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        河湖底泥的來源、性質(zhì)和處理處置技術(shù)
        ——與污水廠污泥的比較

        2019-12-19 02:40:44段妮娜王磊磊
        城市道橋與防洪 2019年12期
        關(guān)鍵詞:底泥河湖原位

        段妮娜,王磊磊,朱 勇,楊 雪

        (上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市200092)

        0 引言

        污泥是由水和污水處理過程所產(chǎn)生的固體沉淀物質(zhì)。由于各類污泥的性質(zhì)變化較大,分類是非常必要的,污泥處理和處置也是不盡相同的。根據(jù)其來源,可以劃分為:(1)市政污泥,也叫污水廠污泥,主要指污水處理廠的初沉污泥和剩余污泥混合物,這是數(shù)量最大的一類污泥。此外,自來水廠的污泥也來自市政設(shè)施,可以歸入這一類。(2)管網(wǎng)污泥,來自排水收集系統(tǒng)的污泥,通常指排水管道養(yǎng)護(hù)中疏通清撈上來的沉積物。(3)工業(yè)污泥,工業(yè)廢水處理站產(chǎn)生的污泥,一般無機(jī)污泥較多,含有生產(chǎn)廢水中的化學(xué)成分,屬于危廢類。(4)河湖底泥,江河、湖泊的淤泥,通常來自疏浚工程。

        隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提高,污水處理設(shè)施建設(shè)得到了高速發(fā)展,污水廠污泥產(chǎn)量逐年升高。2015年,污水廠污泥產(chǎn)量已高達(dá)4 300萬t(以含水率80%計(jì))。與此同時(shí),我國河湖眾多,在許多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集地區(qū),工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等人類活動(dòng)導(dǎo)致河湖受到不同程度的污染,大量污染物在底泥中富集造成底泥的嚴(yán)重污染。底泥疏浚是目前國內(nèi)外治理污染河湖的主要措施[1],隨著近年來黑臭水體治理力度的加強(qiáng),底泥疏浚技術(shù)的應(yīng)用也逐漸增多。底泥來自疏浚工程,產(chǎn)生集中,量大。疏浚底泥與污水廠污泥本質(zhì)上是水體或污水中污染物的富集體,若不能合理處理處置,節(jié)能減排目標(biāo)將大打折扣?!笆濉币詠?,污泥處理處置逐漸受到重視,尤其是污水處理廠污泥,其產(chǎn)生過程、性質(zhì)和污染特點(diǎn)、主要處理處置方式和資源化技術(shù)已得到環(huán)境領(lǐng)域相關(guān)科研技術(shù)人員的系統(tǒng)和深入認(rèn)知。相對(duì)而言,關(guān)于河湖底泥產(chǎn)生、性質(zhì)和處理處置措施的相關(guān)信息僅局限于從事河湖處理活動(dòng)的小眾科研技術(shù)人員,未形成廣泛認(rèn)知。而河湖底泥與污水廠污泥在產(chǎn)生、性質(zhì)和處理處置方式上雖然不同但有相似相通之處,本文將以污水廠污泥為對(duì)比,介紹河湖底泥的來源、性質(zhì)和處理處置技術(shù),以期通過比較深化讀者對(duì)河湖底泥的認(rèn)識(shí)。文中關(guān)于河湖底泥的描述和數(shù)據(jù)主要來自城市污染河道或湖泊。

        1 底泥的產(chǎn)生、組成和性質(zhì)

        1.1 底泥的產(chǎn)生

        河湖底泥是黏土、泥沙、有機(jī)質(zhì)和各種礦物的混合物,是無機(jī)固體和有機(jī)質(zhì)的混合物經(jīng)長時(shí)間物理、化學(xué)和生物作用,轉(zhuǎn)化并沉積于水體底部而形成的。其中,無機(jī)固體和有機(jī)質(zhì)來源于土壤侵蝕、動(dòng)植物機(jī)體分解、地表徑流、大氣沉降、污水廠出水和溢流的污水或廢水。“土壤侵蝕”和“動(dòng)植物機(jī)體分解”可以看做與人類活動(dòng)無關(guān)的因素,“地表徑流”和“大氣沉降”則體現(xiàn)了自然和人類活動(dòng)的共同作用,而“污水廠出水”和“溢流的污水或廢水”則完全屬于人類活動(dòng)導(dǎo)致的污染輸入。污水廠污泥是污水中原有的懸浮顆粒、生物處理產(chǎn)生的微生物菌膠團(tuán),以及吸附的部分污染物組成的,是固體顆粒、病原體及溶解性污染物等經(jīng)過物理、化學(xué)和生物處理后形成的固體沉淀。其中,固體顆粒、病原體及溶解性污染物來源于生活污水和部分初期雨水??梢?,底泥是自然和人類活動(dòng)共同作用產(chǎn)生的,底泥性質(zhì)與所在地理區(qū)域密切相關(guān),底泥污染狀況與河道污染狀況密切相關(guān),人類因素的影響越大,其污染程度也越大;而污水廠污泥則是采用排水系統(tǒng)和污水處理工藝人為收集和處理污水形成的產(chǎn)物,幾乎不受自然因素的影響。

        1.2 底泥的組成和性質(zhì)

        在宏觀組成上,底泥和污泥均由水和固體部分構(gòu)成,而固體部分均可分為無機(jī)和有機(jī)兩部分。疏浚底泥的含水率通常較高,80%~98%,脫水性能與底泥污染程度、有機(jī)質(zhì)含量等因素相關(guān),通常優(yōu)于污水廠污泥,可通過文獻(xiàn)中關(guān)于底泥和污水廠污泥的比阻數(shù)據(jù)大致體現(xiàn)出來(見表1);污水廠濃縮污泥含水率通常為97%~99%,脫水后含水率將至75%~80%左右(底泥和污水廠污泥采用不同方式脫水后的含水率見表2)。固體部分,底泥的有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)低于污泥,通常為3%~15%,通常含有腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)、脂肪、多糖,難降解有機(jī)污染物、持久性有機(jī)污染物等;污水廠污泥的有機(jī)質(zhì)含量較高,通常為30%~60%,通常含有蛋白質(zhì)、脂肪、多糖,少量腐殖質(zhì),糖醛酸,核酸,難降解有機(jī)污染物、持久性有機(jī)污染物等。底泥中無機(jī)質(zhì)含量較高,主要組成物質(zhì)為土壤的原生礦物、粘土礦物、金屬氧化物、氫氧化物、硫酸鹽、碳酸鹽、硫化物、鹵化物等;污水廠污泥中無機(jī)物的主要組成物質(zhì)為泥沙、金屬化合物、粘土礦物等。

        表1 文獻(xiàn)中部分底泥和污泥樣品的比阻值比較

        表2 底泥和污水廠污泥脫水后的含水率 %

        從元素組成上來看(見表3),C、H、O、N和S是構(gòu)成有機(jī)物的5種主要元素,污泥中這5種元素的含量決定了其有機(jī)質(zhì)含量和燃燒特性,對(duì)污泥處理處置方式的選擇有一定意義。底泥中有機(jī)元素C、H、O、N和S占干基的總比例遠(yuǎn)低于污水廠污泥,表3中底泥樣品的有機(jī)元素含量為13%,而污水廠污泥中這一比例為高于50%,這與底泥和污水廠污泥干基有機(jī)質(zhì)比例特征是一致的。在燃燒中,C和H提供了主要的燃燒熱,這兩種元素的含量與污泥熱值有密切聯(lián)系。表3中可以看出,該底泥樣品中C和H的含量均為表中污水廠污泥的五分之一。因此,從有機(jī)質(zhì)利用的角度來說,污水廠污泥相比底泥更具資源化能源化利用優(yōu)勢。

        表3 底泥和污水廠污泥干基中元素質(zhì)量百分比 %

        底泥雖然有機(jī)質(zhì)含量少,但其無機(jī)質(zhì)的礦物組成和性質(zhì)較接近黏土。底泥中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、Na2O和K2O均在粘土礦物化學(xué)組分之內(nèi)。其中SiO2與Al2O3含量之比約為4,與蒙脫石的礦物化學(xué)組成相似。與污水廠污泥相比,底泥具備替代粘土作為原料進(jìn)行資源化利用的潛在優(yōu)勢(見表4)。

        從營養(yǎng)元素含量來看,底泥的N、P含量遠(yuǎn)低于污水廠污泥,其富營養(yǎng)程度與所在水體的富營養(yǎng)污染密切相關(guān),因此不同水體底泥中營養(yǎng)元素含量差別較大;而污水廠污泥是一種高有機(jī)質(zhì)、高氮、高磷,而相對(duì)低鉀的物料,有機(jī)質(zhì)和主要養(yǎng)分含量通常達(dá)到一般土壤的10倍以上。底泥和污水廠污泥中營養(yǎng)元素含量對(duì)比見表5。

        涉及到具體的組成物質(zhì),腐殖質(zhì)是比較能反映底泥或污泥有機(jī)質(zhì)的物理-化學(xué)-生物轉(zhuǎn)化過程的物質(zhì),故以腐殖質(zhì)特征為例進(jìn)行比較說明。有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度與腐殖化時(shí)間和微生物活動(dòng)密切相關(guān),相同區(qū)域的底泥和污水廠污泥,底泥和污水廠污泥,污染物來源較一致,有部分同源有機(jī)質(zhì),故兩者的腐殖化過程具有一定相似性;在腐殖化過程中,由于污水廠處理污水的工藝和時(shí)間與河湖水自然凈化過程存在差異,從而引起腐殖化時(shí)間和有機(jī)質(zhì)在腐殖化過程中對(duì)氧的獲得難度的差異。因此,底泥和污泥在腐殖質(zhì)的官能團(tuán)特征方面會(huì)有一定的對(duì)比規(guī)律。例如,波蘭學(xué)者Polak對(duì)同一地區(qū)某河湖底泥與污水廠污泥的腐殖酸進(jìn)行了提取,并比較了其光譜和物化特性[22]。紅外光譜結(jié)果顯示,主吸收位置相似,主要分布在頻率為3 400 cm-1(氫氧鍵O-H),3 000~3 100 cm-1(不飽和芳環(huán)C-H伸縮振動(dòng)),2 900 cm-1(脂肪鏈C-H伸縮振動(dòng)),1 625 cm-1(COO-對(duì)稱伸縮振動(dòng)),1 540 cm-1(C=N,酰胺Ⅱ帶伸縮振動(dòng)),1 030 cm-1(芳香族醚或or the硅氧Si-O鍵伸縮振動(dòng)),500 cm-1(Si-O-Si彎曲振動(dòng)),但官能團(tuán)吸收強(qiáng)度不同(見圖1)。說明兩者含有的主官能團(tuán)是基本相同,但整體含量和某些種類有差異。在頻率1 250 cm-1(酰胺基或醚)、1 440 cm-1(CH3,酚類的OH,COO-或鄰二取代的芳香環(huán))和1 720 cm-1(羧酸的C=O),污水廠污泥的吸收峰明顯較高,而底泥則峰值較低或沒有吸收峰,表明底泥腐殖化過程中氧的參與較少。

        表4 底泥和污水廠污泥干基礦物組成對(duì)比 %

        表5 底泥和污水廠污泥營養(yǎng)元素的含量 g/kg/%

        圖1 同一地區(qū)底泥和污水廠污泥的腐殖酸紅外光譜

        底泥中的污染物也體現(xiàn)了類似的特點(diǎn),即與污水廠污泥種類相似,含量較低。以重金屬和持久性有機(jī)污染物為例,底泥的重金屬污染狀況與流域的人口、經(jīng)濟(jì)、工業(yè)、礦業(yè)等情況密切相關(guān),樣品間差異較大[23]。整體上,重金屬含量低于污水廠污泥,土地利用的風(fēng)險(xiǎn)較小。污泥中的重金屬占干基0.5%~2.0%,某些達(dá)到4.0%。Zn,Cd,Hg,Cu,Ni超標(biāo)較嚴(yán)重[15,24]。對(duì)于持久性有機(jī)污染物如多環(huán)芳烴(PAH),多氯聯(lián)苯(PCB),溴系阻燃劑,內(nèi)分泌干擾素等,持久性有機(jī)污染物主要來源于化工生產(chǎn)中氯化過程排放的廢水和廢氣、殺蟲劑等農(nóng)藥的農(nóng)業(yè)污染、有機(jī)氯垃圾的焚燒,含PCB的垃圾等不恰當(dāng)?shù)奶幚硖幹?。?duì)比污水廠污泥中和河湖底泥中的持久性有機(jī)污染物含量,發(fā)現(xiàn)污水廠污泥中的PAH、酚類內(nèi)分泌干擾素含量均比底泥高一個(gè)數(shù)量級(jí)[25,26,27]。底泥中持久性有機(jī)污染物主要來自污水/污泥處理系統(tǒng)的出水,其余多來自面源污染。

        2 底泥的處理、處置與資源化

        底泥與污水廠污泥屬于同一類固體廢物,其處理處置的原則同為減量化、無害化、穩(wěn)定化和資源化。其處理處置技術(shù)廣義上均包括原位處理和異位處理兩大類。

        2.1 原位處理

        河湖底泥的原位處理主要包括重金屬原位鈍化、底泥原位覆蓋、生物修復(fù)和深層曝氣等技術(shù),多用于污染較輕的水體。其中,關(guān)于原位鈍化的應(yīng)用性報(bào)道較少。原位覆蓋、生物修復(fù)和深層曝氣均有廣泛應(yīng)用。原位覆蓋技術(shù)多采用細(xì)砂、粘土、細(xì)砂、粉煤灰、鈣質(zhì)膨潤土等進(jìn)行底泥與水體的物理阻隔。1984年華盛頓西雅圖Duwamish航道覆蓋沙子;1999巢湖市環(huán)城河河道疏浚后覆蓋細(xì)沙。深層曝氣技術(shù)的應(yīng)用案例有英國泰晤士河,德國柏林河,北京清河,上海綏寧河,福州白馬支河等。污水廠污泥的原位處理多為原位減量技術(shù),利用污泥隱性增長、內(nèi)源代謝、解偶聯(lián)代謝和生物捕食等原理,從源頭上減少污水處理過程中污泥的產(chǎn)量。隨著近年來污水和污泥處理處置以“資源化”為指導(dǎo)逐漸成為趨勢,污水處理過程中污染物充分富集和回收成為研究熱點(diǎn),“原位減量”技術(shù)工程化應(yīng)用較少。

        2.2 異位處理

        當(dāng)前,我國污水和污泥處理的主流模式還是集中式末端處理模式,即污泥產(chǎn)生后收集起來再進(jìn)行減量化、無害化、穩(wěn)定化或資源化處理處置。河湖底泥和污水廠污泥的處理處置路線見圖2。

        圖2 河湖底泥和污水廠污泥的處理處置路線

        環(huán)保疏浚則是經(jīng)濟(jì)有效又比較徹底的治理方式,也是河湖底泥污染治理的主流方式,我國南方地區(qū)的滇池、洱海、太湖、玄武湖、西湖,以及北方地區(qū)的官廳水庫、大沽河等,均開展了環(huán)保疏浚工程。疏浚過程中必然產(chǎn)生大量的疏浚底泥,并且底泥含水率高,給后續(xù)處理處置帶來諸多不便,因此,疏浚底泥常見處理路線的首要環(huán)節(jié)是進(jìn)行脫水,將含水率降低至75%以下,實(shí)現(xiàn)體積減量。然后視后續(xù)處理處置工藝的選擇進(jìn)行一定程度的干化處理。對(duì)于污染較嚴(yán)重、重金屬超標(biāo)的底泥,通常進(jìn)行重金屬固化穩(wěn)定化處理,或焚燒后進(jìn)行相應(yīng)處置。對(duì)于污染較輕的底泥,視其污染特性和泥質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行資源化處理或綜合利用。由于底泥無機(jī)質(zhì)比例較高、有機(jī)質(zhì)比例較低,底泥的處理著重考慮無害化和無機(jī)質(zhì)的資源化。

        相比之下,污水廠污泥的有機(jī)質(zhì)比例較高,因此,污水廠污泥的處理處置在考慮無害化的前提下,著重考慮其穩(wěn)定化和有機(jī)質(zhì)的回收利用。如圖2所示,底泥和污水廠污泥的減量化和無害化處理方式相同,主要區(qū)別在于資源化處理處置方式,體現(xiàn)了“因質(zhì)處理”。

        從泥質(zhì)特性和主流處置方式上來說,底泥性質(zhì)與土壤較相似,污水廠污泥穩(wěn)定后的組成(如腐殖質(zhì)、營養(yǎng)元素等)和性質(zhì)也具備土地利用潛力。因此,無論是河湖底泥還是污水廠污泥,土地利用都將是其重要處置方式。

        3 展望與結(jié)語

        隨著近年來環(huán)保要求和排放標(biāo)準(zhǔn)的提高,底泥和污水廠污泥的處理處置越來越受重視。在當(dāng)前資源能源緊缺、環(huán)境容量有限的大背景下,不論是河湖底泥還是污水廠污泥,以“資源化”為導(dǎo)向,無害化、穩(wěn)定化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)能源的最大化回收利用將是其處理處置的必由之路。河湖底泥與污水廠污泥同屬于城市污泥,其來源、組成、性質(zhì)和處理處置方式具有一定相似性和相關(guān)性。污水廠污泥中物質(zhì)和能源的回收已得到廣泛關(guān)注,開展了較系統(tǒng)的研究和實(shí)踐。相對(duì)而言,河湖底泥的資源化處理處置尚未打開局面。針對(duì)底泥的組成和性質(zhì)特點(diǎn),對(duì)其綜合利用技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化研究和推廣,使底泥處理時(shí)有依據(jù)、有方法、可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,是實(shí)現(xiàn)我國污染底泥安全處理處置的必要條件。

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