可循环利用污泥专用处置场建设的探讨

ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ可循环利用污泥专用处置场建设的探讨程五良，陈玲，赵建夫，夏四清同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092摘要：着重论述了国内外城市污水处理厂污泥的各种处置方法及处置现状，提出污泥土地利用是目前国内外污泥处理中的主体和重点发展的方式。根据上海市具体市情和污泥处置状况，提出在上海市建设污泥专用处置场，以解决污泥大量处置和最终用于土地利用的思路。比较详细地探讨了国外污泥专用处置场运行的现状，指出污泥专用处置场比污泥有效利用场能更大量地处置污泥且可循环反复处置，它占地面积小，在土地紧缺的上海更具利用优势。在此基础上，提出了适合上海市情的污泥专用处置场工艺流程设计、综合运行框架和具体的技术要求，以保证污泥能安全有效地处置利用。经过分析，指出在上海兴建污泥专用处置场处置污泥能获得较好的经济效益和环境效益。关键词：污泥处置；土地利用；污泥专用处置场；生物固体中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1672-2175（2004）01-0124-03城市污水处理厂的污泥是污水处理过程中形成的副产物，主要来自初沉池污泥和剩余活性污泥。污泥是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体，其中既含有大量的有机质和氮磷等植物营养元素，同时又含有多种重金属和有机污染物，并含有病原微生物和寄生虫卵等，其特点是含水率高（脱水污泥的水分质量分数约为80％），体积大，易腐败，产生恶臭，比重较小，颗粒较细。目前世界年产污泥量已达1亿t（干污泥）。随着经济的快速发展，城市用水量的逐年增加，越来越多的污水需要处理，污泥的产生量必然呈增加趋势。2001年上海每天平均废水量534万t；其中生活污水约348万t，处理率为53.3%；工业废水186万t，处理率95.4%；每天可产生5万多吨含水质量分数为99%的污泥。按上海建设国际化大都市的城市发展计划，到“十五”期末，上海全市日处理污水能力将达到580万t，污水处理率达到70%。因此，建设处理规模大、水平高的污水处理厂，提高水资源利用率已经成为城市发展的必然趋势和要求。但是，污水处理虽然可以提高水资源的循环再利用，但同时带来了污水污泥的处理处置及环境风险问题。如果没有得到妥善的科学处理处置，污泥不仅会占用大面积的土地，形成“污泥围城”的不利局面，其中的有害成分如重金属、病原物、有机污染物等，还会在环境中迁移或扩散，危及人类和其它生物的安全。因此，寻找科学有效的污泥处置途径已是一个亟待解决的问题。1污泥处置方法及现状目前城市污泥处置主要有填埋、排海、焚烧和土地利用等4种处置方法。填埋处置需要大量场地，这在寸金寸土的上海显然不宜推广；排海会危害海洋生态系统，造成无国界的污染，美国及欧盟国家已立法禁止将污泥排海；焚烧处置的投资、操作及前处理费用都较高，且易产生二恶英（Dioxin）等大气污染问题，故应受到限制。这3种处置方式都会给环境带来较严重的二次污染，而且也忽视了富含有机质和氮磷营养元素的污泥可资循环利用的价值。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，弥补土地贫瘠的现状。正是基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[1]。土地利用是欧美主要发达国家最主要的污泥处置方式，其处置量占污泥总量的60%以上[2]。2000年上海市市内20座污水处理厂的污泥总量为128.9万t（水分质量分数为97.5%）。土地利用也是上海市最主要的污泥处置方式，其处置量占污泥总量的69.5%。2上海市污泥处置策略上海是较为典型的江海冲击平原地区，因而上海周边地区有大面积的冲击潮滩不断形成。这些土地泥沙含量较高，碱度较大，有机营养成分很少，不宜于作物或植物生长。在上海土地资源紧缺的今天，如果能将经处理后的城市污泥用于改善潮滩土的性状，既改良了土壤，相当于“制造”了大面积的土地，又解决了污泥的出路。今后5年内上海将在郊区大力造林，郊区森林覆盖率将达到15%，比现在提高6个百分点；以此测算，上海市将净增林地面积3.333万hm2。若污泥总量的10%作为部分林地和绿地的基质土或改良土（剂），则每年可以消纳干污泥约12万t，约为2005年全市污泥待处置总量的40%。对于城市污水厂产生的污泥，其有毒有害物质含量较小，做土地利用，无论从载体的处置容量，还是从经济角度考虑，污泥的土地利用特别是林、绿地利用可望成为上海市近中期内污泥处置的主要发展方向。这种选择不仅对上海，对其它类似的城市也具有非常积极的意义。3污泥专用处置场早在20世纪70年代初，美国出现了首座大规模的污泥专用处置场（dedicatedland）。由于其污泥利用率高且场地与公众完全隔离，这一处置方式在许多城市污水处理厂得到推广应用。污泥专用处置场作为一种新兴的污泥处置方式，仅20年时间在美国就新建大型污泥处置场达20余座。欧洲ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ各国尽管在污泥处置场建设方面起步较晚，但他们对污泥专用处置场的工艺也进行了大量的研究，而英国的赫特福德郡已经在这方面有工程应用实例[3,4]。根据污泥利用方式的不同，污泥处置场可分为两大类：污泥有效利用场（dedicatedbeneficialusesites）和专用处置场（dedicateddisposalsites）。污泥有效利用场是作为污泥土地施用的一种形式。它有效的利用了污泥的结构和营养组分改善土壤结构性质，并选择在公众很难直接接触到的地方专门施用污泥种植不进入人类食物链的经济作物和树木，达到控制风险和资源化利用污泥的目的。污泥专用处置场是污泥土地利用过程的中间环节。在专用处置场中，土地仅为污泥的深度稳定化提供空间支持，达到深度处理的污泥将移地进行资源化利用。污泥专用处置场建设的目的是为了高效地利用有限的土地资源，获得最大限度的污泥处置率。欧美国家的污泥处置场基本上都为污泥有效利用场形式，它的特点是污泥直接在处置场内施用种植，实现最终资源化，但污泥处置率很低[一般为70t/(hm2·a)]，污泥有效利用场的面积很大（一般都为3000hm2以上）。美国有二十几个污泥有效利用场，每个利用场的面积都在3000hm2左右，占用了大量的土地资源[5]。上海市的土地资源极其有限，若要处置占上海污泥总量20%的污泥将需要一个面积3700hm2的污泥专用利用场（按专用利用场污泥平均处置率计算），即相当于上海老港垃圾填埋场十几倍的面积，这对于上海来说是难以接受的。因此，上海市污泥处置的方向应该是建立污泥有进-有出的专用处置场，以实现污泥的动态处置流动，即：3.1污泥专用处置场的基本构想污泥专用处置场是城市污泥处理资源化全过程中的深度稳定化环节。在该环节，将完成城市污泥的深度稳定化，进而实现污泥的动态资源化流动。因此，建设一个污泥专用处置场的基本构思如下：（1）处置量大，处置场所集中，便于集中统一管理；（2）处置场场址选择应离开市区，对公众的影响小；（3）处置场内分单元实行污泥动态处置，场内实行污泥的流入与稳定后流出的动态平衡；（4）经深度处理后污泥的土地利用应以林地、绿地利用为主，可考虑将污泥与部分沙性土混配改善上海土壤的先天质量缺陷，或补充用作绿地和林地的基质土，达到大量利用的目的；（5）处置场内可种植生长期短的草类植物，用来改善处置场本身的生态环境。3.2污泥专用处置场流程设计污泥专用处置场流程设计如图1所示。从城市污水厂产生的污泥先经过前处理环节，使其基本达到杀菌、消毒和相关要求后方可进入污泥专用处置场进行深度稳定化；在专用处置场污泥达到稳定化后才能出场进行再资源化再利用。为保证污泥处置量的平衡性和持续性，处置场应分为若干个单元分期、分批循环处置污泥。3.3污泥专用处置场技术要求3.3.1技术原理污泥专用处置场即是在专用的场地上把高效处理过的污泥在土壤里进行一定时间的堆置，实现污泥的稳定化过程。首先，可充分利用污泥中微生物的作用，使污泥中有机污染物逐渐降解、减少直至去除；其次，通过堆置使污泥中的病原菌等达到彻底消除；最后实现污泥的稳定化、无害化和资源化。同时，还可充分利用污泥深度处理的时间周期，选择合适生长期短的植物实施短期种植，达到对污泥中微量重金属等污染物的富集作用。3.3.2技术要求（1）前处理工艺要求。前处理工艺主要分为脱水和高效处理两个步骤，是污泥进入专用处置场前的前处理过程。前处理工艺主要的技术要求为：控制入场前污泥的含水率45%以下，重金属固定化、有机物基本除去、基本消除病原菌和臭气[6]。（2）污泥专用处置场要求。包括场地建设、污泥处置形式、污泥处置量、出场前污泥质量控制等几个方面。场址选择应离开市区并远离水源地，基本按生活垃圾卫生填埋场模式建设，其中主要包括不同场地单元之间的堤坝填筑、地基处理以及防渗层建设。场地预处理主要包括翻土和建雨水收集沟渠等[7]。根据污泥深度稳定化程度如腐熟度、有效有机质含量等控制指标，确定经前处理污泥在处置场内的堆置时间，一般合格污泥入场稳定污泥出场图1污泥专用处置场工艺框城市污水厂污泥高效处理污泥专用处置场深度处理污泥资源化城市污泥（脱水污泥）前处理工艺（基本达到杀菌、消毒）场地建设（场地预处理）污泥专用处置场出场污泥质量监控场内污泥稳定化处理短期植被种植贫瘠土壤改良污泥与沙土混配做基质土动态监测评价与信息反馈ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ该周期为1～3个月。并根据专用处置场规模，把处置场分为4或8个作业单元，实现处置场污泥的全年动态处置利用。参考国外污泥专用处置场污泥处置量的控制要求[8]，初步确定一次性污泥处置量应控制在小于等于2.7×104t/hm2，同时以一般出场污泥堆密度为500kg/m3计算，处置场内每单元的处置深度将控制在2.5m以内。按此计算，要处置上海污泥总量40%的污泥（1.2×105t干污泥）将需要专用处置场面积为2.6hm2，仅为上海老港垃圾填埋场面积的1/110。出场前污泥质量控制，要求污泥结构得到改善，实现污泥的稳定化，完全去除病原菌和臭气，污泥中的重金属和其他污染物浓度达到国家相应控制标准。（3）处置场周边环境监控要求。处置场使用寿命初步设计为20a，因此，必须通过建监测井等措施来周期性地对处置场内及周边的地表水、地下水、土壤及植物进行监测，以定期评价处置场的环境风险，达到污泥安全处置的目标。3.4污泥专用处置场的经济性分析污泥专用处置场的投资费用主要表现在处置场场地建设费、装卸污泥装置费以及购置运输车辆费等，而它的运行费用则较低。污泥专用处置场投资成本加上污泥进场前预处理成本一般可控制在320元/t干污泥以内，比污泥填埋的相应成本（约为400元/t干污泥）低20%左右[9]。而且污泥专用处置场的出场污泥可作为土壤改良剂或基质土商品出售，创造一定的经济效益。同时，相比于污泥焚烧（焚烧烟气、剩余灰渣）和污泥填埋（渗滤液），污泥专用处置场的负面环境效益最小。因此，污泥专用处置场能较好实现污泥处置的经济效益和环境效益。4结论（1）土地利用特别是林地和绿地利用是污泥资源化利用的最佳途径，即充分利用了污泥中丰富的有机质和氮磷钾等营养元素，改良了土壤结构，同时又最大量的消纳了污泥。（2）污泥专用处置场即可以大量的处置污泥，又能把污泥处置的环境负面效益控制到最小，同时在费用上，建立污泥专用处置场也是最经济的污泥处置方式。鉴于上海土质的先天缺陷和城市污泥量的不断增加，上海市污泥处置的方向应该首选建设污泥专用处置场，实现污泥的动态处置。（3）依照污泥专用处置场的工艺流程和技术要求处置后的污泥将满足污泥的无害化和资源化要求，实现污泥最终资源化土地利用的目的。参考文献：[1]黄国锋,吴启堂,孟庆强,等.有机固体废弃物在持续农业中的资源化利用[J].土壤与环境,2001,10(3):246-249.[2]USEPA,MUNICIPALANDINDUSTRIALSOLIDWASTEDIVI-SIONOFFICE.Biosolidsgenera