德国污泥处置技术的分析与研究
根据2004年我国污水处理能力的统计，我国现有近800座污水处理厂，平均每天处理污水近4600×104t，每天从各个污水厂产生约7000t的污泥饼，并以每年15%的速度增长。在我国污泥处理处置的方法中，现有70%以上是弃置，20%是填埋，不到10%的是通过堆肥等技术处理后回用于土地。由于污泥中一般都含有病菌和过量的重金属，没有经过无害化处理的污泥大量的弃置，最终作为资源用于土地，常常造成二次污染，严重影响了环境的综合整治。而德国城市污水处理厂对污泥处理有85.4%以上首先采取污泥中温厌氧消化，然后脱水，最后作农用堆肥和焚烧热处理。通过污泥消化可以抑制病菌，改善污泥的卫生状态；同时，还可用产生的甲烷气发电，基本可供污水处理厂的生产运营；脱水后的消化污泥还可作为发电厂或水泥厂的辅助燃料。因此，很有必要对德国的污泥处置技术进行了解和研究，为我国污泥无害化和资源化处置开辟一条新的途径。现以德国KA helmstedt（sewagentreatment plant helmstedt）为例（日处理污水能力10×104t）进行分析研究。
1 德国污泥处置技术应用的条件
据德国联邦政府统计：2001年由10188个城市和社区污水处理厂中排出的243×104t干污泥（TS），其中大约57.6的污泥得到再利用，如农用堆肥、建筑材料；大约22.8的污泥焚烧，作为辅助燃料热处理；9.6%在其他污水处理设施里；6.6%的污泥进行填埋；只有3.3%的污泥没有得到处理。
1.1从制度上规范污泥的处置利用
德国政府高度重视对污泥的处置利用，有专门的法律、法规。例如，制定了专门的物资循环利用和垃圾处置法律（KrW-/AbfG）、污泥处理厂的污泥管理要求（AbfKlaerV）、污泥堆置要求（AbfAblV）等。另外，欧盟也制定了对污泥处理厂的污泥的处置法律。这些法律、法规对污泥处置提出了详细、严格的要求；同时，还提出在2005年7月以后，禁止对有机物含量超过5%的污泥进行填埋，以进一步提高污泥的综合利用。
1.2根据污泥来源的不同，采用不同的处置方法
对于城市污水处理厂的污泥，因其有机成分高，且基本不含重金属，主要用于农业；而对于工业污泥，主要进行焚烧处理，最后的炉渣进行填埋，并且强调企业必须对存在于污泥中的物资进行循环利用。这样既避免了工业污泥中的细菌和重金属对生态环境的影响，又提高了污泥处理的使用效率。
在工业污水处理领域，2001年德国共产生约130×104t工业污泥，其中66×104t产生于生物技术污水处理，65.7×104t产生于物化技术污水处理。生物法产生的污泥主要来源于化学工业、造纸工业和食品工业；其中超过54%的污泥（35.8×104t）已经过焚烧得到处理。另外，在造纸和食品工业领域，政府要求大部分存在于污泥的物资必须得到循环利用，只有大约7.35×104t的生物技术产生的污泥通过填埋处理。
1.3资金投入量大、技术先进
资金投入，在我国对污泥处理的投资只占污水处理厂总投资的20%～50%；而在德国，已高达50%～70%。技术先进，主要是体现在设备控制上。德国在污泥、污水处理方面已基本实现了全自动控制，而且处理设备已形成了标准化、系列化。
2 德国污泥处置技术工艺
2.1污泥来源及去向具体如图1所示
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图1污泥的来源及去向
（1）原生污泥（primary sludge）：产生于前澄清池，主要成分为大颗粒不溶性有机物，直接提升进污泥消化池进行处理。原生污泥量平均650m3/d，TR为4.5%，TS为22.7t/d，其中OTR为75%。
（2）剩余污泥（secondary sludge）：产生于活性污泥处理池，指污泥生长量超过维持生物处理池所需要的这部分污泥量，也就是我们所说的再生污泥。主要成分为有机物，这部分污泥一部分进前澄清池处理；一部分进行污泥浓缩后提升进污泥消化池，进行中温厌氧消化，反应时间为18d，温度为35℃。剩余污泥量平均300m3/d，TR为5.0%，TS为13.4t/d，其中OTR为79%（预浓缩后的数据）。
（3）消化后的污泥：首先进行脱气，然后浓缩，TR为6.1%，OTR为63%；浓缩后污泥通过板框压滤机进行脱水，脱水后污泥中的TR为30.5%，外运焚烧热处理或农用堆肥，滤液返回进初沉池。
2.2污泥消化处理设备
污泥消化处理流程及主要设备如图2所示。
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图2污泥消化的技术装备及流程图
（1）污泥消化罐：共有3个，两用一备，每个容积为5000m3。平均每个消化罐进泥300m3/d，连续进泥，反应时间为18d，温度为35℃。每个罐中间配一个污泥混合器，对罐内的污泥进行充分搅拌混合。
（2）热交换器：共有3台，两用一备。利用甲烷气燃烧在锅炉里产生的热水，同时在热交换器里与污泥进行热交换，保证污泥温度保持在35℃左右。
（3）混合喷射器：共有2个。经过热交换的污泥在混合喷射器里与原污泥进行充分混合后，再通过热污泥提升泵打入污泥消化罐。
（4）污泥脱气塔：共有2台，同时运行；内设塔板，负压操作。消化后的污泥首先进入污泥脱气塔，通过该装置脱除还混于污泥中的甲烷气体。
（5）甲烷气储存罐：只有一个，容积为3000m3，用于产生的甲烷气的储存，作为产生与使用甲烷气设施的中间储罐。
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图3 污泥中固体物质在消化前后的变化情况
2.3甲烷气产生及其利用
GV为有机物部分；GR为无机物部分。
由图3可知，在每个居民每天产生的80g原污泥中80%为有机物，20%为无机物；消化后剩下的固体物质50g，其中有机物占63%，无机物占37%。进污泥消化罐的原生污泥有机物的量为8.7t/d，再生污泥中有机物的量为6.59t/d，总共进行消化的污泥有机物的量为15.29t/d（GVo）。
3 甲烷气的产生量及利用
3.1甲烷气的产生量
首先，确定有机物的转化效率，即
η＝1-GVe×GRo／GVo×GRe；
η＝1-63×20/80×37＝0.5743＝57.43%。
其中：o为原污泥状态；e为消化后污泥状态。
其次，确定甲烷气的产生量。根据经验公式，甲烷气的产生量为
G＝1.868×TC×（0.014×T+0.28）×η。
式中：1.868=m3甲烷气/kgTC（m3/kg）；TC为碳物质的量≈0.5×GVo=0.5×15290kg=7645kg；T＝反应温度35℃；η＝有机物的转化效率57.43%。
甲烷气的产生量为G=1.868×7645×（0.014×35+0.28）×57.43%＝6267.65m3/d。
3.2甲烷气的利用
1m3甲烷气相当于0.8L热油。通过污泥消化后平均每天产生的甲烷气（表1）约6000m3，其热值为23000kJ/m3，可用于发电和产热。其中：30%热量用于发电；50%的热量在锅炉里进行热交换；20%为热损失。如果3台发电机同时运行，单机发电效率为65M，产热效率约115kW；产生的热量导入锅炉产生蒸汽，可用于污泥热交换和供暖，平均年发电量120×104kW•h。当CH4含量不足40%时，可通过火炬燃烧后外排；当发电机需要检修和出现意外时，可启用备用的低温燃烧炉产热（2台），可燃油和燃气。
据统计，德国KA公司2004全年发电量总计为120×104kW•h，相当于该污水处理厂全年运行耗电量的90%～95%，且能满足处理工艺中的供暖及冬季全厂车间、办公室的供暖。
但是，在甲烷气进发电机前，首先必须对其进行净化。因为在形成的甲烷气体中有着较高的含有Si的有机化合物，约3～6mg/L，其在燃烧后形成SiO2，该物质将对发电机的正常运行造成危害。采用活性炭吸附技术对其净化，可保证净化后含Si有机物浓度＜0.6mg/L。
表1甲烷气的成分%
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4 消化后污泥的处置
4.1工艺流程
工艺流程采用德国Haeder Gmbh公司的过程控制系统（图4），该系统具有自动控制操作界面。
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1-消化后污泥储罐 2-污泥脱气塔 3-后污泥浓缩 4-污泥储罐 5-板框压滤机
图4消化后污泥处理流程
（1）消化后的污泥储罐：共有4个，每个容积为1500m3，根据液位高低，通过电磁阀控制进出开关。用于消化后污泥的储存，污泥自动流入储罐。
（2）污泥脱气塔：共有2台，同时运行；内设塔板，负压操作。消化后的污泥首先进入污泥脱气塔，通过该装置脱除还混于污泥中的甲烷气体；然后通过污泥泵提升进入脱气塔，为提高脱气效率，管线中加入混凝剂K2铁盐和铝盐的一种混合物），加入量为3L/m3污泥，并可一定程度上去除甲烷气中H2S杂质。
（3）后污泥浓缩池：2个，每个容积为1500m3。用于脱完甲烷气的污泥，通过污泥泵提升至后浓缩池。提升过程中，在管线中加入高分子有机絮凝剂（POLYMER，质量分子为0.6%）。经过浓缩后的污泥含水率为93.5%。
（4）污泥储罐：储存浓缩后的污泥，通过污泥泵提升至污泥脱水前储罐（一座，容积1000m3）。提升过程中，在管线中加入混凝剂K2，剂量为20L/m3污泥，以提高污泥的可脱水性能。
（5）板框压滤机：共有2台，1台压滤容积为2.8m3，1台为2.06m3。每天平均外运污泥20t，含水率约70%，送往焚烧场或电厂和水泥厂作为辅助燃料。
4.2流化床干燥后焚烧
污泥外运至垃圾焚烧厂如图5所示。其中：冷却介质为空气，且空气压力为101kPa；流量为900m3/h；污泥输送压力为1800kPa；湿度为25%TR。污泥处理能力为2500kg/h。通过该方式处置污泥，既利用了垃圾焚烧烟气废热，又提高了垃圾的热值。
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图5流化床干燥后焚烧
5 结论
（1）德国作为世界上在环境保护领域处于领先地位的国家，借鉴其处理污泥的经验和技术对我国的污泥处理具有深远的现实意义。宁夏有几十家发电厂和水泥厂，按该方法完全可以消纳本地区城市污水处理厂的污泥，变废为宝。
（2）在德国和其他欧盟国家，有85%以上的城市污水处理厂在处理污泥时，采用中温厌氧消化技术，不仅能很好地改善污泥地环境卫生状况，而且还可利用产生的甲烷发电，并且可基本保证污水处理厂的供电要求。我国作为能源日趋紧张的国家，该污泥处置技术对我国有着极高的环境和经济效益。
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