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    城市污水厂污泥处理技术创新思考
     点击数:1696次 添加时间:2019/8/30 [打印] [返回] [收藏]

    本文看点

     国内污泥处理处置形势

     污泥处理处置目标

     污泥处理处置技术现状

     污泥处理处置的发展方向


    形势

     重水轻泥——我国污泥产量大、污泥处理处置形势严峻

     

    数据

           ➢污水厂数量 (2017)3900污水处理能力:1.8亿m3/d

    ➢目前污泥年产量:>4000万吨预计2020年产泥量6000万吨

    污泥处理处置投资占总投资的30%、运行占总运行费用的50%以上

    ➢ 污泥中含原水30-50%有机物、30-50%TN95%TP;含重金属、病原菌、持久性有机物;

    污水提标改造,污水消毒、四类水、再生水等快速推进,而污泥问题却没有得到解决; 

    污泥是污水处理中的“世界难题”,污泥处理处置现状与我国污水处理差距甚大,远远落后发达国家,与我国大国地位及生态文明建设不相符; 

    新一轮环保督查中,污泥问题依然十分突出。

     

    目标 

    1、污泥处理处置标准粗放、落地困难、差距大




    污泥处理处置的各类标准


    由上图可见,污泥处理处置标准繁多,但和实际需求相比,到底污泥要处理到什么水平?哪种标准才真正符合要求?其实,标准繁多,有时会导致无法考核监管。

    2、处置决定处理,污泥处置出路不清晰

    1)土地利用

    水十条:禁止处理处置不达标的污泥进入耕地污泥土地利用标准(食物链和非食物链)单元技术的衔接,环境经济效益全生命周期评估。

    缺点及弊端:污泥无处可去。

    2)焚烧/填埋/建材

    处理单元技术的衔接,减量化技术应用,实现焚烧量最低,新技术开发。

    缺点及弊端:公众接受度低,成本太高。

    3)填埋

    我国现有填埋场将满负荷运行临时过渡性的技术路线不符合未来发展趋势。、

    缺点及弊端:无地可埋。

    针对污泥处理处置标准粗放、考核监管不明确、出路不清晰等现状及弊端,“水十条”中提出稳定化、无害化和资源化的污泥处理处置目标



    污水处理设施产生的污泥应进行稳定化、无害化和资源化处理处置。

                   ——“水十条"

    技术

     

    1、科技创新的必要性

    污泥中富含有机物和营养物质,随着污水资源化研究的深入,污泥资源化领域的研究已成为全球研究热点。 

           我国城市污泥量大,质差,在世界范围内十分罕见;国外既有污泥处理处置理论和技术无法切实解决当前面临的特殊困境,迫切需要通过科技创新,形成我国污泥绿色低碳安全的理论体系和系统性解决方案。


    能源、资源短缺、全球气候变化、粮食安全、土壤矿化,全球磷资源的短缺等现实问题,污泥资源化也越来越受到重视,污泥资源化能源化符合目前科技发展水平。

    国外发达国家成功经验,回收污水运行能耗50-60%、污泥氮、磷回收,可替代一部分氮、磷肥需求,污泥有机质土壤改良。

    2、科学问题、目标导向

    问题

    ➢ 污泥水分的去除;

    ➢污泥中“污染物”资源化;

    ➢ 污泥难降解污染物去除与稳定;

    ➢ 污泥产物的环境行为及交互属性。

    目标导向

    ➢污泥水的结合赋存形态;

    ➢污泥水的高效去除原理及方法;

    ➢ “污染物”存在形态;

    ➢ 生物反应过程物质迁移转化及微生物调控机制;

    ➢ 物理化学过程物质转化原理;

    ➢污泥复杂体系多级多相/分质分相资源回收方法;

    ➢ 重金属、微塑料、持久性有机物赋存及转化机制;

    ➢ 污泥产物环境行为与交互属性;

    ➢污泥处理处置风险评估与碳排放基准;

    ➢ 污泥残渣制备功能材料原理。

    3、污泥处理技术创新核心:稳定化、减量化


    污泥处理技术路线多样化、稳定化、减量化是共性工艺

    4污泥含水率高是污泥处理的瓶颈



    污泥浓缩:含水率从99%下降到95%,体积将减少200公斤;

    污泥脱水:含水率从95%下降到80%,体积将减少到50公斤;

    污泥深度脱水:可将含水率降低到60%,体积减少到25公斤;

    污泥干化:含水率降至40%以下体积降至17公斤;

    污泥焚烧:分解有机物,灰渣。

    核心:污泥减量与改性。

     

    前景

    1、污泥稳定化与减量化的技术和发展方向

        

        污泥厌氧消化是污泥处理技术,是较经济的污泥减量化稳定化资源化技术,与末端污泥焚烧是互补关系。



    2、污泥厌氧消化技术研究热点

        ➢ 有机质转化效率较低(max. 50%)、停留时间较长(18d)、沼气产率0.8-1.0、甲烷含量65%

        ➢ 微生物定向调控机制?微量污染物的赋存形态及迁移转化?

        ➢ 沼渣(原污泥量的20-50%)的最终出路?

        ➢ 沼液单独处理达标排放成本较高?植物激素?富里酸生成机制与调控?

    3、技术瓶颈与发展方向


    识别污泥有机质赋存形态及其与厌氧生物转化的联系;

    揭示微生物间电子传递机制与调控种群互营代谢;

    开发污泥高效厌氧消化新技术及阐明物质流特征。

    4、转化机制与强化策略

    1)污泥有机质厌氧生物转化屏障-污泥结构特征


    Dai et al. Water Res. 2017, 115: 220-228; Xu et al. Water Res. 2017, 126: 329-341; Duan et al. Water Sci. Technol. 2016, 74: 2152-2161 

    微米级砂粒和有机结合态金属改变了污泥胞外有机质的空间构象,限制了污泥生物转化潜势。

    2)污泥有机质厌氧生物转化-微生物种间DIET 

    Shawn et al., Nature. 2015, 526: 531-535; Summers et al., Science. 2010, 330: 1413-1415; Morita et al., Mbio. 2011, 2: 1-8;  Rotaru et al., Energ. Environ. Sci, 2014, 7: 408-415. 

    微生物种间电子交换新机制:DIET,引入导电材料强化微生物种间的DIET

    5、消化副产物回收利用

    1)高含固污泥厌氧消化沼渣制备碳基光/电催化材料

        污泥前体向高活性光/电催化剂的控制转化,是一种高附加值资源化利用途径;

       ➢ 利用沼渣制备合成高效、稳定的多相催化剂;

       ➢ 高催化速率。

       ➢ 铁催化位点与污泥中二氧化硅结合;

       ➢污泥中重金属作为可见光活性基团;

       ➢ 优越的可见光Fenton活性。

    Yuan et al. Chinese J. Catal. 2016, 37: 735-742; Yuan et al. Environmental Science: Nano 2017, 4:17-26

    2)高含固污泥厌氧消化沼渣稳定化机制研究

    沼渣胡敏酸芳香结构重聚显著,高含固厌氧消化过程有机质趋于稳定;

    沼渣胡敏酸芳构重聚意味着芳香位点增加,通过控制植物毒性物质分布影响发芽指数。

    6、污泥/有机质高效协同厌氧消化

    协同消化优势的机理:平衡对于厌氧消化比较重要的物料参数,如常量微量元素、营养物质、C/NpH、可降解有机质比例、抑制性物质、甲烷含量的调控、传质影响机理等。

    生物质废弃物协同厌氧消化技术

    7、污泥及生物质废弃物资源化研究热点

    1)能源和营养物质回收

        ➢ 作为污水除磷脱氮的补充碳源:总氮和磷去除率平均提高约30%(Xiang Li et al., 2011)

         ➢ 产甲烷1g COD~0.35m3甲烷,即12530kJ/g COD (Daigger, 2009)

         ➢ 产氢:最大能达到0.27 l H2/g COD (Prasertsan et al., 2008)

        ➢ PHA:转换效率高达36.9% mg C/mg C (Takabatake et al., 2002; Yan et al. 2006)

         ➢ 微生物燃料电池(MFC:理论上1kg COD能转化成4 kWh电能 (Halim, 2012)

         ➢ 生物柴油:美国污水厂每年可产生大约1.4×106 m3的生物柴油,相当于全美柴油需求量的1% (Dufreche et al., 2007)

         ➢ 热解/水热制生物碳土:碳减排12% (Woolf et al., 2010)

         ➢ 提取蛋白:蛋白最大化回收80-90% (Chishti et al., 1992; Hwang et al., 2008)

         ➢ 制氮肥:干污泥中N含量3-4% 多为有机氮(US, EPA), 若污水中的氮全部利用,可占氮肥产量的30% (WERF, 2011)

         ➢ 制磷肥:美国:干污泥中含P2-3%1t干污泥含的P价值7美元(Jordan, 2011);日本:将污水中的磷(每年5万吨)回收可解决磷矿进口的20%

    2)金属提取

         ➢ 提取Ag, Cu, Au:美国估算,1t干污泥含价值480美元的Ag, Cu, Au, Pt13种主要金属(Jordan Peccia, 2011)1吨污泥焚烧灰含Au,,Ag2kg(Cornwall,2015)

    3)材料化转化

          制吸附材料:污泥富含C,Si和有机物,通过物理、化学活化或热解等可制成多孔吸附材料,KOH活化法效果较好,产品比表面积>1800m2/g(Smith, 2009)

         ➢ 制催化材料:污泥中的金属,SiO2和有机固体使之具备制成金属掺杂的多孔催化材料的优势。现已证实可通过易操作的物理化学方法以污泥制负载TiO2可见光光催化材料,负载铁多相光Fenton催化材料等(Yuan,2014,2015)

         ➢ 制储能材料:污泥经过热解碳化后能得到具有NSFe共掺杂的活性碳材料,该碳材料具有优越的储能和电化学性能(Yuan, 2015), 但离商业化还有距离。 

    结语

     我国环境容量缺乏,污泥量大,污泥泥质差,污泥问题十分严峻;

     相比污水处理(提标、四类水等),污泥处理处置的投入和重视程度严重滞后,污水处理任务没有完成;

     处置决定处理,处置途径不畅是我国污泥处理处置的关键问题;

     观念、理念的转变是解决污泥问题的核心;

     污泥的泥质、泥量随着管网提质会有所改变,永久性措施需慎重考虑;

     面临气候变化,能源资源短缺等问题,“资源循环、绿色、健康”的未来技术创新的重点,污水污泥中“污染物”资源化回收利用是未来发展趋势。








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