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城市给水厂污泥组成成分及资源化利用

  随着我们国家的经济的快速地发展,城市给水厂数量不断增多。水在工业生产过程中会产生大量的污泥。这些污泥若未经处理直接排入自然环境,会对环境能够造成严重的污染。如何来处理这些污泥是近几十年来许多水行业学者一直在研究的问题。业界现已形成共识,污泥是一种资源,并不是一种废物。从污泥中获得资源有可能成为满足当前和未来能源需求的可持续解决方案。因此,我们应认真探究给水厂污泥的特殊结构及成分,发现其价值,并加以资源化利用。

  给水厂在不同地表水源取水,取出的原水经絮凝、沉淀、过滤和消毒等工艺,除去原水中的杂质,以生产出符合生活饮用水卫生标准的成品水。但是,在生产饮用水的工艺过程中会产生大量的含泥水。这些含泥水大多数来源于于沉淀池排泥水以及滤池反冲洗排泥水,占整个水厂总制水量的4%~7%。沉淀池排泥水的含固量为0.1%~1%,可分为石灰软化污泥和化学絮凝污泥2种。其中,石灰软化污泥成分最重要的包含碳酸钙、氢氧化镁、淤泥、过剩石灰以及有机物等;化学絮凝污泥成分最重要的包含原水悬浮物、胶体物质、微生物、有机物和加入的净水药剂等。滤池反冲洗排泥水中含固量仅仅为0.02%~0.05%,最重要的包含黏土、悬浮盐类、有机物以及化学药剂残余物等。

  这些排泥水经过自然脱水或机械脱水干化成污泥,主要成分是原水中的泥沙、杂质、浮游生物、藻类残骸以及在水处理过程中添加的各种絮凝剂成分等。根据对部分给水厂污泥组成成分的分析表明,污泥包含了25.85%的有机物、58.9%的无机物和15.25%的水,其中无机物占了大多数。北京某自来水厂污泥中无机物成分占污泥总量的分析见表1。

  从表1中可知,自来水厂污泥中的Al、Mg、Ca、Fe等元素含量相比来说较高。自来水厂的污泥通过氧化过程形成碳酸钙、氧化铁、氧化铝等化合物,这些化合物一般来自源水中含有的大量泥沙。此外,应用气质谱联用仪做多元化的分析,能够正常的看到自来水污泥中含有油酸、菜油甾醇、肉豆蔻酸等有机物。

  给水厂污泥是主要含氧化铝、氧化铁、氧化钙等矿物质成分的黏土,具有可塑性、烧结性、耐热性和吸附性,同时其中还含有大量的灰分以及铝盐、铁盐等混凝剂成分,是建筑材料中能够正常的使用的添加剂。例如,污泥制砖就很好的一种资源化利用。污泥被用作制砖原料时,高温焙烧可使污泥无害化,同时因污泥中具有一定发热量的有机物质可作为高温焙烧时的热量来源,因此生产的全部过程中能代替部分燃料,节约了能源,实现了废弃物处理的资源化利用,满足了产业化生产的要求,也符合禁止毁田制砖、节约耕田黏土资源的原则。给水厂污泥的建材资源化利用,不仅解决了污泥处置的问题,而且还节约了宝贵的土地资源。

  给水厂产生的污泥能代替部分烧结砖原料,与其他原料混合进行烧结砖的生产。由于污泥含有大量有机物及其他有毒物质,因此我们应当在将其作为原料前先进行一定的处理。沈倩雯将长沙市某给水厂污泥作为原料,添加长石粉、石英砂以及粉煤灰后进行烧结砖生产试验。试验根据结果得出,利用给水厂污泥烧制出强度和吸水率达到国家标准的烧结砖是可行的,而且同时处理了大量工业粉煤灰,有利于社会的可持续发展。

  给水厂污泥成分里含有大量的铝、硅、铁等氧化物,可被用来制作轻骨料。污泥制轻骨料及其混凝土具有质轻、抗压强度高、抗震、耐火、隔热保温效果好等特点。程雪莉选用南方某沿海城市3处不同给水厂污泥和页岩作为原料进行轻骨料生产试验,并分别对3种不同给水厂干污泥的物理、化学性能进行了试验分析及2个阶段的试烧,取得了3种给水厂干污泥各自的膨胀温度区间、软化温度、最佳焙烧温度、吸水率及颗粒密度等试验数据,最后确定了给水厂污泥烧制轻骨料的原料配合比与工艺方案。

  任伯帜等利用重庆市某给水厂污泥、黏土以及粉煤灰作为原料进行生产粉煤灰—黏土砖试验。其试验根据结果得出,在粉煤灰—黏土砖原料中掺入体积比为30%~45%、含水率为60%~80%的给水厂污泥,最终可以生产出达到国家标准要求的砖成品。这种方式还可处理大量的粉煤灰废渣,带来的经济效益与环境效益十分显著。

  给水厂干污泥成分与土壤类似,主要是由10%的有机物和90%的无机盐(包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等)构成。由于污泥中含有足够的有机营养成分,因此当把污泥适量添加到土壤中后,发生的相似絮凝反应可提升土壤的凝聚程度,改善土壤结构,有利于农作物生长。同时,污泥中的金属氧化物能够有效吸附土壤中所含有的重金属,降低了重金属浓度,同样也促进了农作物的生长。

  黄游将上海市某给水厂污泥作为研究对象,通过盆栽和田间对照试验,发现添加污泥后的植物比没有添加污泥的植物生物量显著增加,污泥带入土壤的活性有机碳源和活性微生物能加强土壤中脲酶、磷酸酶等酶的活性,证明污泥能够在一定程度上促进植物的生长,提高了园林植物的观赏价值。

  阮琳等将广州市自来水公司污泥与调理剂QS按照相应比例混合后进行堆肥试验。试验根据结果得出,调理剂QS可以使给水厂污泥性能发生改变,提高了污泥的保水性,明显有利于桉树的生长,并且在堆肥过程中投入的EM菌种能够进一步促进植物的生长,带来了良好的环境和生态效益。

  污泥中含有的有机质以及养分能够改善土壤的物化性质,因此可用作土壤改良剂使用。韦玮通过上海某给水厂污泥的土地利用试验表明,污泥能够大大降低土壤渗流水中的溶解磷以及颗粒磷的含量,进一步减少了地表或地下径流中的磷含量,控制了水体的富营养化。当污泥适量添加于土壤中后,能够显著地增强土壤的凝聚力,且提高了土壤的保水性、孔隙率,大大改良了土壤能力,更加有利于农作物的生长。

  大部分给水厂使用聚合氯化铝和硫酸铝等铝盐去除原水浊度,因此在排泥水中污泥的固体铝含量较高,通常为15%~40%,尤其是在低浊度的原水污泥中Al(OH)3的占比更高。Al(OH)3含量高,通常会使污泥脱水更加困难,同时也会污染取水水源以及对自然环境造成不好影响。根据国内外文献报导,水厂污泥铝盐的回收方法主要有酸化法、碱化法、离子交换萃取法、组合膜法以及灼烧化学法等。

  铁盐在给水厂净化过程中常被作为混凝剂使用,使用过后大部分变成了沉淀物,与沉淀污泥混合在一起。与铝盐回收方法类似,我们大家可以利用酸来回收铁盐,回收率高达60%~70%。但是要达到如此高的再生率,我们应该在沉淀污泥中加入大量酸,使得沉淀污泥的pH值降至1.5~2.0。这样的解决方法的缺点是耗酸量大,回收成本高。酸处理后,较低pH值剩余污泥的化学调节费用也高。但该方法可获得较佳的再生铁盐净化效果。

  石灰—苏打软化法是比较经济的软化原水暂时硬度的1种工艺方法,但这种工艺方法会产生较多的污泥。这种污泥的主要成分包括碳酸钙、氢氧化镁以及一些从水中去除的杂质离子。其中,绝大部分是碳酸钙,其含量高达85%~95%,而氢氧化镁的含量一般在1.8%~7.0%范围内。与水厂的其他污泥相比,石灰—苏打软化污泥具有稳定、纯度高、密度大等特点。由于这种污泥碳酸钙含量高,用其来回收石灰也是可行的。

  Hovsepyan等进行了城市给水厂污泥吸附汞试验,根据结果得出污泥最大吸附量为79mg/g,且符合吸附动力学1级模型。程爱华进行了城市给水厂污泥吸附含铬废水试验,根据结果得出给水厂污泥可吸附处理含铬废水,吸附量达0.89mg/g,且符合吸附动力学2级模型。

  徐海洋等将给水厂污泥、黄土和聚丙烯酰胺按照5∶1∶1的比例混合制备除氟吸附剂,当pH值为4~8时,吸附效果最好,吸附量最高0.145mg/g,且符合吸附动力学伪2级模型。

  崔競文等以给水厂的污泥为原料,分别制成2mm粒径吸附剂以及干化大颗粒吸附剂,对污水中的磷进行吸附试验研究。试验根据结果得出,使用2mm粒径吸附剂进行吸附时,在其颗粒投加量固液比为20g·L-1的条件下,运行8h能达到最佳的去磷效果;使用干化大颗粒的固定床进行吸附时,滤柱的空床停滞时间应控制在30min左右,其有效滤层高度为11.5cm。在固定床反应器运行的前80h,对初沉池水拥有非常良好的处理效果。

  不管是从经济因素、社会因素,还是从外因来看,给水厂污泥资源化利用都会为我们大家带来显著的效益,但现阶段仍未能实现广泛的资源化利用。给水厂污泥资源化利用的难点主要在于:①建材利用方面,我们应该大力开拓市场,其建材生产系统建设复杂且费用昂贵;污泥中含有一定量的氟,在制作的砖成品中对钢筋具有腐蚀作用;污泥中含有的放射性污染物、有机污染物等对污泥建材利用也会产生一定的影响。②土壤利用方面,污泥中含有大量的重金属、有毒有机物以及病原体,会对环境能够造成二次污染。③吸附利用方面,制作的吸附剂容易受到重金属的影响,应用场合比较受限制。