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        城市污水處理廠污泥中能源物質(zhì)利用的研究進(jìn)展

        2020-01-15 08:33:29李萍萍東營(yíng)職業(yè)學(xué)院山東東營(yíng)257091
        化工管理 2020年32期
        關(guān)鍵詞:明顯提高城市污水處理廠

        李萍萍(東營(yíng)職業(yè)學(xué)院,山東 東營(yíng) 257091)

        0 引言

        城市人口最近幾年正在快速增長(zhǎng),而且城市化進(jìn)程速度也在逐漸加快,進(jìn)而也在一定程度上增加了城市污水廠負(fù)荷和城市生活污水的排放量[1]。我國(guó)在對(duì)污水進(jìn)行處理時(shí),常用的方法為活性污泥法,該方法會(huì)產(chǎn)生很多污泥,相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示在2020年,我國(guó)的污泥年產(chǎn)量預(yù)計(jì)會(huì)超過(guò)6000萬(wàn)噸。市政污泥處理的傳統(tǒng)方法為土地利用、焚燒、衛(wèi)生填埋等。國(guó)家有關(guān)污泥處置、農(nóng)業(yè)、食品安全規(guī)范中對(duì)生物固體在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格,進(jìn)而也在一定程度上限制了傳統(tǒng)的污泥處理處置方式,所以污泥資源環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重[2]。污泥中具有較高的有機(jī)物含量,能產(chǎn)生各種能源物質(zhì),如生物燃料、沼氣等,所以回收利用污泥中的能源物質(zhì)也開始受到人們的重視。本研究主要分析了城市污水處理廠污泥中能源物質(zhì)利用的研究進(jìn)展,具體情況如下。

        1 城市污水處理廠的污泥處理現(xiàn)狀分析

        污泥、污水兩者一般都是共同存在的,在處理污水時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生污泥,而污水中所存在的這些污泥,占比雖然較低,但是卻需要引起重視,對(duì)污水處理廠的污泥進(jìn)行合理合理和科學(xué)地處理。

        1.1 污泥的處理現(xiàn)狀

        相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和進(jìn)步的過(guò)程中,我國(guó)的污水排放量也表現(xiàn)出逐年增加的趨勢(shì)[3]。尤其是在工業(yè)發(fā)達(dá)的城市中,污泥量問(wèn)題更加顯著。加入全部處理掉我國(guó)的污泥,會(huì)得到超千萬(wàn)噸,在全部的固體廢棄物中,污泥的占比非常高。所以在對(duì)污泥問(wèn)題進(jìn)行處理,應(yīng)保證整體的規(guī)劃性和科學(xué)性。然而現(xiàn)階段,我國(guó)在對(duì)污泥進(jìn)行處理時(shí),還缺乏健全的法律法規(guī),現(xiàn)階段的污泥處理法規(guī)主要為《城市污水處理廠污水污泥排放標(biāo)準(zhǔn)》、《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》等。并未詳細(xì)解釋病原體、有機(jī)污染物等,重金屬也缺乏法定的衡量標(biāo)準(zhǔn)[4]。所以在對(duì)污泥進(jìn)行處理無(wú)法可依,進(jìn)而重新破壞和污染環(huán)境。

        1.2 污泥的處理方法

        在科技水平等因素的限制下,現(xiàn)階段我國(guó)在對(duì)污泥進(jìn)行處理時(shí),穩(wěn)定、常用的處理工藝包括加堿穩(wěn)定、加熱干化、熱處理、好氧消化、厭氧消化等[5]。處理污泥的最終目的是通過(guò)科學(xué)的處理工藝,將原來(lái)不穩(wěn)定、容易腐敗的污泥變得穩(wěn)定、不容易被腐敗,對(duì)污泥病原體進(jìn)行有效滅除,讓污泥的腐敗臭味消除,進(jìn)而來(lái)充分利用?,F(xiàn)階段人們?cè)趯?duì)污泥進(jìn)行處理時(shí),常用的處理辦法為土地利用、焚燒、衛(wèi)生填埋等。(1)土地利用:現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)在對(duì)污泥進(jìn)行處理,污泥農(nóng)用的處理方式已處在邊緣化。污泥農(nóng)用雖然是通過(guò)自身能力來(lái)處理污泥,而且污泥中的部分微生物菌體和有機(jī)物能促進(jìn)農(nóng)作物生產(chǎn),屬于比較理想的一種土壤改良劑。但是污泥中也存在有害元素,會(huì)在一定程度上危害農(nóng)作物的生長(zhǎng);(2)焚燒:我國(guó)在對(duì)污泥進(jìn)行處理時(shí),焚燒的位置占比較少。通過(guò)焚燒處理雖然能有效釋放污泥中的有機(jī)物,將有害物質(zhì)消除和殺死;具有減少量、可回收、時(shí)間快等特點(diǎn),能最大量的無(wú)害化、徹底[6]。但是在對(duì)污泥進(jìn)行焚燒處理時(shí),產(chǎn)生的部分氣體可能會(huì)對(duì)空氣造成污染,進(jìn)而對(duì)空氣質(zhì)量造成影響。要想對(duì)污泥進(jìn)行一次性處理,則需要很高的經(jīng)濟(jì)成本,但是取得的效益卻較低;(3)衛(wèi)生填埋:過(guò)往人們?cè)趯?duì)污泥進(jìn)行處理時(shí),最常用的一種處理辦法就是通過(guò)垃圾填埋場(chǎng)對(duì)污泥進(jìn)行處理,這種處理辦法對(duì)技術(shù)的要求較低,而且操作比較簡(jiǎn)單方便。但是在時(shí)間逐漸推移的過(guò)程中,污泥量和垃圾在不斷增加,污泥中的部分微量元素和有機(jī)物會(huì)在一定程度上影響地下水,導(dǎo)致比較嚴(yán)重的后果。除此之外,占用的垃圾場(chǎng)較多,因此垃圾場(chǎng)不愿進(jìn)行污泥處理。

        1.3 污泥處理的問(wèn)題

        城市污水處理廠應(yīng)正確認(rèn)識(shí)污泥的處理問(wèn)題:(1)污泥的處理處置技術(shù),還無(wú)法對(duì)污泥進(jìn)行高效得到物質(zhì)回用和能量回收;(2)污泥問(wèn)題現(xiàn)階段還缺乏系統(tǒng)性支撐,如技術(shù)政策、標(biāo)準(zhǔn)體系、市場(chǎng)機(jī)制、管理體制;(3)在對(duì)污泥進(jìn)行處理處置時(shí),缺乏明確的責(zé)任主體。

        2 回收利用污泥中的能源組分

        2.1 污泥消化產(chǎn)生沼氣

        現(xiàn)階段污泥厭氧消化技術(shù)已得到了非常廣泛的應(yīng)用,但是常規(guī)厭氧消化工藝的問(wèn)題卻比較突出,如沼氣產(chǎn)氣率不高、停留時(shí)間長(zhǎng)、污泥降解率不高等,而且處理的污泥含固率一般為3%~5%,處于較低水平,需要大體積的設(shè)備,進(jìn)而讓資金投入增加。根據(jù)上述問(wèn)題,有學(xué)者通過(guò)對(duì)污泥厭氧消化性能進(jìn)行改善讓沼氣產(chǎn)氣率提高,并開始深入分析和研究高含固率的污泥厭氧消化技術(shù)。有學(xué)者以2:1的比例將豬糞與脫水的污泥進(jìn)行混合厭氧消化,進(jìn)而明顯提高了甲烷產(chǎn)率。另外也有臨床研究結(jié)果顯示,混合處理廚余垃圾和污泥,能對(duì)厭氧消化性能進(jìn)行一定改善,讓沼氣產(chǎn)氣率明顯提升。污泥中的微生物細(xì)胞壁水解過(guò)程為厭氧消化限速階段,預(yù)處理能對(duì)污泥中的微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞,讓厭氧消化速率明顯提高。相關(guān)臨床研究結(jié)果顯示,超聲處理能明顯提升污泥消化的產(chǎn)氣量。除此之外,對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理聯(lián)合熱水解超聲處理,能顯著提升厭氧消化產(chǎn)氣性能。

        高含固率污泥厭氧消化工藝是現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn),其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為投資低、設(shè)備體積小、處理負(fù)荷高、產(chǎn)氣效率高等。有學(xué)者通過(guò)對(duì)熱水解-高溫厭氧消化工藝處理高含固率剩余污泥的效果進(jìn)行分析可知,在甲烷產(chǎn)率、有機(jī)物去除率方面,該工藝與傳統(tǒng)污泥厭氧消化工藝類似。通過(guò)對(duì)高含固率污泥厭氧消化工藝的各項(xiàng)參數(shù)、條件進(jìn)行優(yōu)化,或者對(duì)污泥進(jìn)行熱堿預(yù)處理等,均能取得比較理想的消化效果和產(chǎn)氣量。現(xiàn)階段我國(guó)還需要在工程運(yùn)行和設(shè)計(jì)方面深入研究高固污泥消化,實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

        2.2 污泥產(chǎn)生生物燃料

        (1)污泥產(chǎn)生氫氣:現(xiàn)階段污泥制氫的常用方法包括熱化學(xué)法、生物發(fā)酵法。污泥熱化學(xué)法制氫具體包括氣化、熱解等。研究結(jié)果顯示,污泥溫度越高、含濕量越大,則越有利于產(chǎn)生氫氣。超臨界水的融合力和氧化力較強(qiáng),在污泥氣化產(chǎn)氫研究中得到了廣泛應(yīng)用。超臨界水氣化不但能讓轉(zhuǎn)化率明顯提高,而且不需要干燥處理具有較高含水率的底物。相關(guān)臨床研究結(jié)果顯示,超臨界水能直接氣化含水率為76.2%~94.4%的污泥。對(duì)比分析厭氧消化法和超臨界水氣化處理初沉污泥的結(jié)果發(fā)現(xiàn),運(yùn)行期間超臨界水氣化所需的輸入能量更大。正常情況下,在污泥固體濃度超過(guò)15%時(shí),開展超臨界水氣化制氫的工業(yè)應(yīng)用才具有意義。超臨界水氣化制氫作為污泥能源化技術(shù),其發(fā)展前景雖然比較理想,但是現(xiàn)在還應(yīng)加強(qiáng)試驗(yàn)研究,對(duì)高效催化劑進(jìn)行研制,對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化,讓產(chǎn)氫效率明顯提高,并讓運(yùn)行能耗降低。在研究生物發(fā)酵制氫技術(shù)時(shí),主要集中在有機(jī)廢棄物與污泥混合發(fā)酵制氫、發(fā)酵影響因素的分析、各種預(yù)處理方法。對(duì)污泥預(yù)處理,不但能對(duì)產(chǎn)氫菌進(jìn)行篩選,而且還對(duì)污泥細(xì)胞進(jìn)行破壞,讓有機(jī)物可利用性明顯提高,讓產(chǎn)氫量明顯增加。利用污泥與城市有機(jī)固體廢棄物共同發(fā)酵也能讓氫產(chǎn)量明顯提高?,F(xiàn)階段的研究主要是基于間歇培養(yǎng)試驗(yàn),連續(xù)產(chǎn)氫則是污泥生物發(fā)酵制氫實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的前提。讓污泥的產(chǎn)氫穩(wěn)定性和連續(xù)產(chǎn)氫能力提高則是今后研究的重點(diǎn)。

        (2)污泥產(chǎn)生合成氣:CO和H2的混合氣體被稱之為合成氣。合成氣不但能產(chǎn)熱發(fā)電,而且還能合成各種化工產(chǎn)品,如成烴、醇、醚類。熱裂解技術(shù)為合成氣的傳統(tǒng)制備方法,但是該方法具有合成氣比例低、熱效率不高等缺點(diǎn),所以可以選擇微波加熱法讓熱解效率明顯提高。微波能與原子或者分子直接作用,傳遞能量,能讓傳熱阻力明顯降低,其優(yōu)點(diǎn)主要為節(jié)省能源、耗時(shí)少、熱解效率高、穿投訴率快等。

        (3)污泥產(chǎn)生生物柴油:動(dòng)物脂肪、植物油為產(chǎn)生生物柴油的主要原料,植物油交個(gè)比較昂貴,在生物柴油的生產(chǎn)成本中,原料成本的占比大約為70%~85%,污泥的來(lái)源廣泛,數(shù)量較多,同時(shí)存在的油脂較多,可以將其作為生物柴油的制備原料。在采用污泥進(jìn)行生物柴油制備時(shí),常用的方法主要為一步法、兩步法;前者是利用污泥直接轉(zhuǎn)酯化,后者則是選擇溶劑對(duì)污泥的油脂進(jìn)行提取,然后轉(zhuǎn)酯化。相關(guān)臨床研究結(jié)果顯示,和兩步法相比較,一部分的生物柴油產(chǎn)率更高。和兩步法相比,浮渣污泥、二沉污泥、初沉污泥經(jīng)原位脂基轉(zhuǎn)移法獲得的生物柴油產(chǎn)率更高。因?yàn)槲勰辔⑸锛?xì)胞中的脂質(zhì)量較大,采用提取劑無(wú)法將其有效提取出來(lái),所以需要破壁處理污泥細(xì)胞。破壁方法主要為凍融法、菌株自溶法、酶處理法、超聲破碎法、微波破碎法、化學(xué)破碎法、高壓均漿破碎法等。

        2.3 污泥產(chǎn)電

        相關(guān)臨床研究結(jié)果顯示,直接通過(guò)污泥進(jìn)行微生物燃料電池產(chǎn)電得到的輸出功率密度為3~30W/m3或40~250mW/m2、電壓為400~700mV。溶解性化學(xué)需氧量、陰極材料、陰陽(yáng)間距、電池陽(yáng)極面積、pH值、離子添加劑投加量和種類等均會(huì)對(duì)微生物燃料電池的產(chǎn)電性能產(chǎn)生影響,深入探究這些因素,能讓微生物燃料電池的輸出功率密度和產(chǎn)電電壓明顯提高。污泥中的大部分有機(jī)物為細(xì)胞物質(zhì),細(xì)胞壁會(huì)對(duì)產(chǎn)電微生物對(duì)細(xì)胞內(nèi)部的有機(jī)物利用造成一定影響,進(jìn)而對(duì)微生物燃料電池的產(chǎn)電效率造成限制,所以對(duì)污泥預(yù)處理,對(duì)細(xì)胞壁進(jìn)行破壞,能讓溶解性的有機(jī)質(zhì)濃度明顯提高?,F(xiàn)階段的預(yù)處理方法包括堿處理、加熱處理、表面活性劑處理、超聲波處理以及微波處理等。

        3 結(jié)語(yǔ)

        對(duì)于城市污水處理廠來(lái)講,處理處置污泥成為了現(xiàn)階段的一個(gè)主要問(wèn)題,能源化利用污泥現(xiàn)階段也已取得了一定成果;但是還需要針對(duì)現(xiàn)階段不成熟、不完善的工藝技術(shù),進(jìn)行深入分析和研究,以進(jìn)一步提高污泥的回收利用效率。

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