輻照技術(shù)在污泥無害化處理中的應(yīng)用研究

摘 要：目前，我國每年的市政污泥產(chǎn)量已達(dá)到5000萬t，因此，減少污泥產(chǎn)量是亟待解決的環(huán)保焦點問題。通過試驗結(jié)果表明，10kGy以上的輻照劑量對污泥中細(xì)菌含量可以達(dá)到較為理想的殺滅效果。本文介紹了傳統(tǒng)污泥處置的流程，并進(jìn)行污泥輻照試驗，開發(fā)一種利用輻照技術(shù)工業(yè)化處理污泥的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：輻照污泥；厭氧消化；Co60γ輻照；高能射線；大腸桿菌；細(xì)菌總數(shù)

中圖分類號：X 703" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

污水處理廠在處理過程中產(chǎn)生的污泥稱為剩余污泥，其具有產(chǎn)量大、含水率高和細(xì)菌成分復(fù)雜等特點，是建設(shè)綠色和諧社會環(huán)境重點關(guān)注的環(huán)保問題。我國每年的市政污泥產(chǎn)生量已達(dá)到5000萬t，是亟待解決的環(huán)保問題。

傳統(tǒng)的污泥處理技術(shù)主要包括生物消毒技術(shù)和化學(xué)消毒技術(shù)。生物消毒技術(shù)國內(nèi)主要采用厭氧消化技術(shù)，對大腸桿菌及寄生蟲卵的滅活率較低，消毒滅菌效果較差。另一種處理方法為化學(xué)消毒法，常用的化學(xué)氧化劑為含氯氧化劑，利用高劑量的氯氣、二氧化氯、次氯酸鈉等氧化劑，與污泥充分接觸，使細(xì)菌和病毒滅活。該方法處理效果好，但是成本較高，而且加入的藥劑揮發(fā)產(chǎn)生的含氯氣體對操作人員的身體有危害，并且該方法有機加入藥劑較大，會造成環(huán)境的二次污染。

本文研究的是利用輻照技術(shù)處理污泥，通過試驗確定輻照技術(shù)處理污泥的工藝參數(shù)，結(jié)合污泥處理的后續(xù)流程行程連續(xù)化處理，提高污泥滅菌處理效率、縮短單位污泥滅菌處理時間，可以快速、安全、有效地對污泥中的微生物進(jìn)行殺滅，減少污泥對空氣、水體以及土壤的危害。同時減少使用化學(xué)滅菌劑，提供一種新的污泥處理滅菌方案。

1 輻照處理污泥機制

輻射技術(shù)用于廢物處理最早始于20世紀(jì)50年代，70年代至80年代，德國、美國等國家開始對輻照處理污泥進(jìn)行研究，現(xiàn)今已逐步成熟。我國常用的輻照處理主要包括2種射線裝置，即γ射線和電子束。γ射線主要來源于Co60輻照產(chǎn)生的射線，電子束輻照主要來源于工業(yè)電子加速器。目前，輻射處理污泥的技術(shù)操作簡便，高效且環(huán)保。

1.1 γ射線處理污泥技術(shù)

試驗發(fā)現(xiàn)[1]，污泥經(jīng)過γ射線處理后，總固體TS、揮發(fā)性固體VS、懸浮物SS以及揮發(fā)性懸浮物VSS都在減少，當(dāng)輻射劑量從0增至30kGy時，污泥粒徑分布從80μm～100μm 降至0～40μm，表明污泥絮體受到破壞。未經(jīng)處理的剩余污泥的含水率＞99%，當(dāng)γ射線作用于純水時，水中的自由基，eaq -和·H 是極具還原活性的自由基，輻射化學(xué)效應(yīng)主要就是水的這些輻解產(chǎn)物和溶質(zhì)的反應(yīng)。在0kGy～15kGy的吸收劑量范圍內(nèi)，經(jīng)過γ射線輻照處理的污泥，pH值變化不明顯，不會給污泥后續(xù)處理帶來不利影響。當(dāng)劑量達(dá)到15kGy時，污泥的初沉速度由輻照前的0.516cm/min提高到1.414cm/min。輻照后污泥的TS、VS、TSS和VSS不同程度地下降，表明輻照可以破解污泥組分，從而有利于污泥減量。

1.2 電子束預(yù)處理技術(shù)

電子束處理污泥存在以下4個優(yōu)點。1）試驗表明，通過電子束處理污泥，病原菌殺滅率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)化學(xué)方法處理污泥。2）處理后的污泥不影響污泥后續(xù)的再利用。3）試驗表明，在高劑量的輻射環(huán)境下，污泥中大量病原菌死亡和各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化分解，導(dǎo)致污泥惡臭氣味減少。4）處理效率提高，處理污泥成本降低，處理后的污泥安全性較好。采用高能電子束輻照處理后的污泥不僅病原菌數(shù)目可以達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，而且可以使部分有機污染物含量下降，同時會使大量有毒物質(zhì)分解或使非生物降解物轉(zhuǎn)化為可生物降解物質(zhì)。處理過程中的污泥特性也會有一定變化，例如脫水效果提高等，并且干凈快速的輻照技術(shù)還可以有效減少處理過程中產(chǎn)生的惡臭味，減少臭氣污染。由以上試驗可以看出，電子束處理污泥技術(shù)具有高效、綠色以及環(huán)保等特點。

2 使用電子加速器處理污泥的產(chǎn)能及成本

2.1 使用電子加速器處理污泥的成本分析

目前，污泥處理場采用投放化學(xué)試劑的方法進(jìn)行污泥預(yù)處理，藥品費用、傳動、加熱等電能消耗，污泥處理費用約為200元/噸（含折舊成本）。使用電子加速器處理污泥的電費成本：假設(shè)污泥密度為1g/cm3，電價為1元/度，吸收劑量為25kGy，輻射能轉(zhuǎn)化率為60%，射線利用效率為80%，處理污泥的電費為14.47元/噸。

2.2 使用電子加速器處理污泥的產(chǎn)能分析

使用電子加速器處理污泥的日產(chǎn)能：日產(chǎn)能取決于電子加速器的功率，假設(shè)電子加速器輸出功率為100kW，射線利用效率為80%，吸收劑量為25kGy，日輻照污泥最大產(chǎn)能約為276t。

3 傳統(tǒng)污泥處置的流程

污泥處置流程如圖1所示。調(diào)質(zhì)的作用是使污泥混合均勻，具有流動性，便于后續(xù)處理，此時污泥含水率＞95%；目前滅菌多采用投放次氯酸鈉的方法，加藥量較大，且對后續(xù)脫水產(chǎn)生不利影響，滅菌的目的是使后續(xù)處理過程中不再產(chǎn)生臭氣；改性的目的是提高脫水性，使污泥含水率降至65%～75%；干化的目的是進(jìn)一步降低污泥含水率，通過加熱，使污泥中的水分蒸發(fā)，使污泥含水率降至20%～35%；當(dāng)污泥含水率降至35%～20%時，可進(jìn)行自持焚燒或協(xié)同焚燒，焚燒煙氣的熱量通過換熱用于污泥干化。污水處理廠產(chǎn)生的污泥通常通過濃縮、穩(wěn)定和脫水等步驟進(jìn)行處理，以便進(jìn)行安全、可靠的后續(xù)處置。污泥最終處置途徑包括衛(wèi)生填埋、土地利用和建材利用等，可因地制宜地選擇不同的污泥處理處置工藝。

本文采用輻照技術(shù)處理污泥滅菌，代替?zhèn)鹘y(tǒng)通過投放堿性化學(xué)試劑的方法進(jìn)行細(xì)菌滅活，該方法處理污泥時間長、效率低，且引入新的化學(xué)物質(zhì)，給污泥的二次利用帶來隱患。本方法通過使用輻照技術(shù)對污泥進(jìn)行工業(yè)化處理，可以探索高效、安全的污泥處理方法，也可以進(jìn)一步探索使用厭氧消化技術(shù)處理污泥，增加甲烷產(chǎn)氣量，提高污泥利用效率，減少環(huán)境排放。

4 研究方法與內(nèi)容

4.1 污泥輻照試驗

樣品名稱：污泥，含水率95%。樣品來源：天津壹新環(huán)保工程有限公司。本次試驗采用8份樣品，每份樣品3個小樣，每份樣品質(zhì)量約200g。將污泥放入3cm×11cm×11cm的塑料盒中，在盒蓋上標(biāo)注標(biāo)號，用膠帶將塑料盒封裹。輻照完成后，送檢測單位進(jìn)行檢測。輻照樣品如圖2所示。

本次試驗輻照單位：天津金鵬源輻照技術(shù)有限公司。 輻照劑量：0kGy、4kGy、8kGy、12kGy、16kGy、20kGy、24kGy以及28kGy。輻照方式：Co-60 γ輻照。

4.2 檢測方法

樣品檢測單位：天津市宇相津準(zhǔn)科技有限公司。

4.2.1 總大腸菌群

輻照樣品的各梯度劑量在乳糖蛋白培養(yǎng)液中的情況如圖3所示。

接種水樣：將1∶100污泥稀釋水樣接種于乳糖蛋白胨培養(yǎng)液中，于37℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h。

圖4、圖5為經(jīng)過培養(yǎng)的發(fā)酵管分別接種于伊紅美藍(lán)培養(yǎng)基中的情況。

平板分離：將上述培養(yǎng)后產(chǎn)酸產(chǎn)氣或產(chǎn)酸未產(chǎn)氣的發(fā)酵管，分別接種于伊紅美藍(lán)平板上，于37℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h。

挑取典型菌落進(jìn)行革蘭氏染色鏡檢。

復(fù)發(fā)酵試驗：挑取革蘭氏染色鏡檢結(jié)果為革蘭氏陰性無芽孢桿菌的菌落，接種于乳糖蛋白胨培養(yǎng)液中，于 37℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h，產(chǎn)酸產(chǎn)氣者皆證實有大腸菌群存在。

4.2.2 細(xì)菌總數(shù)

選擇污泥稀釋103倍～108倍進(jìn)行檢測，1mL稀釋液接種于營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基中，37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h，每個稀釋度進(jìn)行平行樣檢測。

將計數(shù)結(jié)果折合成每克樣品菌落數(shù)進(jìn)行報告。

將污泥稀釋液置于37°培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h后的情況如圖6所示。

5 結(jié)果與討論

5.1 固廢檢測結(jié)果

檢測樣品描述如下：栗色、濕、固態(tài)、惡臭味。張韶華等[2]對污水處理廠曝氣池、沉淀池中的樣品進(jìn)行輻照處理，發(fā)現(xiàn)在6 kGy輻照劑量下樣品中的細(xì)菌總數(shù)由本底的3.5×107，可以降至1.54×102 cfu/mL；當(dāng)輻照劑量在10kGy時細(xì)菌總數(shù)降至0；通過表1可以發(fā)現(xiàn)，本試驗在輻射能量0kGy～10kGy的情況下，輻照可使剩余污泥中的細(xì)菌總數(shù)大幅降低。

5.2 討論

孫永亮等[3]通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)剩余污泥在脫水后，其中所含各種病原菌的 D10（D10：病原菌死亡率達(dá)到 90%所需輻照劑量）在10kGy左右。本次試驗最高劑量已經(jīng)達(dá)到了28kGy，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了細(xì)菌的致死劑量（25kGy），在此劑量下仍能夠檢測大腸桿菌及細(xì)菌總數(shù)。本次試驗采用γ射線輻照，排除掉穿透能力的因素，分析原因如下：本次試驗在夏季進(jìn)行，正處于新冠疫情期間，由于恰逢人員物品流動管制，此次試驗的污泥樣品在輻照處理后無法馬上送至專門機構(gòu)進(jìn)行含菌量檢測，夏季溫度過高，樣品中的細(xì)菌在等待輻照及運輸過程中又進(jìn)行了大量繁殖。根據(jù)以上試驗得到的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)輻照計量為8kGy～12kGy時，細(xì)菌總數(shù)和大腸桿菌數(shù)最低，當(dāng)輻照計量達(dá)到12kGy時，由于樣品在夏季菌群繁殖速度過快及等待時間較長，當(dāng)輻照計量達(dá)到25kGy以后樣品細(xì)菌總數(shù)及大腸桿菌數(shù)降為最低值。

6 結(jié)論

采用輻照技術(shù)處理污泥，可以提高污泥滅菌處理效率、降低單位污泥滅菌處理時間，快速、安全地殺滅污泥中的微生物，減少污泥對空氣、水體、土壤的危害。當(dāng)輻照計量在10kGy以上時，對大腸桿菌有明顯的殺滅效果。

參考文獻(xiàn)

[1]張景麗，顧平.γ -射線輻照法處理剩余活性污泥的試驗研究[J].南華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，29（3）：114.

[2]張韶華，石利民，金萍.輻照對污泥消毒效果的觀察[J].職業(yè)與健康，2002，18（12）：77.

[3]孫永亮，李欣，王潔，等.電子束輻照技術(shù)在剩余污泥處理中的應(yīng)用[J].原子核物理評論，2013，30（1）：72-78.

通信作者：劉釗（1987-）男，漢族，天津人，本科，天津市技術(shù)物理研究所有限公司科技開發(fā)部，工程師，研究方向為核技術(shù)應(yīng)用。

電子郵箱：465026776@qq.com。