城市污泥的综合利用

城市污泥的综合利用•污泥是污水处理厂对污水进行处理过程中产生的沉淀物质以及由污水表面漂出的浮沫形成的残渣。随着工业生产的发展和城市人口的增加，工业废水与生活污水的排放量日益增多，污泥的产量迅速增加。大量积累的污泥，不仅将占用大量土地，而且其中的有害成分如重金属、病原菌、寄生虫卵、有机污染物及臭气等将成为严重影响城市环境卫生的公害。如何科学妥善地处理处置污泥是全球共同关注的课题，当今的共识是将污泥视为一种资源加以有效利用，在治理污染的同时变废为宝。一、污泥的分类与性质•(一)污泥的分类污泥的种类很多，按来源可分为给水污泥、生活污水污泥、工业废水污泥。•按分离过程可分为沉淀污泥(包括初沉污泥、混凝沉淀污泥、化学沉淀污泥)、生物处理污泥(包括腐殖污泥、剩余活性污泥)。•按污泥成分及性质可分为有机污泥、无机污泥；亲水性污泥、疏水性污泥。•按不同处理阶段可分为生污泥、浓缩污泥、消化污泥、脱水干化污泥、干燥污泥、污泥焚烧灰等。(二)污泥的性质•污泥性质是选择污泥处理、处置及利用技术的重要基础资料。污泥性质取决于污水水质、处理工艺和工业废水密度等多种因素。一般说来，污泥具有以下性质。•①有机物含量高(一般为固体量的60％-80％)，容易腐化发臭，颗粒较细，密度较小，含水率高且不易脱水，是呈胶状结构的亲水性物质。•②污泥中含有植物营养素、蛋白质、脂肪及腐殖质等，营养素主要包括氮、磷(以P2O5记)、钾(以K2O记)。•③污泥的碳氮质量比(C/N)较为适宜，对硝化有利。污泥中的有机物是消化处理的对象，其中一部分是易被或能被消化分解的，分解产物主要是水、甲烷和二氧化碳；另一部分是不易或不能被消化分解的，如纤维素、乙烯类、橡胶制品及其他人工合成的有机物等。•④污泥具有燃料价值，污泥的主要成分是有机物，可以燃烧。•⑤由于城市污水中混有医院排水及某些工业废水(如屠宰场废水)，所以污泥中常含有大量的细菌和寄生虫卵。•⑥由于工业污水进入城市污水处理系统，污泥中含有多种重金属离子。在污泥各种水溶性重金属中，Cd、Cu、Pb浓度较高，酸溶性中，Cd浓度最高，其浓度顺序为CdCuPbHg。二、污泥的处理及综合利用•(一)污泥的处理•污泥的处理包括污泥的浓缩、消化和脱水。•1．污泥的浓缩•污泥中所含水分大致分为四类：颗粒间的空隙水，约占污泥水分的70％；污泥颗粒间的毛细管水，约占20％；颗粒的吸附水及颗粒内部水约占1％。污泥脱水的对象是颗粒间的空隙水。•污泥浓缩的目的就是降低污泥中的水分，缩小污泥的体积，减少消化池的容积和加温污泥所需的热量，为污泥脱水、利用与处置创造条件，但仍保持其流体性质。浓缩后污泥含水率仍高达90％以上，可以用泵输送。污泥浓缩的方法主要有重力浓缩、气浮浓缩和离心浓缩法3种。2．污泥的消化•污泥的消化是在人工控制条件下，通过微生物的代谢作用使污泥中的有机物稳定化。污泥中有机物含量很高，宜采用厌氧法处理，即在厌氧的条件下，污泥中的有机物被微生物分解为较低分子有机物，最终转化成为甲烷、氨、二氧化碳和水等无机物和气体。通过厌氧消化，既分解了有机物，还获得了一种很好的燃料－沼气。•厌氧消化工艺流程主要有标准消化法、高负荷消化法、两级消化法和厌氧接触消化法等。3．污泥的脱水•污泥经浓缩处理后，含水率约为90％，体积仍很大。为了满足卫生标准，综合利用或进一步处理的要求，必须充分地脱水而减量化，使污泥可以当作固态物质来处理。•污泥脱水包括自然干化与机械脱水。在机械脱水时，为了改善污泥的脱水性能，常采用污泥消化法或化学调理法等对污泥进行处理后再脱水。(二)污泥的综合利用•污泥是一种很有利用价值的潜在资源，随着工业和城市的发展，污水处理率的提高，其产生量必然越来越大。目前，污泥处置的主要方式有填埋、投海、焚烧和土地利用。这些方法都能容纳大量的污泥，是污泥处置的有效途径，但其中也存在诸多问题。为了充分利用污泥资源，减轻环境公害，世界上许多国家都在大力发展污泥处理处置和资源化利用的各种技术，取得了良好的经济效益和社会效益。1．污泥的农田林地利用•污泥中含有的氮、磷、钾、微量元素等是农作物生长所需的营养成分；有机腐殖质(初沉池污泥含33％，消化污泥含35％，活性污泥含41％，腐殖污泥含47％)是良好的土壤改良剂；蛋白质、脂肪、维生素是有价值的动物饲料成分。(1)生产堆肥•依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，人为地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的过程叫作堆肥化，其产物称为堆肥。•将污泥与调理剂及膨胀剂在一定的条件下进行好氧堆沤，即是污泥的堆肥化。现代堆肥化大多指好氧快速堆肥过程。污泥堆肥过程的主要技术措施比较复杂，主要包括：①调解堆料的含水率和适当的C／N比。②选择填充料改变污泥的物理性状。③建立合适的通风系统。④控制适宜的温度和pH。堆肥的一般工艺流程如图7-6所示，主要分为前处理，一次发酵，二次发酵和后处理四个阶段(2)生产复混肥•污泥堆肥产品可与市售的无机氮、磷、钾化肥配合生产有机无机复混肥。它集生物肥料的长效、化肥的速效和微量元素的增效于一体，在向农作物提供速效肥源的同时，还能向农作物根系引植有益微生物，充分利用土壤潜在肥力，并提高化肥利用率；另外，还可根据不同土壤的肥力和不同作物的营养需求，合理设计复混肥各组分的比例，生产通用复混肥及针对不同作物的专用复混肥。2．回收能源•污泥的主要成分是有机物，其中一部分能够被微生物分解，产物是水、甲烷(CH4)和二氧化碳；另外干污泥具有热值，可以燃烧，所以可以通过直接燃烧、制沼气及制燃料等方法，回收污泥中的能量。•(1)利用污泥生产沼气•沼气是有机物在厌氧细菌的分解作用下产生的以甲烷为主的可燃性气体，是一种比较清洁的燃料。沼气中甲烷的体积分数约50％-60％，二氧化碳的体积分数为30％左右，另外还有一氧化碳、氢气、氮气、硫化氢和极少量的氧气。1m3沼气燃烧发热量相当于1kg煤或0.7kg汽油。污泥进行厌氧消化即可制得沼气。(2)通过焚烧回收热量•污泥中含有大量的有机物和一定的木质素纤维，脱水后有一定的热值。污泥的燃烧热值与污泥的性质有关•可以看出，干化污泥作为燃料的开发潜力大。通过焚烧既可以达到最大限度的减容，又可以利用热交换装置回收热量，用来供热发电。但在焚烧过程中会产生二次污染问题，如废气中含SOx、NOx、HCl，残渣含重金属等。•脱水污泥的含水率高于75％，如此高的含水率不能维持焚烧过程的进行，所以焚烧前应对污泥进行干燥处理，使污泥的含水率符合不同焚烧设备的要求。•最主要的焚烧设备有立式多层炉、回转窑炉、喷射焚烧炉等，应用最广泛的是流化床焚烧炉。流化床焚烧炉的优点是焚烧时固体颗粒激烈运动，颗粒与气体间的传热、传质速率快，所以处理能力大；结构简单，造价便宜。缺点是废物破碎后才能入炉。•污泥焚烧的热量可以用来生产蒸汽，供热采暖或发电。另外还可用污泥与煤混合，制成污泥煤球等混合燃料。(3)低温热解•低温热解是目前正在发展的一种新的热能利用技术。即在400-500℃，常压和缺氧条件下，借助污泥中所含的硅酸铝和重金属(尤其是铜)的催化作用将污泥中的脂类和蛋白质转变成碳氢化合物，最终产物为燃料油、气和炭。热解前的污泥干燥就可利用这些低级燃料的燃烧来提供能量，实现能量循环；热解生成的油还可以用来发电。3．建材利用•污泥中的无机成分与有机成分可以分别被利用制造建筑材料。•(1)污泥制砖•污泥制砖的方法有两种，一种是干污泥直接制砖，另一种是用污泥焚烧灰制砖。•用干污泥直接制砖时，应该在成分上做适当调整，使其成分与制砖黏土的化学成分相当。当污泥与黏土按质量比1：10配料时，污泥砖基本上与普通红砖的强度相当。将污泥干燥后，对其进行粉碎以达到制砖的粒度要求，掺入黏土与水，混合搅拌均匀，制坯成型焙烧。•利用污泥焚烧灰制砖，其烧灰的化学组成与制砖黏土的化学组成比较见下表。(2)生产水泥•水泥熟料的煅烧温度为1450℃左右。生产水泥时，污泥中的可燃物在煅烧过程中产生的热量，可以在煅烧水泥熟料时得到充分利用。污泥焚烧灰的成分与水泥原料相近，可作为生产水泥原料加以利用。污泥中的重金属元素在熟料烧成过程中参与了熟料矿物的形成反应，被结合进熟料晶格中。因此，用污泥作为原料生产水泥，除可实现资源、能源的充分利用，还可将其中的有毒有害物质中和吸收，使危害尽可能减少，近年来受到广泛关注。•污泥生产水泥有两种方式：生产生态水泥和代替黏土质原料生产水泥。用污泥焚烧灰、下水道污泥、石灰石及适量黏土为原料生产的水泥叫生态水泥。污泥具有较高的烧失量，扣除烧失量后其化学成分与黏土原料相近。通过生料配料计算，证明其理论上可以替代30％的黏土质原料。(3)制生化纤维板•活性污泥中的有机成分粗蛋白(约占30％~40％)与酶等大多属于球蛋白，能溶解于水及稀酸、稀碱、中性盐的水溶液。在碱性条件下，加热、干燥、加压后会发生一系列的物理、化学性质的改变，称为蛋白质的变性作用。利用这种变性作用能制成活性污泥树脂(又称蛋白胶)，与纤维合起来，压制成板材。•生化纤维的物理力学性能，可达到国家三级硬质纤维板的标准，能用来制造建筑材料或制造家具。利用活性污泥制造生化纤维板，在技术上是可行的。但在实际制造过程中会产生气味，需要脱臭措施。板材成品仍还有一些气味，且强度有待提高。当污泥的性质不同时，配方需研究调整。(4)生产陶粒•污泥制陶粒的方法按原料不同可以分为两种，一是用生污泥或厌氧发酵污泥的焚烧灰造粒后烧结。这种方法在20世纪80年代已趋成熟，并投入使用。但利用焚烧灰制陶粒需要单独建设焚烧炉，污泥中的有机成分没有得到有效利用。•近年来开发了直接用脱水污泥制陶粒的新技术，生产工艺如图7-7轻质陶粒一般可作路基材料、混凝土骨料或花卉覆盖材料使用，但由于成本和商品流通上的问题，还没有得到广泛的应用。