多源污泥泥质特性处理技术

多源污泥泥质特性处理技术

2024-10-31 17:02:46 6

多源污泥是广义的城市污泥,是城市建设发展过程中产生的固体废弃物,是长江大保护治理的重要组成部分,包括污水污泥、通沟污泥、河湖底泥、工程泥浆等,其特点是组分复杂、产量巨大、含水率高。污水污泥是污水处理后的产物,其年产生量超过7000×104t;通沟污泥是指排水管网养护过程中清掏出来的沉积物;河湖底泥是江河、湖泊、水库等水体底部长期积存的沉积物。开展长江经济带典型城市多源污泥泥质特性研究,构建多源泥质基础数据库,可为多源污泥协同处理处置规划、设计提供重要参考。

1、材料与方法

1.1 样品采集

污水污泥取自长江经济带典型城市23座生活污水处理厂,共采集109个污泥样品;通沟污泥取自主城区排水管网系统或通沟污泥处理贮存点,共采集69个通沟污泥样品;河湖底泥来源于当地污染较为严重的河道或湖泊,共有38个河湖底泥样品,污泥样品密封保存寄回实验室后,于4℃下保存待测。

1.2 测试方法

有机质参考《城市污水处理厂污泥检验方法》(CJ/T2212005)中的重量法测定;重金属采用微波高压消解/电感耦合等离子体发射光谱法测定;热值参考《煤的热值测定方法》(GB/T2132008),采用快速量热仪进行测定,即污泥弹筒热值,高位热值就是将污泥中气态水换算成液态水热值,通过公式换算分别可得空气干燥基高位发热量(kJ/kg)和空气干燥基低位发热量(kJ/kg)。

磷、钾元素采用电感耦合等离子体发射光谱法测定,总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定。取0.01g样品,加入100mL无氨水、50mL碱性过硫酸钾溶液混匀进行加热消解。在紫外分光光度计上,以无氨水做参比,在220nm275nm处测定吸光度,计算总氮浓度,然后换算成养分含量,以%计。

污泥中砂含量参照德国DWA标准方法测定,将污泥样品在105℃烘干,600℃灼烧,剩余残渣用32%的盐酸浸泡,快速滤纸过滤,同时用32%的盐酸反复淋洗滤渣,直至滤液颜色基本不变为止。

采用气相色谱仪串联三重四极杆质谱仪测试样品的PAHs含量,预处理方式:取0.1g冻干研磨后样品,加入10mL由正己烷和丙酮混合组成的提取液,密闭反应管,并在60℃条件下超声提取30min,分离上清液,并在固相中加入提取液重复提取2次。收集合并上清液,在常温下氮吹浓缩,最终用正己烷定容至1mL,随后加入10µL内标溶液作为待测样品。

2、结果与分析

2.1 多源污泥基础特性

多源污泥中的有机质含量见图1。污水污泥有机质含量大多在30%~50%波动,平均值仅为40%,远低于欧洲国家60%~70%的水平,这主要是由于污水处理厂进水COD浓度较低所致。通沟污泥成分复杂,有机质含量变化较大,范围为5%~90%,推测与周边产业和作业方式有关。河湖底泥有机质含量普遍较低,在5%~15%左右,较低的有机质含量决定了其不适合焚烧,长江沿线河湖众多,水体流速缓慢,水体污染物易沉积在河湖底泥中。

污水处理设备__全康环保QKEP

污水污泥样品来自不同的污水处理厂,同一污水处理厂也多次采样,其含砂量见表1。脱水污泥含砂量在20%~40%,变化范围较大,九江、芜湖、六安、镇江4座城市污水污泥含砂量的平均值分别为26.36%33.44%34.20%31.07%。污泥中砂粒如不能有效去除,不仅会加剧设备磨损,堵塞排泥管道,而且会导致污泥中有机质含量低,影响厌氧消化效率。进水水质、污水处理工艺对污泥泥质具有显著影响,进水中砂粒粒径小于沉砂池设计规范中规定值,大部分砂粒无法通过沉砂池有效去除,污水处理厂平均除砂率低于15%,导致了污泥含砂量高、有机质含量低。调研的污水处理厂有机负荷约为0.05kgBOD5/kgMLSSd),接近《室外排水设计标准》中延时曝气氧化沟工艺的有机负荷,即0.03~0.08kgBOD5/kgMLSSd),部分活性污泥在池内进行内源呼吸,剩余污泥量较少,有机质含量较低。

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通沟污泥含砂量较高,且变化幅度较大,易造成管网淤塞,应定期清淤。污水污泥养分含量约为6%~8%,其养分含量相对较高,高于《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》(CJ2482007)规定的3%。通沟污泥养分含量约为2%~5%,河湖底泥养分含量约为1%~3%,其养分含量相对较低,大部分仅能达到《城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质》(GB/T246002009)标准。

2.2 多源污泥热值

污水污泥空干基热值平均为6603kJ/kgDS,中位值为6104kJ/kgDS;通沟污泥空干基热值平均为5418kJ/kgDS,中位值为1155kJ/kgDS;河湖底泥空干基热值平均为731kJ/kgDS,中位值为664kJ/kgDS。典型城市多源污泥空干基热值见图2。污水污泥含有一定水分,这些水分在焚烧过程中将转变为蒸汽,并以汽化潜热的形式带走部分能量。污水处理厂脱水污泥含水率在75%82%之间,经过深度脱水工艺处理后含水率一般为50%60%,这些水分严重影响污泥焚烧,故污泥收到基低位热值对污泥焚烧处理企业更有参考意义。

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根据1个标准大气压下水的汽化潜热(2512kJ/kg)可以确定污泥水分蒸发带走的能量,利用公式计算出不同含水率状况下的污泥收到基低位热值。针对污泥焚烧,《城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质》(GB/T246022009)对其理化特性做出一定限制,污泥自持燃烧的低位热值约3500kJ/kg,故浓缩脱水污泥需要干化至含水率为30%~40%后方可自持焚烧。

污泥有机质完全焚烧至灰分释放的热量体现在污泥干基热值上,污泥干基热值计算如下:

Q=2.5×102×(100p-5)1

式中:Q为污泥干基热值,kJ/kgDS2.5×1025为污泥热值换算系数;p为污泥中有机质含量。

根据实际测得的有机质含量与污泥干基热值,经拟合可得:

Q=223p-11462

污泥热值与有机质含量直接相关,有机质含量越大,污泥热值越高,反之则越低。河湖底泥中有机质含量一般低于10%,其热值也较低,不到1000kJ/kgDS;污水污泥的有机质含量范围为30%~50%,其热值一般在5500~11000kJ/kgDS。通沟污泥的有机质含量变化范围较大。在实际测量过程中,由于取样存在不确定性,会导致污泥热值与有机质的关系不会是线性一一对应,在实际工程中,若污泥处置途径为干化焚烧,需要密切监测污泥中有机质含量与含水率变化。

2.3 多源污泥中重金属

多源污泥中重金属可能对生态环境造成潜在危害,评估方法有内梅罗指数法、潜在生态风险评估等。其中,内梅罗指数(P)是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数,分为Ⅰ~Ⅴ等5个等级,对应的判别标准依次为P0.70.7<P1.01.0<P2.02.0<P3.0P>3.0,分别代表清洁(安全)、尚清洁(警戒限)、轻度污染、中度污染、重度污染。

参考《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB366002018)中第一类用地筛选值,内梅罗指数法中CuAsPbCdNiHgC0取值分别为200020400201508mg/kg,由于该标准中给定Cr为六价铬,而本次调研中测得的是总铬,此外,该标准并没有对Zn做出限制,故评估时不考虑这2种重金属。值得注意的是,C0的取值会极大影响评估结果,本次评估只是相对一般建设用地的泥质标准而言,若参考当地背景值进行评估,则会产生不同结果。污水污泥、通沟污泥、河湖底泥样品分别为905438个,其重金属含量见表2

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污水污泥中ZnCuAsPbCdCrNiHg含量均值分别为515.9130.315.826.40.6146.742.70.7mg/kg95%以上满足《农用污泥污染物控制标准》(GB42842018A级标准,可以考虑农用,部分污泥样品的AsCrZn含量较高,这与西安、北京等地结果较为一致。污水污泥的内梅罗综合污染指数为0.58,处于清洁水平。通常认为,污泥经过厌氧或堆肥处理后,重金属的含量会有所增加,调研过程中,4次采集某污泥厌氧处理厂干化沼渣,ZnCuAsPbCdCrNiHg含量的均值分别为484.6287.7220.3324.610.6687.3726.110.24mg/kg,也满足GB42842018A级标准要求。

通沟污泥上述8种重金属含量均值分别为245.237.810.233.40.437.127.31.5mg/kg,满足《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB366002018)中第一类用地的筛选值,即通沟污泥可用于城市建设用地。通沟污泥的内梅罗综合污染指数为0.38,处于清洁水平。

河湖底泥中上述8种重金属浓度均值分别为212.342.89.128.80.550.520.21.0mg/kg,均满足《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB366002018)第一类用地的筛选值,即河湖底泥可用于城市建设用地。河湖底泥的内梅罗综合污染指数为0.34,处于清洁水平。

多数重金属的评价方法通常采用土壤背景值作为C0,得到的污泥内梅罗综合污染指数较高,为重污染或高风险,但在实际应用过程中,应该根据污染物去向,比如土地利用、园林利用或建设用地,选择合适的评估方法,这样得到的结果会更为合理。

2.4 多源污泥中微量污染物

污水污泥、通沟污泥、河湖底泥的多环芳烃测试样本分别为453010个,多源污泥中多环芳烃含量见表3。河湖底泥中多环芳烃含量较低,受到的污染较轻,明显低于通沟污泥,且低环PAHs占比大,可看成当地本底值。通沟污泥的多环芳烃含量最高,可以归结于市区汽车尾气、餐饮废弃物沉积到通沟污泥中,进而进入污水系统,由于污水系统的生化作用可以降解部分多环芳烃,导致污水污泥中多环芳烃浓度较低。2019年开始实施的《农用污泥污染物控制标准》(GB42842018)中对污泥中的PAHs含量做出了一定限制(A级污泥产物<5mg/kgB级污泥产物<6mg/kg),污水污泥中的PAHs浓度满足该规定。

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共测试29个污水污泥样品,检测了包括磺胺类、四环素、喹诺酮类在内的13种抗生素,共有22个样品被检出抗生素,检出率为75.86%13种抗生素浓度之和平均为61µg/kg。罗红霉素、阿奇霉素、环丙沙星、氧氟沙星是几种常被检出的抗生素,罗红霉素和阿奇霉素属于大环内酯类抗生素,在临床应用上较为常见;环丙沙星和氧氟沙星属于喹诺酮类抗生素,被广泛应用于畜牧、水产等养殖业。共测试8个通沟污泥样品,有6个样品被检出抗生素,13种抗生素浓度之和平均为9µg/kg,通沟污泥中,阿奇霉素和氧氟沙星两种抗生素被检出。共测试10个河湖底泥样品,有7个样品被检出抗生素,13种抗生素浓度之和平均为10µg/kg,河湖底泥中,红霉素、罗红霉素、阿奇霉素、氧氟沙星四种抗生素被检出,其中阿奇霉素含量普遍高于氧氟沙星,而氧氟沙星含量略高于红霉素,罗红霉素含量最低。通沟污泥和河湖底泥中的抗生素含量远低于污水污泥,这说明抗生素主要来源于人类活动。整体而言,抗生素的浓度处于µg/kg级,含量较小,风险较低。

2.5 多源污泥协同治理思路

多源污泥具有不同的产生特性。从来源看,污水污泥来源固定,通沟污泥、河湖底泥则来源分散;从产生频率和产量看,污水污泥是连续稳定产生的,通沟污泥间歇、少量产生,河湖底泥产生具有间歇性,产生量大。在各类污泥中,污水污泥产生量和来源较为稳定,多源污泥协同处理应以污水污泥为核心。

依据“分质协同、分类利用”的总体原则,按照有机质含量高低分类处理,3种污泥有机质含量从高到低依次是污水污泥、通沟污泥、河湖底泥。可将污水污泥与城市其他有机固废协同厌氧消化处理,并根据不同城市特征与需求,探索产物的多途径利用方式,例如矿山生态修复、填埋场修复、城市园林绿化、建材利用。通沟污泥可采用预处理―多级筛分―泥水分离―固化等工艺,分离出的有机物与污水污泥协同处理,无机砂石作为道路路基材料、制作防汛沙袋或作为其他建材产品加工原料,泥饼可加工为工程回填土、透水砖、陶粒等。河湖底泥处理工艺与通沟污泥类似,可充分利用已有通沟污泥处理站点,经脱水固化处理后,作为工程土或其他建筑工程材料。同时规划应急处置设施,充分利用现有燃煤电厂、垃圾焚烧厂、填埋场为多源污泥提供托底应急处置。

3、结论

①污水污泥有机质含量为30%~50%,含砂量高,其干基热值一般在5500~11000kJ/kgDS,养分含量为6%~8%,重金属含量较低,远低于《农用污泥污染物控制标准》(GB42842018A级标准,虽然经过后续厌氧消化或好氧发酵后,重金属含量会有所提高,但其土地利用风险依然较小。

②通沟污泥成分复杂,有机质含量范围约5%~90%,热值和养分含量较低,仅能达到土地改良用泥质标准,且不稳定,不适宜土地利用;河湖底泥有机质含量普遍较低,含量通常小于10%,其热值也较低,不到1000kJ/kgDS

③污水污泥中13种抗生素的检出率较高,但浓度低,风险较小。污水污泥、通沟污泥、河湖底泥的16种多环芳烃之和均值为0.4012.1080.813mg/kg,浓度低,风险较小。

④污水污泥处理处置主流工艺技术在我国均有广泛示范,在此基础上,可按照有机-无机分类原则积极探索多源污泥协同处理路径。(来源:上海勘测设计研究院有限公司,中国长江三峡集团有限公司长江生态环境工程研究中心,同济大学环境科学与工程学院)

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