城市污泥好氧发酵处理技术应用
一、前言
上海市政府在发展经济建设的同时，十分重视城市环境和保护，尤其是对水环境的治理与完善，40 多年来市政府在污水治理方面投入了巨额资金，上世纪60-70 年代相继完成上海市西区污水输送干线和南区污水输送干线；70-90 年代建成天山、曲阳、龙华、长桥、程桥等中心城区污水处理厂；1985～1993 年，建成了合流污水治理一期工程；1994 年开始建设污水治理二期工程和吴泾闵行污水北排工程；2003 年完成苏州河综合整治一期工程建设；2003 启动苏州河综合整治二期工程；2004 年启动中心城区污水处理厂达标改造工程；2004 年正式启动西区污水输送干线改造工程可行性研究工作。到2004 年末，上海市中心城区污水处理量将达到430 万m3/d，达到污水收集处理率70%以上，这对减轻黄浦江和苏州河的污染作出了重要的贡献。
但是，在城市污水处理过程中必然会产生大量的污水污泥，它容量大、不稳定、易腐败、有恶臭，如不加妥善处理和处置，将造成堆放和排放区周围环境严重的二次污染，更有甚者，将污泥任意施于农业，导致农作物污染，土壤受到不可逆转的中毒受害。
国家环境保护总局发布的“城镇污水处理厂污染物排放标准”（GB18918-2002）对污泥的处理处置作了具体要求，即“城镇污水处理厂的污泥应进行稳定化处理”，并对稳定化处理后的控制指标作了详细规定。上海市结合新标准的出台，对污泥稳定化处理技术的研究与应用作了全面思考，其中对好氧发酵工艺进行了一次实用性研究，取得了一些经验。本文结合排水公司已开展的污泥稳定化处理技术的研究工作，就好氧发酵工艺的生产试验情况，向大会作一简要汇报，供参考。
二、背景
1、上海市区污水厂污泥处理处置的现状
根据《上海市污水系统专业规划》，上海市属12 座污水厂的规划方向为：东区污水厂、北郊污水厂、程桥污水厂和曹杨污水厂将被废弃；曲阳污水厂、天山污水厂和龙华污水厂、吴淞污水厂、泗塘污水厂、长桥污水厂、闵行污水厂和桃浦污水厂长期保留。这几个污水厂除桃浦厂属工业废水厂外，其余各厂均为生活污水厂，污泥处理处置现状见表1。
表1 市属污水厂污泥处理处置现状
| 序号 | 厂名 |
设计规模 （万m3/d） |
污泥处理方式 | 出路 |
| 1 | 曲阳污水厂 | 7.5 | 重力浓缩＋带式脱水 | 外运 |
| 2 | 天山污水厂 | 7.5 | 重力浓缩 | 船运 |
| 3 | 龙华污水厂 | 10.5 | 重力浓缩＋离心脱水 | 外运 |
| 4 | 吴淞污水厂 | 4.0 | 重力浓缩＋带式脱水 | 外运 |
| 5 | 泗塘污水厂 | 2.0 | 重力浓缩 | 船运 |
| 6 | 长桥污水厂 | 2.2 | 重力浓缩＋离心脱水 | 外运 |
| 7 | 闵行污水厂 | 5 | 重力浓缩＋带式脱水 | 外运 |
| 8 | 桃浦污水厂 | 6 | 重力浓缩＋带式脱水 | 焚烧 |
| 9 | 东区污水厂 | 3.4 | 重力浓缩＋离心脱水 | 外运 |
| 10 | 北郊污水厂 | 2.0 | 重力浓缩 | 船运 |
| 11 | 曹杨污水厂 | 3.0 | 重力浓缩＋离心脱水 | 外运 |
| 12 | 程桥污水厂 | 0.5 |
重力浓缩＋离心脱水＋好氧发酵 |
农用 |
从上述方式可以看出，目前市区各污水厂污泥均没有进行减量化、无害化和稳定化处理，这显然不符合国家关于污泥处理处置的战略思想，也与上海这个大都市的环境政策不符，因此结合现状对污泥进行“三化”处理已成为各污水厂面临的主要问题。
2、市区污水厂污泥稳定化处理工艺的选择
决定污泥处理工艺时，不仅要从环境效益、社会效益和经济效益全面权衡，还要对各种处理工艺进行探讨和评价，根据实际情况进行选定，对环境整体而言，要具有安全性和可持续性。
国内外常用的污泥稳定化技术有：厌氧消化、好氧消化、堆肥、碱法稳定和干化稳定。碱法稳定因无法长期使污泥稳定仅做应急之用；干化稳定因投资运行费用高应用很少；好氧消化需要较高的动力能耗，寒冷季节处理效率降低，副产品没有实用价值仅适用于小型污水厂；厌氧消化应用最为广泛，但有安全隐患、运行管理要求高，市区如曹杨、北郊等厂曾有过厌氧消化措施，因种种原因废弃；堆肥是一种生物处理方法，因其充分利用污泥中有用成分，可变废为宝，有利于建立循环型经济而受到广泛关注。这些方法各有千秋，具体选择要综合考虑，杜绝不确定因素对环境可能造成的冲击和意想不到的污染物在不同介质之间的转移。
上海市排水公司对市区污水厂污泥性质进行了系统的调研，查阅了大量的文献资料，在参考国外发达国家经验的基础上，结合上海的实际情况，编制了《上海城市污泥处理处置规划》。根据规划，市区污水厂除桃浦工业废水厂污泥焚烧外，其余各厂污泥无害化、稳定化处理后回收利用。
鉴于市区污水厂不应用厌氧消化工艺，排水公司在对国内外应用污泥好氧堆肥的设备及应用调研的基础上，借鉴畜禽粪便发酵原理，自2001 年起应用好氧堆肥工艺原理制成成套技术设备对城市生活污泥分别进行了小试、中试，摸索出了一套少加甚至不加掺合料、工艺简单、便于操作管理的封闭式好氧堆肥处理工艺，该发酵设备引进了日本的专利技术，该技术原用于畜禽粪便好氧堆肥，经简单改进后应用于污水厂污泥的好氧发酵工艺的试验研究。该工艺的成果率先在程桥水质净化厂得到应用，有效解决了长期突出的厂群矛盾，实现了设备成套化、系统化，为污泥的处置走出了一条新路，在国内属于首创。
三、试验研究
好氧发酵的一般工艺过程主要分为前处理、一次发酵、二次发酵和后处理四个过程。其技术主要分为条垛系统、强制通风静态垛系统和发酵槽系统。堆肥处理工艺近几年发展较快。综观国内各地污泥高温好氧堆肥方面的研究，主要集中在后续制肥工艺的研究，而堆肥基本采用自然通风或强制通风条垛式，这种方式占地面积大，操作环境差，在上海这个环境要求较高的城市显然是不太合适的。上海排水公司进行了机械化堆肥技术的试验研究，并在程桥污水厂进行了生产性应用。下面对该生产试验进行简要介绍。
1、泥质评价
程桥厂污水来源主要是生活污水，污泥主要来自两个方面：初沉池污泥和剩余活性污泥。污泥主要成分见表2。
表2 污泥主要成分表
| 品种 | 有机质 | N | P | K | 含水率 | 重金属 |
| 程桥厂污泥 | 65%～70% | 5.44% | 3.21% | 0.51% | 80% | 未超标 |
| 猪厩肥 | 25.0 | 0.45 | 0.083 | - | - | - |
| 牛厩肥 | 20.0 | 0.34 | 0.070 | - | - | - |
| 羊厩肥 | 31.8 | 0.84 | 1.100 | - | - | - |
从表中可以看出，污泥中的营养成分远高于农家肥，适合植物生长之需，如对污泥进行稳定化、无害化处理，制成有机肥料，则能变废为宝，既节约资源又维护环境，符合可持续发展战略要求。
2、工艺流程
程桥厂实施的污泥固态好氧发酵工艺日处理量2t/d（80％含水率）。其工艺是脱水污泥与辅料、菌种搅拌混合后通过螺旋输送料斗进入立式发酵器好氧发酵，菌种在运行初始一次性投加，以后留存接种。经过48h 的一次发酵后，初步达到无害化、稳定化，含水率可降至50％以下，体积大大减少，便于运输、基本无臭味。但尚未达到腐熟，需要继续二次发酵，采用发酵袋发酵，25 天后达到熟化，成品可以资源化利用。一次发酵过程中产生的臭气由抽风机集中收集后经除臭系统处理后达标排放。
3、该工艺的特点：
（1）设备简单，可以完全国产化。
（2）一次发酵在封闭容器内完成，通过反应放热产生高温，污泥中的水分随抽风设备排出室外，不会产生污水外排的污染问题，达到了安全、卫生的要求。
（3）一次发酵时间短，仅需48h 即可完成。
4、生产运行及效果
该工程自2002 年运行至今，基本正常，所有运行设备均实现自动控制。污泥发酵后，可得到含水率低于30％的熟化成品， 成品指标如下：
表3 污泥发酵成品检测结果
| 项目 | 单位 | 指标 | 标准值 |
| 水分 | ％ | 25 | ≤32 |
| N、P、K 总养分含量 | ％ | 6.5 | ≥6.0 |
| 有机质含量 | ％ | 40 | ≥35 |
| EC 值 | mS/cm | ＞7.0 | － |
| 粪大肠菌值 | 无量纲 | ＞0.11 | 10-1～10-2 |
| 蛔虫卵死亡率 | ％ | 100 | 95～100％ |
污泥发酵成品达到无害化、稳定化要求，经市园林所检测，污泥发酵成品中可利用的氧、镁等离子含量充分，利于植物生长吸收，因此市场销售情况良好，实际应用中用户普遍反应良好，不仅仓库全部清仓，而且有机肥使用旺季还出现了供不应求的局面。
5、工程效益分析
（1）经济效益
程桥厂实施污泥好氧发酵后，不仅解决了污泥出路问题，改善了作业环境，还使污泥得到资源化利用，产生一定的经济效益。经过生产实际应用，污泥（80%含水率）年运行费用为21.9 万元（不计折旧），污泥发酵成品年销售收入5.50 万元，可部分回收运行成本，基本实现循环经济。对污水厂而言，实施污泥好氧发酵工程还可节省污泥外运费、占地费、排污费等。
（2）社会及环境效益
程桥厂污泥好氧发酵工程实施以来，产生了巨大的社会及环境效益，改善了厂区及厂外周边环境，提高了环境质量水平。更重要的是此工程有利于推动污泥稳定化、无害化、资源化处理，为市中心城区污水厂无害化、稳定化处理提供了一条可供参考的途径。
6、工程取得的主要成就
（1）程桥污水厂污泥好氧发酵处理工程充分利用了有效资源，又保护了环境，对污泥这一固体废弃物基本实现了从产生、收集、处理到最终处置的全面管理。
（2）解决了该厂的污泥无害化、稳定化及污泥出路问题，并产生一定的经济效益。
（3）工程采用立式发酵器，克服了中心城区污水厂普遍存在的场地狭窄的问题，无需另征地，且运行自动化程度高，安全卫生。本工程为污泥的处置开辟了一条新路，在国内污泥处理领域位于前列，具有较高的科学性和先进性，为市中心城区污水厂污泥处理提供了很好的借鉴。
7、存在问题
（1）该套设备原用于畜禽粪便发酵，用于污泥发酵时根据污泥性质经过一定的设计改进，但由于是首次应用，加上污泥泥质与畜禽粪便差别较大，实际应用时仍产生很多问题，主要体现在进泥含水率偏高、不稳定、设备材质与动力系统需要进一步优化设计。
（2）尽管本套工艺采用了PLC 自动控制，但对操作人员的运行管理仍有较高的要求，试验中曾经发生过数次因操作不当引起的工艺紊乱现象，影响正常工艺运行。
（3）发酵设备消纳量有限，运行成本偏高，推广应用有一定的局限性。
四、结论
1、从程桥厂污泥好氧发酵工艺的运行情况看，市区污水厂实施污泥好氧发酵工艺是可行的，既可以解决污泥无害化、稳定化处理问题，还可以产生一定的经济效益，既充分利用了资源，又保护了环境。
2、污泥堆肥处理既可制取腐殖质含量较高的肥料，又可使废物体积减少25％，但由于堆肥过程中需添加一定比例的调理剂，因此堆肥化技术比较适用于中小规模的污水厂。
3、任何一种新的工艺都会带来较高的运行管理水平上的要求，因此尽快提高污水厂操作人员的管理水平以适应不断革新的污水及污泥处理工艺的需要是十分必要的。
4、程桥厂污泥好氧发酵工艺基本解决了污泥稳定化问题，但运行成本偏高，且稳定后的污泥仍存在最终出路问题，因此加快研究开发高效节能、操作方便、因地制宜的污泥资源化处置成套技术是解决污泥处置问题有效而又现实的途径之一。
5、本工程中发酵系统与除臭系统虽然均能实现自控，但两个系统之间的协调控制还有待于进一步优化。
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