污泥无害化处理与资源化利用的关键技术研究
时间：2023-01-22 21:55:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李晓东 (苏州格瑞特环保科技产业发展有限公司，江苏 苏州 215100)
1.1 分类
污泥属于多种来源物质的综合性称呼，其性质与种类根据来源的不同，存在相应的基础差异。例如，按照产生途径进行分类，污泥可以分为生活污水、工业废水、给水三种。若按照包含的化学成分与基础性质进行分类，则可以分为有机、无机、亲水、疏水四种。除此之外，污泥还可以按照处理工艺进行分类，包括生污泥、浓缩污泥、消化污泥等。通过明确污泥的分类，可以了解其无害化处理与资源化处理的主要途径，能够为进一步分析基础特性提供重要参考。
1.2 特性
污泥组成成分复杂性高，其包含细菌、有机无机颗粒、胶体等非均质成分。同时污泥还包含大量的水分，内部存在一些具有利用价值的有机质以及氮磷钾等元素。根据来源的不同，污泥还可能包含病原体、寄生虫卵或重金属等有害成分[1]。在物理特性方面，污泥属于含水量高、脱水性较差的胶状物质，其形状存在不规则特征，同时结构相对松散，比表面积与孔隙率较高，部分情况下可达到90%以上。鉴于污泥特殊的物理特性，其密度与体积计算需要根据实际情况，代入公式进行计算，密度计算如公式(1)所示：
式中：γ为污泥相对密度参数；
P为污泥含水率参数；
γs为污泥物质内干固体的相对密度。
针对污泥的体积进行计算时，其体积为水体积与固体体积两者之和，可按照公式(2)进行分析：
式中：V为污泥本身的体积(cm3)；
S为污泥物质内部固体总质量(g)；
W为污泥物质内部水分质量(g)；
ρw为污泥物质内部水的密度(g/cm3)；
ρs为污泥物质内部干固体密度(g/cm3)。
2.1 干化处理技术
污泥干化属于无害化处理的关键技术之一，与常见污染物质相比，污泥的含水率较高同时固体率较低，本质上属于胶状结构的一种。这一特性决定了污泥的体积较为庞大，不利于存储运输流程展开。同时，含水率较高导致污泥的微生物滋生速度快，容易造成生态环境污染，如：腐败、恶臭等。因此，需要做好无害化处理相关工作，为后续利用或其他流程夯实基础条件。常规情况下，污泥经过减量处理后含水率约为75%～85%，体积重量仍处于不可小觑的状态[2]。干化处理技术可以使污泥含水率得到有效控制，能够降低其基础体积与重量，为后续应用做好准备。在干化处理过程中，污泥内部病原体能够被消灭，使其符合无害化处理需求。同时，含水量的降低也可以为生物肥料、燃料制造提供有利条件，能够实现提高污泥处理经济效益的效果。
污泥干化技术处理流程包含三个基础阶段，即物料预热、恒速干化预热、降速干化。预热主要目的为提高污泥物质的基础温度，通过加热方式使内部水分进入汽化状态，逐渐降低污泥的总含水率。恒温干化属于表面汽化控制阶段，其能够将热源能量传递至污泥内部，使水分进入快速蒸发状态，有效降低污泥基础含水量，同时维持表面温度处于稳定阶段[3]。降速干化属于内部扩散与控制流程，在污泥水分处于较低状态时，降速干化可以进一步提高加热效率，使水分进入缓慢减少状态，最终与其他物质达成平衡，实现无害化处理效果。完成干化处理的污泥最终会转变为颗粒状，整体危害性已经得到有效控制。
在污泥干化处理过程中，需要做好技术参数的合理管控，确保其干化效果能够达到理想标准。来源不同的污泥在物料形状方面存在较为显著的差异，在干化处理过程中，其将会逐渐从流态转变为黏滞状，最后成为块状物体。干化处理效率取决于内部水分扩散速度，根据水分扩散理论进行分析，扩散速率与物料厚度平方存在反比关系。因此，合理降低物料层厚度可以大幅提高干化处理效率。除此之外，污泥干化的温度越高，其水分蒸发速度越快，干化效率也就越高。因此，需要做好温度管控工作，确保污泥干化温度处于20～25 ℃之间。对于相对湿度的控制也具有重要影响意义，如图1～图3所示，在干化温度为15 ℃、相对湿度为40%的条件下，污泥含水率能够在第7天下降至30%级别。而同样的温度条件、相对湿度为60%的条件下，污泥含水率下降至30%需要消耗9天时间。这一数据证明，相对湿度对干化处理效果具有重要影响意义。
图1 15 ℃条件下污泥干化湿度与风速影响
图2 20 ℃条件下污泥干化湿度与风速影响
图3 25℃条件下污泥干化湿度与风速影响
2.2 蚯蚓堆肥处理技术
污泥无害化处理除物理技术外，也可采用生物技术方式进行。现阶段，污泥农用属于最为经济、最为有效的无害化处理方式。而在农用前，污泥需要经过无害化与稳定化处理，才能够实现理想应用目标。通过结合生物蚯蚓堆肥处理技术，可以使污泥物质得到有效调理、浓缩、脱水，尽可能降低内部有害物质基础含量，最终达到理想的应用效果。蚯蚓可以富集污泥内部的重金属物质，同时去除病原菌并转移有害物质。通过利用蚯蚓堆肥技术，能够充分发挥生物方案的经济性优势，同时还可以实现协同作用，为后续有机物应用做好准备。蚯蚓属于土壤杂食动物，其可以消化有机物并将其转化为其他有机物质。污泥中富含的重金属与有机化合物属于蚯蚓的最佳食物，通过堆肥集聚处理，可以使污泥得到有效疏散与降解，最终达到无害化处理目标，基础流程如图4所示。
图4 蚯蚓堆肥污泥处理流程示意
蚯蚓堆肥无害化处理需要首先制定可靠的养殖计划，通过筛选质量可靠与信誉良好的供应商，能够有效提高蚯蚓堆肥稳定性，减少出现问题的概率。在实践过程中，需要做好蚯蚓的驯化与饲养工作，同时结合污泥处理需求计算所需蚓种数。处理场所应当选择在安静、远离居民区的位置，同时做好污泥的投放准备。在正式投放污泥前，需要进行适当的预处理工作，即控制含水率、调节pH值、调节污泥厚度。饲养蚯蚓对于污泥厚度要求较为严格，过高的厚度可能导致通气不良，过低的厚度可能影响水分与营养吸收效果，削弱蚯蚓生长繁殖效率与污泥处理质量。
2.3 焚烧处理技术
污泥焚烧属于经典、成熟的无害化处理技术，其能够通过焚烧方式将污泥体积减小至原有的10%甚至以下，使其转变为惰性灰渣物质，有效消除对环境的危害性。同时，污泥焚烧后的产物可以为建材行业提供资源，能够实现稳定化、无害化的处理目标。但是，与其他技术方案相比，污泥焚烧工程规模较为庞大，同时工艺复杂程度高，因此需要做好相应部署工作，确保焚烧效果能够达到理想无害化标准。现阶段污泥焚烧技术发展已经出现了多样化的革新趋势，具有代表性的成果包括异重流化床清洁焚烧、湿污泥循环流化床焚烧、污泥协同焚烧等。
3.1 PHA材料制备技术
污泥资源化利用属于经济性发展与改革的重要方向之一，通过深入挖掘污泥具有的有机物价值，可以使其实现“变废为宝”的转化目标，能够为再回收体系建设与无害化处置后续部署提供理想条件。在资源化利用关键技术中，生物降解材料制备属于典型方案之一。聚羟基烷酸酯，即PHA属于天然生物聚酯材料。其具有完整的生物降解特性，同时能够在一定程度上代替化学合成塑料，实现绿色化应用的目标。污泥内部含有的活性物质可以为PHA合成创造条件，因此可以通过此类方式创造生物降解材料，实现资源化利用的目标。在相关研究中，PHA材料制备需要采用低磷浓度进行处理。磷含量对PHA生产具有直接影响，其能够将醋酸盐转化为PHA物质，进而实现理想处理目标。因此，在污泥制备过程中应当做好磷含量控制工作，避免其影响PHA的制备效率。同时，DO浓度对于PHA产量也具有显著影响意义。污泥资源化过程中，DO浓度的提升能够有效抑制硝化反应与反硝化反应，使PHA的产量得到提升。在污泥资源制备过程中，需要做好DO浓度的配置，使PHA制备产量能够得到有效增加。
3.2 Fenton催化材料制备技术
Fenton技术属于工业废水与垃圾渗滤液的主流处置方案，其具有高级氧化特征，能够有效降低物质危害性。但是，该技术的实施也会产生大量的污泥，需要进行后续分离、脱水以及无害化处置。针对该技术产生的污泥进行资源化利用，可以有效降低Fenton技术实施成本，同时还能够控制其对环境的负面影响，有利于提高工业生产与垃圾处理工作的基础效益。Fenton污泥可以结合多种资源化利用途径进行处置，如生产催化材料等。
通过利用共沉淀处理技术，可以使Fenton污泥在800 ℃条件下得到有效煅烧，转变为磁性NiFe2O4颗粒，为后续的Fenton技术实施提供高效率催化剂材料。NiFe2O4与H2O2同时应用的情况下，能够有效去除工业污染物质或垃圾渗滤液中含有的苯酚，基础效率可达95%以上。同时，污泥处置催化剂还能够在非均相条件下发挥优秀性能。不同煅烧温度处置的污泥可以作为Fenton催化剂降解染料工业生产废水，如：降解酸性红G、亚甲基蓝等。同时，Fenton污泥还可以制备为水热碳，为Fenton技术提供类催化剂物质。水热碳的基础投放量应设置为0.8 g/L，同时添加适量的H2O2，使溶液的pH能够接近3，反应0.5 h即可去除亚甲基蓝物质。通过制备催化剂材料，可以有效消化Fenton技术产生的污泥，实现理想的资源化处理目标。但是，目前相关技术制备的催化剂性能与稳定性仍处于有待评估的状态，未来应当重点改进制备流程与应用细节，确保其能够与Fenton技术构成稳定消化循环，为污泥的资源化应用打下坚实基础。
3.3 光催化剂材料制备技术
在光催化剂类别中，具有良好性能表现的种类包 括WO3、TiO2、CdS、ZnS等。其 中TiO2属于 应用经济性良好、化学稳定性强且无毒害性的种类，具有重要应用价值，在光催化反应中得到了广泛的利用。通过采用污泥材料制备生物负载催化剂，可以与TiO2材料相结合，共同增强光催化活性位点，进一步提高污泥的应用价值。在实际资源化处理过程中，可以将污泥与纳米颗粒相结合，在800 ℃条件下进行处理。通过此类热分解反应，可以获得生物碳复合材料，包括TiO2、Fe3C等。这种复合材料可以发挥高效光催化作用，使有害物质得到充分降解，如亚甲基蓝等。同时，此类复合材料还可以与ZnCl2结合，作为活化剂为溶胶凝胶法提供光催化条件。这种应用方式可以有效提高光催化降解丙酮气体的效率，同时也具有更为优秀的比表面积，能够增强吸附有机气体的实际效果。针对市政污泥进行资源化处理的过程中，也可以采用此类制备方式，为光催化性能的提升夯实基础条件。
3.4 活性炭材料制备技术
活性炭吸附材料属于社会工业生活中较为常用的资源，其能够有效去除大部分污染物，在诸如水处理等行业中得到了广泛应用。污泥资源化利用可以通过相应技术方式，实现制备活性炭材料的目标，能够显著提高污泥的利用价值，使其在社会经济环境中得到有效循环。例如，可以采用浓缩污泥与脱水污泥进行活性炭制备，使材料的性能得到显著提升。污泥基活性炭对水内低浓度Cr污染物的吸附效果较为良好，其能够有效去除100 mg/L以内的Cr污染，整体成本相对较低，具有优秀的应用价值。同时，污泥还可以通过ZnCl2与HNO3协同活化制备方式，获得大量的生物活性炭。此类活性炭与商品活性炭相比，对镉的平均吸附量表现更为优秀，具有显著应用优势。由此可见，污泥制备活性炭属于资源化利用的最佳技术途径，其能够在水处理领域发挥重要作用，同时也可以有效去除常见的重金属污染物，与商业制品相比具有良好的应用价值。但是，目前污泥活性炭材料内部是否存留潜在污染物，仍然处于深入研究阶段。同时对污泥转化活性炭材料的研究较少，相关工艺与技术细节有待改进。
综上所述，污泥具有良好的应用价值。未来应当积极探索其无害化处理技术应用方式，确保污泥材料能够得到科学处置，为后续资源化转变做好准备。在资源化处置过程中，应当结合污泥的实际情况，探索最佳转化方向，使其产物可以得到充分利用，为发挥污泥材料经济性打下坚实基础。
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