辐照技术在污泥无害化处理中的应用研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.2（下）-117-生 态 与 环 境 工 程污水处理厂在处理过程中产生的污泥称为剩余污泥，其具有产量大、含水率高和细菌成分复杂等特点，是建设绿色和谐社会环境重点关注的环保问题。我国每年的市政污泥产生量已达到 5000 万 t，是亟待解决的环保问题。传统的污泥处理技术主要包括生物消毒技术和化学消毒技术。生物消毒技术国内主要采用厌氧消化技术，对大肠杆菌及寄生虫卵的灭活率较低，消毒灭菌效果较差。另一种处理方法为化学消毒法，常用的化学氧化剂为含氯氧化剂，利用高剂量的氯气、二氧化氯、次氯酸钠等氧化剂，与污泥充分接触，使细菌和病毒灭活。该方法处理效果好，但是成本较高，而且加入的药剂挥发产生的含氯气体对操作人员的身体有危害，并且该方法有机加入药剂较大，会造成环境的二次污染。本文研究的是利用辐照技术处理污泥，通过试验确定辐照技术处理污泥的工艺参数，结合污泥处理的后续流程行程连续化处理，提高污泥灭菌处理效率、缩短单位污泥灭菌处理时间，可以快速、安全、有效地对污泥中的微生物进行杀灭，减少污泥对空气、水体以及土壤的危害。同时减少使用化学灭菌剂，提供一种新的污泥处理灭菌方案。1 辐照处理污泥机制辐射技术用于废物处理最早始于 20 世纪 50 年代，70 年代至 80 年代，德国、美国等国家开始对辐照处理污泥进行研究，现今已逐步成熟。我国常用的辐照处理主要包括 2 种射线装置，即 射线和电子束。射线主要来源于 Co60 辐照产生的射线，电子束辐照主要来源于工业电子加速器。目前，辐射处理污泥的技术操作简便，高效且环保。1.1 射线处理污泥技术试验发现1，污泥经过 射线处理后，总固体 TS、挥发性固体 VS、悬浮物 SS 以及挥发性悬浮物 VSS 都在减少，当辐射剂量从 0 增至 30kGy 时，污泥粒径分布从 80m100m 降至 040m，表明污泥絮体受到破坏。未经处理的剩余污泥的含水率 99%，当 射线作用于纯水时，水中的自由基，eaq-和H 是极具还原活性的自由基，辐射化学效应主要就是水的这些辐解产物和溶质的反应。在 0kGy15kGy的吸收剂量范围内，经过 射线辐照处理的污泥，pH 值变化不明显，不会给污泥后续处理带来不利影响。当剂量达到15kGy 时，污泥的初沉速度由辐照前的 0.516cm/min 提高到1.414cm/min。辐照后污泥的 TS、VS、TSS 和 VSS 不同程度地下降，表明辐照可以破解污泥组分，从而有利于污泥减量。1.2 电子束预处理技术电子束处理污泥存在以下 4 个优点。1）试验表明，通过电子束处理污泥，病原菌杀灭率远远高于传统化学方法处理污泥。2）处理后的污泥不影响污泥后续的再利用。3）试验表明，在高剂量的辐射环境下，污泥中大量病原菌死亡和各种物质的转化分解，导致污泥恶臭气味减少。4）处理效率提高，处理污泥成本降低，处理后的污泥安全性较好。采用高能电子束辐照处理后的污泥不仅病原菌数目可以达到相应标准，而且可以使部分有机污染物含量下降，同时会使大量有毒物质分解或使非生物降解物转化为可生物降解物质。处理过程中的污泥特性也会有一定变化，例如脱水效果提高等，并且干净快速的辐照技术还可以有效减少处理过程中产生的恶臭味，减少臭气污染。由以上试验可以看出，电子束处理污泥技术具有高效、绿色以及环保等特点。2 使用电子加速器处理污泥的产能及成本2.1 使用电子加速器处理污泥的成本分析目前，污泥处理场采用投放化学试剂的方法进行污泥预处理，药品费用、传动、加热等电能消耗，污泥处理费用约为 200 元/吨（含折旧成本）。使用电子加速器处理污泥的电费成本：假设污泥密度为 1g/cm3，电价为 1 元/度，吸收剂量为 25kGy，辐射能转化率为 60%，射线利用效率为 80%，处理污泥的电费为 14.47 元/吨。2.2 使用电子加速器处理污泥的产能分析使用电子加速器处理污泥的日产能：日产能取决于电子加速器的功率，假设电子加速器输出功率为 100kW，射线利用效率为 80%，吸收剂量为 25kGy，日辐照污泥最大产能约为 276t。辐照技术在污泥无害化处理中的应用研究刘钊1高建政2王学科3张玥1（1.天津市技术物理研究所有限公司，天津 300192；2.天津市生态环境监测中心，天津 300191；3.天津壹新环保工程有限公司，天津 300400）摘 要：目前，我国每年的市政污泥产量已达到5000万 t，因此，减少污泥产量是亟待解决的环保焦点问题。通过试验结果表明，10kGy 以上的辐照剂量对污泥中细菌含量可以达到较为理想的杀灭效果。本文介绍了传统污泥处置的流程，并进行污泥辐照试验，开发一种利用辐照技术工业化处理污泥的技术。关键词：辐照污泥；厌氧消化；Co60 辐照；高能射线；大肠杆菌；细菌总数中图分类号：X703文献标志码：A基金项目：天津市科技计划项目“利用辐照技术对污泥无害化处理方法的研究”（项目编号：21YFFCYS00040）；天津市扶持项目“利用辐照技术优化板栗品质的商业化应用”（项目编号：YSK2012-06）。中国新技术新产品2024 NO.2（下）-118-生 态 与 环 境 工 程3 传统污泥处置的流程污泥处置流程如图1所示。调质的作用是使污泥混合均匀，具有流动性，便于后续处理，此时污泥含水率 95%；目前灭菌多采用投放次氯酸钠的方法，加药量较大，且对后续脱水产生不利影响，灭菌的目的是使后续处理过程中不再产生臭气；改性的目的是提高脱水性，使污泥含水率降至65%75%；干化的目的是进一步降低污泥含水率，通过加热，使污泥中的水分蒸发，使污泥含水率降至 20%35%；当污泥含水率降至 35%20%时，可进行自持焚烧或协同焚烧，焚烧烟气的热量通过换热用于污泥干化。污水处理厂产生的污泥通常通过浓缩、稳定和脱水等步骤进行处理，以便进行安全、可靠的后续处置。污泥最终处置途径包括卫生填埋、土地利用和建材利用等，可因地制宜地选择不同的污泥处理处置工艺。本文采用辐照技术处理污泥灭菌，代替传统通过投放碱性化学试剂的方法进行细菌灭活，该方法处理污泥时间长、效率低，且引入新的化学物质，给污泥的二次利用带来隐患。本方法通过使用辐照技术对污泥进行工业化处理，可以探索高效、安全的污泥处理方法，也可以进一步探索使用厌氧消化技术处理污泥，增加甲烷产气量，提高污泥利用效率，减少环境排放。4 研究方法与内容4.1 污泥辐照试验样品名称：污泥，含水率 95%。样品来源：天津壹新环保工程有限公司。本次试验采用 8 份样品，每份样品 3 个小样，每份样品质量约 200g。将污泥放入 3cm11cm11cm 的塑料盒中，在盒盖上标注标号，用胶带将塑料盒封裹。辐照完成后，送检测单位进行检测。辐照样品如图 2 所示。本次试验辐照单位：天津金鹏源辐照技术有限公司。辐照剂量：0kGy、4kGy、8kGy、12kGy、16kGy、20kGy、24kGy以及 28kGy。辐照方式：Co-60 辐照。4.2 检测方法样品检测单位：天津市宇相津准科技有限公司。4.2.1 总大肠菌群辐照样品的各梯度剂量在乳糖蛋白培养液中的情况如图 3 所示。接种水样：将 1 100 污泥稀释水样接种于乳糖蛋白胨培养液中，于 37培养箱中培养 24h。图 4、图 5 为经过培养的发酵管分别接种于伊红美蓝培养基中的情况。平板分离：将上述培养后产酸产气或产酸未产气的发酵管，分别接种于伊红美蓝平板上，于 37培养箱中培养 24h。挑取典型菌落进行革兰氏染色镜检。复发酵试验：挑取革兰氏染色镜检结果为革兰氏阴性无芽孢杆菌的菌落，接种于乳糖蛋白胨培养液中，于 37培养箱中培养 24h，产酸产气者皆证实有大肠菌群存在。4.2.2 细菌总数选择污泥稀释 103倍 108倍进行检测，1mL 稀释液接种图 1 污泥处理流程图图 2 污泥试验样品图 3 各梯度辐照计量样品在乳糖蛋白培养液中图 4 样品平板分离结果 污水市政调质污泥灭菌烟气处理脱水干化热量 回用焚烧达标排放气体 达标排放改性中国新技术新产品2024 NO.2（下）-119-生 态 与 环 境 工 程于营养琼脂培养基中，37 培养箱中培养 24h，每个稀释度进行平行样检测。将计数结果折合成每克样品菌落数进行报告。将污泥稀释液置于 37培养箱中培养 24h 后的情况如图6 所示。5 结果与讨论5.1 固废检测结果检测样品描述如下：栗色、湿、固态、恶臭味。张韶华等2对污水处理厂曝气池、沉淀池中的样品进行辐照处理，发现在6 kGy辐照剂量下样品中的细菌总数由本底的3.5107，可以降至 1.54102 cfu/mL；当辐照剂量在 10kGy 时细菌总数降至 0；通过表 1 可以发现，本试验在辐射能量 0kGy10kGy的情况下，辐照可使剩余污泥中的细菌总数大幅降低。表 1 各剂量下细菌总数和总大肠菌群数对比（单位：个/g）检测项目细菌总数总大肠菌群0kGy2.010716004kGy3.710616008kGy3.510566012kGy5.510227016kGy8.0107未检出20kGy7.9108未检出24kGy2.2105未检出28kGy5.1103未检出5.2 讨论孙永亮等3通过调查发现剩余污泥在脱水后，其中所含各种病原菌的 D10（D10：病原菌死亡率达到 90%所需辐照剂量）在 10kGy 左右。本次试验最高剂量已经达到了 28kGy，远远超过了细菌的致死剂量（25kGy），在此剂量下仍能够检测大肠杆菌及细菌总数。本次试验采用 射线辐照，排除掉穿透能力的因素，分析原因如下：本次试验在夏季进行，正处于新冠疫情期间，由于恰逢人员物品流动管制，此次试验的污泥样品在辐照处理后无法马上送至专门机构进行含菌量检测，夏季温度过高，样品中的细菌在等待辐照及运输过程中又进行了大量繁殖。根据以上试验得到的数据可知，当辐照计量为 8kGy12kGy 时，细菌总数和大肠杆菌数最低，当辐照计量达到 12kGy 时，由于样品在夏季菌群繁殖速度过快及等待时间较长，当辐照计量达到 25kGy 以后样品细菌总数及大肠杆菌数降为最低值。6 结论采用辐照技术处理污泥，可以提高污泥灭菌处理效率、降低单位污泥灭菌处理时间，快速、安全地杀灭污泥中的微生物，减少污泥对空气、水体、土壤的危害。当辐照计量在10kGy 以上时，对大肠杆菌有明显的杀灭效果。参考文献1 张景丽，顾平.-射线辐照法处理剩余活性污泥的试验研究 J.南华大学学报（自然科学版），2015，29（3）：114.2 张韶华，石利民，金萍.辐照对污泥消毒效果的观察 J.职业与健康，2002，18（12）：77.3 孙永亮，李欣，王洁，等.电子束辐照技术在剩余污泥处理中的应用 J.原子核物理评论，2013，30（1）：72-78.通信作者：刘钊（1987-）男，汉族，天津人，本科，天津市技术物理研究所有限公司科技开发部，工程师，研究方向为核技术应用。电子邮箱：。图 5 其他样品平板分离结果图 6 污泥稀释液 37 培养箱中培养 24h