广州市城市污泥的处理和资源化利用

广州市城市污泥的处理和资源化利用王联鹏张淑娟（中山大学环境科学与工程学院，广州，510275）摘要：如何处理城市污水处理厂产生的污泥一直是世界各大、中城市共同面临的一大难题，在综合分析广州市城市污泥性质的基础上，并结合污泥的几种处理方法，我们探讨了广州市污泥农用、热化学处理以及在建材行业中应用的可行性。关键词：污水污泥；焚烧；低温热解；陶粒TheDisposalsandApplicationsoftheSewageSludgeinGuangzhouWangLianpengZhangShujuan(theschoolofenvironmentscienceandengineeringinZhongshanUniversity)Abstract：Howtodisposethesewagesludgeinsewageplantisalwaysabigdifficultproblem.BasedonsystematicalanalysisanddisposalmethodsofthesewagesludgeinGuangzhou,wediscussedthefeasibilityofthethermochemicaldisposalandapplicationsinthefarmingandbuildingmaterials.Keywords:sewagesludge;burning,lowtemperaturepyrogenation;ceramsite1.前言污水处理厂产生的污泥含有大量的有机物、病原体和重金属,很容易造成二次污染。调查发现,随着广东省珠江综合整治工作的深入开展,污水处理能力不断提高,但往往只考虑污水的处理,并未全面考虑污泥的无害化处理,大部分污泥被填埋。目前，广州全市污水处理厂每日产生约300t污泥,一直都是脱水后运至番禺填海，这样的处置方式既造成了污水厂运行成本的增加，又可能对江海产生二次污染，同时也造成了污泥资源的浪费。因此，如何真正对污水污泥实现无害化处理,解决好污水污泥的出路,将是广州市政府亟待解决的一个课题。本文从分析广州市污泥的性质入手，探讨广州市污泥的处理和资源化利用的可能性。2.广州市城市污泥处理的现状随着广州市社会经济和城市化的高速发展，城市污水厂的处理规模、处理程度都在不断扩大和提高。目前，广州市已建成投入运行的污水处理厂有大坦沙污水处理厂，猎德污水处理厂一期、广州经济技术开发区污水处理一期，处理城市污水总量为58万m3/d，三个污水处理厂日均产污泥320吨。正在建设的有猎德二期、西朗一期、大坦沙三期、沥窑一期四个大型城市污水处理厂，使污水处理总量达139万m3/d，污泥产量900t/d[12]。按照《广州市国民经济和社会发展第十个五年计划纲要》的要求，“十五”时期使城市生活污水处理率达到70%以上，由此可知，广州市城市污泥的产量将会成倍增加。目前，广州市城市污泥大部分都是运至番禺填海，只有少部分用来制作陶粒作为建材，因污泥中含有大量致病微生物和超标重金属，造成环境污染，广州市环保局已发文规定2001年12月底后不再允许污泥填海。2003年，广州市规划建设了一座处理规模为900t/d的污泥处理厂,可以处理广州市扩建(新建)的猎德二期,西朗、大坦沙三期和沥窑四大污水处理系统投产后产生的所有污泥。3.广州市城市污泥处理方法的探讨表1列举了20世纪九十年代西欧、美国和英国的污泥处置情况，西欧以污泥填埋为主（占45%），美国和英国以污泥农用为主（分别占30%和42%），加拿大以污泥焚烧为主（40%）。我国污泥处理技术发展落后，大部分以农用、简易填埋处理，在选择污泥的处理方法时，应按照以下的优先级：（1）尽量避免污泥产生；（2）污泥产量极小化；（3）污泥回用；（4）污泥焚烧；（5）污泥填埋，对污泥要实现减小化、无害化、稳定化、资源化[3]。表1西欧、美国和英国的污泥处置情况[1，2]处置方法西欧美国英国英格兰和威尔士苏格兰北爱尔兰英国总体农用303044136042填埋452485128投海181927762830焚烧7218107调节土壤————2002经济利用————6506贮存————50053.1污泥的土地利用污泥土地利用则是利用污泥中大量的N,P,K等营养元素和丰富的有机质,改善土壤结构并供给植物养分,弥补我国土地贫瘠的现状.正是由于污泥的资源性特点,世界水环境组织(WEF)于1995年已将污泥(sludge)更名为生物固体(biosolid),从而更加明确了污泥应该作为资源来利用的观念[4]。与国外相比，我国对城市污泥农用资源化的理论研究与实践还存在很大的差距，仅广州市大坦沙污水处理厂每年污泥的处置费用就达20万元之多，可见这种非农用资源化处置,不仅要花大量的处置费用,还受场地限制,而且浪费资源,污染环境[5]。目前，污泥的土地利用主要有两种形式：农用及园林绿化。3.1.1污泥用作农肥污泥中含有病菌、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三个关键问题,首先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[6]。广东省山地丘陵多,地形倾斜,高低起伏,加上高温多雨,土壤侵蚀强烈,有机质分解快,积累难,致使有机质含量低,pH值低,养分淋失量大,土壤肥力低[5]。从表2可知：广州市污泥一般含有大量的氮、磷、钾的营养成分，在重金属含量达标的前提下，可以用作肥料和土壤改良剂。表2广州市污泥中的营养成分（单位：％）[12]氮磷钾猎德污水处理厂3.232.252.112大坦沙污水处理厂3.672.131.736广州开发区污水处理厂5.413.321.455国内其它大型污水处理厂2.4-3.91.2-3.50.32-0.43①污泥中的重金属广州市城市污泥中重金属含量较高Hg、Cd、Cr、Zn、Cu等含量均有超过《农用污泥中污染物控制标准》（GB4284-84）规定的农田施用污泥中污染物最高量（广州市环境监测中心站监测结果）。《农用污泥中污染物控制标准》还规定“在沙质土壤和地下水位较高的农田上不宜施用污泥；在酸性土壤上施用污泥必须遵循在酸性土壤上污泥的控制标准之外，还必须同时年年施用石灰以中和土壤酸性”[12]。污泥中的重金属是污泥农用最主要的控制因素，如果污泥施用量大，这些金属会对植物、动物、甚至通过食物链与生物链的传递而对人类产生毒害作用。华南地区属于红壤地区，土壤多为酸性，而且江河密布，地下水位高，因此往往也制约了污泥肥料的大面积农用的推广利用。②污泥中的病原体污泥中含有大量的病原体，常见的有寄生虫、细菌、真菌和病毒四大类，其主要来源是污水中病原体在污水处理过程中进人污泥，当污泥进人环境的时候，其中病原体也随之被传播到环境中，对环境和公共卫生构成严重威胁。对于污泥农业利用过程中具有潜在生态风险的重金属、病原体和有毒有机物等的污染控制研究，国内目前还处于起步阶段，因此广州市污泥的农业利用还需要进一步深入研究。3.1.2污泥在园林绿化中的应用张增强[13]的研究表明，干污泥和污泥堆肥施用于城市绿化及观赏性植物，既脱离食物链，减少运输费用，节约化肥，又可使花卉的开花量增加，花径增大，花期延长。另外，张增强等[14]和李艳霞等[15]成功利用污泥、垃圾堆肥作为林木容器育苗基质，部分地替代泥炭土用于工厂化育苗，从而降低生产的成本费用。最近,华南农业大学与广州市园林研究所合作,把污泥与木屑(绿化公司修剪下来的树枝粉碎)混合堆肥,作为育苗和花卉基质,效果不亚于用泥煤土开发的花卉基质，而在经济上,由于不需再购高价的泥煤土,代之以污泥为原料,变废为宝,经济效益更佳[7]。3.2污泥的热化学处理污泥的热化学处理是使污泥在高温条件下迅速地减量化、稳定化和无害化，因其处理速度快而受人们欢迎。常用的污泥热化学处理方法有污泥焚烧和污泥热分解[3]。3.2.1污泥的焚烧由于污泥中含有一定有机物，经脱水后污泥可用焚烧加以处理，从而达到无害化要求[8]。如日本东京1985年经处理含水率75%～86%的泥浆1800t焚烧成130t灰[9],日本城市污泥在进行焚烧处理的同时，建立热利用系统，其技术成熟，处理量逐年增长，使难以处理的污泥达到了减容化与资源化的目标[10]，目前，焚烧技术的成本还比较高，主要是在日本和欧美较为普遍，日本61%的污泥采用焚烧处理[11]。广州市的污泥的热值比较低，在大坦沙污水处理厂污泥的组分中，可燃组分含量为43.78%，干基高位热值9399KJ/Kg,湿基高位热值为30399399KJ/Kg，污泥的发热量仅相当于煤炭的36.4%[12]，如果用焚烧法来处理广州市的污泥，不但耗费了大量的能源，而且热效率很低，并且还产生二恶英和重金属挥发性气体从而造成二次污染。3.2.2污泥的低温热解污泥低温热解制油技术是通过无氧加热污泥干燥至一定温度(500℃),由干馏和热分解作用使污泥转化为油、反应水、不凝性气体(NGG)和炭等4种可燃产物[16]。该技术的优点是：产油的热值高，收集起来后可以作为能源储存；油在热解过程中以蒸气相存在，可被明火点燃，性质稳定[17]；同时，热解也产生污泥炭，其性质稳定，可以用于掺煤或直接作为热解补充能源[18]。污泥的低温热解技术正由实验室走向实际应用阶段，第一座工业规模的污泥炼油厂在澳大利亚柏斯,处理干污泥量可达25t/d[19]。3.3污泥的资源化利用3.3.1利用污泥烧制陶粒陶粒是在一定温度（一般是高温）下处理，使原料发生化学反应释放气体，产生气孔和膨胀，冷却后形成轻质多孔，有一定强度的球形或类球形硅酸盐产品[21]。陶粒及其制品是具有发展前景的新型建材,其性能优(轻质、高强、隔热、保温、耐久等特性)、节能效果显著、用途广泛,自20世纪初问世以来,在各国大量使用,并快速稳定发展[20]。20世纪90年代以来，国内外在污泥制陶粒方面取得了一定的进展。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(主原料为粉煤灰)生产陶粒的工厂，年产量约10万吨，由于产品质量好，得到政府和污水处理厂补贴(每吨污泥补贴6～12美元)，企业经济效益和社会综合效益很好。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[22]。我国学者在以污泥为原料制陶粒方面页做了大量的研究，并取得了一定的成果，以华南理工大学吴清仁副教授为首的课题组的研究成果“污水处理厂生物污泥综合利用研究”经过专家鉴定已达到国内先进水平，对解决广州市城市污泥的出路问题以及实现污泥的资源化利用都具有很大的作用。随着快速发展的建材行业对粘土的大量需求，作为建筑材料之一的墙体材料面临着两个方面的限制：一方面是随着国家保护耕地政策的实施，墙体材料要转向节土型产品，同时要拓宽原材料的来源；另一方面是处理生产污水和生活污水所产生的大量污泥一般都是填埋或对放，既浪费了资源又污染了环境。因此采用以污泥为主要原料加以一定量的辅料、外加剂制备建材产品陶粒将是一个十分有意义的课题。广州市在利用城市污泥制陶方面有着自己独特的技术优势，广州华穗轻质陶粒制品厂自2000年起利用猎德、大坦沙污水处理厂的污泥替代河道淤泥或部分粘土烧制轻质陶粒获得成功,产品质量好,日处理污泥量已达300t/d，目前，经过三期技术改造以后，改成不仅处理污泥没有二次污染，而且利用污泥还可以生产结构陶粒产品，填补了国内该项的空白。3.3.2以污泥为原料制造水泥随着广州市逐步发展成为国际性的大都市，人们越来越重视自己与大自然和谐的生态环境，要求城市固体废弃物的处理要向着减量化、稳定化、无害化、资源化的方向发展，因此，将城市污泥和城市垃圾焚烧灰作为原料制造水泥，除了可以实现资源、能源的充分利用外，还可使其中的有毒有害物质的危害性降低到最低程度。欧美和日本在利用废弃物生产水泥方面已有多年的历史和成熟的经验。美国是将污泥与20%～25％的石灰、铝氧化铁和助熔剂混合后送入1220～1550℃的反应炉中，热能的来源主要是废旧轮胎、焦炭和煤渣，可消