多實例多角度分析國內(nèi)外污泥處理處置技術研究和應用現(xiàn)狀
污水處理廠污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的沉淀物質(zhì)，包括污水中的泥砂、纖維等固體顆粒及其凝結(jié)的絮狀體，各種膠體、有機質(zhì)及吸附的金屬元素、微生物等，是污水處理之后產(chǎn)生的二次污染物，通常占污水處理量的0.3%～0.5%，若不進行妥善處理、處置，將會對環(huán)境和人類健康造成威脅。隨著社會經(jīng)濟和城市化進程的發(fā)展，污泥量不斷增加，按照預測，到2020年污泥產(chǎn)量將突破年6000萬t，污泥問題已成為目前污水處理廠所面臨的一個重要問題和挑戰(zhàn)。針對這一問題，本文通過多個實例，多角度對國內(nèi)外污泥處理與處置方面的研究成果和應用現(xiàn)狀進行了綜述。
1國內(nèi)外污泥處置現(xiàn)狀
1.1國外污泥處置現(xiàn)狀
國外污泥處理通常都先經(jīng)過厭氧消化或好氧發(fā)酵穩(wěn)定處理，再進行進一步的處置。美國建有650座集中厭氧消化設施處理58%的污泥，700座好樣發(fā)酵穩(wěn)定處理設施處理22%的污泥;英國的污泥厭氧消化率達到66%。污泥最終處置方式主要是衛(wèi)生填埋、焚燒和土地利用，表1列出了污泥處理后常用處置方法在各國占有的比例。
1.2國內(nèi)污泥處理處置現(xiàn)狀
圖1列出了國內(nèi)污泥處置技術所占比例，可以看出：污泥處置被用于農(nóng)業(yè)占44.83%，用于土地填埋占34.48%，而13.79%的污泥沒有經(jīng)過任何處置。
由于污水處理設施高速建設，我國污泥處理處置卻嚴重滯后于污水處理。
首先是對污泥處理處置的概念及重要性認識不足，“重水輕泥”的現(xiàn)象十分普遍，因此與污水處理的監(jiān)管相比，政府對污泥處理處置監(jiān)管滯后，制約了污泥處理處置的發(fā)展。污泥處理處置缺少系統(tǒng)規(guī)劃，城市總體規(guī)劃中未涉及污泥處理處置內(nèi)容，更無專項規(guī)劃。而管理工作中的職責不清、監(jiān)管缺位、政策標準不完善等諸多問題，致使部分污水處理廠污泥處理處置未能達到減量化、資源化、無害化要求。
另外由于污泥中含有約60%～80%的水分，熱值較低，污泥焚燒需外供能源煤或天然氣等，建設成本與運行成本高昂，污泥與煤炭摻燒的處理成本目前已超過200元/t。大部分污泥是在不干化情況下與煤混合摻燒處理，而不是污泥干化后單獨焚燒處理，使用電廠原有的燃煤鍋爐，對電廠鍋爐的損害非常嚴重。
除此之外，利用污泥好氧堆肥技術生產(chǎn)有機肥，肥料中有機質(zhì)含量高，經(jīng)田間試驗證明肥效較好，但銷售非常困難。污泥在建材利用方面主要是用于制磚，但制磚廠在對污泥進行燒結(jié)制磚時，沒有配備相應的煙氣處理裝置，造成了環(huán)境的二次污染。
2國內(nèi)外污泥處置的現(xiàn)狀及發(fā)展方向
國內(nèi)外污水處理廠對污泥處理與處置的方法常規(guī)是采用濃縮、消化、脫水、填埋及焚燒等處理處置方法，或用其中某幾個方法組合處置。污泥的最終出路是部分或全部資源化利用或以某種形式回到環(huán)境中去，以下介紹目前國內(nèi)外廣泛采用的污泥處理處置方法。
2.1污泥高干脫水技術
污泥高干脫水技術，就是通過各種物理化學或生物處理技術處理污泥，使污泥膠體改性，改變污泥的比阻，污泥的胞外聚合物狀態(tài)，從而使污泥中的束縛水更容易在后續(xù)的機械擠壓中被脫除出來，從而降低污泥含水率的技術。在污泥高干脫水方面，目前有化學調(diào)質(zhì)脫水法、水熱調(diào)質(zhì)脫水法、凍融處理脫水法、淘洗法脫水和生物瀝浸脫水法等。
化學調(diào)制脫水法就是在污泥中加入助凝劑、混凝劑之類的化學藥劑，改變污泥的表面特性(去穩(wěn)定化作用)并通過架橋作用使污泥顆粒絮凝，從而改善其脫水性能。黃瑛等開發(fā)了價格低廉脫水效率高的污泥泥漿化學調(diào)質(zhì)脫水和脫水污泥泥餅二次脫水的新技術。該技術只需向污泥添加絕干污泥量10%左右的混合脫水藥劑，經(jīng)機械壓濾，即可使污泥泥餅的含水率從80%下降到65%以下，并且絕干污泥的燃燒熱值下降不到10%，脫水污泥泥餅的整體熱值上升，使脫水后污泥易于干化焚燒或可直接焚燒。實踐表明，經(jīng)該方法調(diào)質(zhì)深度脫水后產(chǎn)生的污泥表面具有泥土的氣味，易風化，稍微堆放幾天，污泥便很容易粉碎，臭味也減少很多。該技術已在無錫市城市污水污泥深度脫水應用中獲得成功，每日處理污泥量達到200t。
機械破解法即利用機械壓力所產(chǎn)生的能量將微生物細胞壁打破，使細胞內(nèi)的物質(zhì)釋放出來，從而使污泥量得到削減。Camacho等通過連續(xù)的實驗證明，高壓勻質(zhì)機對污泥進行應力頻率為0.2/d的攪拌破碎，可以使污泥產(chǎn)率減小20%，但出水的(總懸浮物固體)TSS略有升高。
水熱調(diào)制脫水法原理是在加熱過程中，污泥的微生物絮體解散，微生物細胞破裂，污泥中的有機物水解。有機物的水解降低了污泥的黏度，降低了黏性物質(zhì)對水的束縛能力，導致水更容易與污泥顆粒分離，從而降低脫水污泥的含水率。Barjenbruch等通過污水處理廠的實際運行，得出在121℃下對污泥進行高溫處理，可以抑制污泥發(fā)泡的同時，實現(xiàn)混合液揮發(fā)性懸浮固體(VSS)減量20%。
生物瀝浸技術利用微生物改善污泥脫水性能，脫水前無需添加任何絮凝劑就能一步脫水到含水率60%以下，且污泥有益成分(有機質(zhì)、熱值等)不損失。太湖新城污水處理廠2010年運行生物瀝浸法深度脫水工程，日處理液態(tài)污泥150m3，日消耗營養(yǎng)劑850kg，耗電約700kW˙h，每處理1t污泥(含水率80%)直接費用100～120元。
江蘇省金山環(huán)保公司目前研發(fā)了一種新型的太陽能復合膜處理污泥技術。該技術處理過程中不添加任何藥劑，利用太陽能熱干燥，處理后污泥干渣有機值高，可作為農(nóng)田有機肥。共五條處理線，單條處理線規(guī)模為2×50m，日污泥處理量12.5t，污泥處理后含水率低至5%～10%。運行費用低，約為70元/t污泥(以含水率80%計)。
2.2污泥焚燒
污泥焚燒是利用污泥中的熱量和外加輔助燃料，通過燃燒實現(xiàn)污泥徹底無害化處置的過程。污泥焚燒技術在國內(nèi)外應用廣泛，可單獨焚燒污泥處理，也可依托電廠現(xiàn)有燃煤鍋爐、垃圾焚燒爐等，通過設備及焚燒技術的改進，將脫水或干化污泥按比例摻燒，具有很強的應用性和廣闊的應用前景。污泥焚燒主要分為單獨焚燒和與工業(yè)窯爐的協(xié)同焚燒。
2.2.1單獨焚燒
單獨焚燒是指在專用污泥焚燒爐內(nèi)單獨處置污泥。上海市石洞口城市污水處理廠污泥處理工程采用流化床低溫干化+流化床高溫焚燒處理工藝(圖2)，該廠設計水量為40萬m3/d，產(chǎn)生的污泥量為320t/d(污泥含水量80%)，污泥處理成本約238.8元/t(2006年)。流化床干化將脫水污泥含水率從80%左右降至5%～10%，焚燒采用循環(huán)流化床焚燒爐，通過焚燒干化污泥，以導熱油(或蒸汽)形式回收煙氣中熱量，并將回收的熱量用于干化系統(tǒng)，該聯(lián)合工藝可以達到能量的自然平衡。
山東膠南污泥焚燒發(fā)電工程采用生物質(zhì)燃料餅生產(chǎn)線+流化床污泥焚燒爐處理工藝，處理能力為800t/d。以高壓擠出工藝替代熱干化，通過高壓技術將濕污泥、粉煤灰等廢棄物混合料加工成生物質(zhì)燃料餅，含水率降至40%一下，與少量次煤混合后直接進入鍋爐取代煤炭燃燒發(fā)電。
日本的焚燒工藝在污泥處理上作為主導工藝，焚燒爐大部分是多段焚燒爐，包括流化床焚燒爐、回轉(zhuǎn)干燥焚燒爐、階段爐床式焚燒爐等。“大和公司”采用滾筒式干化和回轉(zhuǎn)式焚燒爐組合工藝在日本有200多臺套的業(yè)績，經(jīng)焚燒后的焚燒灰占到原污泥量的1/20以下，在污泥干基熱值在15MJ以上時，可以不借助外加燃料，實現(xiàn)干化和焚燒的熱平衡，其運行成本約為116元/t。
2.2.2協(xié)同焚燒
利用水泥高溫煅燒窯協(xié)同焚燒進行污泥處理是協(xié)同焚燒的有效途徑之一。北京市水泥廠污泥工程利用水泥窯系統(tǒng)的熱量將含水率80%的污泥廠污泥干化至含固率為65%的半干污泥，然后入窯焚燒處理。日濕污泥處理500t，年處理16萬t(圖3)。該工程干化技術屬于間接干化工藝系統(tǒng)，熱源采用水泥窯系統(tǒng)的高溫余熱通過熱載體傳給干燥設備進行污泥干化。干燥后顆粒和氣體經(jīng)過旋風分離器和袋式除塵器后，污泥顆粒從氣體中分離出來，經(jīng)螺旋冷卻后污泥顆粒送入水泥窯中焚燒。
廣州越堡水泥公司2007年建立利用現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯污泥處理工程項目，該工程日污泥處理80%水分污泥600t，年處理污泥18.6萬t，若污泥的干基熱值按16785kJ/kg計，每年使水泥廠節(jié)省1.8萬t標煤。
電廠混燒污泥技術在我國目前也得到迅速發(fā)展，在適當?shù)膿郊颖壤拢勰嗯c煤混燒不會對燃料燃燒特性和電廠生產(chǎn)造成顯著不利影響。歐洲已有超過100座電廠設施混燒包括污泥在內(nèi)的生物固體廢物，其中德國混燒污泥規(guī)模較大，德國電廠消納污泥有兩種方式，即濕污泥直接摻煤混燒和干化后混燒。我國已有十余家燃煤電廠開展了污泥混燒工作(見表2)，主要采用流化床混燒污泥，少量電廠采用煤粉爐混燒干污泥。前者濕污泥摻燒比例約為20%～25%，后者干污泥摻燒比例為1%～5%。
2.3污泥厭氧消化
厭氧消化是一個多級過程，在無氧條件下厭氧微生物把污泥中的有機質(zhì)先分解成簡單的有機物，然后再轉(zhuǎn)化為更簡單的有機物CH4以及CO2、H20、H2S等無機物。厭氧消化是目前國際上常用的污泥生物處理方法，同時也是大型污水處理廠較為經(jīng)濟的污泥處理方法。
威立雅公司開發(fā)的Biothelys工藝可由多條線組成，每條線由兩個或三個反應器并聯(lián)間歇運行(圖4)。
運行條件為：高溫(150～170℃)，高壓(<1.25×105Pa)條件下，反應20～60min。根據(jù)反應器配置和反應條件的不同，每個循環(huán)持續(xù)約150～165min。熱水解后污泥儲存在密閉的緩沖池中。熱水解后的污泥進入消化池，在38℃，15d條件下進行中溫厭氧消化反應。熱水解工藝和中溫厭氧消化工藝聯(lián)合，保證了工藝能量需求的自平衡。除此之外，還有更多的沼氣產(chǎn)出，實現(xiàn)了能量需求的自平衡調(diào)節(jié)和能量產(chǎn)出最大化。VSS去除率可以達到30%～50%(傳統(tǒng)工藝約為28%～30%)。法國Saumur污水處理廠中Biothelys工藝已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定運行超過20000h，其VSS去除率可達45%～48%。此外，意大利和英國也都有運行良好的成功案列。
上海市白龍港污泥處理工程近期設計規(guī)模為204t/d(對應200萬m3/d設計水量及現(xiàn)狀進水水質(zhì))，部分設施設計規(guī)模為268t/d(對應200萬m3/d設計水量及現(xiàn)狀進水水質(zhì))。污泥處理工藝采用重力濃縮+離心機械濃縮+中溫厭氧消化+離心脫水+部分脫水污泥流化床干化的處理流程。處理后污泥性質(zhì)滿足GB18918—2002中的污泥控制標準。污泥處理單位運行成本120元/t脫水污泥。污泥消化工藝停留時間24d，有機負荷1.21kg/(m3˙d)，消化溫度33～35℃，總沼氣產(chǎn)量平均約44500m3/d。
2.4污泥好氧堆肥
污泥好氧堆肥通常是指污泥高溫好氧發(fā)酵，通過好氧微生物的生物代謝作用，使污泥中有機物轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的過程。代謝過程中產(chǎn)生熱量，可使堆料層溫度升高至55℃以上，有效殺滅病原菌、寄生蟲卵和雜草種籽，并使水分蒸發(fā)，實現(xiàn)污泥處理穩(wěn)定化、無害化、減量化。
光大水務濟南市污水處理二廠將剩余污泥與稻殼、泥炭、粉煤灰等調(diào)理劑在優(yōu)化配比58∶16∶40∶36的條件下進行好氧堆肥。堆肥溫度達到55℃以上并持續(xù)3d，可有效殺死病原菌;發(fā)芽指數(shù)達到50%以上;腐殖化率從52.1%升高到63.1%，腐殖化指數(shù)從2.45升到3.42，有機質(zhì)腐殖化穩(wěn)定。固定資產(chǎn)總投資187.33萬元，運行成本256.09元/t，產(chǎn)品出廠價格400元/t，每噸利潤143.91元，年盈利約為145.1萬元，靜態(tài)投資回收年限1.18年。工藝流程圖如圖5所示。
2.5污泥建材利用處置
污泥中無機物主要成分是硅、鋁、鐵、鈣等，與建筑原料的成分相近，顧可作建筑材料，如磚塊、水泥、陶粒、玻璃和生化纖維板等。
污泥處理后制磚主要有兩種方法：污泥焚燒灰制磚和干污泥直接制磚，污泥焚燒灰制磚屬于污泥焚燒處置方式的一部分，是污泥焚燒處置方式的最終處理手段。
干污泥直接制磚是將城市污泥干燥后直接與頁巖粉(或粘土)等原料成型燒結(jié)制磚。Deng-fonglin和Chih-HuangWeng開展了黏土摻加污泥制磚研究，其工藝流程和主要技術參數(shù)如圖6所示。實驗首次進行了制磚混合原料擊實試驗，得到了混合原料擊實曲線，研究了原料的土力學指標：壓實性，確定了原料制坯最優(yōu)含水率(OMC)和最大干密度，對制坯過程中，原料含水率和成型壓力的優(yōu)化控制，起到了理論指導，研究結(jié)果同時表明，制坯過程原料最優(yōu)含水率23%～33%;城市污泥(含水率P=24%)摻量在10%，880～960℃焙燒制得的干污泥粘土磚，性能良好。
張林生等在頁巖磚生產(chǎn)過程中用城市污泥為部分原料進行生產(chǎn)試驗，工藝流程如圖7，實驗對頁巖燒結(jié)磚成品進行了質(zhì)量檢測，并測定了磚體的導熱系數(shù)。結(jié)果表明，在頁巖粉中加入10%城市污泥，燒結(jié)磚的各項性能符合國家標準(GB5101—2003)，研究還發(fā)現(xiàn)污泥中有機物在焙燒過程中易燃燒揮發(fā)形成氣孔，可提高磚體隔熱保溫性能。
上海建科院利用粉煤灰陶粒生產(chǎn)工藝，摻加20%～30%的城市污泥可以獲得容重700～800級的燒結(jié)粉煤灰陶粒，這樣的陶粒自然養(yǎng)護條件下可配置出C40標號的混凝土，而且水泥用量與同標號普通碎石混凝土相同，同時燒結(jié)陶粒的浸出液中重金屬達到地面水III類標準。此生產(chǎn)工藝每生產(chǎn)1m3陶粒，可消納含水80%的污泥0.24t。
3結(jié)語
我國污泥處理技術尚未成熟，仍在不斷發(fā)展的過程中，但在經(jīng)濟飛速增長的壓力下，污泥問題迫在眉睫，從國外污泥處理現(xiàn)狀來看，污泥資源化利用是我國污泥未來的發(fā)展的一個重要方向。無論是土地利用還是焚燒，都應在兼顧環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益平衡的前提下，尋找合理合適的污泥處理處置技術，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
