我国城市污水厂污泥处理处置技术研究进展

1我国城市污水厂污泥处理处置技术研究进展王发珍，李天增（北京桑德环境工程有限公司，北京，101102）摘要：本文就我国污泥的特点、污泥处理处置阶段、污泥综合利用进行了论述，并对现有污泥处理处置技术存在的问题及污泥处理处置的发展趋势进行了讨论。关键字：污泥处理与处置；资源化利用；污泥改性中图分类号：X703目前，我国城镇污水处理厂每年产生的剩余干污泥约180万t（含水80％的污泥900万t），预计未来5年内，年干污泥产量将达到540万t（含水80％的污泥2700万t）。污泥的处理、处置在污水处理中是不可或缺的。自20世纪80年代起，我国开始大规模的建设现代污水处理厂，但一直忽视了污泥处理、处置的重要性，据资料统计显示，欧美等发达国家在污水处理厂的建设中，污泥处理、处置的投资占总投资的50-70％，而我国目前只有20-50％。污泥作为污水处理的剩余产物，含水率高达70-80％，易腐烂，有恶臭，并含有大量病原微生物、寄生虫卵或重金属等有害物质，如不加妥善处理和处置，直接排放会给环境带来严重的二次污染。由此可见，污泥处理已成为污水处理厂面临的又一难题。1我国污水厂污泥的特点污泥成分复杂且含有有毒物质，这成为污泥资源化利用的主要障碍之一。我国污水厂污泥的成分特点如表1所示[1-3]：表1我国城市污水厂污泥的成分特点参数特点1脂肪，碳水化合物脂肪含量低，碳水化合物含量高VSS，碳水化合物（淀粉、糖类、纤维）含量高（高于50％），脂肪含量低（约20％），人均排出BOD：20-30g/p.d，SS：35-50g/p.d，有机物含量稍低于50％2污泥的C/N比污泥含氮量较高，一般在3％左右，污泥C/N比维持在10-20％的范围3pH值和酸碱度污泥的pH和总碱度基本在正常范围，pH再6.5-7.0之间，总碱度在16-26mg/L之间4重金属离子重金属离子含量较高5肥分污泥中富含的氮、磷、钾是农作物必需的肥料成分，有机腐殖质初次沉淀污泥含33％，消化污泥含35％，腐殖污泥含47％是良好的土壤改良剂6污泥热值污泥含有大量的有机物和一定量的纤维木质素，脱水后的污泥发热量约为836kJ/kg，具有较高的热值，在一定含水率下具有自持燃烧和用作能源的可能性污泥中重金属含量主要取决于工业废水排入污水处理厂的情况，我国污水中工业废水比重较大，故污水厂初沉及二沉污泥重金属含量较高，某些重金属含量超标严重[4]。2我国污泥处理与处置现状由于污泥处理技术难度高、投资大、回报不确定等因素，国内涉足此领域的企业少且规模小，与外国先进国家相比差距较大。在我国现有的污水处理设施中，有污泥稳定处理设施的不到25％，处理工艺和配套设备完善的不到10％[5]。国外的城市污泥处理与处置已经有近百年的历史，无论是进行有效利用还是填埋处置，污泥处理与其他废物的处理一样，皆是以污泥减量化、稳定化、无害化、资源化为目的。污泥处理随着我国污水处理的发展经历了以下阶段[6]：（1）20世纪60年代，由于我国污水处理厂较少，污泥量不多且成分简单，可简易处理后作为农肥使用，所以在此阶段污泥是资源，污泥处置尚未成为问题。从20世纪80年代至今，我国城市污水处理事业获得了跳跃性发展，城市污水处理厂从原先的4002多座发展到2005年的708座。因此在这一时期污水处理事业的重点主要集中在城市污水厂的建设上，污泥处置的问题并未突现，但因在建设中未能对污泥的处理处置进行详细的规划和设计，致使各个部门受认识、资金、技术、土地等条件的制约，在污泥处置方面仍以农田利用和堆放销毁为主，由于重金属等污染问题的出现，农业利用受到限制，污泥逐渐成为隐患。（2）进入21世纪后，随着城市发展和环境污染的加剧，我国城镇污水处理厂的建设开始快速发展。2003年全国污水处理率为42.39％，其中约有27.4％的城市污水需到污水处理厂集中处理。到2010年估计城市污水处理率将不低于70％。大量污水处理厂投入运行，必将产生大量污泥，所以污泥处理处置已成为行业面临的一个难题。在20世纪90年代之前，我国城市污泥处理工艺一般采用浓缩、中温消化、干化脱水，但是缺少污泥最终处置手段，进入90年代后，我国污水厂建设规模与数量加大，但是污泥处理主要采用延时曝气和好氧消化法，污泥处置则主要采用堆肥农用、填埋和综合利用等多种形式。3我国污泥处理处置的常规方法目前，我国污泥处理与处置方式主要有：污泥堆肥、污泥消化、建筑材料利用、污泥填埋、污泥焚烧、污泥投海等。3.1污泥堆肥污泥脱水后堆肥农用是目前国内一些污水处理厂正在进行研究和开发的课题。污泥中含有丰富的有机物和N、Ｐ、Ｋ等营养元素及植物所必须的各种微量元素Ca、Mg、Cu、Zn、Fe等，能够改善土壤结构，增加土壤肥力，促进作物的生长。实践证明，用污泥作为肥料使用，土壤的持水能力、毛细血管孔隙和离子交换能力均可提高3-23％，有机质增加35-40％，总氮含量增加70％，团粒增加25-60％。此外，污泥还能够改变土壤的生物学性状，使土壤中微生物总量及放线菌所占比例增加，土壤的代谢强度提高[7]。且堆肥过程中不需要其他能源和人工管理，投资及运行费用低，操作管理方便，很适用中小型污水处理厂。污泥的肥料化利用是一种积极、有效且安全的污泥处理方式。几十年来各国普遍采用，特别是美国近年来在污泥与工业废料生物堆肥技术上取得了进展。我国各地区的污水处理厂和科研部门也在污泥的处理、处置和利用方面进行了大量的研究工作，并取得了可喜的成果，污泥的土地利用已得到普遍的认同。在应用实践中，因污泥中含有病菌、寄生虫、病原体及重金属等对农作物不利的因素，因此污泥用做农肥要注意污泥中重金属会造成土壤污染，其次污泥中的病原体会对环境造成影响，再次防止污泥中的高浓度N、P对地下水造成污染[8]。3.2污泥消化污泥消化工艺主要分为二元消化[9]工艺和两相厌氧消化工艺两类。二元消化工艺即在第一级采用好氧消化，靠氧化产生的热量使体系温度大于50℃，然后进入第二级中温厌氧消化。两相厌氧消化工艺，即第一级和第二级分别采用中温和高温两相厌氧工艺组合。Ghosh[10,11]等人在EPA资助下对芝加哥市郊污水厂污泥进行了研究，得出以下结论：中温－中温两相消化系统在产气率、有机物去除率、过程稳定性方面都超过中温单相消化系统。在高温－高温和中温－中温两相消化系统中，物质对甲烷菌产生抑制。Parkin[12]认为脂类和蛋白质类物质降解产物如NH3-N等两相消化可能对活性污泥降解有改善。3.3污泥填埋污泥消化后经脱水再进行填埋是目前国内许多大型污水处理厂中常采取的方式，经过消化后的污泥有机物含量减少，性能稳定，总体积减少，脱水后作填埋处置是一种比较经济的处理方式。污泥填埋处理成本低、不需高度脱水或自然干化、既处理了污泥又增加了城市的建设用地。污泥填埋的操作要求与垃圾填埋相似。污泥填埋场的渗滤液属高浓度有机污水，必须集中加以处理；填坑需铺设防渗透性能好的材料，卫生填埋场应配设高渗滤液收集装3置及净化设施，防止污泥中的各种有毒、有害物质，经雨水的浸蚀和渗漏污染地下水及土壤。污泥填埋场四周应设围栏，并采取相应的防蚊蝇、防鼠措施，未经干燥焚烧处理的污泥，宜小规模分层填埋，生污泥泥层厚度应0.5ｍ，消化污泥泥层厚度应不大于3ｍ，泥层上面铺砂土层为0.5ｍ，彼此交替进行填埋，并设置通气装置，污泥焚烧灰渣填埋时，可不分层填埋[13]。填埋不仅要占用大量土地，而且由于污泥中含有一定的有毒物质，填埋不当或者由于填埋地质条件等因素，将造成渗滤液的渗出而污染地下水层，影响给水水质。因此，采用填埋需要考虑多方面因素，合理规划。3.4建筑材料利用近年来，伴随我国经济高速增长带来的建筑、房地产业的快速发展，面临着国家保护耕地，限制开采黏土与使用大量建材的矛盾之间，利用污泥生产建材料，不仅可以减少污泥填埋所占用的土地，减少自然资源消耗，而且可以使资源得到循环利用。既解决了污泥的出路，又解决建材面临的需求，有利于国家的可持续发展。污泥可用于制砖、制纤维板材、制熔融材料、制陶粒等。（1）污泥制砖的方法有两种。一种是用干化污泥直接制砖，另一种是用污泥灰渣制砖。用干化污泥直接制砖时，应对污泥的成分作适当调整，使其成分与制砖粘土的化学成分相当。当污泥与粘土按重量比1：10配料时，污泥砖可达普通红砖的强度。利用污泥焚烧灰渣制砖时，灰渣的化学成分与制砖粘土的化学成分是比较接近的，制坯时只需添加适量粘土与硅砂。比较适宜的配料重量比为灰渣：粘土：硅砂=100：50：(15-20)。有报导昆明工贸有限公司于2000年投资1200万元，引进国内先进技术，研究生产出优质的人造空心砖。这种轻型砖与传统的粘土实心砖相比，具有轻质、高强度、保温隔热、抗震等功能。在该产品材料中，活性污泥占30-40％，用这种陶粒空心砖代替普通粘土烧结的实心砖，既可节约土地，又节约能源及钢材，降低污染，提高综合效益。（2）污泥制生化纤维板，主要是利用活性污泥中所含粗蛋白（有机物）与球蛋白（酶）能溶解于水及稀酸、稀碱、中性盐的水溶液这一性质，在碱性条件下加热、干燥、加压后，发生蛋白质的变性作用，从而制成活性污泥树脂（又称蛋白胶），使之与漂白、脱脂处理的废纤维压制成板材，其品质优于国家三级硬质纤维板的标准。（3）污泥熔融制得的熔融材料可以做路基、路面、混凝土骨料及地下管道的衬垫材料。利用有害的城市垃圾焚灰和污泥制成有用的建筑材料——生态水泥，不仅有效地利用了再生资源，而且对环境保护来说无疑是一大贡献。生态水泥混凝土的流动性好、凝结时间短、析水率小，这些性能均有利于混凝土的施工作业。（4）污泥制陶粒是具有发展前景的新型建材，1994年，美国威斯康辛（Wisconsin）公司建成世界上第一家利用城市污泥为主原料生产陶粒的工厂，年产量约10万ｍ3。由于产品质量好，得到政府和污水处理厂补贴，企业经济效益和社会综合效益均为良好。到2002年底，美国已建成同类工厂6家，欧洲和日本也正在建设利用污泥生产陶粒的工厂。我国经过多年引进、消化和自主研发，已具备了成熟的陶粒生产技术和设备制造能力。污泥制成的陶粒具有轻质、高强、隔热、保温、耐久等特性，节能效果显著，用途广泛。陶粒可直接使用或用于制作陶粒制品；但在回转窑焙烧过程中产生的氯化二苯并二噁英(PCDD)和氯化二苯并呋喃(PCDF)，这些物质毒性极大，可致癌，控制PCDD、PCDF的排放的较经济、有效的方法还正在研究中[14]。3.5污泥焚烧污泥焚烧的处理法是最彻底、最大程度的减容方法，一是脱水直接焚烧，另一类是脱水、干化再焚烧。污泥中含有大量的有机物和一定量的纤维木质素，具有一定的热值。焚烧法产生的剩余物最少，无异味，可迅速和较大程度的使污泥达到减量化，不需作灭菌处理，干污泥颗粒可作发电厂燃料的掺合料，燃烧灰可作水泥的添加剂，污泥陶粒等可作建筑材料。污泥通过干馏，可提取焦油，燃料油等，也可制造四氯化碳、有机4玻璃树脂、甲醛等化工产品。污泥中合有一定量的有机成分，经脱水干燥的污泥可用焚烧处理。在日本，该方法已占污泥处理总量的60％以上、欧盟也在10％以上[15]。为防止焚烧过程中产生二噁英等有毒气体，焚烧温度应高于850℃。污泥焚烧所产生的焚烧灰具有吸水性、凝固性，因而可用于改良土壤、筑路等，也可作为砖瓦和陶瓷等的原料，另外，污泥灰也可以作为混凝土混料的细填料。将污泥转变成一种颗粒状燃料，可以很好燃烧，其热值和褐煤相当，燃烧释放的有害气体远低于焚烧过程，其残余物可用于建筑工业。污泥焚烧还可以从废气中获得剩余能量，用来发电。在脱水污泥中加入引燃剂、催化剂、疏松剂和固硫剂等添加剂制成合成燃料，该合成燃料可用于工业和生活锅妒，燃烧稳定，热工测试和环保测试良好，是污泥有效利用的一种理想途径。但污泥焚烧一次性投资大，运行费用高，成本高，管理水平和设备维修要求高，焚烧的烟尘如果直接排放，污泥中的重金属物质会随着烟尘扩散而污染空气。如焚烧来源于主要处理工业污水形成的污泥，经焚烧排放到环境中造成二噁英的污染。从环境保护和循环经济的角度出发，污泥焚烧将不被提倡。3.6污泥投海该方法简单，不需花费大量资源，但