污泥生物沥浸技术简介

以污泥深度脱水、无害化和资源化为目标的生物沥浸处理新技术及工程应用南京农业大学固体废物研究所北京中科国通环保工程技术有限公司南京农业大学是中央直管、教育部直属的国家“211工程”重点建设的全国重点大学，现有16个学院、13个博士后流动站、14个博士学位一级学科授权点、14个国家级重点学科（包括4个国家一级重点学科），23个省（部）级重点学科。拥有专门从事市政废物（城镇污泥和垃圾等）、工业废物（各类工业企业污泥）、和农业废物（畜禽粪便等）处理的“江苏省固体有机废弃物高附加值资源化高技术研究重点实验室”。在有机废物无害化与资源化方面，特别是在污泥处理处置与利用方面已有持续近年30年的研究经历，是国内最早也最系统研究污泥减量化、无害化和资源化的单位之一。以污泥高干度脱水、重金属去除以及后续资源化为目标的生物沥浸处理新技术先后获得教育部高等学校科技发明奖（2009年）、环境保护科学技术奖（2007年），并于2010年8月在无锡太湖新城污水处理厂正式工程化应用。北京中科国通环保工程技术有限公司（简称中科国通）是专业从事市政和工业污泥等废弃物减量化、无害化、资源化处理处置的高新技术企业，由我国固体废弃物处理处置领域领先企业---北京中科通用能源环保有限责任公司发起投资设立。公司是集投资、设计、制造、建设、运营于一体，具有总承包能力的专业公司，致力于提供安全、高效、经济的废弃物处理处置整体解决方案。2011年，公司与南京农业大学进行产学研紧密合作，共同推广污泥生物沥浸处理新技术。目前，包括无锡芦村污水处理厂污泥生物沥浸处理-高温发酵园林基质化项目（200吨/天）、宁波三菱化学有限公司的PTA污泥生物沥浸处理—开发成低值燃料与垃圾混烧项目（40吨/天）在内的5联系方式：南京农业大学固体废物研究所，周立祥教授（13805184813,[e-mail]）；北京中科国通环保公司，张卫华总经理(13701168425,[e-mail])个工程已经或即将正式投入运行。一、项目背景截止2011年底，我国城市污水处理厂已达3083座，年产生脱水污泥（含水80%）近4000万吨。由于我国城市污泥主要是污水处理厂二级生化处理后排出的剩余污泥或与一沉池混合而成的混合污泥，有机质含量高，亲水性强，加之进行机械脱水前均采用聚丙烯酰胺（PAM）絮凝，因此脱水污泥含水率高（80%-85%），给后续处置或利用增加了极大难度（如堆肥极不方便，需要大量的辅料、有恶臭、占地大；干化焚烧热成本高；不能直接填埋；做建材原料时难混合均匀，且有恶臭，影响产品质量等等）。同时部分污泥中重金属等有害物质明显超标，因此实现污泥深度脱水、以及去除重金属等有害物质（当污泥重金属超标时）是破解污泥处置难题的重要途径。要实现污泥含水率由80%-85%进一步降低到60%以下，必须进行以增强污泥的脱水性能为目标的污泥机械脱水前的预处理技术的研发。而目前一些正在研究或投入生产应用的污泥预处理深度脱水方法，如采用物理方法（如高温高压的水热处理技术、冻融处理、微波处理、超声波处理等等）或化学方法（如以添加大量石灰或粉煤灰-三氯化铁或聚合氯化铝PAC-PAM为代表的改性方法）预处理然后再隔膜厢式压滤脱水的方法，也能使脱水污泥含水量降低到60%以下。但它们都不能去除重金属，而且物理方法成本相对较高，压滤液COD和氨氮高，增加水处理负荷。化学法则因大量引入无机物质，实际上增加了污泥干物质量，降低了污泥有机质和热值，影响污泥的后续资源化利用的性质。针对上述实际情况，我们采用微生物沥浸处理技术可有效弥补上述方法的不足。其最大特点是即能污泥实现深度脱水（含水率低于60%）、也能实现污泥无害化（污泥中重金属80%以上脱出回收、病原物99%以上杀灭、恶臭完全消除），更重要的是，经过微生物处理，污泥有益成分（有机质、热值等）并不损失。生物沥浸后之污泥饼非常容易地资源化利用（如高温发酵后开发成园林绿化用肥、土壤改良剂以及作为低值燃料等）。二、技术简介（工作原理与工艺流程）（一）生物沥浸法促进污泥脱水的基本原理生物沥浸微生物主要由以自养菌为主的10余株微生物复配而成，微生物替代效应和生物酸化效应是促进污泥脱水性能提高的重要原因。微生物替代效应：生物沥浸反应过程中，生物沥浸微生物将完全替代原污泥中的活性污泥菌体，最终密度达到108个/mL。生物沥浸微生物是以自养菌（不分解有机物如COD等）为主，而原污泥中活性污泥则以异养菌（分解污水污泥中COD或有机物）为主。研究表明，自养菌分泌的EPS量不到异养细菌的1/10；且自养菌的个体较异养菌明显减少。因此，菌的替代有如下效果：（1）原浓缩污泥中水分70%为间隙水，20%为毛细管水，7%为表面结合水，3%为细胞内结合水。由于个体较小的菌完全替代原来个体较大的菌，原来菌死亡或新陈代谢停止，因此原来毛细管水等束缚水将容易释放出来变成自由水，故生物沥浸处理后，污泥还可进一步重力浓缩滗出部分水。（2）个体较小的自养菌替代原来污泥中异养菌后，由于前者分泌的EPS较原污泥中异养菌少得多，因此，污泥脱水性能得到大大增强。因为EPS越多，污泥越难脱水。研究表明，传统活性污泥法中活性污泥EPS大约可达100mg/gVSS,而生物沥浸污泥EPS约不到10mg/gVSS。生物酸化效应：生物沥浸处理因微生物会氧化污泥或营养剂中少量S会导致污泥pH的下降，在生物沥浸池中污泥pH可降低到大约4左右，pH降低意味着H+浓度的增加。由于带正电荷的H+的增加，会中和污泥颗粒表面的负电荷。其结果是污泥颗粒表面的Zeta电位由负电位（-30-50mV）趋近于0，达到电中性。因此，污泥颗粒因表面不带电荷而不会互相排斥，有利于污泥聚沉和脱水。其他效应：污泥中金属元素尤其是铁铝钾等，在生物沥浸微生物作用后会生成少量的羟基硫酸铁铝等次生矿物，如黄钾铁矾和施氏矿物，他们对污泥脱水有一定贡献。由于自养菌不分解有机质，因此，处理后污泥饼有机质热值仍然很高。（二）生物沥浸法去除污泥重金属、消除恶臭、杀灭病原物的基本原理污泥中重金属主要以难溶态形式存在，包括金属硫化物形态，有机质结合态等等，因此，一般很难通过脱水机脱出这些重金属。但污泥生物沥浸微生物中自养菌主要具有明显的生物氧化作用和生物酸化作用。即能将难溶态的金属硫化物氧化成易溶性的金属硫酸盐，同时由于生物沥浸导致污泥pH的下降，可进一步溶出污泥中重金属，使其进入水相。经过沉淀后，收取上清液，沉淀泥通过压滤脱水收获压滤液。污泥重金属就全部进入这些上清液和压滤液中，污泥则变干净。水中重金属采用石灰中和到pH6.5左右即可变成金属氢氧化物沉淀，压滤脱水收获金属泥饼（可直接压滤，操作容易且压滤所需时间很短，因为它是无机物几乎不含有机质，故极易脱水），金属泥饼可外卖给冶炼公司或直接安全填埋。中和后的水可直接排到污水处理厂处理。由于生物沥浸微生物本身就可氧化致臭物质（如硫醇、硫醚、硫化氢、氨气、……）,是非常好的除臭微生物，因此，生物沥浸过程不存在任何恶臭，最终生成的污泥饼也无恶臭。由于酸化和氧化作用，污泥中病原菌杀灭率可达到99%以上。（三）工艺流程1、当污泥中重金属不超标时，其工艺流程见图1。适合处理重金属不超标的市政污泥、毛纺与印染废水污泥、某些化工污泥、化纤污泥、石化污泥、制浆造纸污泥、制药污泥、酿造与食品加工污泥、养殖行业污泥等2、当污泥中重金属超标，需要去除时，其工艺流程见图2。适合处理：重金属超标的市政污泥、制革污泥、某些化工污泥、电镀行业污泥、IT行业污泥、机械加工及冶炼等行业含金属污泥等。对无机污泥，处理后污泥含水率可低至45%以下。污泥浓缩池生物沥浸反应器沉淀池隔膜厢式压滤机污水处理厂图1污泥生物沥浸处理与利用工艺流程图（当重金属不超标时）上清液压滤液处理出水脱水污泥（含水80%）液化池（液态污泥）或者鼓风机营养剂内部已接种生物沥浸微生物无需絮凝剂高干度生物沥浸污泥饼（含水60%）焚烧条垛式高温发酵堆肥建材园林肥料、基质、营养土三、技术主要特点；1、微生物菌种一次性投入，长期循环使用。2、为保障生物沥浸微生物始终处于高密度和优势菌状态，需要添加少量的微生物营养剂保障微生物快速生长。3、生物沥浸处理后污泥采用隔膜厢式压滤机脱水时不需要添加任何絮凝剂。4、实现深度脱水：容易机械脱水至含水60%以下，成为半干化污泥饼。5、可去除重金属：污泥重金属去除率或回收率达80%以上。6、卫生无害化：污泥恶臭消除、病原菌杀灭率99%以上。7、外观改善：外观呈无臭的土黄色饼状。8、处理时间短：处理时间仅1-2天，是污泥厌氧或好氧消化的1/101/20污泥浓缩池生物沥浸反应器沉淀池隔膜厢式压滤机污水处理厂图2污泥生物沥浸处理与利用工艺流程图（当重金属超标时）上清液压滤液处理出水脱水污泥（含水80%）或者液化池（液化污泥）鼓风机营养剂“洁净”生物沥浸污泥饼（含水60%）内部已接种生物沥浸微生物条垛式高温发酵堆肥园林肥料、基质、营养土重金属废液收集池沉淀药剂加药后澄清水压滤液隔膜厢式压滤机沉淀金属泥金属泥饼回收或安全处置焚烧无需絮凝剂建材9、有机质热值高：处理后污泥干基热值和有机质含量不受影响，污泥干物质重量几乎不变。10、环境安全：处理过程无臭味；压滤水水质（pH5.56，COD200mg/L，TP0.5mg/L,SS100mg/L）好，不影响污水处理厂运行；经第三方检验，菌种生态安全11、经济高效：运行费用低，直接处理成本仅为100元/吨污泥（折合含水80%）左右；且可节省常规脱水需添加PAM等絮凝剂成本。12、设备稳定成套：反应设备成套化系列化，运行稳定。13、生物沥浸污泥饼可直接堆肥，彻底解决了现行含水80%污泥堆肥占地、需要大量辅料以及存在恶臭的弊端。所需要的调理剂仅为常规脱水污泥堆肥的1/5-1/10,而且占地大幅度减少，恶臭消除。四、典型案例——无锡芦村污水处理厂污泥处理工艺改造工程项目该项目采用的工艺是“污泥生物沥浸处理——高温发酵——园林用肥和营养基质工艺”，日处理污泥200吨（折成含水80%污泥）。该工程为BOT项目，污泥生物沥浸深度脱水部分由中科国通投资建设，投资额约3500万元，生物沥浸污泥饼高温堆肥园林肥料化和营养基质化部分由无锡绿化建设集团下属的公司投资建设和运营。整个工程于2012年5月30日投产运行。（一）污泥生物沥浸深度脱水部分由于该厂处理的污水全部为生活污水，重金属并不超标，因此该示范工程的主要工艺包括污泥生物沥浸处理单元、隔膜厢式压滤脱水单元、省却了重金属去除与回收单元。示范工程建设在无锡芦村污水处理厂原厌氧消化池区域，构筑物占地约2500M2，处理该厂1,2,3期的污水所产生的污泥。图3-7和表1是污泥生物沥浸处理结果。正在处理浓缩液态污泥图3、污泥生物沥浸反应池（池容1500M3）2.污染防治效果现行处理方法：污泥饼含水率多数80%以上，有恶臭，难处置。图4用于生物沥浸污泥脱水的普通隔膜厢式压滤机图5、压出的生物沥浸污泥饼(含水55%-60%，无恶臭)图6、生物沥浸污泥饼厚度一般在20-30mm图7、生物沥浸污泥隔膜厢式压滤机压滤出水情况表1原始污泥经过生物沥浸处理前后性质的变化处理前液态污泥生物沥浸污泥饼有机质（干基%）50.0-53.049-53.2干基热值(MJ/kg)1110.5含水率%95-9755-60pH6.85.2-5.5，存放1天后pH6TN(干基%)3.3-4.13.2-4.0TP(干基%）1.3-1.71.3-1.7气味污泥恶臭无恶臭，土腥味病原物大量存在杀灭率99.3%COD(mg/L)---200TP(mg/L)---1,多数在0.5以下压滤水TN(mg/L)---60-120（二）生物沥浸污泥饼高温发酵制作园林用肥和营养基质部分该工程每天产生的半干化污泥由于有机质高，含水率低，全部用于高温发酵堆肥制备园林绿化用肥和营养基质。其工艺是：污泥饼无需破碎直接运到堆场，按污泥：调理剂体积比=5:1添加菇渣或药渣等调理剂（调理剂用量仅为常规污泥堆肥的1/51/10）,然