既要治水,也要治泥

文/顾淼飞

我们都听说过污水处理,但是有没有想过,作为污水处理副产物的污泥最终去哪里了呢?如何对它们进行处理处置呢?它们能变废为宝,甚至推动相关行业产业能级提升吗?
事实上,污泥处理处置是一个很严峻却常常被忽视的问题。我国每年的污泥产量多达数千万吨,其中仅有20%~30%实现了稳定化、无害化处理。如果污泥被随意堆置,很可能造成严重的二次污染。
国际上主流的污泥处理处置技术是厌氧消化技术,这种技术利用厌氧微生物,将污泥中的大分子有机物分解为甲烷、二氧化碳、水等简单化合物,产生的沼气可以用作绿色燃料。厌氧消化技术在解决了污泥污染问题的同时,还顺便实现了生物质能的回收,可谓一举两得。但是很可惜,这种技术在我国的应用和运行遇到了很多困难,国外厌氧消化技术装备在我国的运行稳定性很低,效率也不尽如人意。
造成这一局面的主要原因是我国污泥泥质特点与国外存在巨大差异。我国污水厂污泥普遍存在微细砂含量高、有机质含量低的特点,而且污泥组成非常复杂,既含有碳、氮、磷等资源性物质,也含有重金属、难降解有机物、微塑料等污染性物质。另外,我国人口密度高,城市污泥的处理量很大。因此,开发适合我国污泥泥质特点的高级厌氧消化技术迫在眉睫。
为此,同济大学环境科学与工程学院戴晓虎教授领衔的团队历经多年攻关,开发了高标准、高品质、全链条的污泥处理处置技术体系。同济大学、上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司、上海交通大学三家单位共同完成的“污水厂污泥高效生物稳定化处理与资源化利用关键技术研发及其应用”项目也获得了2017年上海市科学技术奖一等奖。

污泥是个“潜力股”
有人可能会问:污泥真有变废为宝的潜力吗?
“泥”不可貌相,别看污泥又脏又臭,它可是个“潜力股”,只要利用得当,就能产生能源和效益。
20世纪80年代,加拿大研究人员曾经做过一个很有趣的试验:他们建立了一个工厂,试着用污泥来生产燃料。他们先是通过机械方法去除污泥里的大部分水分和泥沙,然后将干污泥放进高温蒸馏器中,结果发现:蒸馏之后得到的气态组分转化成了燃油,而固态组分转化成了炭。于是,这家工厂开始利用这种方法生产燃料,每吨污泥可以生产2桶燃油和0.5吨烧结炭。
这个例子说明,污泥中的确含有可以进行资源化利用的成分。从那以后,随着对城市污泥组成的进一步了解,人们渐渐意识到,污泥中富含碳、氮、磷等资源性物质,这些物质让污泥拥有了变废为宝的可能性。
如今,世界多国的科学家都在城市污泥的资源化利用方面做出了大量研究成果,开发了许多城市污泥的利用途径。比如:污泥中的含碳组分可以用作污水除磷脱氨的补充碳源,可以生产甲烷或氢气,可以制造微生物燃料电池,或者生产生物柴油;含氮组分和含磷组分分别可以用来制氮肥和磷肥。由于其中含有多种有机物和金属,污泥还可以实现材料化转化,用来制备吸附材料、催化材料或者储能材料。

污泥怎样变废为宝
虽然污泥具有很高的利用价值,但是要想把污泥变成资源,可不是一件容易的事情。污泥的处理处置要一步步来:首先要经过减量化和稳定化处理,也就是减少污泥的质量和体积,并且降解污泥中的易腐有机物质;然后进行无害化处理,使其不会对环境造成二次污染,不会危害人体健康;最后才是资源化处理,也就是回收具有使用价值的物质和资源。
每一个过程都有与之相适应的污泥处理处置技术。例如:浓缩、脱水适用于减量化处理,厌氧消化、好氧堆肥、焚烧适用于稳定化处理,厌氧沼气回收、焚烧热能回收、土地有机质利用、建材无机质利用等技术可用于资源化处理,等等。当然,其中有一些技术可以同时满足多个处理目标。
乍一看,污泥的处理处置有这么多技术路线,似乎“条条大路通罗马”,但是综合考虑技术的成熟程度、经济成本、可持续发展的可行性等因素,厌氧消化技术仍然是最值得关注的技术之一。

污泥处理处置的“中国方案”
我国污泥厌氧消化技术的运行水平与发达国家差距很大。我国的污泥泥质特点之一是微细砂含量高,污水厂污泥中的微细砂含量为50%~70%,远高于国外不到30%的含砂量。正是这个原因使得厌氧消化技术在我国“英雄难有用武之地”,数据表明,我国污泥单位有机质厌氧产气率仅为国外的50%。那么,微细砂为什么会导致厌氧消化的效率降低呢?有没有什么办法能消除微细砂对厌氧转化的抑制作用,开发出一种得到强化的高级厌氧消化技术路线呢?这就是项目团队要解决的问题。
项目团队在识别了我国典型高含砂污泥的泥质特点与消化特性的基础上,首次阐明了微细砂对污泥有机质厌氧转化的影响机制,即污泥有机质-砂结合体的厌氧转化拮抗效应。在厌氧消化过程中,多种不同微生物的代谢过程相互影响、干扰,形成了非常复杂的生化过程。既然是生化过程,就离不开酶的参与,而微细砂与蛋白结合形成的络合体会导致有机质的酶结合位点减少,表面位点密度下降和表观活化能的上升使得污泥的厌氧转化十分困难。据此可知,提升污泥厌氧转化效能的途径就是破坏蛋白与微细砂形成的络合体。
在厘清了这一机制的基础上,项目团队开发出高含固厌氧消化技术,攻克了高含砂污泥厌氧消化过程转化率低的难题。这一创新工艺的核心是热水解预处理技术,它能有效提高溶解性有机污染物的比例,大大降低污泥的黏度,从而使污泥的降解率得到显著提升。
项目还形成了污泥与餐厨等有机废弃物协同处理处置的技术路线。所谓“协同”,不难理解,就是把两种或两种以上的物料放在一起进行厌氧消化处理,而且不同类型的物料能相互促进消化,使消化性能和经济性能达到“1+1>2”的效果。协同消化之所以能发挥优势,是因为协同消化过程可以平衡一些对于厌氧消化比较重要的物料参数,如碳氮比、pH值、含固率等。这项技术为我国城市餐厨垃圾等有机废弃物的资源化处理与安全处置提供了新思路。
一系列自主创新技术也推动了我国污泥处置产业化的发展。项目成果的相关示范工程已经在长沙、镇江等地建设完成,其中,长沙的污泥集中处理处置工程项目形成了具有自主知识产权的热水解技术及装备,实现了关键技术及装备的国产化,其高效稳定化和资源化的技术路线属国内首创,是当前国内运行的规模最大的污泥高级厌氧消化处理示范项目之一,产生了重大的环境、经济和社会效益。

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