城市污水处理厂污泥处置的现状及研究进展

第30卷第4期2015年8月天津科技大学学报JournalofTianjinUniversityofScience&TechnologyVol.30No.4Aug.2015收稿日期：2014–10–27；修回日期：2015–03–03基金项目：教育部留学回国人员科研启动基金项目；教育部科研创新团队培育计划项目([2013]373)作者简介：王学魁（1956—），男，河北人，教授；通信作者：张爱群，高级工程师，[e-mail].数字出版日期：2015–05–08；数字出版网址：:10.13364/j.issn.1672-6510.20140137城市污水处理厂污泥处置的现状及研究进展王学魁，赵斌，张爱群，沙作良(天津市海洋资源与化学重点实验室，天津科技大学海洋科学与工程学院，天津300457)摘要：随着中国经济和城镇化的迅速发展，城市污水处理量大幅增加，污水处理厂产生的污泥也随之增长．由于污水厂污泥产量增长迅速、成分复杂等特点，若处理不当，不仅会对环境造成二次污染，同时也是对污泥中所含营养资源的一种浪费．不同的国家根据本国的国情对污泥处置的方法各有不同的特点和侧重．本文对各国污水处理厂污泥处理的现状进行了比较和分析．同时对世界各国污泥处理的研究及最新进展工作进行了梳理和介绍，特别着重介绍了厌氧消化技术与其他技术结合处置城市污泥研究进展和技术创新．同时结合国内实际，指出了污泥处理的发展趋向．关键词：污泥处置；污水处理；厌氧消化中图分类号：X701文献标志码：A文章编号：1672-6510(2015)04-0001-07ThePresentSituationandResearchProgressofTreatmentofSludgefromCitySewageTreatmentPlantWANGXuekui，ZHAOBin，ZHANGAiqun，SHAZuoliang(TianjinKeyLaboratoryofMarineResourcesandChemistry，CollegeofMarineScienceandEngineering，TianjinUniversityofScience&Technology，Tianjin300457，China)Abstract：WiththerapiddevelopmentofChina’seconomyandurbanization，thewastesludgedischargedfromcitysewagetreatmentplantalsohasarapidoutputgrowth.Becauseofthecomplexcompositionofthesludge，iftreatedimproperly，itcancausenotonlysecondpollutiontotheenvironment，butalsoawasteofresourcesofnutrientcomponentsinthesludge.Differentcountries，accordingtotheirlocalconditionsforsludgedisposal，havedifferenttreatmentmethodswiththeirowncharacteristics.Inthispaper，thepresentsituationofsludgetreatmentisanalyzedanddifferenttreatmentmethodsarecom-pared.Atthesametimetheglobalwidestudyofsludgetreatmentprocessandthelatestprogresswerereviewedandintro-duced，withaspecialattentionbeinggiventothecombinationofanaerobicdigestionandothertechnologytothetreatmentanddisposalofsludge.TakingintoconsiderationtheactualsituationofsludgetreatmentinChina，theauthorspointedoutthetechnologicaldevelopmenttrendofsludgetreatment.Keywords：sludgetreatment；sewagetreatment；anaerobicdigestion随着我国经济的不断发展，城市的污水处理量与日俱增，污水处理厂产生的污泥也在急剧增加．如果这些污泥不经过恰当的处理就直接暴露在环境之中，不但会带来严重的二次污染，而且也对人类的健康造成了威胁．因此，污泥要经过减量化、稳定化、无害化的处理，进行进一步的处置，才能尽可能避免二次污染．作为污水处理副产物的污泥，其成分复杂，除含有大量的水分外，还含有氮磷等营养元素、重金属、有机质．若把它们直接排放到环境当中，除了对环境造成危害，同时也是对营养资源的浪费．污泥直接暴露在环境当中，会带来以下影响：污泥中的病原体微生物、难降解有毒有机物、重金属会严重污染水体和土壤；污泥易腐败变质，如不经处理，在堆放过程中会产生恶臭气体，污染环境[1–2]．随着全球人口的增加，资源不断被消耗，如何使·2·天津科技大学学报第30卷第4期剩余污泥变废为宝成为研究热点．随着近年来技术的进步，污泥不再是经简单处理后被丢弃的无用废物，而是通过多种方式进行处理后成为可循环利用的资源．1国内污泥处置的现状据统计[3]，在2008年全国污水处理厂共1,519座，处理废水量6,699.8万m3/d；到了2014年，污水处理厂达到3,622座，废水处理量达1.53亿m3/d．处理污水的同时势必会产生大量的剩余污泥，产量约为处理水体积的0.15%,～1%,．剩余污泥的处置势必成为需要重点解决的问题．在此，将目前常见的污泥处置方法进行概述．1.1填埋法国内对污泥进行处置最常见的方法是利用现有的城市生活卫生垃圾场进行填埋．它具有投资较少、容量大、见效快的特点．但是也有着明显的不足之处：污泥中含有的有毒有害物质会以渗滤液和臭气的方式污染地下水和大气；随着污水处理厂剩余污泥的大量产出，可供污泥填埋的填埋场容积会越来越有限，所以用地紧张的地方不宜使用；高昂的运输费用也是制约污泥卫生填埋的一个重要问题．污泥的卫生填埋并不能最终避免给环境带来污染，而只是延缓了产生时间．我国目前城市污水处理厂主要还是以卫生填埋为主，占到了总比例的63%,[4]．随着土地资源的日益紧张，固体废物填埋场选址变得越来越困难，同时污泥填埋场渗滤液存在着泄漏的问题，容易污染到地下水和土壤．1.2土地利用、堆肥污泥的土地利用是污泥处理的一种有效方式．剩余污泥中含有丰富的有机物和氮、磷、钾等营养元素和钙、镁、铜、铁、锌等微量元素，它们有改善土壤结构、增加土壤肥力、促进植物生长的作用[5]．将污泥制成肥料加以利用具有能耗低、可回收利用污泥中营养物的优点．最常见的方法是进行污泥堆肥，即在微生物的作用下，污泥高温发酵使其中的病原菌无害化、有机质分解，把有机废物分解转化成类腐殖质．为了减少对土壤的二次污染，堆肥时通常加入稻草、木屑等作为调理剂和膨胀剂，不仅能增加发酵的能源物质，也对污泥中的重金属起稀释作用．考虑到对土壤条件和食品安全的保护，污泥作为肥料主要用于园林绿化领域和非粮食作物领域．但随着技术的进步，为了充分利用剩余污泥中的营养物质，将发酵处理过的污泥与尿素、磷酸一铵、氯化钾、过磷酸钙等按一定的比例混合，增大混合物的C/N比，使之成为复合肥料．这种复合肥料已经用于粮食作物的生产实验，其各项指标都符合国家标准．因此，污泥经过有效处理后作为肥料用于农业和园林绿化，是一个很好的资源化污泥处置的方法，有良好的发展前景．1.3焚烧法城市中经脱水后污泥的成分主要是大量的有机物和一定量的纤维木质素，污泥脱水后热值仍然比较高，能够进行焚烧．焚烧法的优点是污泥处置十分有效彻底，可以使污泥实现最大程度的减量化．焚烧过程是将污泥置入焚烧炉内，在加入过量空气的情况下，进行完全焚烧，使有机物全部碳化，最大限度地减少了污泥体积，使污泥最终处置变得极为便利．同时焚烧产生的热能可以作为能源加以利用．污泥焚烧有4种方法：利用垃圾焚烧炉焚烧污泥、利用现有工业用炉焚烧污泥、利用火力发电厂设备焚烧污泥、污泥单独焚烧．焚烧法的主要问题是一次性投资大，设备投资高，运转费用高．有机物燃烧温度如果低于850,℃，噁会产生二英等剧毒物质[6]．焚烧过程中产生的炉渣和烟气中含有的重金属和一些有毒有害物质可能会形成二次污染[7]．1.4污泥建材利用污泥建材化是指利用污泥中的无机成分与建筑材料的成分相似的原理，通过添加合适比例的高岭土、粉煤灰等固化物质及必要的辅料，经过高温烧灼等无害化工艺制作成建筑材料而对污泥再次利用．污泥可制成的建材有生态水泥、轻质陶粒、微晶玻璃、生化纤维板和空心砖等[7]．污泥制建材不但实现了有用物质的回收，而且制造过程的工艺技术使有毒有害的重金属离子被固化在建材中，从而使污泥对环境的影响达到最小化．但是，目前这项技术也存在一些工艺体系不完善的问题，如生态水泥如果含氯量大，会腐蚀钢筋；板材成品可能有臭味，强度也有待提高．同时，含有毒有害物质很多的高浓度工业污水的污泥也很少采取建材化的方法进行处置．1.5污泥处置现状分析目前，我国在污泥处置方法的情况如图1[4]所示，填埋和农用占据较大比例，焚烧只占了相当小的比例[8]．污泥填埋和土地利用都存在一定的风险，污泥中可能含有的大量重金属会在土壤表层累积，不但对植物具有毒害作用，而且还会对地下水造成污2015年8月王学魁，等：城市污水处理厂污泥处置的现状及研究进展·3·染．污泥中同时还含有较多的病原菌，它们通过各种途径造成环境污染．污泥中也含有一些有毒有害的有机污染物，植物可经吸附作用对它们进行富集．图1中国处理剩余污泥各种方法所占的比例Fig.1ProportionofdifferentresidualsludgetreatmentmethodsinChina由于填埋会消耗大量的土地资源，产生大量的渗滤液，所以加剧了当地的污染；随着污泥产量的日益增多，污泥运输和填埋场地建设费也会越来越高．因此，填埋法作为城市污水厂污泥的处置方法，应该逐渐减少其使用比例．利用剩余污泥中含有的丰富有机物和氮、磷、钾等营养元素以及钙、镁、铜、铁、锌等微量元素，作为农业肥料以促进植物生长是污泥土地化利用方法的优势，有很好的发展前景，但是此法也存在污染土壤的风险．因此，改进污泥的堆肥技术，利用生物厌氧发酵和其他技术降解污泥中的有毒有害物质，充分利用其含有的营养物质，实现污泥利用的资源化，对环境保护和变废为宝有积极的意义，是我国目前应积极发展的污泥处置方向之一．需要注意的是，在污水处理的源头就要把生活污水和工业废水分开，尽量使用有毒有害物质较少的生活污水污泥，这样容易处理成可以达到使用标准的无害化农业有机肥料．焚烧法是污泥处置减容量最高、处置最为彻底的一种方法，但是投资成本、运行成本和技术难度都较高，因此短期内我国还不会大力发展这种污泥处置方法．污泥的建材利用是污泥资源化和无害化的一个发展方向，目前我国在这方面发展得还不够，工艺技术亟待提高．由于这种方法不需要占用土地，同时使污泥得到有效利用，做到了污泥处置的无害化，因此在我国有光明的发展前景，应给予提倡．2国外污泥处置的现状各国都把污泥的处置作为污水处理的一个重要环节，不同国家和地区因地制宜地采取适合本国国情的污泥处置路线，主要考虑的因素有产业结构、土地资源、城市化程度等．目前国外污泥的主要处理方式也主要是土地填埋、土地利用和焚烧技术．根据本国的国情对污泥处置的方法各有不同的侧重点[9]．美国污泥处置的主要方式是土地利用，