輻照技術在污泥無害化處理中的應用研究

摘 要：目前，我國每年的市政污泥產量已達到5000萬t，因此，減少污泥產量是亟待解決的環保焦點問題。通過試驗結果表明，10kGy以上的輻照劑量對污泥中細菌含量可以達到較為理想的殺滅效果。本文介紹了傳統污泥處置的流程，并進行污泥輻照試驗，開發一種利用輻照技術工業化處理污泥的技術。

關鍵詞：輻照污泥；厭氧消化；Co60γ輻照；高能射線；大腸桿菌；細菌總數

中圖分類號：X 703" " " " " " 文獻標志碼：A

污水處理廠在處理過程中產生的污泥稱為剩余污泥，其具有產量大、含水率高和細菌成分復雜等特點，是建設綠色和諧社會環境重點關注的環保問題。我國每年的市政污泥產生量已達到5000萬t，是亟待解決的環保問題。

傳統的污泥處理技術主要包括生物消毒技術和化學消毒技術。生物消毒技術國內主要采用厭氧消化技術，對大腸桿菌及寄生蟲卵的滅活率較低，消毒滅菌效果較差。另一種處理方法為化學消毒法，常用的化學氧化劑為含氯氧化劑，利用高劑量的氯氣、二氧化氯、次氯酸鈉等氧化劑，與污泥充分接觸，使細菌和病毒滅活。該方法處理效果好，但是成本較高，而且加入的藥劑揮發產生的含氯氣體對操作人員的身體有危害，并且該方法有機加入藥劑較大，會造成環境的二次污染。

本文研究的是利用輻照技術處理污泥，通過試驗確定輻照技術處理污泥的工藝參數，結合污泥處理的后續流程行程連續化處理，提高污泥滅菌處理效率、縮短單位污泥滅菌處理時間，可以快速、安全、有效地對污泥中的微生物進行殺滅，減少污泥對空氣、水體以及土壤的危害。同時減少使用化學滅菌劑，提供一種新的污泥處理滅菌方案。

1 輻照處理污泥機制

輻射技術用于廢物處理最早始于20世紀50年代，70年代至80年代，德國、美國等國家開始對輻照處理污泥進行研究，現今已逐步成熟。我國常用的輻照處理主要包括2種射線裝置，即γ射線和電子束。γ射線主要來源于Co60輻照產生的射線，電子束輻照主要來源于工業電子加速器。目前，輻射處理污泥的技術操作簡便，高效且環保。

1.1 γ射線處理污泥技術

試驗發現[1]，污泥經過γ射線處理后，總固體TS、揮發性固體VS、懸浮物SS以及揮發性懸浮物VSS都在減少，當輻射劑量從0增至30kGy時，污泥粒徑分布從80μm～100μm 降至0～40μm，表明污泥絮體受到破壞。未經處理的剩余污泥的含水率＞99%，當γ射線作用于純水時，水中的自由基，eaq -和·H 是極具還原活性的自由基，輻射化學效應主要就是水的這些輻解產物和溶質的反應。在0kGy～15kGy的吸收劑量范圍內，經過γ射線輻照處理的污泥，pH值變化不明顯，不會給污泥后續處理帶來不利影響。當劑量達到15kGy時，污泥的初沉速度由輻照前的0.516cm/min提高到1.414cm/min。輻照后污泥的TS、VS、TSS和VSS不同程度地下降，表明輻照可以破解污泥組分，從而有利于污泥減量。

1.2 電子束預處理技術

電子束處理污泥存在以下4個優點。1）試驗表明，通過電子束處理污泥，病原菌殺滅率遠遠高于傳統化學方法處理污泥。2）處理后的污泥不影響污泥后續的再利用。3）試驗表明，在高劑量的輻射環境下，污泥中大量病原菌死亡和各種物質的轉化分解，導致污泥惡臭氣味減少。4）處理效率提高，處理污泥成本降低，處理后的污泥安全性較好。采用高能電子束輻照處理后的污泥不僅病原菌數目可以達到相應標準，而且可以使部分有機污染物含量下降，同時會使大量有毒物質分解或使非生物降解物轉化為可生物降解物質。處理過程中的污泥特性也會有一定變化，例如脫水效果提高等，并且干凈快速的輻照技術還可以有效減少處理過程中產生的惡臭味，減少臭氣污染。由以上試驗可以看出，電子束處理污泥技術具有高效、綠色以及環保等特點。

2 使用電子加速器處理污泥的產能及成本

2.1 使用電子加速器處理污泥的成本分析

目前，污泥處理場采用投放化學試劑的方法進行污泥預處理，藥品費用、傳動、加熱等電能消耗，污泥處理費用約為200元/噸（含折舊成本）。使用電子加速器處理污泥的電費成本：假設污泥密度為1g/cm3，電價為1元/度，吸收劑量為25kGy，輻射能轉化率為60%，射線利用效率為80%，處理污泥的電費為14.47元/噸。

2.2 使用電子加速器處理污泥的產能分析

使用電子加速器處理污泥的日產能：日產能取決于電子加速器的功率，假設電子加速器輸出功率為100kW，射線利用效率為80%，吸收劑量為25kGy，日輻照污泥最大產能約為276t。

3 傳統污泥處置的流程

污泥處置流程如圖1所示。調質的作用是使污泥混合均勻，具有流動性，便于后續處理，此時污泥含水率＞95%；目前滅菌多采用投放次氯酸鈉的方法，加藥量較大，且對后續脫水產生不利影響，滅菌的目的是使后續處理過程中不再產生臭氣；改性的目的是提高脫水性，使污泥含水率降至65%～75%；干化的目的是進一步降低污泥含水率，通過加熱，使污泥中的水分蒸發，使污泥含水率降至20%～35%；當污泥含水率降至35%～20%時，可進行自持焚燒或協同焚燒，焚燒煙氣的熱量通過換熱用于污泥干化。污水處理廠產生的污泥通常通過濃縮、穩定和脫水等步驟進行處理，以便進行安全、可靠的后續處置。污泥最終處置途徑包括衛生填埋、土地利用和建材利用等，可因地制宜地選擇不同的污泥處理處置工藝。

本文采用輻照技術處理污泥滅菌，代替傳統通過投放堿性化學試劑的方法進行細菌滅活，該方法處理污泥時間長、效率低，且引入新的化學物質，給污泥的二次利用帶來隱患。本方法通過使用輻照技術對污泥進行工業化處理，可以探索高效、安全的污泥處理方法，也可以進一步探索使用厭氧消化技術處理污泥，增加甲烷產氣量，提高污泥利用效率，減少環境排放。

4 研究方法與內容

4.1 污泥輻照試驗

樣品名稱：污泥，含水率95%。樣品來源：天津壹新環保工程有限公司。本次試驗采用8份樣品，每份樣品3個小樣，每份樣品質量約200g。將污泥放入3cm×11cm×11cm的塑料盒中，在盒蓋上標注標號，用膠帶將塑料盒封裹。輻照完成后，送檢測單位進行檢測。輻照樣品如圖2所示。

本次試驗輻照單位：天津金鵬源輻照技術有限公司。 輻照劑量：0kGy、4kGy、8kGy、12kGy、16kGy、20kGy、24kGy以及28kGy。輻照方式：Co-60 γ輻照。

4.2 檢測方法

樣品檢測單位：天津市宇相津準科技有限公司。

4.2.1 總大腸菌群

輻照樣品的各梯度劑量在乳糖蛋白培養液中的情況如圖3所示。

接種水樣：將1∶100污泥稀釋水樣接種于乳糖蛋白胨培養液中，于37℃培養箱中培養24h。

圖4、圖5為經過培養的發酵管分別接種于伊紅美藍培養基中的情況。

平板分離：將上述培養后產酸產氣或產酸未產氣的發酵管，分別接種于伊紅美藍平板上，于37℃培養箱中培養24h。

挑取典型菌落進行革蘭氏染色鏡檢。

復發酵試驗：挑取革蘭氏染色鏡檢結果為革蘭氏陰性無芽孢桿菌的菌落，接種于乳糖蛋白胨培養液中，于 37℃培養箱中培養24h，產酸產氣者皆證實有大腸菌群存在。

4.2.2 細菌總數

選擇污泥稀釋103倍～108倍進行檢測，1mL稀釋液接種于營養瓊脂培養基中，37 ℃培養箱中培養24h，每個稀釋度進行平行樣檢測。

將計數結果折合成每克樣品菌落數進行報告。

將污泥稀釋液置于37°培養箱中培養24h后的情況如圖6所示。

5 結果與討論

5.1 固廢檢測結果

檢測樣品描述如下：栗色、濕、固態、惡臭味。張韶華等[2]對污水處理廠曝氣池、沉淀池中的樣品進行輻照處理，發現在6 kGy輻照劑量下樣品中的細菌總數由本底的3.5×107，可以降至1.54×102 cfu/mL；當輻照劑量在10kGy時細菌總數降至0；通過表1可以發現，本試驗在輻射能量0kGy～10kGy的情況下，輻照可使剩余污泥中的細菌總數大幅降低。

5.2 討論

孫永亮等[3]通過調查發現剩余污泥在脫水后，其中所含各種病原菌的 D10（D10：病原菌死亡率達到 90%所需輻照劑量）在10kGy左右。本次試驗最高劑量已經達到了28kGy，遠遠超過了細菌的致死劑量（25kGy），在此劑量下仍能夠檢測大腸桿菌及細菌總數。本次試驗采用γ射線輻照，排除掉穿透能力的因素，分析原因如下：本次試驗在夏季進行，正處于新冠疫情期間，由于恰逢人員物品流動管制，此次試驗的污泥樣品在輻照處理后無法馬上送至專門機構進行含菌量檢測，夏季溫度過高，樣品中的細菌在等待輻照及運輸過程中又進行了大量繁殖。根據以上試驗得到的數據可知，當輻照計量為8kGy～12kGy時，細菌總數和大腸桿菌數最低，當輻照計量達到12kGy時，由于樣品在夏季菌群繁殖速度過快及等待時間較長，當輻照計量達到25kGy以后樣品細菌總數及大腸桿菌數降為最低值。

6 結論

采用輻照技術處理污泥，可以提高污泥滅菌處理效率、降低單位污泥滅菌處理時間，快速、安全地殺滅污泥中的微生物，減少污泥對空氣、水體、土壤的危害。當輻照計量在10kGy以上時，對大腸桿菌有明顯的殺滅效果。

參考文獻

[1]張景麗，顧平.γ -射線輻照法處理剩余活性污泥的試驗研究[J].南華大學學報（自然科學版），2015，29（3）：114.

[2]張韶華，石利民，金萍.輻照對污泥消毒效果的觀察[J].職業與健康，2002，18（12）：77.

[3]孫永亮，李欣，王潔，等.電子束輻照技術在剩余污泥處理中的應用[J].原子核物理評論，2013，30（1）：72-78.

通信作者：劉釗（1987-）男，漢族，天津人，本科，天津市技術物理研究所有限公司科技開發部，工程師，研究方向為核技術應用。

電子郵箱：465026776@qq.com。