2023年污水污泥资源化技术及进展.doc

污水污泥资源化技术及进展 ：本文就目前城市污水污泥的资源化利用，主要从三个方面阐述污泥的资源化利用途径及技术。一是污水污泥的氮磷等物质的回收，主要有从污水污泥浓缩液、消化液等回收氮、磷等的工艺及技术；二是污水污泥的能源化利用技术，主要是污水污泥通过消化产甲烷用做生物燃料等；三是污水污泥材料化利用，如用作水泥原料、制造陶粒等。通过对以上污水污泥资源化技术进展的综合分析，得出污水污泥资源化最具前景的研究方向，指出污水污泥资源化是污水污泥处置的最终目的，对污水污泥的资源化进一步开展提出展望。 关键词：污水污泥 资源化 氮磷回收 能源 材料 引言： 污水污泥是污水处理厂对污水进行处理过程中产生的沉淀，以及污水外表漂出的浮沫所得的残渣，在成分上是一种介于无机与有机之间的半固体废弃物。随着工业生产的开展和城市人口的迅速增加，工业废水与生活污水的排放量日益增多，污泥的产量迅速增加。大量积累的污泥，不仅将占用大量土地，而且其中的有害成分如重金属、病原菌、寄生虫卵、有机污染物及臭气将成为影响城市环境卫生的一大公害。如何妥善科学地处置污泥是全球共同关注的课题，当今的共识是将污泥视为一种资源加以有效的利用，在治理污染的同时变废为宝[1]。 传统的污泥处置方法有卫生填埋、水体消纳、燃烧处理、土地利用等，这些方法都没有有效地利用污泥资源:〔1〕卫生填埋会侵占大量的土地资源，污泥中各种有毒有害物质，会通过雨水的侵蚀和渗漏作用污染地下水环境，且填埋场产生的甲烷气体假设不采取适当措施会引起爆炸和起火；〔2〕水体消纳时污泥中的有毒有害物溶入水环境会导致水生环境恶化，另外污泥经常年累月进入水体，沉淀下来的泥沙会导致水位升高，甚至堵塞河道，对人类生存产生潜在的威胁；〔3〕燃烧处理本钱较高，产生的气体假设控制不当可能会产生二次污染；〔4〕直接土地利用必须对污泥进行无毒无害化处理，否那么污泥中的有毒有害物质会导致二次污染，因此其应用将受到很大的限制。为了解决传统处置方式存在的问题，真正做到污泥的资源化利用、变废为宝，各国研究者积极探索污泥在农业、材料、能源方面的运用，并取得了很大的进展。 污泥资源化是全球各国追求的方向和目标。日本对污泥的资源化十分重视,2023年污水处理污泥干重到达220万t,64%得到循环利用。1995年以前以农业利用为主,从1995年开始,建材利用超过农业利用,而且从2023年开始,这种趋势更加明显。欧洲各国循环利用的势头强劲。据比利时丹麦、德国、希腊、法国、爱尔兰、卢森堡、荷兰、奥地利、葡萄牙、芬兰、瑞典、英国等13个国家统计, 1992年循环利用数为2351个,到2023年增加到3947个, 13年间增长了1.68倍。其中希腊增长7倍, 葡萄牙增长2.84倍, 英国增长2.37倍,爱尔兰增长21倍,法国增长1.9倍, 比利时增长2.76倍。美国1998年产生干污泥690万t,循环利用到达60%,2023年将到达70%[2]。 1 污水污泥的氮磷资源回收 随着工农业的生产的开展，磷矿石需求日益增大。世界上76%的磷矿石用于生产化肥，而为了人口增加和粮食增产的需要，化肥的需磷量又以每年8%的速度递增。据估计全世界磷矿储量只能维持102年左右，磷将成为人类和陆地生命活动的限制因素。我国已将磷矿列为2023年后不能满足国民经济开展需求的20种矿产之一。1998年5月第一届“从污水与动物粪便中回收磷〞国际会议在英国召开，这标志着磷的回收利用已成为水处理领域中的前沿课题。 城市污泥中含有丰富的磷元素,我国城市污水处理厂的初沉污泥、活性污泥中磷的含量(以P2O5计) 分别为1%-3%、0.78%-4.3%[3] ,所以从城市污泥中回收磷不仅能够缓解磷矿短缺压力,而且能够使得污泥减量化及防止过量磷排放造成水体富营养化。 相对污泥来说，污水中的磷含量较低，因此就存在回收上的技术困难。现有的污水除磷工艺如强化生物除磷工艺，一般是利用聚磷菌对磷的好氧吸磷—厌氧释磷作用，将污水中的磷聚集到活性污泥中，然后可以通过对污泥进行处理，回收其中磷资源。 在英国,生活污水和动物粪便中每年排放的磷量分别为4.5万吨和20万吨,共计是英国一年消费磷酸盐产品(不包括化肥) 的6倍[4] 。在欧洲其他国家也存在类似的情况,生活污水和动物粪便中含有的磷量大大超过了非化肥工业对磷酸盐的需求。因此对集中的城市污水和养殖场排泄物中的磷进行回收循环是非常有必要的,而在农村地区,生活污水和动物粪便回田利用也是将磷进行循环利用的好方法。 我国目前工农业生产中排放的污水中含有大量的磷，每年城镇污水排放量为460亿吨，污水含磷量一般在3-6mg/L，以平均4.5计算，仅城镇地区每年污水中排放磷量为20.7万吨，我国2/3人口在农村，如果包括农村的污水排放，那么每年污水中磷的排放量为62.7万吨。按照全国磷矿石平均含P2O5为17%计，由此推算每年污水磷排放量折合837万吨磷矿石。由此可见，随污水流失的磷量是巨大的，如果不采取管理和回收利用措施，会造成严重的资源浪费[5]，还会引起水体富营养化，影响水体环境。 现在国内外已有很多学者污水中回收磷，为了控制磷排放，各国都加强了污水中磷的去除，甚至采用强化生物除磷工艺去除污水中的磷 ，这样处理使得污水中的磷暂时转化进污泥中，常规污水处理厂排放的污泥含有丰富的磷元素，我国城市污水处理厂的初沉污泥、活性污泥中磷的含量(以P2O5计) 分别为1%-3%、0.78%-4.3%，强化生物除磷工艺污泥中磷含量为(以P2O5计)5%-8%。 用污水灌溉或将剩余污泥直接作为肥料用于农业, 是传统的循环利用营养物的方法。但考虑到土壤营养物过剩、重金属污染以及卫生问题等, 近年来这种直接的土地利用在许多国家都受到了质疑,利用率也呈下降趋势。与此同时, 在欧洲和日本等磷资源相对短缺的国家, 从污水处理过程中回收含磷产品已逐步成为一项研究热点[6]。 目前对污水中磷回收的研究和应用中以鸟粪石沉淀形式回收磷实例居多，其次是磷酸钙形式，其他还有磷酸铝和磷酸铁等。鸟粪石〔MAP〕的化学成分为 MgNH4PO4·6H2O ,是一种难溶于水的白色晶体,0℃时1L水中仅能溶解0.023g ,常温下,在水中的溶度积为2.5×10- 13。鸟粪石可以直接作为缓慢释放肥料或在肥料生产中被利用，但不能被磷酸盐加工利用；磷酸钙能被工业磷酸盐利用，也是磷肥加工原料，磷酸铝可被特种磷回收工艺用作原料，但不能被其他磷酸盐工业或肥料工艺利用；有研究说明磷酸铁能够被生物吸收或生物转化为可溶性磷，但对磷酸铁作为肥料的价值目前仍存在争议。综合各方面情况，鸟粪石与磷酸钙被认为是最有前景的磷回收途径，也是应用和研究最多的内容[6]。 国内有汪慧贞、王绍贵等人有关于磷酸钙形式和鸟粪石形式回收磷的实验研究和磷回收相关综述。研究了pH、曝气等对MAP形成的影响，得出通过曝气结合加碱的方法调节pH至9.3-9.5使得磷回收到达80%左右[7-8]。 李金叶、郑平等研究了在废水处理中用鸟粪石法除磷脱氮及鸟粪石的形成机理、形成条件，对pH、离子浓度和反响时间等进行了分析[9] 荆肇乾，吕锡武等研究了结晶法、沉淀法回收污水中的磷[10]。 黄自力，夏明辉，肖晶晶，陈治华等采用模拟废水为研究对象,探讨了pH 值,N/ P、Mg/P摩尔比和温度对鸟粪石生成的影响。实验结果说明,当模拟水样的PO43--P (以P计)为5mmol/L,调节水样pH 值10.0 ,N/P，Mg/P摩尔比分别为2，1. 5 控制反响温度30℃,有98.9%的磷转化为鸟粪石[11]。 梅翔，王磊，陈建华等探讨连续流内循环反响器以磷酸钙盐形式从污泥厌氧消化液中回收磷的工艺条件,考察了p H、Ca/P摩尔比、曝气强度和水力停留时间等因素对磷回收工艺过程的影响。结果说明,在污泥厌氧消化液总磷浓度86-108 mg/L、正磷浓度66-80 mg/L的条件下,保持反响体系pH9.0-9.5、Ca/P摩尔比2.0、水力停留时间45min、曝气强度0.014 L/(L·min) ,内循环反响器磷的回收率接近90% ,同时回收产品中磷的含量(以P2O5 计)到达22.15% ,可以作为磷肥生产原料[12]。 国外也有很多相关研究。Stratful研究发现,pH为7.0时,在Mg2+ ,NH4+和PO43- 的初始浓度分别为187mg·L-1 ,266 mg·L-1和742 mg·L-1 (摩尔比为1∶1.9∶1) 的条件下,没有鸟粪石生成。pH升至7.5时,也只有少量鸟粪石生成。pH提高到8.5 后,Mg2+去除率可达92%[13]。 在结晶法回收磷酸钙的研究中,开展得较为成熟是荷兰DHV公司开发的Crystallactor(生产性流化床反响器)工艺。该工艺采用一个设在侧流中的流化床反响器, 以沙粒为载体,将厌氧池富磷上清液中的磷结晶生成磷酸钙并回收, 回收产品的含磷量约为11%[10] 。荷兰Geestmerambacht污水处理厂就安装有3谈该生产性装置处理溶解性富磷上清液，靠投加Ca(OH)2形成小颗粒状磷酸钙作为回收形式[14]。 日本岛根(Shimane)县污水处理厂，安装有3套已运行的处理来自该厂污泥消化液的鸟粪石回收装置。Mg(OH)2与NaOH以1:1的摩尔比投入污泥消化液中，以增加pH，使鸟粪石以小颗粒状在流化床内沉淀结晶。磷回收装置目前能实现90%的溶解性磷酸盐回收，以保证生物除磷达标运行[15]。 综上所述，结合国内外磷回收研究现状以鸟粪石(MAP)和磷酸钙盐为目前磷回收研究热点。但现有的研究中主要存在以下问题：1〕以MAP形式回收磷的同时可以回收一定量的氮资源，一般采用投加MgCl2或MgO等，这样需要投加的Mg源本钱较高，因此就存在着寻找适宜的Mg源问题；2〕以磷酸钙盐形式回收磷资源，磷酸钙盐的溶度积都比拟低，但投加钙盐本钱太高。如果只以磷酸钙盐回收磷那么放弃了消化液中的氮资源。 2 污水污泥的能源化利用 2.1 污泥消化制沼气 污泥厌氧消化是利用无氧环境下生长于污水、污泥中的厌氧菌菌群的作用, 使有机物经液化、气化而分解成稳定物质。同时,病菌、寄生虫卵被杀死, 固体到达减量化和无害化。沼气就是有机物在厌氧条件下经厌氧菌的分解作用产生的以甲烷为主的可燃性气体。据估算, 1m3沼气的燃烧发热量相当于1 kg煤或是0.7 kg汽油。对于日处理10万吨规模以上的污水处理厂宜采用厌氧消化工艺制沼气[16]。 戴前进，李艺，方先金[17]研究了剩余污泥、初沉污泥和混合污泥在中温〔35℃〕条件下，污泥的产气速率和产气量。剩余污泥、初沉污泥和混合污泥产气中CH4 和CO2 等主要组分含量的差异并不显著；从污泥的产气速率、产气量和消化性能分析,不同污泥之间的相互关系是:混合污泥> 初沉污泥> 剩余污泥,可见城市污水处理厂中初沉污泥(或混合污泥) 比单独的剩余污泥更适宜于采用厌氧消化工艺。 2.2 污泥制合成燃料 利用城市污泥中含有大量有机物、发热量也很高的特点, 可将污泥制成合成燃料。有研究说明, 将煤50%、消化污泥35%、添加剂( 含固硫剂) 15%配制的合成燃料, 其热效率比煤热效率高14.71%[18]。另外, 污泥具有黏结性能, 将活性污泥作为黏结剂与无烟粉煤混合加工成型煤, 燃烧时污泥在高温气化炉内被处理, 防止了污染。此外, 污泥作为型煤黏结剂,还可改善高温下型煤的内部孔结构, 提高型煤的气化反响性, 降低灰渣中的残炭[19]。 污泥中含有大量的有机物和局部纤维木质素,脱水后具有一定的热值。污泥的燃烧热值与污泥的性质有关,见表1[20]。 表1 不同污泥的燃烧热值kJ/kg 由表1可看出,干化污泥作为燃料,开发潜力很大。通过燃烧既可到达最大程度的减容,又可利用热交换装置(如余热锅炉) 回收热量,产生的蒸汽用来供热采暖或发电。污泥燃烧过程的