关于城市污水污泥处理与处置的技术研究与探索
1 概况
天津市是我国四大直辖市之一，是北方重要的工商业城市和内外经济贸易中心。改革开放以来，我市经济发展迅速，城市基础设施日臻完善。市政府十分重视城市环境建设和保护，尤其是对水环境的治理与改善，近十多年来先后建成两座大型城市污水处理厂(纪庄子、东郊)，日处理规模达66万m3污水，几乎将市区1/2城市污水净化处理，使天津市的城市污水处理，无论是处理率还是技术水平均列全国之首。从1984年至今两座污水厂为天津市提供了19亿m3的二级净化水，取得了可观的社会和环境效益，对减轻渤海湾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，如不加以妥善处理和处置，将造成堆放和排放区周围环境严重的二次污染，更有甚者，将污水污泥任意施于农业，导致农作物污染，土壤受到不可逆转的中毒受害。
城市污水污泥既会造成污染，又可进行综合利用。污泥中所含的有机物是有效的生物能源，污泥中的有机物分解产生的腐殖质可以改良土壤，避免板结，而污泥中丰富的氮、磷、钾等则是植物和农作物生长不可缺少的营养物。干燥的污泥可产生16.65～20.93兆焦/t的热能,是一种低热值的燃料.当今世界上,越来越多的人对“地球上的一切资源都是有限的”这一客观存在的事实有了越来越深刻的认识，因此，污水污泥的处理处置与污泥资源化的相结合，必将成为城市污水污泥唯一的最终出路。一个城市污水处理厂、污泥处理处置不当就不能够充分发挥它消除污染保护环境的作用，也就明显地削弱了污水处理厂的净化功能。
2 污泥处置国内外发展动态
污泥处理与处置的目的主要有以下四个方面：
(1)减少污泥最终处置前的体积，以降低污泥处理及最终处置的费用;
(2)通过处理使污泥稳定化，最终处置后不再产生污泥的进一步降解，从而避免产生二次污染;
(3)达到污泥的无害化与卫生化;
(4)在处理污泥的同时达到变害为利、综合利用、保护环境的目的，如产生沼气等。
污泥稳定化处置以厌氧消化为主，发达国家广泛采用，欧美、日本、独联体等国家，用厌氧消化处理污泥占污泥量的一半以上。表1示出欧洲各个国家污泥处理方式所占比例，厌氧平均占58%，发达国家六十年代，对污水处理厂污泥处理处置系统的装备已达到先进的成套产业化水平，如污泥消化系统设备、污泥浓缩脱水设备、污泥干燥焚化设备、沼气综合利用设备、污泥高温堆肥系统装备以及污泥固化工业利用技术与设备，八十年代末又应用湿式氧化技术处置污泥。我国城市污水处理厂污泥处理起步较晚，八十年代中期建设城市大型污水厂，污泥处理也采用中温厌氧消化，引进先进技术的同时也引进了设备，尤其是借助国外贷款建设项目中，污泥处理系统装备几乎全部需要进口。近十多年来，我国城市污水厂污泥处理技术和某些单项专用设备有较大发展，积累了中温厌氧消化技术的丰富经验，而在污泥处置和最终出路方面尚属试验研究阶段。
污泥无害化主要包括杀死虫卵，减少病菌和消除重金属的污染，后者只能从上游污染源的严格控制来解决，污泥处置和综合利用方法有填埋、焚烧、排海、制造建筑材料等途径。表2列出欧洲各国污泥产量及处置方式所占比例。
据美国环保署估计，美国15300个城市污水处理厂中，年产干固体污泥769万吨，45%的污泥用于农林业，21%进行填埋，30%用于投弃海洋。焚烧法由于能耗高，所以只占3%。原西德年产干污泥约200万吨，农田利用占32%，填埋占59%，焚烧占8%。日本55%的污泥进行焚烧，35%的污泥进行填埋，约9%的污泥进行农田利用。污泥排海处置，由于对海洋越来越高的要求，许多国家已停止使用。污泥焚烧以日本、德国、奥地利等国占比例高，一般大型污水厂污泥通过焚烧无害化，产生的热能可回收利用，污泥减容减量化程度很高，但焚烧投资巨大，操作管理复杂，能耗和运行费均很高，近期内我国还不能全面推广采用。据报导，日本拟研究污泥焚烧后残渣融铸成块石堆砌的处置方法。总之，在大多数国家中，特别是发展中国家土地利用和填埋仍是污泥处置的主要途径，而随着可填埋范围的日益减少，土地利用将是一个主要的发展方向。我国是一个发展中的国家，又是一个农业大国，城市污水污泥的土地利用应是一项重要的途径。
污泥的最终处置途径：
污泥的土地利用已有多年历史，主要包括污泥农用，污泥用于森林与园艺、废弃矿场等场地的改良等。污泥中含有丰富的有机物和N、P、K等营养元素以及植物生长必需的各种微量元素Ca、Mg、Zn、Cu、Fe等，施用于农田能够改良土壤结构、增加土壤肥力、促进作物的生长。污泥的土地利用是一种安全积极的污泥处置方式。
尽管污泥的土地利用有能耗低、可回收利用污泥中养分等优点，但是，污泥中也含大量病原菌、寄生虫(卵)，以及铜、铝、锌、铬、汞等重金属和多氯联苯、二恶英、放射性元素等难降解的有毒有害物。一般来说，污泥要作土地处置必须经无毒无害化处理后(污水处理过程的净化和污泥高温堆肥)，才能作土地利用，否则，污泥中的有毒有害物会导致土壤或水体污染。
为此，欧美国家根据各自具体情况制定城市污泥土地利用技术标准。英国的标准内容主要有污泥中各项有毒有害物、pH指标的测定，污泥无害化、卫生化、稳定化处理后各项指标值，土地类型及其性质的测定，处理后的污泥土地适用范围。美国联邦政府对城市污泥的土地利用有严格的规定，在《有机固体废弃物(污泥部分)处置规定》中，将污泥分为A和B两大类：经脱水、高温堆肥无菌化处理后，各项有毒有害物指标达到环境允许标准的为A类，可作肥料、园林植土、生活垃圾填埋坑覆盖土等所有土地类型;经脱水或部分脱水简单处理的为B类污泥，只能林业用土，不能直接用于改良粮食作物耕地。
污泥农用从我国具体情况来说是最为可行、最为现实的处置方式。其特点为：
(1)可大量处置污泥，原则上只要污泥达到国家有关标准就可用于农田;
(2)污泥参与农田的物质循环过程，污泥中的氮、磷、钾、有机质及微量元素是良好的农用肥料，对农作物有增产作用;
(3)污泥中有机质、腐殖质可改善土壤结构，是良好的土壤改良剂;
(4)污泥农业利用使生产费用降低，适合我国目前的经济发展状况。
污泥农用必须注意：
(1)严格控制污水厂污泥的有毒、有害物质及病原微生物达到国家标准;
(2)应该特别注意污泥中重金属的含量，根据其土壤背景值等情况，严格按照计算得到的污泥施用量进行施用;
(3)一般来说某块农田使用污泥数量有一定限度，当达到这一限度时，污泥的农用就应停止一段时间后再继续进行;
(4)农业利用应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、监测和监控体系。关注区域内的土壤、地下水、地表水、作物等等相关因子的状态和变化，并根据发生的变化作出相应的调整，使得污泥的农用更加安全有效，促进农业的可持续发展。
泥高温堆肥技术，其特点为：
(1)自身产生一定的热量，并且高温持续时间长，不需外加热源，即可达到无害化;
污 (2)使纤维素这种难于降解的物质分解，使堆肥物料有了较高程度的腐殖化，提高有效养分;
(3)基建费用低、容易管理、设备简单;
(4)产品无味无臭、质地疏松、含水率低、容重小、便于运输施用和后续加工复混肥(商品肥)。
目前世界各国采用的方法有静态和动态堆肥两种，如自然堆肥法，圆柱形分格封闭堆肥法，滚筒堆肥法，竖立式多层反应堆肥法以及条形静态通风等堆肥工艺，这些方法都在不断发展和完善。美国八十年代初开发了比较完善的贝尔茨维尔好氧堆肥法，主要采用堆底穿孔管道通入空气的方法，防止臭气扩散，比较安全卫生。美国、德国、荷兰等发达国家大多由污水厂出资，国家政府资助交专业公司承包产业化经营，堆肥产品作为商品出售。
污泥连续发酵工艺利用快速发酵回转仓完成中温、高温发酵工艺是目前国际上较为先进也是较为普遍使用的处理方法。它具有高效、防臭、成品质量高的特点。在美国、日本、欧洲广为采用。例如：日本在1954年建成第一座污泥堆肥中心，到90年代末已建了35座。目前日本最大的堆肥厂在北海道的札幌市，发酵仓和生产线及袋装产品很具规模，而且机械化、自动化程度很高。丹诺(DANO)发酵器，是一种古老而现代的好氧发酵设备，开始用于城市垃圾的处理，后来这种方法被引用到污泥处理施用农田。丹麦DANO公司的发酵器转筒直径3.5m，长度36m，德国Reinstal公司的发酵器，直径3.75m，长度40m，还有直长达4～5m，长度60m以上的，如KM-102A型、KM-101型等。丹诺发酵仓污泥腐熟周期能达到3个昼夜以内，污泥的干燥技术常用于污泥焚烧的预处理，这在发达国家已较普遍。英国万历普厂引用了DANO公司的机械堆肥技术年产粉状4万吨。美国洛杉矶、佛罗里达、宾夕伐尼亚等地都建有同类的工厂。
我国近几年在北京、天津、唐山、太原、深圳、大连、石家庄、淄博、秦皇岛及俆州等城市，进行污泥高温堆肥、干燥制肥等方面的研究，取得了工艺技术方面的初步成果。天津市污水处理研究所在纪庄子污水处理厂污泥高温堆肥的试验和研究在我国也是进行的大量的工作，探索出一套少加甚至不加调节剂、工艺简单、便于操作管理的污泥堆肥工艺，同时提出了工艺流程和技术参数，为生产线的设计与建设提供技术依据。
将消化污泥或生污泥均匀混合，调至试验所要求的含水率，装入堆肥试验反应器。在反应器内的中间位置设置湿度计或热电偶温度巡检仪，适当位置设置取气测氧装置，以便随时测定堆肥物料中湿度变化及O2、CO2含量变化。由转子流量计控制通风量，使用气体分析仪测定堆肥层中瞬时氧含量。每天测定温度3-5次，测定O2、CO2含量2-3次。定时取堆肥物料混合泥样测定污泥含水率和有机分，待堆肥过程结束时进行堆肥产品全分析，并测定大肠菌值和蛔虫卵等卫生学指标。试验中主要控制参数和测定项目如下：进泥含水率的控制。调节进泥含水率为50%-65%左右，研究不同的污泥干燥方式对堆肥工艺的影响。经风干含水率为20%-30%的污泥和脱水泥饼混合堆肥;经风干含水率为50%-60%的污泥直接堆肥;经堆肥熟化后的产品与脱水污泥混合堆肥。污泥堆肥供气量的控制。考察供气量在10-50m3气/(t·h)范围内对污泥堆肥工艺的影响，研究堆肥工艺的最佳供气量，根据堆层温度确定倒垛频率和倒垛周期。
在发酵的过程中，适当倒垛可以使堆肥物料混合得更为均匀，堆层表面和死区中未得到充分分解的有机物得到充分降解，同时倒垛还可以提高堆肥物料的孔隙率，有利于通风供氧。
堆肥的周期即堆肥物料在发酵装置内的停留时间取决于堆肥产品达到稳定化无害化要求所需要的时间，可以用腐熟度的指标确定堆肥周期。通过试验研究，堆层中的温度经50℃以上高温持续5-7d以后，逐步下降40℃以下，堆层中的O2浓度可恢复到20%以上，CO2浓度在1.0%-2.0%以下，耗氧速率显著降低，达到以上指标后可以认为污泥中可降解的有机物质基本分解完全。
生污泥经高温堆肥处理，各种微生物的数量都有下降，其中以细菌、放线菌尤为显著。由此可以认为，随着毒性有机物浓度的降低，微生物的数量也随之下降，即微生物类群的数量变化与毒性有机物的含量呈正相关关系。消化污泥高温堆肥整个过程中，发酵池内微生物的数量变化均呈现一定的规律性，即前期(5-15d)较少，中期(0-5d)波动，后期(15-20d)增多;发酵条件下，细菌、放线菌和霉菌不仅都能生长，而且其数量变化的规律也同前述比较趋于一致。因此可以证明，毒性有机物的降解效果是以细菌、放线菌为主的微生物综合作用结果。另外，还对高温堆肥处理前后污泥中有机物的毒性进行了研究。
以堆肥处理前、后消化污泥的提取液为试验液，以草履虫为试验对象，进行了综合毒性研究。结果表明，两者的半致死浓度相差近10倍，说明对毒性有机物的降解效果是显著的。
北京密云污水处理厂，采用动态污泥高温发酵仓，已取得生产性试验初步成果。与化肥复混的商品有机肥已作为商品出售。深圳市沃绿肥料公司利用深圳浜河污水处理厂脱水泥饼，并辅以其他添加剂，生产出有机复合肥、菌肥，以散装的颗粒肥投放市场，产品质量符合国家和广东省有关标准。另售价600～800元/t;唐山市西郊污水厂静态高温堆肥已进行了5～6年在生产设备方面近几年有很大提高，并申报专利产品;大连市开发区第一污水处理厂富磷污泥脱水后经干燥处理，大大减少了污泥容积(干燥设备采用DKRC型干燥机)，便于堆放、填埋、贮存和进一步利用，每吨干燥污泥生产成本约380元，其他城市如石家庄、太原、西安市等均作过污泥有机肥的试生产试验正在进一步研究开拓市场，降低成本。达到规模、经济，以取得合理的经济效益。
污泥填埋处置的基本方式是城市污泥经过简单的灭菌处理，直接倾倒于低地或谷地制造人工平原。它的好处一是污泥无毒无害化处理成本低，不需要高度脱水(自然干化)，二是既解决了污泥出路问题，又可以增加城市建设用地。
污泥的卫生填埋始于60年代，是在传统填埋的基础上从保护环境角度出发，经过科学选址和必要的场地防护处理，具有严格管理制度的科学的工程操作方法。到目前为止，已发展成为一项比较成熟的污泥处置技术，其优点是投资少、容量大、见效快。
然而，城市污泥卫生填埋也存在许多问题，如填坑中含有各种有毒有害物经雨水的浸蚀和渗漏作用污染地下水环境，这对以下下水为生活水源的地区来说是不安全卫生问题。此外，适宜污泥填埋的场所因城市污泥大量的产出而显得越来越有限。据一份关于污水污泥情况调查报告预测，到2005年，欧盟国家的污泥卫生填埋场所仅能容纳污泥总产量的17%。
所以说，污泥作卫生填埋处理时，除了要考虑城市周围是否有适合填埋的低地或谷地之外，理应考虑到环境卫生问题。建设污泥卫生填埋场如同生活垃圾卫生填埋场一样，地址须选择在底基渗透系数低且地下水位不高的区域，填坑铺设防渗性能好的材料，卫生填埋场还应配设渗滤液收集装置及净化设施。目前我国修建的卫生填埋场中，都用高密度聚乙烯为防渗层，避免了对地下水源及土壤的二次污染。
1992年欧盟大约40%的污泥采用了填埋处置，由于污泥填埋对污泥的土力学性质要求较高，需要大面积的场地和大量的运输费用，地基需作防渗处理以免污染地下水等，近年来污泥填埋处置所占比例越来越小。美国环保局估计，今后几十年内美国6500个填埋场将有5000个被关闭。与1984年相比，欧盟国家污泥填埋量增加了4%，但同期污泥总量却增加了16%]。这意味着填埋并最终不能避免环境污染，而只是延缓了产生时间。
在污泥不能被农用的情况下，污泥必须被填埋或焚烧。污泥填埋是欧洲，特别是希腊、德国、法国在前几年中应用得最广的处置工艺。在将来的发展中填埋仍然是垃圾和污泥处置中不可避免的方法。对于不能资源化而须从使用循环中排出的废物，填埋是目前唯一的最终处置途径。污泥可与城市垃圾一起填埋或单一填埋。在现有的填埋场中填埋大量污泥在目前美国及德国中受到愈来愈大的阻力，这便增大了填理这一方法的可能性。因为对于污泥的填埋在部分发达国家的城镇垃圾技术规范中有相应的规定值。其中对污泥填埋能力规定了两类重要参数：
强度参数：横向剪切强度>25kN/m2
单轴压强>50kN/m2
干固体中的有机物比例：
灼烧减量<3%Ⅰ类填埋场(惰性废物填埋场)
灼烧减量<5%Ⅱ类填埋场(生活垃圾填埋场)
上述以灼烧减量规定的有机物的百分比含量意味着，污泥不经过热处理(焚烧)是不满足填埋要求。
污泥焚烧处置的优势在于可以迅速和较大程度地使污泥达到减量化，近年来焚烧法由于采用了合适的,预处理工艺和焚烧手段，达到了污泥热能的自持，并能满足越来越严格的环境要求和充分地处理不适宜于资源化利用的部分污泥。由于其在恶劣的天气条件下不需存储设备。对于大城市因远离填埋场造成运输费用高的场合，使用焚烧法处置可能是经济有效的。
城市污泥中含有大量的有机物和一定量的纤维素木质素。脱水后的污泥发热量约836KJ/kg，掺入适量的引燃剂、催化剂、疏松剂和固硫剂等添加物配制成"合成燃料"，可作工作炉窑或生活锅炉的辅助燃料。这种处置方法有利也有弊，既解决了污泥的出路问题又充分地利用污泥中的能源，而且污泥不需要作灭病原菌的处理。但是，污泥中的重金属却随着烟尘的扩散而污染空气。另一方面，污泥必须保证在比较低的含水率才能制作\"合成燃料\"，因此污泥需要脱水。从目前的技术水平看，机械脱水成本比较高，自然脱水虽然成本低，但时间长占地大，而且凉晒期间，污泥中的腐臭气污染空气。
在欧盟，1992年污泥焚烧的比例为11%，美国为15%。1962年，德国建议并开始运行了欧洲第一座污泥焚烧厂。过去20年中焚烧的污泥量大幅增加。需要焚烧的污泥中65%以上的污泥在流化床的焚烧炉中焚烧。
在所有的污泥处理中，焚烧方法产生的剩余物最少，焚烧的另一个优越性在于无异味。其缺点是高成本和可能产生的污染(废气、噪声、震动、热和辐射)。焚烧的成本是其他工艺的2-4倍。
因此焚烧主要在如下两种情况中应用：由于污泥的性质或量大不能农用;现有的填埋体积不足。
单一污泥焚烧时，待处理的新鲜和消化的污泥在流化床焚烧炉、多层焚烧炉和多层流化床焚烧炉中焚烧，其中用得最多的是流化床焚烧炉。多年的经验表明，与多层焚烧炉和多层流化床焚烧炉相比，流化床焚烧炉有突出的优点。最大的优越性在于：流化床焚烧的过程中无活动部件，持续和间歇运行中结构稳定，炉中的加热和冷却时间比多层流化床焚烧炉中短得多。此外流化床焚烧炉的耐火墙也简单得多，无需金属部件(例如多层床焚烧炉和多层流化床焚烧炉的中心轴)的冷却。
污泥和垃圾混合焚烧是一种合理的处置途径。在垃圾焚烧厂待焚烧的污泥应预先脱水或先干燥。混合焚烧的主要优点在于：
(1)用费用合理的工艺如离心机适度地预脱水即可;
(2)垃圾中蕴藏的多余热量可用于蒸发污泥水分，由此节约原能的消耗，在较大量的污泥处理中也是如此;
(3)蒸汽锅炉、燃烧室及废气净化设备同时使用于垃圾和污泥焚烧，可降低投资和运行成本。
由于污泥含有不同性质的物质，必须使污泥在垃圾中尽可能均匀分配。如果在焚烧前将污泥和垃圾在一个大滚筒中几小时均相比，就可达到这个要求。脱水的污泥也可在振荡干燥器中用垃圾燃烧的高温烟气干燥，然后直接鼓进燃烧室焚烧。燃烧温度为800℃-1000℃。
由于焚烧工艺能较大幅度地减少重要的有害物质和缩小废物体积，将会具有愈来愈重要的意义。但其价格昂贵，也严重影响了在我国的处置使用。
污泥工业化利用有以下几件：
(1)干污泥颗粒：发电厂燃料掺合料，污泥干馏提取焦油焦炭、燃料油和燃气等
(2)污泥燃烧灰：水泥添加剂，污泥砖、污泥陶粒等建筑材料。
(3)污泥细菌蛋白：制造蛋白塑料，胶合生化纤维板等。
(4)污泥气：燃料，动力燃料，制造四氯化碳、氢氰酴、有机玻璃树脂、甲醛等化工产品。
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