构,从而将污泥中的有机物释放出来。但污泥复杂的结构往往会阻碍酶和酶特定作用对象的接触,因此多种酶混合使用的效果要好于单一酶处理的效果[24]。

剩余污泥生物预处理法无二次污染风险,是很有发展前景的污泥预处理技术,但受限于经济成本等因素,目前还处在实验室研究阶段,距离工程化落地还有较远的路要走。

4 组合法

单一的剩余污泥预处理法各有其优点与不足,将已有预处理方法进行组合以追求更好的社会效益和经济效益是今后研究的热点之一。表4列举了剩余污泥不同组合预处理法的处理效果。

表4 剩余污泥组合预处理法处理效果

5 结论与展望

剩余污泥的处理处置将是我国今后环保治理的重点之一,而厌氧处理的方式能极大地减少碳排放,同时进行资源能源的回收利用,具有较高的社会效益与经济效益。目前已有机械、化学、生物等多种剩余污泥预处理技术,机械法操作简单但是前期设备一次成本投入较高,化学法效果显著但应考虑药剂投加可能导致的污泥处理设备成本的增加(例如防腐),以及药剂投加带来的副产物对污泥后期处理处置的影响,生物法无二次污染,相对绿色环保,但经济成本较高。组合法可以进一步提升污泥中有机物的释放,同时合理地对各种预处理方法进行组合可以有效地降低经济成本。

从科研与工程角度出发,从以下几个方向建议学者们进行深入研究:

(1)剩余污泥是成分复杂的多聚体,预处理技术对污泥各组分的影响有待进一步研究。

(2)不同区域研究者针对同一种污泥预处理技术的研究结果存在显著性差异,这可能与不同污泥来源(水处理工艺、水质等)有关,建议针对预处理技术对不同来源污泥的影响作进一步研究。

(3)当前的研究大部分还处在实验室阶段,只有小部分技术如热水解法实现了工程落地,一项技术的工程化落地受到诸多因素(如处理效果、经济成本等)的影响,而已有的研究中进行经济成本分析的较少,今后研究者们应该将工程可行性作为剩余污泥预处理技术的研究重点之一。