污泥的处理处置与资源化
摘要：城市污泥处理处置是污水处理事业的重要组成部分。分析污水污泥处理处置应该采取的对策，同时介绍新兴的污泥处理技术，并指出了污水污泥土地利用时应该注意的问题。城市污泥既是污染物又是一种资源，污泥的处理、处置与资源化利用相结合才是其最好的出路。
关键词：城市污泥处理资源化
前言：
城市污泥是污水处理过程中产生的固体废弃物。中国现有人口13亿多，城市640多个，城市人口2.7亿，每年大约排放污水401亿ｍ３，已建成运转的城市污水处理厂有400余座，日处理能力2534万ｍ３，污水厂在净化污水的同时，产生的污泥量约占污水总处理的0.3%-5%（含水率为97%计），目前我国年产干污泥近30万吨，折合湿污泥含量约为750万吨（96%的含水率）。目前在国内一般污水厂中其基建和运行费用约占总基建和运行费用的20%～50%。污泥中除了含有大量的有机物和丰富的氮、磷等营养物质，还存在重金属、致病菌和寄生虫等有毒有害成分。为防止污泥造成的二次污染及保证污水处理厂的正常运行和处理效果，污水污泥的处理处置问题在城市污水处理中占有的位置已日益突出。因此，寻求经济有效的减量化、无害化和资源化的污泥处理技术具有重要意义。
1污泥的处理处置方法
(G7T(I9T5d0随着海洋投弃被禁止，污泥弃置的比例正逐渐减少，同时土地填埋也受到越来越严格的限制，因为填埋需占用大量土地、耗费可观的填埋费用且不能根治污染。在今后数年里美国的大部分污泥填埋场将关闭，欧盟也将规定填埋必须和焚烧相结合，只有焚烧灰才可以被填埋。人们已认识到污泥处理的优先顺序是减容、利用、废弃，污泥减量化、稳定化、无害化处理后作为资源回用已经成为主流。污泥利用可分为土地利用和热能利用，具体方法包括堆肥、碱性稳定化、热干化、焚烧等。
1.1堆肥
堆肥是利用污泥中的微生物进行发酵的过程。在污泥中加入一定比例的膨松剂和调理剂(如秸杆、稻草、木屑或生活垃圾等)，利用微生物群落在潮湿环境下对多种有机物进行氧化分解并转化为类腐殖质。研究表明，经过堆肥的污泥质地疏松，阳离子交换量(CEC)显著增加、容重减小、可被植物利用的营养成分增加、病原菌和寄生虫卵几乎全被杀灭。
目前采用的方法有静态和动态堆肥两种。有些地方仍沿用传统的条形静态通风垛，一些发达国家则多采用现代工业化的发酵仓工艺，如日本至20世纪90年代末已建了35座污泥堆肥厂，其中最大的堆肥厂在北海道的札幌市，其发酵仓和生产线很具规模且机械化自动化程度高［2］。国内的唐山、常州等地也采用发酵仓处理污泥。
1.2碱性稳定化
碱性稳定化是在污泥中加入石灰或水泥窑灰等碱性物质，使污泥pH＞12并保持一段时间，利用强碱性和石灰放出的大量热能杀灭病原体、降低恶臭和钝化重金属，处理后污泥可直接施用于农田。
碱性稳定化的两个主要处理方法是N-ViroSoil和Agri-Soil方法。前者是在碱性稳定后通过机械翻堆或其他方法使污泥快速干燥，后者则是在混合碱性物料后进行堆肥。美国爱森技术公司开发了成套N-Viro设备并在美国、澳大利亚等地使用，其自动化程度高，处理湿污泥量可达50～240t/d。
热干化是利用热能将污泥烘干。干化后的污泥呈颗粒或粉末状，体积仅为原来的1/5～1/4，而且由于含水率在10%以下微生物活性完全受到抑制而避免了产品发霉发臭，利于储藏和运输。热干化过程的高温灭菌作用很彻底，产品可完全达到卫生指标并使污泥性能全面改善，产品可作替代能源也可土地利用。20世纪90年代热干化技术得到迅速发展，2000年世界干污泥产量已是1990年的10倍［5］。目前在设备市场技术领先的有奥地利的Andritz公司、比利时的Seghers公司和美国的Bio-Gro等，其设备可蒸发水量为0.5～10t/h(相当于处理含水率为20%的湿污泥15～300t/d)，而且设备自动化程度高、安全性能好。
热干化按加热方式可分为直接加热和间接加热，其中有代表性的是欧洲最大的直接加热污泥干化厂——英国的Bransands(可蒸发水量为7×5000kg/h)以及世界最大的间接加热干化厂——西班牙的巴塞罗那(可蒸发水量为4×5000kg/h)。国内的大连、秦皇岛和徐州等地也开展了污泥热干化生产的研究，都采用直接加热方式。
通过焚烧可利用污泥中丰富的生物能来发电并使污泥达到最大程度的减容。焚烧过程中所有的病菌、病原体均被彻底杀灭、有毒有害的有机残余物被氧化分解。焚烧灰可用作生产水泥的原料，使重金属被固定在混凝土中而避免其重新进入环境，不足之处在于焚烧过程中会产生二英等空气污染物。目前应用最广的焚烧设备是流化床焚烧炉，当污泥的含水率达到38%以上时就可不需要辅助燃料直接燃烧，污泥焚烧在日本和欧美较为普遍，日本有61%的污泥采用焚烧处理。
1.5新兴的污泥处理技术—超临界水氧化
超临界水氧化（SupercriticalWaterOxidatian，简称SCWO）技术是在水的温度和压力均高于其临界温度T（374.3℃）和临界压力P（22.05MPA）时，以超临界水作为反应介质与溶解于其中的有机物发生强烈的氧化反应，使有机物最后被氧化成无毒小分子化合物的过程。
超临界水能与空气，氧气和有机物以任意比混溶形成均一相，即气液的相界消失，也就消除了相间的传质阻力，反映速度不再受氧的传质控制，因此加快了反应速度而缩短了反应时间，大多数有机物在几分钟之内去除率可达99.99%，有些有机物在不到1分钟的时间内去除率就可达到99.999%。
由于超临界水氧化充分利用了超临界水所具有的特性，所以具有其他有机废水处理技术无可比拟的优越性：效率高，处理彻底，反应速度快，反应容器小，无二次污染，且当有机物含量〉2%时就可以完全自热，不需要外加热量。另外，城市污泥中所含有机物是以油脂、蛋白质、纤维素和糖类等碳水化合物为主，重力浓缩之后的污泥含水率在95%左右，它的成分与湿生物质相似。以C6H12O6作为湿生物质的分子式模型，研究了其超临界水汽化（600、34.5Mpa）汽化与生物甲烷化的对比试验，结果湿生物质在超临界水汽化工艺中，产生的气体组分及含量（体积分数）分别是：H2为46%，CH4为39%，CO2为10%，N2为4%，CO为1%，能量的有效利用率为64.8%，而生物甲烷化的能量有效利用率为49.3%。由于城市污泥与湿物质类似，因此污泥的超临界水汽化成为可能，盐类等无机物在超临界水中的溶解度很小，在反应器及管路中沉积下来的无机盐易于分离，这样就能有效地去除污泥中的重金属。
2、污泥资源化利用
2.1污泥农用
这种利用和处置方式使污泥最终剩余物问题得到真正解决，因为其中的有机物得以重新进入自然环境。污泥含有丰富的微量元素，将其施用于农田能够改良土壤结构，增加土壤肥力，促进农作物的生长。
污泥农用必须注意：严格控制污水厂污泥的有毒有害物质及病原微生物，使其达到国家标准；注意污泥中重金属含量，按照计算得出污泥施用量进行施用；农田利用在安全施用量之下控制使用，同时整个利用区应该建立严密的使用，管理，监测，监控体系，关注区域内土壤，地下水，地表水，作物等相关因子的状态和变化。
2.2污泥用于园林绿化地和林地的建设
将污泥施用于花卉、草坪等，既可远离食物连，又可就近消化污泥，还能减少化学肥料的用量，同时污泥还被用在森林土地的施用上，污泥中的营养成分和微量元素可促进树木生长。
2.3能量利用
污泥发孝产生的污泥气体可作燃料，也可作化工原料，消化池产生的污泥气能完全燃烧，保存运输方便，是一种清洁燃料，污泥气发热量为20850-25020KJ/m3，1m3气体约相当于1Kg煤。污泥气的主要成分为CH4和CO2，将污泥气净化，除去CO2，可得到CH4，其可以制成多种化工产品。
2.4污泥作建材
利用污泥可以制砖，制纤维板，也可用于铺路等。制砖时，可直接用干化污泥制砖，或用污泥焚烧灰制砖。污泥中含有大量的灰分，铝，铁等成分，可作为生产建筑材料的添加剂。
2.5新的热能利用技术——热解制油
即在300～500℃、常压（或高压）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，最终产物为油、碳、非冷凝气体和反应水。英，美等国主要研究的是热化学液化法，即在300℃、10MP左右的条件下对脱水污泥进行化学液化，使污泥反应成油状物。德国和加拿大以热分解油化法为主，把干燥的污泥在无氧条件下加热到300-500℃，使之干馏气化，再将气体冷却转化成油状物。
该技术的环境效益和资源化效益均是很可观的，主要表现在：能有效控制重金属排放，特别是Hg,Ti,在灰烬和炭中来自污泥的重金属被钝化，可回收利用，易储藏的液体燃油，回收的液体燃油可提供700kw/t的净能量，可破坏有机氯化物的生成，反应器中燃烧温度应维持尽可能低（〈800℃〉，可减少水蒸汽中金属的排放，气体净化简单而廉价，占地面积小，运输费用减少，运行成本较低。第一座工业规模的污泥炼油厂在澳大利亚柏斯，处理干污泥量可达25t/d。
此外，还有污泥直接油化和微波高压油化技术，直接油化技术是污泥不经过干燥处理，在250-350℃，5.0-15MP和催化作用下，使污泥中的大部分有机物转化成低分子油状物。
2.6污泥制活性炭技术
污泥中含有许多的碳，具备了制备活性碳的客观条件。制备活性碳的路径是先对污泥炭化，然后活化，所以污泥制活性碳的主要研究问题是最佳炭化，活化条件以及提高质量，降低成本等，目前，污泥炭化方式除了传统的高温炭化外，也有用工业废弃的硫酸来催化炭化，污泥活化方式以高温水蒸汽物理活化氯化锌化学活化为主。
由于污泥的含碳量比其他制活性碳的原料含碳量低，所以污泥活性碳的质量不及商品活性碳，其碘值为177-700mg/g,但在处理有机废水时，COD吸附容量和吸附平衡时间优于商品活性碳。由于污泥活性碳中的重金属可能丢失，所以这些活性碳仅限于简单的废水处理和气体净化，其应用场合有限，但在一些消耗碳气体净化场合，其应用比传统的活性碳更经济。而且，污泥活性碳如果不在再生，可以考虑烧掉，同时可固化其中的重金属，因此有一定的应用前景。
3污泥利用方案的选择
面对众多的污泥利用方案，Bridle等提出用生命周期评价法即从“环境卫生安全、资源回收、资源投入产出比和收益影响比”四个方面评估污泥利用方案的可持续性。因各地区的发展状况有差别，所得出的结论也不同，所以应根据本地实际情况选择适合的污泥利用方案。
3.1污泥利用的潜在风险
污泥利用需满足严格的环境卫生标准，不能造成新的环境危害。污泥利用的环境问题是重金属和氮对土壤、作物、水体的影响以及病原物污染，所以具有潜在风险。污泥的热能利用无疑是风险最小的，而土地利用则需严格管理，只有重金属含量低于农用污泥标准才可用于农作物，而且污泥肥的施用也需严格定量以控制重金属的积累和减少氮、磷淋失对水体的污染。至于病原物污染，热干化的安全性较佳，因其高温灭菌作用很彻底，产品可完全抑制微生物的活性；碱性稳定化基本上也能达到安全标准；堆肥则不足以保证安全性［8、9］，因病原物仍有少量存活且产品的高含水率(一般为30%～40%)可使病原物复活，故采用堆肥方案时需加强对堆肥质量、场所和施用场地的管理。
3.2利用方法的比较
污泥土地利用可回收植物生长所需养分并且改善土壤的物理性质(降低容重、提高渗透性和保湿性)，其收益是显著的，但前提是污泥必须安全。焚烧既可回收热能又可通过干馏提取油、气等，不但可做燃料也可用于制造四氯化碳等化工产品，具有工业化利用前景，因此当污泥不能农用或者污泥量大于农用需求量时，焚烧也是一种选择。欧洲将来有30%的污泥土地利用、70%热能利用。而在所有方案中，无疑热干化最具灵活性，对可农用的污泥进行热干化处理后可形成高质量的颗粒肥，易撒播且适宜包装上市销售，对不可农用的污泥无论直接焚烧或者干馏制油都需先热干化处理，因此，热干化适用于所有污泥，其产品用途也最广泛。
3.3其他因素
运行成本及经济承受能力是方案选择的重要因素之一。总体来说焚烧的成本最高(是其他工艺的2～4倍)，而其他方案的综合成本差异不显著。堆肥化若采用静态条垛工艺则成本最低，但其生产周期长、占用土地多且对周围环境的影响比较严重；若采用发酵仓则设备投资和运行费用将增加，而且若要制成复合肥还需烘干造粒设备，这样其成本优势就大大削弱了。因此，考察污泥利用的成本时应在统一产品质量标准和环境影响标准的基础上，从设备投资、运行费用、地价、人力价格等多方面进行综合评估。
污泥处理设施的选址是方案选择的决定因素之一。一般而言，污泥宜就近处理以节省运输费用和减少湿污泥运输对沿途造成的污染。由于污泥处理过程中可能会带来臭味、有毒有害气体及病原体等环境问题，所以选址会对方案选择产生决定性影响。如果污水处理厂远离城区并有闲置土地，则堆肥不失为一种合理选择。在生产用地紧张的情况下，热干化显得较有优势，它不仅占地面积很小，而且可以满足严格的环保标准(其尾气经严格除尘除臭后才排放，厂房内的气体也进行除臭处理)，即使在德国、瑞士等地也有污泥热干化厂建在市区或旅游区内的情形。
各地区的实际情况决定了污泥产品的使用目的和要求不同，从而也导致了污泥处理利用方法的迥异。例如欧洲仅有1%的污泥用于堆肥，美国也只有4%～5%，但在澳大利亚堆肥却很受欢迎(尤其是碱性稳定后堆肥)，如悉尼水处理集团污泥的25%用于堆肥、54%用于碱性稳定化，原因是澳大利亚许多土壤呈酸性。在美国东海岸污泥热干化处理发展迅速，这是因为那里的污泥无法直接就近农用，必须将其制成易于储存和运输的颗粒肥上市销售或运往西部佛罗里达州的柑橘农场。可见污泥处理后的性状和用途会制约污泥利用方案的选择，所以应先作详尽的市场调查，根据污泥利用的市场及容量确定了污泥的最终出路之后才能选出最佳的污泥处理方案。
4结论
随着我国经济和城市化的迅速发展，城市污水处理厂的规模不断扩大，处理程度将不断提高，难度也不断加大，同时，我国在城市污泥处理，处置及有效利用方面的技术刚起步，因此在污泥处理处置方面，应将传统技术与新技术相结合，逐步改进，以提高处理效益，增强处理效果，而且在污泥利用方面，应兼顾到生态效益和经济成本的均衡。
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