城市污水厂污泥处理技术

1城市污水污泥污泥处理现状与发展探析【摘要】随着污泥产生量的日益增加，污泥处置问题日益突出，已成为制约污水处理行业发展的瓶颈，如何确定污泥规范化处理处置方案路线，成为摆在城市污水行业主管部门面前的一道难题。本文系统分析了国内外污泥处理处置技术现状、主流技术研究及应用进展，并结合我国国情对污泥处理处置发展趋势进行了展望。关键词：城市污水污泥处理处置发展趋势污泥是污水处理的副产物，含有多种菌胶体、有机物、无机物的一种复合产物[1]，未经处理的污泥成分复杂，除含有灰分外，还含有大量的有机质、难降解的有机物、多种微量元素、病原微生物和寄生虫卵、重金属及盐类等成分[2]。据统计[3]，截至2009年9月底，全国已有1792座城市污水处理厂投入运营，处理能力达9904万吨/日，在建城镇污水处理项目1977个，设计能力约为5527万吨/日。预计处理1万吨污水会产生产1.5吨干污泥，湿污泥含水率估计为80%，全国将产生湿污泥4,224万吨。污泥处理和处置在我国还处于初级阶段，在全国现有污水处理设施中有污泥稳定处理设施的还不到1/2,处理工艺和配套设备较为完善的不到1/10,能够正常运行的为数更少,并且主要集中在日处理量超过150000ｍ3的大型污水处理厂。因此，如何将成分复杂、产量大的污泥妥善处置，使其减量化、无害化和资源化、具有重要的现实意义。1污泥处理新技术国内外的污水处理厂传统的污泥处理方法主要有调理、浓缩、脱水、干燥、消化等。这些方法在工程实践中不断的暴露出一些缺点和不足，如占地面积大、运行管理要求高、运行费用与机械维修费用较高等。近年来，已有很多新兴的污泥处理技术得到发展，被应用到实践中。1.1好氧发酵好氧发酵污泥好氧发酵技术是利用污泥中的微生物进行发酵的一项新的生物处理技术，在实际应用中可以达到“无害化”、“减量化”、“资源化”的效果，并且具有经济、实用、不需外加能源、不产生二次污染等特点。目前，国内外研究学者针对堆肥过程中的条件控制、重金属控制、保氮技术以及技术工艺方面进行了大量的研究，取得了很多有价值的成果。美国早在19世纪60年代初就有关于污泥农用的研究。日本于20世纪50年代建成第一座污泥堆肥中心，到20世纪90年代末已建成35座。日本还开发出用污水处理厂的污泥进行短时间堆肥的技术[4]。目前，欧美、日本普遍采用国际上较为先进的具有高效、防臭、成品质量高的污泥连续发酵工艺，利用回转仓完成中温、高温发酵过程。日本、韩国以及一些欧美国家相继研发出封闭仓式发酵系统，综合效益较好[5]。20世纪60年代，我国首次在北京高碑店污水处理厂成功进行了污泥自然通风堆肥试验[6]。50多年来，国内学者对好氧发酵工艺进行了大量研究，取得了很多有价值的研究成果，先后建成了在产品质量、运行操作可控性、环境质量等方面均能达到较高水准的污泥堆肥处理处置项目。国内学者成功开发了污泥高效低耗堆肥与复合肥制备成套技术，实现了堆肥温度和通风控制的自动化，建立了适合我国的高效低能耗的污泥堆肥工艺[7]。我国在机械翻堆工艺和强制通风静态堆肥工艺基础上，开发出了具有自主知识产权的CTB2自动控制生物堆肥成套技术，该技术堆肥耗时短、占地面积小，无恶臭、废水等二次环境污染问题，技术的完整性和配套性好[8]。同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室以污泥静态堆肥工艺为基础，针对上海曲阳污水处理厂的脱水污泥进行动态好氧堆肥处理工艺的开发，重点研究了控制参数和评价参数（温度、含水率、pH、水溶性有机碳和发芽指数等）变化规律[9]。另外，国内各科研院所在污泥好氧堆肥装置的研制方面也取得了很大进展[10]。随着我国环保要求的不断提高和污泥堆肥技术的成熟，先后建成了具有较高水准的污泥堆肥处理处置项目。唐山西郊污水处理二厂污泥堆肥项目在SACT工艺的基础上，采用了自动化机械化设备，以实现与污水厂实际运行状况的匹配。此外，SACT技术还应用于北京大兴污泥消纳场、洛阳东污水处理厂、沈阳市污水处理厂等一批污泥堆肥项目。我国具有自主知识产权的CTB自动控制生物堆肥成套技术也在上海松江城市污泥处理处置等工程项目中应用，为国内类似工程的建设提供了宝贵经验。污泥好氧发酵技术经过近几十年的发展，取得了很大的进步，但在技术理论和工艺上还存在一些瓶颈，如需要大量辅料、臭气控制难、存在人畜健康全风险等，好氧发酵技术仍有很大的提高潜力。1.2污泥热干化技术污泥热干化就是用热蒸汽或热能将污泥烘干，干化后的物相品质稳定，呈颗粒或粉末状，容积减量效果显著，且无臭味。由于热干化技术要求和处理成本较高，管理复杂，直到20世纪末90年才得到迅速发展，我国相关研究开展也相对较多，但推广成功案例较少。idris[11]等在污泥热干试验中发现，持续干燥过程与温度升高一致，干燥时间较短时产生污泥质量和热量比。马德刚等研究表明，污泥的粘壁强度有电场时与无电场时的比1：16，污泥含水率大于50%时，干燥速度加快。郑宗和等[12]对太阳能干燥污泥进行研究，发现该技术对污泥脱水节能影响较大。雷海燕等[13]研究发现了太阳能干燥器污泥过程的可行性和干燥特性。热干化法可以做到污泥减量化、无害化、稳定化，其特点是：占地面积小，机械化程度高，可大幅度缩减污泥的体积和重量，污泥性质稳定，不会腐败发臭，便于运输和消纳。但热干法存在设备投资费用高、运行、维护成本较高，安全系数低，操作复杂等缺点。1.3污泥的湿式氧化技术湿式空气氧化法(以下简称wao)是以o2(或o3、h2o2)为氧化剂在液相中(125～320℃，0.5～20mpa)将有机污染物氧化为co2和h2o等小分子有机物或无机物的化学过程。有研究发现[14]，经湿式氧化处理后的污泥变得较稳定，上清液生化性能升高、沉降性能增加；低温时污泥是由水分蒸发造成失重，100℃～200℃之间污泥的失重是由有机物挥发造成的，200℃～400℃之间吸热或放热是由含碳高分子化合物分解引起的。wao法的优点是脱水性能极佳，适应性较强，显著的灭菌和除臭效果，处理周期短，污泥经处理后，重量和体积都大为减少，缺点是投资成本昂贵、设备复杂、运行和维护费用较高，因而限制其广泛使用。1.4污泥的超临界水氧化技术超临界水氧化(supercriticalwateroxidation，简称scwo)技术是一种新型绿色氧化处理技术。当温度和压力分别高于374.3℃和22.05mpa时，水能与有机物、空气和氧气以任意比混溶形成均一相，消除了相间的传质阻力，反应速3度加快，反应时间缩短，有些有机物甚至可以在不到1min的时间内完全转化成无害的h2o和co2。目前，污泥的scwo处理已经得到了较好的发展，国外已开始了scwo技术的工业化、商业化运用，在美国的modelldevelopmentcorp、eco-wastetechnologies、modarinc.公司和日本奇玉县下水处理厂等已经先后建成多座超临界水氧化处理污泥装置，而国内还处于实验室研究阶段。scwo法处理污泥的费用远小于焚烧法，与填埋法相近，从经济角度上看，超临界水氧化处理污泥是可行的。与其他处理方法比较，超临界水氧化法具有较大优势：反应速度快、处理彻底、效率高、无二次污染，还可以通过能源回收（热能和co2、ch4）降低成本。美国哈灵根的scwo系统的成功运行，说明从技术、经济上，scwo法处理污泥都是可行的，可使污泥减量化、无害化、资源化和能源化，应用前景光明。2污泥的处置对污泥的处置首先应该注重于减量化、无害化和资源化的处理方法，消除二次污染，间接节约能源，提高资源率。目前污泥的处置方法因国家情况的不同而有很大差异，主要有卫生填埋、堆肥处理、焚烧处理等。2.1卫生填埋污泥卫生是一项比较成熟的污泥处理技术，需要经过科学选址和严格的场地防护处理，污泥卫生填埋存在诸多问题，填埋场内部渗透的有毒物质易造成土壤、地下水的二次污染。由于填埋场需要大面积的场地，地基土壤力学性质要求较高，需作防渗处理等问题，近年来污泥填埋处理所占我国污泥处理比例逐渐减少，但目前仍有30%。从长远看，常规填埋是一种不可循环的处理方式，不能最终避免环境污染，而只是延缓了产生时间，其应用比例将会逐渐减少，应用前景存在局限性。2.2污泥干化焚烧污泥焚烧是指在空气供给过量的条件下，将污泥加热，并高温（850℃-1100℃）氧化、热解并彻底破坏其中的有机物和病原体等物质的方式。焚烧装置有多种型式，目前使用较多的有竖式多级焚烧炉、转筒式焚烧炉、流化焚烧炉等。为了实现节能目的，需要将污泥先干化，大幅降低其含水率后再进行焚烧。因此，目前的污泥焚烧工程一般采用干化和焚烧联用的处理工艺。20世纪40年代，欧美和日本等国家就开始将直接加热式转鼓干燥器用于污泥的干化处理，随后又研发出了更加安全、环保、经济可行的间接干化设备，90年代以后污泥干化焚烧技术均得到了迅速发展，现已成为污泥处理处置主流技术之一[16]。目前，日本在焚烧工艺方面的研究很多，如将焚烧灰作为沥青填料、砖瓦材料、路床和路基材料、水泥原料、熔融填料等；意大利研究人员Lotito等人[17-18]针对循环式流化床焚烧炉处理污泥的工艺进行了研究。清华大学研究人员以高碑店污水厂的污泥为主要研究对象，分析了污泥的成分特点和燃烧特性，研究了重金属在焚烧过程中的迁移特性，并提出污泥灰渣处理的建议[19]；浙江大学研究人员就污泥的凝聚结团特性、燃烧过程、热解特性及流化床焚烧污泥时产生的二次污染进行了相关研究[20]。与发达国家相比，国内对污泥干化焚烧技术的研究起步较晚，国内现有少数几个科研院所开展了对工艺及设备的实验研究北京机电院高技术股份有限公司研究人员在污泥干化焚烧系统物能平衡及最佳污泥干度方面进行了相关研究[21]。桨叶式干化技术在国内发展相对较早，目前主要有三原重工、浙江省化工院、苏州自力化工等公司生产此类设4备。国内浙江海宁马桥大都市100t/d污泥焚烧处理工程以及温州市240t/d污泥集中干化焚烧工程等项目中都有桨叶式干化技术的应用。污泥水热干化技术的研究应用近年来有了较大进展。北京机电院高技术股份有限公司研究人员利用水热干化技术对不同的污泥样品进行处理，并与空白样对比分析，证明了污泥水热干化技术的可行性，确定了最佳工艺参数，并成功研发了适合我国污泥处理处置的污泥水热干化系统[22]。清华大学通过对污泥水热干化技术和二次闪蒸换热技术的研究，显著降低了污泥干化的能耗，提高了干化系统工业化应用的经济性和实用性[23]。目前，水热干化技术在国内已经成功应用在广东东莞市30t/d污泥水热干化项目、呼和浩特市100t/d污泥水热干化示范工程等项目中。总体而言，国内干化焚烧技术总体水平仍不高，虽然可以实现焚烧设备自给，但投资省、能耗低、效率高的国产设备仍然缺乏，依然主要采用国外的关键技术和设备，真正拥有自主知识产权且具备推广价值的研究成果还很有限。对大气污染控制的技术瓶颈依然存在，制约了干化焚烧的推广范围和应用规模。国内较大规模的污泥干化焚烧技术工程利用开始于上海石洞口污水处理厂污泥干化焚烧处理工程，随后各地又兴建了上海竹园污泥干化焚烧工程项目、深圳上洋污泥干化焚烧工程等项目。从我国国情综合考虑，利用现有燃煤热电厂的污泥与煤混烧发电技术、污泥与生活垃圾的混烧发电技术，以及利用工业锅炉的协同处理污泥技术在国内有比较大的发展空间和推广价值。2.3堆肥处理污泥的堆肥处理是指通过高温，将污泥中的有机质经发酵转成腐殖质的技术过程，处理后产物无害化和资源化，既增加了植物可利用的养分，又减小重金属，肥料价值大大提高。堆肥技术已得到了广泛的应用，我国也有许多专家学者对污泥堆肥技术进行研究。lee等[24]利用污泥进行试验，发现火炬松机械性能与污泥量浓度相关行不大。labrecque等[25]对柳树（salix）进行施用污泥试验，结果表明总生物量与污泥量呈显著相关性，植物吸收znni、hg和pb比cd弱，说明柳树处理污水污泥具有进一步的可能性，并有高的生物量。张增强等研究指出，污泥堆肥在城市园林绿地施用可促进绿色植物的生长。近几年，国内外已经出现了不少的污泥堆肥产品，