1. Tecnologia di trattamento e smaltimento dei fanghi
Dai progetti internazionali attuali di trattamento e smaltimento dei fanghi, i metodi comuni di trattamento dei fanghi includono la fermentazione aerobica (compostaggio), la digestione anaerobica, l'essiccazione e l'incenerimento. I metodi di smaltimento dei fanghi includono l'uso del suolo, la discarica e l'utilizzo completo. A causa delle diverse condizioni nazionali, anche i metodi di lavorazione e le tecnologie adottate da ciascun paese sono diversi.
1.1 Fermentazione aerobica
La tecnologia di fermentazione aerobica per i fanghi è una nuova tecnologia di trattamento biologico che utilizza microrganismi nei fanghi per la fermentazione. Nelle applicazioni pratiche, può ottenere effetti innocui, ridotti e ingegnosi e ha le caratteristiche di economia, praticità, nessuna necessità di energia esterna e nessun inquinamento secondario. Attualmente, ricercatori nazionali e stranieri hanno condotto ampie ricerche sul controllo delle condizioni, sul controllo dei metalli pesanti, sulla tecnologia di ritenzione dell'azoto e sui processi tecnici nel processo di compostaggio e hanno ottenuto molti risultati preziosi [2-7]. Dopo decenni di sviluppo, la tecnologia di fermentazione aerobica per i fanghi ha fatto grandi progressi, ma ci sono ancora alcuni colli di bottiglia nella teoria tecnica e nel processo, come la necessità di una grande quantità di materiali ausiliari, la difficoltà nel controllo degli odori e l'esistenza di rischi per la salute e la sicurezza per gli esseri umani e gli animali. La tecnologia di fermentazione aerobica ha ancora un grande potenziale di miglioramento.
1.2 Digestione anaerobica
La digestione anaerobica dei fanghi si riferisce al processo in cui i batteri facoltativi e anaerobici decompongono la materia organica biodegradabile nei fanghi in sostanze stabili come anidride carbonica, metano e acqua in condizioni anaerobiche, riducendo al contempo il volume dei fanghi, rimuovendo gli odori, uccidendo le uova dei parassiti e riciclando il biogas prodotto durante il processo di digestione. La digestione anaerobica dei fanghi è attualmente il metodo più ampiamente utilizzato per la stabilizzazione dei fanghi e l'utilizzo delle risorse a livello internazionale, grazie al suo efficiente recupero energetico e al basso impatto ambientale. Molti studiosi a livello internazionale si sono impegnati nella ricerca della tecnologia di digestione anaerobica [8], che è stata ampiamente applicata e sviluppata. Nel complesso, la tecnologia di digestione anaerobica dei fanghi non ha fatto progressi rivoluzionari in Cina. Le tecnologie e le attrezzature chiave si basano principalmente sulle importazioni, con investimenti relativamente elevati e scarsa efficienza operativa. Ci sono ostacoli nell'utilizzo del biogas, che insieme costituiscono i fattori limitanti per la promozione e l'applicazione di questa tecnologia in Cina.
1.3 Incenerimento mediante essiccazione
L'incenerimento dei fanghi [9] si riferisce al processo di riscaldamento dei fanghi in condizioni di eccessiva fornitura d'aria, e quindi ossidazione, pirolizzazione e completa distruzione di materia organica e patogeni ad alte temperature (850-1100 ℃). Esistono vari tipi di dispositivi di incenerimento e attualmente quelli più comunemente utilizzati includono inceneritori verticali multistadio, inceneritori rotanti, inceneritori fluidizzati, ecc. Per raggiungere obiettivi di risparmio energetico, è necessario prima essiccare i fanghi e ridurre significativamente il loro contenuto di umidità prima dell'incenerimento. Pertanto, gli attuali progetti di incenerimento dei fanghi adottano generalmente un processo di trattamento combinato di essiccazione e incenerimento.
1.4 Uso del suolo
L'uso del suolo si riferisce all'uso diretto o indiretto di fanghi (dopo fermentazione aerobica o digestione anaerobica) per terreni agricoli, campi di ortaggi, frutteti, prati, rinverdimento e miglioramento del suolo, o l'uso di fanghi che soddisfano determinati standard come terreno di copertura per discariche. Negli ultimi anni, gli Stati Uniti, il Canada e alcuni paesi dell'UE hanno incoraggiato l'uso della tecnologia di uso del suolo per fermentare direttamente o aerobicamente i fanghi che soddisfano i requisiti dei fanghi per rinverdimento, ripristino del suolo e altri scopi. La ricerca si concentra principalmente sulla stabilizzazione e sui metodi di uso del suolo innocui dei fanghi, sull'efficienza dei fertilizzanti dei fanghi e sul loro valore nell'aumento delle rese delle colture. Sono stati condotti anche studi pertinenti sul potenziale impatto dei fanghi sulla qualità del suolo, sulle piante e sul controllo dell'inquinamento [10-14].
1.5 Scarico in mare
L'operazione di scarico oceanico è semplice e il costo del trattamento è relativamente basso per le città costiere. Tuttavia, con il rafforzamento della consapevolezza ecologica, le persone sono sempre più preoccupate per il possibile impatto dello scarico oceanico di fanghi sull'ambiente ecologico marino. Gli Stati Uniti hanno vietato lo scarico di fanghi nell'oceano nel 1988 e, dalla fine del 1998, l'European Community Urban Wastewater Treatment Act (91/271/EC) ha proibito ai suoi stati membri di scaricare fanghi nell'oceano. Il governo cinese ha accettato tre accordi internazionali all'inizio del 1994, promettendo di non smaltire rifiuti industriali e fanghi di depurazione in mare dal 20 febbraio 1994.
1.6 Discarica sanitaria
Le discariche sanitarie per fanghi hanno avuto inizio negli anni '60, con un funzionamento semplice della discarica, bassi costi e una forte adattabilità. I fanghi possono essere seppelliti separatamente o insieme ad altri rifiuti solidi (come i rifiuti urbani). Ma ci sono alcuni problemi [15]: a causa dell'elevato contenuto di acqua nei fanghi e del fatto che il percolato è un'acqua di scarico organica ad alta concentrazione, deve essere raccolto e trattato per prevenire l'inquinamento secondario; La difficoltà di compattazione dei macchinari nelle discariche è aumentata; Le condizioni sanitarie della discarica sono scarse.
Situazione attuale del trattamento dei fanghi in patria e all'estero
2.1 Stato attuale del trattamento e dello smaltimento dei fanghi all'estero
Il trattamento e lo smaltimento dei fanghi di depurazione urbani nei paesi stranieri ha una storia di quasi 100 anni. Che si tratti di un utilizzo efficace o di smaltimento in discarica, lo scopo del trattamento dei fanghi è lo stesso di quello di altri trattamenti dei rifiuti, ovvero ridurre, stabilizzare, rendere innocuo e risorsa. Per raggiungere questo obiettivo, è necessario formare un sistema di trattamento e smaltimento dei fanghi attraverso la combinazione organica di vari macchinari e strutture di lavorazione. I passaggi fondamentali dello smaltimento dei fanghi sono concentrazione, disidratazione, essiccazione, incenerimento, ecc., tutti in grado di svolgere un ruolo nella concentrazione dei fanghi. In circostanze normali, il flusso di processo dei sistemi di trattamento dei fanghi nelle città straniere generalmente include le seguenti quattro categorie [16]: (1) fanghi originali → concentrazione → disidratazione → smaltimento della torta filtrante disidratante; (2) fanghi grezzi → concentrazione → disidratazione → incenerimento → smaltimento del contenuto di ceneri; (3) Fango grezzo → concentrazione → digestione → disidratazione → smaltimento della torta di filtrazione disidratata; (4) Fango grezzo → concentrazione → digestione → disidratazione → incenerimento → smaltimento del contenuto di ceneri. Secondo le statistiche di 318 impianti di trattamento delle acque reflue in Giappone [17], il metodo di trattamento dei fanghi (1) rappresenta il 34%; il metodo (2) rappresenta l'8,8%; il metodo (3) rappresenta il 26%; il metodo (4) rappresenta il 5,7%. Il metodo principale per lo smaltimento finale dei fanghi in Giappone è l'incenerimento, che rappresenta circa il 55% dello smaltimento totale dei fanghi. Secondo la stima dell'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti, da quando il governo ha emanato i regolamenti sulla purificazione dell'acqua nel 1972, la quantità di fanghi è aumentata rapidamente di anno in anno, raggiungendo gli 8,2 milioni di tonnellate nel 2010. Nel Regno Unito, secondo i dati [18,19], la produzione annuale di fanghi generati dal trattamento delle acque reflue è di 1,107 milioni di tonnellate di fanghi secchi. Il principale metodo di smaltimento finale dei fanghi nel Regno Unito è l'agricoltura (46,6%), seguita dallo scarico dei fanghi in mare (33,5%). Con i problemi ambientali sempre più gravi, la Comunità europea ha stabilito nell'accordo che la scadenza per lo scarico dei fanghi di depurazione in mare era il 31 dicembre 1998, il che significa che il 33,5% dei fanghi nel Regno Unito sarà deviato verso lo smaltimento a terra. Attualmente, la percentuale di fanghi utilizzati per le discariche nel Regno Unito è relativamente piccola, rappresentando solo l'8% della capacità di trattamento dei fanghi. A lungo termine, la direzione di sviluppo dello smaltimento dei fanghi nel Regno Unito è quella di riutilizzare i fanghi trattati tramite digestione anaerobica, trattamento chimico o termico e stoccaggio a lungo termine in terreni agricoli. Attualmente, i metodi di smaltimento dei fanghi comunemente utilizzati in tutto il mondo includono l'uso agricolo, la discarica, lo smaltimento in mare, l'incenerimento, ecc. Gli Stati Uniti e il Regno Unito si affidano principalmente all'agricoltura, l'Europa occidentale si affida principalmente alle discariche di fanghi, il Giappone si affida principalmente all'incenerimento e l'Australia si affida principalmente alle discariche di fanghi e allo smaltimento in mare. I paesi dell'UE hanno condotto un'analisi completa della tendenza di sviluppo dello smaltimento dei fanghi [20]. A causa di fattori quali la superficie disponibile, i costi di trattamento, gli standard ambientali sempre più severi e la diffusione di politiche di recupero delle risorse, nonché i significativi cambiamenti nelle proprietà dei fanghi nei prossimi 10-20 anni, la percentuale di metodi di smaltimento dei fanghi adottati dai paesi dell'UE nel 2005 era la seguente: il riciclaggio rappresentava il 45%, l'incenerimento il 38% e la discarica il 17%.
2.2 Situazione attuale del trattamento e dello smaltimento dei fanghi domestici
Alcune città di piccole e medie dimensioni in Cina non hanno sostanzialmente costruito impianti di trattamento delle acque reflue e anche nelle città di grandi e medie dimensioni con impianti di trattamento delle acque reflue, oltre il 90% dei loro impianti di trattamento dei fanghi non sono adeguati. Oltre il 70% degli impianti di trattamento delle acque reflue che sono stati costruiti utilizza direttamente fanghi non trattati per scopi agricoli. Anche negli impianti di trattamento delle acque reflue con vasche di digestione, i fanghi digeriti vengono solo leggermente disidratati prima di essere utilizzati direttamente per scopi agricoli, rendendo difficile soddisfare gli standard igienici per l'uso dei fanghi. La tecnologia di smaltimento dei fanghi è relativamente arretrata rispetto ai paesi sviluppati. Dal punto di vista degli impianti di trattamento delle acque reflue urbane già in funzione in Cina, il processo di trattamento dei fanghi include quattro processi principali: concentrazione dei fanghi, stabilizzazione, disidratazione e smaltimento finale. Attualmente, la Cina ha iniziato a utilizzare i fanghi degli impianti di trattamento delle acque reflue per le discariche e l'inverdimento urbano e a utilizzare i fanghi come substrato per produrre fertilizzanti composti per l'agricoltura e altri scopi. Ma la situazione generale è ancora principalmente sotto forma di uso del suolo dei fanghi, usando i fanghi per l'agricoltura. A causa dell'insufficiente attenzione prestata al controllo di indicatori fisici e chimici come patogeni, metalli pesanti, composti organici tossici e indicatori sensoriali come l'odore nella gestione dei fanghi in Cina, l'ulteriore smaltimento e utilizzo dei fanghi sono limitati. La percentuale di tecnologie di smaltimento dei fanghi domestici è la seguente: l'utilizzo agricolo rappresenta il 44,83%, la discarica rappresenta il 31,03%, lo smaltimento non dei fanghi rappresenta il 13,79%, l'inverdimento rappresenta il 3,45%, l'incenerimento rappresenta il 3,45% e la discarica mista con rifiuti rappresenta il 3,45%. Il 13,79% dei fanghi domestici non è stato smaltito, il che rappresenterà un'enorme minaccia per l'ambiente. Il cattivo odore emesso dai fanghi è gravemente inquinato, i batteri patogeni rappresentano una potenziale minaccia per la salute umana e metalli pesanti e composti organici tossici e nocivi contaminano i sistemi di acque superficiali e sotterranee. Le ragioni di questo fenomeno includono: a causa dell'inizio tardivo del trattamento e dello smaltimento dei fanghi in Cina, molte città non hanno incluso i siti di smaltimento dei fanghi nella loro pianificazione urbana complessiva, con conseguente difficoltà per molti impianti di trattamento delle acque reflue a trovare metodi di smaltimento dei fanghi e siti di smaltimento idonei; Le basi dell'utilizzo dei fanghi nel nostro paese sono deboli e la comprensione delle persone dell'utilizzo dei fanghi è gravemente insufficiente. C'è una mancanza di attenzione allo smaltimento finale dei fanghi, che ha lasciato pericoli nascosti per lo smaltimento finale di alcuni fanghi nocivi; Il tasso di utilizzo dei fanghi non è molto elevato e c'è ancora una parte dei fanghi degli impianti di trattamento delle acque reflue che viene solo immagazzinata e trasportata dal dipartimento di igiene ambientale nei sobborghi per l'accatastamento diretto. L'accumulo arbitrario di fanghi può facilmente causare inquinamento secondario e spreco di risorse di fanghi. Pertanto, il problema attuale che il nostro paese deve affrontare è sviluppare la tecnologia di smaltimento dei fanghi il prima possibile per risolvere il problema dei crescenti fanghi di depurazione.
3 Tendenze di sviluppo delle tecnologie di trattamento e smaltimento dei fanghi
Negli ultimi anni sono emerse alcune tecnologie emergenti, come la tecnologia di trattamento al plasma per i fanghi, che viene gradualmente applicata al trattamento dei rifiuti organici urbani. Svezia, Stati Uniti, Germania, Giappone e altri paesi hanno costruito impianti di trattamento al plasma di una certa scala e si sono sviluppati anche in Cina negli ultimi anni [21]. La tecnologia di trattamento dei fanghi a ultrasuoni di recente sviluppo non è stata ampiamente utilizzata a causa dell'efficienza e del consumo energetico di un utilizzo energetico sano, ma ha ampie prospettive di utilizzo congiunto con altri processi di trattamento dei fanghi. Molteplici tecnologie per l'utilizzo dei fanghi come materiali da costruzione sono state relativamente mature nei paesi avanzati di tutto il mondo, tra cui tecnologie come mattoni da costruzione, materiali leggeri e materiali cementizi hanno iniziato la produzione e l'applicazione su larga scala o stanno pianificando la produzione e il riutilizzo su larga scala in paesi come Giappone e Germania. Altri metodi di trattamento e smaltimento dei fanghi, come la modifica dei fanghi per produrre adsorbenti, carbone attivo, uso come leganti, oliatura dei fanghi e degradazione dei composti clorurati, sono stati studiati in una certa misura, ma sono ancora nella fase di ricerca esplorativa. Dopo decenni di sviluppo, paesi sviluppati come Europa, America e Giappone hanno formato percorsi tecnologici di trattamento e smaltimento dei fanghi relativamente completi [22] e anche l'applicazione delle relative apparecchiature è diventata matura. Leggi, regolamenti e standard pertinenti sono stati relativamente completi. Negli ultimi anni, il Giappone ha apportato modifiche strategiche al percorso tecnologico di trattamento e smaltimento dei fanghi, spostandosi gradualmente verso l'utilizzo delle risorse dei fanghi e il contenuto di ceneri di incenerimento dei fanghi è utilizzato anche per la produzione di materiali da costruzione. In sintesi, l'approccio generale al trattamento e allo smaltimento dei fanghi nei paesi sviluppati come Europa, America e Giappone è l'utilizzo delle risorse dei fanghi, con l'uso del suolo come metodo principale e direzione incoraggiata per lo smaltimento dei fanghi. Pertanto, le tecnologie di utilizzo delle risorse come la digestione anaerobica, la fermentazione aerobica, l'uso del suolo e la produzione di materiali da costruzione saranno al centro della ricerca del trattamento e dello smaltimento dei fanghi a livello internazionale. Pur garantendo il trattamento innocuo dei fanghi, il raggiungimento del massimo utilizzo dei fanghi è diventato una tendenza nello sviluppo del campo internazionale del trattamento e dello smaltimento dei fanghi.
4 Conclusion
Attualmente, i fanghi generati in Cina sono circa il 48%, il 28% è destinato all'uso del suolo e il 48% alla discarica, il 3% all'incenerimento, il 45%, il 13% al 79% non è stato smaltito correttamente e la situazione generale è principalmente sotto forma di uso del suolo, con la maggior parte utilizzata per l'agricoltura [23]. C'è ancora una grande quantità di fanghi che non è stata smaltita correttamente, il che può rappresentare potenziali pericoli per l'ambiente. In combinazione con le condizioni nazionali di base della Cina con una popolazione numerosa e risorse ed energia relativamente scarse, la tecnologia di riutilizzo dei fanghi è molto preziosa per lo sviluppo. Si può vedere che l'utilizzo delle risorse e l'utilizzo dell'energia dei fanghi saranno un'importante direzione di sviluppo per l'industria nazionale dei fanghi in futuro.
