山西省污水廠污泥重金屬處理技術

原武斌

(山西省河津市住房制度改革辦公室，山西河津 043300)

0 引言

污泥是由水體運動過程或污水處理過程所產生的固體沉淀物質。污泥根據其來源可分為污水廠污泥、自來水廠污泥、管網污泥、河湖淤泥、工業污泥。在本文中主要是指污水處理廠的濃縮污泥或脫水污泥。根據污泥的成分又可分為有機污泥和無機污泥，親水性污泥和疏水性污泥。對于普通水體中的污泥而言，成分較簡單，環境危害較小;對于污水廠污泥而言，成分復雜，危害較大，需慎重處理。污水處理廠的污泥包括生污泥、厭氧消化污泥、好氧消化污泥、活性污泥等。我國污水處理廠年實際處理污水約210億t。以活性污泥法為例，在每1萬t的污水處理過程中，約產生4 t～5 t濕污泥(含水率以80%計)。由此可折合計算知，我國污水廠污泥年產量約900萬t。現行的污泥處理技術主要包括:污泥預處理技術、資源化處理技術、處置技術三大類。污泥預處理技術主要是濃縮與脫水(以減小體積為目的)、穩定與消毒(以穩定化學性質，減小質量為目的)、調理(以改善脫水性質為目的)三類。污泥資源化處理技術主要是堆肥或發酵、焚燒(可以以減量為目的，也可以以發電為目的)、燃料化等。污泥處置方法主要是衛生填埋、農業利用、建材利用、筑路等。

重金屬污染現在已成為社會熱點，尤其是經歷了近年來的福建紫金礦業、云南曲靖鉻渣、廣西龍江鎘污染等重金屬污染事件之后，環保部門將掀起重金屬污染防治風暴，未來五年據稱國家計劃投入750億元，同時要將防治成效納入政府領導考核內容。國家將于2015年前建立起較完善的重金屬污染防治體系、應急體系、風險評估體系。環境污染領域所指的重金屬主要是指生物毒性顯著的Hg，Cd，Pb，Cr，As。我國污泥農用重點控制的污染物包括:Zn，Cu，Ni，Hg，Cd，Pb，Cr，As。污泥中的重金屬主要包括Pb，Cd，Hg，Cr，Ni，Cu，Zn，As 等，由于污泥來源和類型不同，致使不同地區污泥中重金屬的種類與含量差異較大[1，2]。為了消除污泥中重金屬帶來的危險，研究者開發了眾多的污泥重金屬處理技術，首先對重金屬進行去除，當去除存在困難時，可以考慮如何降低重金屬在污泥中的毒性。去除重金屬的方法包括:化學法、物理法、生物法。其原理大多是重金屬廢水處理技術的逆反應過程。

山西省的發展正處于一個千載難逢的關鍵時刻，要想抓住國家資源型經濟轉型綜合配套改革試驗區的建設機遇，環保問題是否能得到很好地解決，將是非常重要的制約因素。在重金屬污染防治工作中，除了企業對重金屬的防控之外，污水廠污泥的重金屬治理是重要的環節。

1 山西省污水廠污泥的特點

隨著山西省經濟社會的發展，污水處理廠的接納污水量日漸增高，其污泥產量也隨之增長。現狀山西省城市、縣城污水排放總量約為9.37億m3。“十一五”期末，太原市、大同市污水處理率達85%以上，朔州、陽泉等其他9個地級市污水處理率達80%以上，縣級城市污水處理率達到60%。山西省污水處理廠污泥的處理處置必須作為一個重大的戰略問題予以重視并解決。

山西省城鎮污水處理廠多采用二級處理的活性污泥工藝，其剩余污泥占30%～40%。據測定，每萬噸廢水污泥產生量的平均值為2.7 t(干重)。山西省2010年污泥產量約為36.75萬t，脫水污泥約為183.75萬t。山西省污水廠污泥中有機物含量較低，碳水化合物含量較高，脂肪含量較低。山西省污水處理廠污泥重金屬含量范圍見表1。

由表1可以看出，山西省污水處理廠污泥中Ni，Zn，Cd元素的含量均有部分超出污泥農用的酸性標準。

表1 山西省污水處理廠污泥重金屬含量

2 山西省污水廠污泥重金屬處理技術

2.1 化學法

雖然存在很多化學法都可以用于處理污泥中的重金屬，但并非都適用于山西省的污水廠污泥重金屬處理。

離子交換技術雖然處理對象精確、選擇性強、可實現原位處理[3]，但是該技術的生產周期長，處理過程中的pH值變化較大，當進料化學性質波動較大時存在不穩定性。氯化轉化技術能夠使污泥中的重金屬溶解出來，是污染物研究領域的重要技術[4]。當污泥與氯氣接觸時，Cl2與H2O會發生反應，生成HCl與HClO(次氯酸)，這會使溶液pH值下降，導致大多數重金屬的溶解度升高。但其缺點是去除率較低，成本較高，操作困難，同時，氯化反應可能會伴生毒性氯代有機物，存在安全性問題。超臨界流體萃取法，可以使污泥處于臨界溫度和臨界壓力以上，實現萃取功能，所借助的介質主要是超臨界流體CO2，H2O，C2H4等。電化學法可以實現對重金屬的去除，而且可實現金屬的回收。其機理包括電滲、擴散、吸附、電遷移等多種作用[5]。在直流電的作用下，溶液中會發生電極反應，使得重金屬離子在溶液中發生遷移。但上述方法都存在設備較復雜，成本較高，技術要求高，操作困難的問題。

化學淋濾技術是適用于山西省污水廠污泥重金屬處理的技術路線。化學淋濾技術一方面基于溶液pH值的降低，另一方面基于利用絡合劑實現對重金屬的絡合。若要提高硫化物結合態的去除率，就需要進一步提高反應體系的ORP值，這可以通過添加H2O2等物質來實現。從酸化角度考慮，可以采用無機酸或有機酸。常見的用于重金屬化學淋濾的無機酸包括:鹽酸、硝酸、磷酸等，有機酸有檸檬酸、乙二胺四乙酸(EDTA)、二乙基三胺五乙酸(DTPA)等。EDTA對重金屬Cd，Pb，Cu的去除效率均較高，檸檬酸在各種鰲合劑中淋濾效果最好，但對于絡合性較差的重金屬效果欠佳。化學淋濾技術的優點是速率快，但缺點是耗酸量大。

2.2 物理法

微波法曾被用于污泥重金屬的處理，主要是利用微波輻射使污泥顆粒實現破壁、堆積、成孔、包埋，實現污泥中重金屬的穩定化。微波處理的影響因素主要與微波功率、反應時間、惰性氣體等有關。吸附法是環境工程中的傳統方法，也可用于對重金屬進行處理。一般常用于吸附重金屬的材料有:沸石礦物、藍藻類吸附劑等。其機理是利用沸石晶體內部的特殊孔道、空穴，或利用微生物細胞壁表面具有金屬結合、配位能力的基團。單純的物理法對重金屬的去除能力有限，不宜大規模用作山西省污水廠污泥重金屬處理，但可以在小場合使用。

2.3 生物法

植物提取技術也稱為植物修復法，是利用超積累植物對重金屬進行超量積累。其原理主要涉及植物對重金屬的耐性理論以及積累分子機制[6]。超積累植物耐受重金屬的機理主要與鰲合機理相關。在此類植物中的鰲合物質既有小分子物質，也有大分子物質。植物修復法可以作為污泥重金屬去除工藝的輔助技術。

污泥生物淋濾法是利用硫桿菌以及部分異養菌的生物化學代謝過程，促使污泥中重金屬由難溶態逐漸轉化成為易溶態的過程。生物淋濾技術既是一種古老的技術，又是一種近年來有發展潛力的新型生物技術。污泥生物淋濾技術，是利用弱嗜酸菌、嗜酸硫的生物化學代謝過程，使重金屬轉化成為易溶態。污泥生物淋濾法具有以下優點:適用類型廣，對重金屬元素的適用面廣，對操作條件的要求較低，操作簡單，無需特殊控制，適用的溫度范圍寬，所需基質廉價易得，硫桿菌對人體無害，反應溫和，與化學淋濾相比，耗酸量可減少80%，可以不進行預酸化處理;除此之外，由于生物淋濾法可與污泥消化工藝同步實施，并可以替代一部分污泥消化的功能，可利用污水廠原有構筑物，基建費小。可見，生物淋濾法可以作為山西省污水廠污泥重金屬處理的主要技術路線加以推廣。

3 結語

現階段山西省主要城市污水廠的污泥重金屬超標現象還不嚴重，但隨著工業發展以及國家環保政策的逐步加強，重金屬污染防治將越來越成為社會關注的熱點。為了更好地實現《山西省重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》所確定的目標，污泥重金屬的去除將是重要的工作內容。通過對山西省污水廠污泥特點以及各種重金屬處理技術的分析，可以看到，化學淋濾技術與生物淋濾技術可以作為山西省污水廠污泥重金屬處理的主要技術路線。當需要對污泥重金屬進行快速處理時，可以選用化學淋濾技術進行污泥重金屬處理;當對處理時間要求不嚴格，但需要考慮運行成本或操作的簡易性時，可以選用污泥生物淋濾技術進行污泥重金屬處理。

[1] 陳同斌，黃啟飛，高 定，等.中國城市污泥的重金屬含量及其變化趨勢[J].環境科學學報，2003，23(5):561-569.

[2] 吳新民.生活污泥的性質和農業利用可行性研究[J].安徽師范大學學報(自然科學版)，1999，22(4):359-360，374.

[3] 鄭 宏.用新型離子交換技術富集分離廢水中的混合重金屬離子[J].材料保護，2008，41(2):77-79.

[4] 胡建杭，王 華，吳楨芬，等.垃圾焚燒過程重金屬的氯化轉化與揮發[J].材料與冶金學報，2008，7(1):69-74.

[5] 胡勁梅，李小明，楊 麒，等.動電技術修復城市污泥中重金屬的研究[J].微量元素與健康研究，2008，25(3):55-57，60.

[6] 孫 琴，倪吾鐘，楊肖娥.超積累植物體內的小分子鰲合物質及其生理作用[J].廣東微量元素科學，2001，8(5):1-8.