污泥處理技術淺析

徐振生

（中鐵建發展集團有限公司水處理技術研究中心，北京 100043）

引言

伴隨我國的經濟進步及城市化建設的加速，城市人口密集度上升，導致城市居民生活產出的污水量逐年增長。城市污水處理主要采用生物法，從而產生大量污泥。城市污水處理設施產出的污泥含有疾病病原體、有機污染物（例如聚氯二惡英、聯氯呋喃、可吸附的有機鹵素、多氯聯苯等），還有許多鹽類物質和重金屬等有毒有害物質。如果污泥處理手段不適當，污泥未能達到環保排放標準而進入我們的生活環境，日積月累將對人類生存、水資源、生態環境等產生傷害。

污泥無害化是針對污水處理過程中產生的污泥進行處理，以減少其對環境和人類健康的危害。有效處理污泥對保護環境和可持續發展至關重要。

1 污泥處理技術

1.1 干化處理技術

污泥干化技術是一種將濕潤污泥通過加熱和脫水過程轉化為干燥固體的處理方法。它是污泥處理中常用的物理處理方法之一。污泥干化的基本原理是利用熱量將污泥中的水分蒸發出去，通過降低水分含量來減少污泥體積。雖然此方法處理效果較為理想，但投資費用和運行能耗較高。對此，方興等[1]進行了冷熱結合處理市政脫水污泥的可行性研究。結果表明，在-30 ℃的條件下，細胞的死亡率是未冷凍的9.7倍。實驗表明，將82%的污泥在-20 ℃下冷凍6小時，然后在60 ℃下干燥，其效果比直接干化的脫水效果高33%。然而，強化效果與污泥的水分含量呈正相關，當污泥的水分含量下降到45%時，強化效果就會消失。污泥餅的厚度對強化效果的影響較小，餅厚增加會略微降低強化效果。我國當前污水處理廠的機械脫水污泥含水率約為75%～85%，污泥餅厚度大約為3～20 mm，這種情況屬于冷凍處理的最佳工作區間。因此，該方法作為污泥脫水的進一步處理措施具有很好的應用前景。

1.2 焚燒處理技術

污泥焚燒處理方式能大幅度減小其最后的填埋體積，并能有效殺毒與降解有毒有害的有機物，這種處理方式因其處理效果徹底且完整的特質，逐漸得到公眾認可，目前已有多個大中型工程在全球范圍內成功應用了這種處理方式。以焚燒的材質分類，焚燒可以細分為單獨焚燒和協同焚燒。單獨焚燒專指污泥單獨在焚燒爐中燃燒，只需加入極少量的助燃燃料[2]；而協同焚燒則主要采用混合摻燒的模式，例如在垃圾焚燒發電廠和燃煤熱電廠中，混入少量的污泥進行并行處理。根據污泥是否進行過預處理，焚燒又可分為直接焚燒和干化焚燒。直接焚燒是將經過脫水處理的污泥直接送入爐內燃燒，期間可能會添加少量的輔燃料以保持焚燒溫度；干化焚燒則是將脫水后的污泥先行干化處理，然后進行燃燒。雖然焚燒法應用廣泛，技術相對成熟，但是其不足之處是污泥焚燒廠在建設過程中需要投入大量資金，而且在焚燒廠運行的過程中也需要投入較多的資金對焚燒設備進行維護[2]。此外，相比于其他方法，污泥焚燒的處置費用較高，由于污泥成分復雜，如果對焚燒的工況控制不當，在污泥的焚燒過程中將會產生二噁英，這種化學物質具有極強的致癌、致畸作用，而且產生的飛灰和殘渣的處理難度較大。

1.3 厭氧消化技術

厭氧消化工藝是在污泥處理領域應用廣泛的一種穩定化工藝。它通過兼性菌和厭氧菌的共同作用，在無氧條件下進行生化反應，有效分解污泥中的有機質。目前厭氧消化處理已經應用于污水處理廠、農業廢水處理廠和工業廢水處理廠等各種污水處理領域，適用范圍較廣。

盡管厭氧消化處理在提供能源回收和污泥減量方面有許多優點，但仍存在一些挑戰，其中包括工藝控制的復雜性、抗沖擊負荷的能力、處理高濃度污泥的挑戰以及消化過程中可能產生H2S等有害氣體的問題。目前國內對污泥厭氧消化理論的研究和協同調控機制的認知有限，同時傳統的污泥厭氧消化方法也存在有機質厭氧轉化不足的問題[3]。目前，研究人員和工程師們正致力于解決這些問題，提高厭氧消化處理的效率和穩定性。

1.4 堆肥處理技術

堆肥處理是一種將污泥與其他有機廢棄物混合堆肥的方法。該法通過加入適當的氧氣和水，促進污泥中的有機物降解并將其轉化為肥料。堆肥處理可以有效減少污泥的體積，同時獲得有機肥料。高溫堆肥過程還可以殺滅病原體和雜草種子，提高堆肥的穩定性和品質[4]。但此方法進行工業化生產的時間較短，在實際應用中仍然存在尚未完全解決的瓶頸問題，如臭氣排放、缺少腐熟度評價標準、中溫室氣體排放量與氮損失量較大等，針對這些問題的研究一直是堆肥技術研究的熱點。研究人員在傳統堆肥的基礎上采用玉米秸稈生物炭（CSB）與煤矸石基沸石（ZL）聯合堆肥。其結果表明，在加入10% CSB+ZL進行共同堆肥處理后，與傳統堆肥相比，其中CH4、NH3、N2O的累積排放量分別顯著降低87.81%～90.87%、41.63%～57.42%、85.01%～94.92%，10% CSB+ZL的加入能有效提高堆肥過程中蛋白酶、脫氫酶、磷酸酶和木聚糖酶的酶活性，且使得CO2的累積排放量比普通堆肥提高55.45%～86.55%。

1.5 離子交換技術

污泥中富含植物生長所需的有機質和營養物質（N、P），具有用作農業肥料的潛力。但是污泥中也含有大量重金屬，這使污泥的排放及回收利用受到了限制。離子交換是一種通過離子交換樹脂去除污泥中的重金屬離子的處理方法[5]。這種方法適用于重金屬含量較高的工業污泥處理。Lee等[6]發現，單一的強酸浸出液或強酸陽離子交換樹脂在減少污泥中殘留重金屬方面更具優勢，但考慮到酸浸出液和陽離子交換樹脂之間的相互作用，弱酸（檸檬酸）和強酸陽離子交換樹脂的組合具有最高的金屬去除率。這主要是因為強酸不僅提高了污泥中重金屬離子的浸出率，還提供了更多的氫離子與重金屬競爭可交換位點。相關研究探討了陽離子交換樹脂（CER）預處理提高廢活性污泥（WAS）厭氧消化效率的方法[7]。該研究發現CER能有效去除污泥中的重金屬，并且發現CER預處理能夠使揮發性脂肪酸和甲烷的最大產量分別提高565.7%和80.5%。此外，CER預處理促進了厭氧消化過程中各階段（即溶解、水解、酸化和甲烷化）和關鍵酶的相應活性。盡管離子交換法目前涉及多個污泥研究方向，并顯示出一定的優勢，但仍存在一些研究空白。例如，離子交換法去除和回收重金屬的研究大多停留在與酸浸劑共同應用的階段，而直接利用離子交換法回收污泥中磷的研究還很少。

1.6 生物炭化技術

生物炭化是一種將污泥在高溫和無氧環境下轉化為生物炭的處理方法。這種方法能夠有效減少污泥體積、消除臭味，并將有機物轉化為穩定的碳質產物。生物炭具有良好的環保特性和廣泛的應用潛力，可用于土壤改良、碳儲存和能源生產等方面。在生物炭化處理污泥的過程中，污泥首先經過初步處理和濃縮，然后在高溫條件下進行熱解和碳化。經過這一過程，污泥的有機物質被分解為固體生物炭，同時釋放出氣體和液體產物。得到的生物炭具有良好的熱穩定性、化學穩定性和孔隙結構，能夠提高土壤肥力、吸附有害物質、保持土壤濕度并改良土壤結構。

研究表明，生物炭化處理污泥具有許多優點。首先，生物炭化能夠大幅度減少污泥的體積，從而減少儲存和處置成本。其次，生物炭可以用作肥料或土壤改良劑，提高土壤質量和農作物產量。此外，生物炭還可以作為氣體或燃料的源頭，用于能源生產，并減少化石燃料的使用。生物炭化處理污泥，使生物炭的理化性質得到了顯著改善，其具有良好的微孔分布和高吸附能力，可以在污水的物理吸附方面發揮作用，已有多人的研究表明生物炭作為吸附材料具有良好效果。研究表明，污泥基生物炭（SSBC）具有高孔隙率和大比表面積，取得了可喜的應用成果。與市場上的活性炭相比，SSBC的成本相對較低，這使得SSBC成為提高微生物豐度和再生潛力，以及金屬回收和土壤改良的合適替代品，可應用于可持續農業的實踐，同時減輕污水處理的負擔[8]。

2 結論

污泥處理技術是環境保護領域的重要課題，通過對現有技術的綜合評估和分析，可以得出以下結論。

首先，資源化利用是污泥處理的關鍵方向。傳統的處理方法，如填埋和焚燒，存在環境風險和資源浪費的問題。相比之下，采用厭氧消化、發酵和干化等技術可以將污泥中的有機物轉化為沼氣、有機肥或能源等有價值的資源，實現將廢物轉為寶貴資源的循環利用，達到環境和經濟的“雙贏”。

其次，污泥處理技術應考慮處理效果和成本效益的平衡。選擇合適的處理技術需要根據污泥特性和最終的處理要求進行綜合評估。例如，對于含水率較高的污泥，采用干化技術可以減少體積和處理成本；而對于有機物含量較高的污泥，則可以選擇厭氧消化等高效處理方法。因此，在選擇污泥處理技術時，相關人員需要綜合考慮處理效果、處理成本以及適用環境等因素。

此外，進行技術創新和持續改進是推動污泥處理技術發展的關鍵。隨著科技的發展，新的污泥處理技術不斷涌現，如生物炭化、熱水解、微生物固化等。這些創新技術有望提高處理效率、減少污染物排放，并不斷推動污泥處理技術向更高水平發展。

最后，相關人員需注重污泥處理技術的可持續性。污泥處理不僅要取得環境效益，還要符合社會、經濟和法律法規的要求。因此，我們應注重協調各相關方的利益，加強污泥處理技術與其他環境保護措施的協同作用，并不斷完善相關政策和法規，以推動污泥處理技術的可持續發展。

3 結語

綜上所述，污泥處理技術在環境保護和可持續發展中起著重要作用。資源化利用、考慮處理效果與成本效益的平衡、進行技術創新和持續改進以及保持可持續性是推動污泥處理技術發展的關鍵因素。我們只有綜合考慮這些因素，并不斷提高技術水平和管理水平，才能有效處理污泥、保護環境，并實現可持續發展。