污泥有機(jī)無機(jī)分離工藝及產(chǎn)品的資源化利用

天津壹新環(huán)保工程有限公司

摘  要：本文分析了國內(nèi)現(xiàn)有污泥的主要成分，并據(jù)此提出了污泥有機(jī)無機(jī)分離后再進(jìn)行后續(xù)精準(zhǔn)資源化利用的新思路。污泥有機(jī)無機(jī)分離工藝可將原泥中的有機(jī)質(zhì)分離出來制成生物質(zhì)燃料；鐵鋁鹽分離出來作為污水廠除磷藥劑參與泥水協(xié)同處理；磷鹽分離出來制成磷肥原料；泥砂等無機(jī)物分離出來后制成建材原料或園林綠化土使用。

關(guān)鍵詞：污泥成分分離；有機(jī)無機(jī)分離；污泥資源化利用 

1. 污泥成分分析

污泥固體是產(chǎn)生于污水處理過程中的大量固體懸浮物質(zhì)，污泥是污泥固體與水的混合物,是污水處理過程中的主要副產(chǎn)物，從污水里轉(zhuǎn)入污泥中的COD（化學(xué)需氧量）比例約為30%～50%，轉(zhuǎn)入污泥中的氮約為20%～30%，磷約為90%，如能夠合理化利用，則是非常寶貴的資源。據(jù)住建部公布的報(bào)告顯示，2020年全國污泥產(chǎn)量約6000萬噸（以含水率80%計(jì)）[1]，《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中明確提出城市污泥無害化處置率需要達(dá)到90%。對(duì)污泥進(jìn)行妥善的處理處置對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康具有至關(guān)重要的作用。

1.1.污泥的干基成分組成

污泥來源繁多，成分復(fù)雜。以我國污水處理廠產(chǎn)生的市政污泥為例，其成分包括細(xì)菌菌體、有機(jī)殘片及胞外聚合物等有機(jī)物，以及無機(jī)金屬鹽類、磷、泥砂等無機(jī)物。按照各成分占比分析，無機(jī)物成分占比超過50%，有機(jī)物成分一般較理論值偏低，僅在40%-50%之間。造成這種現(xiàn)象的原因，一是我國在城市管網(wǎng)建設(shè)時(shí)雨污分流不徹底，污水廠除砂設(shè)備效率低且進(jìn)水COD偏低；二是污水廠在除磷階段投入的聚鐵或聚鋁等混凝劑引入了無機(jī)鹽類物質(zhì)。污泥中無機(jī)組分的增多嚴(yán)重制約了污泥的資源化利用出路。

圖1 污泥成分示意圖

1.2.污泥的含水組成

污泥所含的水分通常分為間隙水（又稱自由水）、毛細(xì)結(jié)合水、表面吸附水和內(nèi)部水。其中，間隙水約占污泥水分的70%；毛細(xì)結(jié)合水占污泥水分的20%；表面吸附水約占污泥水分的7%；內(nèi)部水約占污泥水分的3%[2]。

在污泥的水分中，95%的是由于污泥中胞外聚合物（簡稱EPS）的粘性作用導(dǎo)致難以脫出，故考慮將污泥中的胞外聚合物進(jìn)行破壞，從根本上提高污泥的脫水性能。

2. 污泥有機(jī)無機(jī)分離工藝

2.1.工藝原理

分離技術(shù)的原理是首先對(duì)原泥進(jìn)行稀釋調(diào)質(zhì)，使污泥恢復(fù)成流態(tài)（含水率提升至95%左右），再加入不含鐵鹽、鋁鹽及氯根的氧化藥劑，對(duì)污泥胞外聚合物進(jìn)行破壞，同時(shí)使污泥中鐵、鋁及磷的氧化物還原成溶解態(tài)溶入液相中，再依靠重力沉淀，使固相污泥沉淀并排出含有無機(jī)鹽的上清液，對(duì)排出的固相污泥進(jìn)行反復(fù)淋洗，將溶解于液相的無機(jī)鹽類最大程度的浸提出來，將上清液與淋洗液進(jìn)行收集并加入還原性藥劑，使其中溶解性鹽類還原成氧化物或氫氧化物并沉淀，沉淀物即為分離出的無機(jī)鹽類成分。圖2中（a）（b）分別為經(jīng)過上述處理后分離出的鐵鋁鹽及磷鹽。

   （a）                 （b）

圖2 污泥中磷鹽及鐵鋁鹽的分離效果

（a）分離后磷鹽 （b）分離后鐵鋁鹽

淋洗后的固態(tài)污泥繼續(xù)進(jìn)入泥砂分離裝置（該裝置借鑒部分礦選行業(yè)分砂設(shè)備原理），利用固態(tài)污泥中，有機(jī)污泥顆粒與泥砂顆粒的比重差導(dǎo)致的離心力差異（比重差在2～3倍左右），對(duì)其進(jìn)行旋流分離。  

在分離器的流道截面上，污泥中的無機(jī)泥砂顆粒因自身比重大，受到的離心力大，會(huì)逐漸被甩到流道的外側(cè)，而有機(jī)質(zhì)顆粒自身比重輕，受到的離心力小的多，會(huì)逐漸匯集到流道的內(nèi)側(cè)，最終在流道的末端內(nèi)側(cè)即為分離后的輕質(zhì)部分，就是有機(jī)污泥，如圖3（a），外側(cè)即為分離后的重質(zhì)部分，即為泥砂，如圖3（b）。

     （a）                 （b）

圖3污泥中泥砂與有機(jī)物的分離效果

（a）旋流后底物（b）旋流后上物

2.2.工藝流程

市政污泥（含水率80%）在進(jìn)廠后首先進(jìn)行稀釋調(diào)質(zhì)，在本環(huán)節(jié)中投加污泥滅菌劑，滅菌后污泥在后續(xù)所有處置環(huán)節(jié)中不再產(chǎn)生硫化氫等惡臭氣體，滅菌后污泥進(jìn)入菌膠團(tuán)破碎裝置進(jìn)行改性，在該裝置中加入污泥改性劑，使污泥中胞外聚合物徹底失去作用，降低污泥粘性，為后續(xù)污泥有機(jī)無機(jī)分離和污泥脫水創(chuàng)造最優(yōu)條件；處理后的污泥進(jìn)入有機(jī)無機(jī)分離裝置進(jìn)行成分分離；分離后的有機(jī)污泥加入脫水助劑，充分混合后進(jìn)入高壓脫水機(jī)，經(jīng)高壓脫水至含水率65%以下，泥餅經(jīng)過破碎后可直接進(jìn)入后續(xù)處理工藝段。分離出無機(jī)泥砂及磷進(jìn)行高壓脫水后進(jìn)行資源化使用，分離出的鐵鋁鹽作為絮凝劑回至水廠二次利用。脫水環(huán)節(jié)產(chǎn)生的濾液部分回至工藝前段，用于下一輪原泥的稀釋調(diào)質(zhì)，少量剩余的廢水進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，污泥在調(diào)質(zhì)滅菌及分離環(huán)節(jié)全部采用密閉罐體或池體，內(nèi)部空間采用負(fù)壓抽氣，氣體處理后達(dá)標(biāo)排放。

圖4 污泥分離工藝流程

2.3.工藝效果

（1）胞外聚合物的破壞效果

      （a）                  （b）

圖5 污泥中菌膠團(tuán)破碎效果

（a）處理前污泥中的EPS （b）處理后污泥中的EPS

采用有機(jī)無機(jī)分離工藝并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，污泥在經(jīng)過滅菌和菌膠團(tuán)破碎處理后，對(duì)胞外聚合物（EPS）進(jìn)行電鏡掃描觀察，其結(jié)構(gòu)被徹底破壞（如圖5）。處理后的污泥脫水性能有實(shí)質(zhì)性提升，經(jīng)過板框高壓壓濾后，含水率可降低至65%。且菌膠團(tuán)破碎后的污泥，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，為后續(xù)污泥的成分分離創(chuàng)造條件。

（2）有機(jī)成分與無機(jī)成分的分離效果

（a）

（b）                        （c）

圖6 污泥有機(jī)無機(jī)分離效果

（a）原泥（b）無機(jī)泥餅（c）有機(jī)泥餅

通過驗(yàn)證，采用污泥有機(jī)無機(jī)工藝，在徹底破壞了污泥中的胞外聚合物、降低污泥粘性后，可實(shí)現(xiàn)污泥中有機(jī)物及無機(jī)物的有效分離，分離比例為有機(jī)污泥70%～80%，無機(jī)污泥20%～30%。經(jīng)過檢測(cè)，有機(jī)污泥中有機(jī)物含量高于60%，無機(jī)污泥中的有機(jī)物含量低于5%。

（3）分離工藝對(duì)于有機(jī)污泥熱值提升的效果

通過監(jiān)測(cè)原泥分離后的有機(jī)污泥熱值提升情況判斷有機(jī)無機(jī)分離工藝在提升原泥有機(jī)質(zhì)含量方面的效果直接且有效。

綜合對(duì)比熱值數(shù)據(jù)如下表所示。

表1 污泥分離前后熱值變化數(shù)據(jù)表（數(shù)值為多次檢測(cè)后平均值）

通過多次取樣實(shí)驗(yàn)。從表中數(shù)據(jù)來看，有機(jī)無機(jī)分離系統(tǒng)可以保證有機(jī)污泥的熱值穩(wěn)定在2900kcal/kg以上，已接近生物質(zhì)燃料的熱值。對(duì)比分離后的有機(jī)污泥與原泥，其性質(zhì)更加穩(wěn)定，對(duì)于后續(xù)銜接工藝的穩(wěn)定性更有保證。

3. 分離產(chǎn)物的資源化利用

根據(jù)對(duì)污泥成分的深入研究，有機(jī)無機(jī)分離工藝可以實(shí)現(xiàn)污泥各成分最大程度的分離。分離出的有機(jī)物經(jīng)過脫水干化后制成生物質(zhì)燃料；分離出的鐵鋁鹽作為污水廠除磷劑循環(huán)利用；分離出的磷鹽制成磷肥原料；分離出的泥砂經(jīng)脫水并自氧化干化后可作為建材原料或路園林綠化土使用。本技術(shù)可以充分利用污泥自身物質(zhì)特點(diǎn)，以低成本的方式實(shí)現(xiàn)了污泥穩(wěn)定化、無害化、減量化、資源化的處置。

圖7 污泥處理處置產(chǎn)物出路

3.1.分離出的有機(jī)物做生物質(zhì)燃料

采用有機(jī)無機(jī)分離工藝分離出的有機(jī)污泥，因前置環(huán)節(jié)改性作用，脫水泥餅含水率降至65%，且因干基熱值提升至2800-4300kcal/kg，污泥干化可完全依靠自身焚燒熱能即可平衡，最終的焚燒爐渣灼減率小于5%。污泥熱值提升后焚燒溫度升高，焚燒工況改善，可確保煙氣溫度在850℃以上停留兩秒，以保證二噁英充分分解，最終排放符合國家相關(guān)技術(shù)要求。圖8為應(yīng)用有機(jī)無機(jī)分離技術(shù)產(chǎn)出的有機(jī)污泥燃料檢測(cè)報(bào)告。

圖8 有機(jī)污泥燃料檢測(cè)報(bào)告

3.2.分離出的鐵鋁鹽做除磷劑

采用有機(jī)無機(jī)分離工藝分離出的鋁鐵鹽可以作為除磷藥劑循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)污水污泥的協(xié)同處理。圖9為污泥分離出的鐵鋁鹽制成的除磷藥劑。

圖9 鐵鋁鹽除磷藥劑

將得到的除磷藥劑按照不同的比例和污水進(jìn)行混合后，污水中磷的去除效果顯著。對(duì)比表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，污水與除磷劑的混合比例越高，磷的去除效果越理想，當(dāng)污水與除磷劑的混合比例達(dá)到5%時(shí)，污水中總磷含量由4.23、4.55降至0.38，去除率大于92%。

表2 除磷藥劑除磷效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.分離出的磷鹽做磷肥原料

磷是動(dòng)植物生長的必要元素，工業(yè)、農(nóng)業(yè)方面對(duì)磷資源有很大的需求量。污水污泥處理系統(tǒng)是鏈接磷的社會(huì)應(yīng)用和自然循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，污水廠污泥處置對(duì)磷的循環(huán)具有重要影響[3]。

圖10 回收的磷資源產(chǎn)品

采用有機(jī)無機(jī)分離工藝分離出的無機(jī)磷可以繼續(xù)進(jìn)行回收利用作為磷資源產(chǎn)品的原料。利用本工藝，磷回收率可達(dá)70%，回收磷資源產(chǎn)品的有效磷（以P2O5計(jì)）含量接近30%。打破了國內(nèi)污泥處理磷難以回收的現(xiàn)狀。圖11為應(yīng)用有機(jī)無機(jī)分離技術(shù)回收的磷資源產(chǎn)品檢測(cè)報(bào)告。

（a）

（b）

（c）

圖11 磷資源產(chǎn)品檢測(cè)報(bào)告

4. 總結(jié)

污泥是一種具有極大潛在利用價(jià)值的固體資源，利用有機(jī)無機(jī)分離工藝在解決污泥污染問題的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)各部分處置產(chǎn)品的資源回用。另外經(jīng)過工程分析與實(shí)驗(yàn)，污泥有機(jī)無機(jī)分離技術(shù)不僅適用于市政污泥的處理處置，也可用于通溝污泥、河道底泥、化糞池泥、餐廚沼渣等污泥類固體廢物的處理處置工程，同樣可以兼顧減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化的處置要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.中國城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒[Z].2020.

[2]周少奇. 城市污泥處理處置與資源化[M]. 華南理工大學(xué)出版社, 2002.

[3]孫凡蛟. 污水廠污泥處置對(duì)磷循環(huán)的影響及污水處理系統(tǒng)技術(shù)建議[D].河北建筑工程學(xué)院,2021.DOI:10.27870/d.cnki.ghbjz.2021.000069.