城市污泥處理和處置工藝技術(shù)研究

譚杞安 王 奎 連劍斌

（1 清遠(yuǎn)市清環(huán)環(huán)保有限公司 廣東清遠(yuǎn) 511500 2 清遠(yuǎn)市供排水處理中心 廣東清遠(yuǎn) 511500 3 廣東省清遠(yuǎn)市嘉清源環(huán)保水務(wù)有限公司 廣東清遠(yuǎn) 511500）

引言

近年來，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，城市污水處理廠建設(shè)數(shù)量和規(guī)模呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，污水處理的能力不斷提升。根據(jù)住建部公布的數(shù)據(jù)顯示，我國污水處理能力已經(jīng)由2016 年的448.79 億立方米增至2020年的557.28 億立方米，污水處理率也由2016 年的93.4%提升至2020 年的97.5%。隨著污水處理的不斷增加，作為污水處理廠運行的必然產(chǎn)物，由此產(chǎn)生的城市污泥量及規(guī)模也越來越大。城市污泥中含有豐富的氮、磷、重金屬、病原菌及其他有毒有害物質(zhì)，并伴有惡臭，在污泥處理處置過程中，既要注重生態(tài)環(huán)保效益，做好污泥的減量化處理和無害化處置，還要實現(xiàn)污泥的資源化利用，實現(xiàn)變廢為寶。

1 城市污泥的來源及組分

1.1 城市污泥來源

從城市污水處理廠的實際運行情況來看，懸浮物是城市污泥主要來源之一。污水處理廠中約50%左右的懸浮物經(jīng)初沉沉淀去除，這些懸浮物成為污水處理廠的初沉污泥。初沉污泥易腐爛、惡臭，含水率高，一般約為95%左右。在二級污水處理，通過生物法將污水中的高能量污染物轉(zhuǎn)換為低能量污染物。在此過程中，微生物細(xì)菌利用能量實現(xiàn)繁殖增加，產(chǎn)生過剩微生物，即，剩余污泥[1]。利用石灰等除磷工藝排除污泥中的磷含量，由此會產(chǎn)生磷酸鈣、碳酸鈣等污泥。利用硫酸鋁除磷排除污泥中的磷含量，則又會產(chǎn)生氫氧化鋁、磷酸鋁沉淀等污泥。后期，則需要定期對其進(jìn)行清除處置。

1.2 城市污泥組分

無論是一級城市污水處理廠工藝，還是二級城市污水處理廠工藝，經(jīng)一級或二級工藝處理，由此產(chǎn)生的污泥中含有重金屬、有機物及植物營養(yǎng)物質(zhì)等，其中，氮、磷、鉀為植物營養(yǎng)物、水、有機物等為有用物質(zhì)。致病微生物、寄生蟲卵、重金屬、合成有機物等為有害物質(zhì)。通常，城市污泥中的組分與其工業(yè)化程度密切相關(guān)，且工業(yè)生產(chǎn)的類型影響其化學(xué)污泥組分。一般城市污泥熱值高、泥質(zhì)差，有機物含量及脂肪類含量低，而碳水化合物較高。

在選擇相應(yīng)的污泥處置、處理工藝技術(shù)前，需要對其進(jìn)行分析監(jiān)測，掌握污泥組分及理化特性，根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置制磚用泥質(zhì)》等，分析城鎮(zhèn)污泥水分、有機質(zhì)、酸堿度、電導(dǎo)率等基本指標(biāo)，一級氮、磷、鉀、鈉、鎂、鈣等營養(yǎng)物質(zhì)；一級鎘、砷、鉛、鉻、銅、鎳等重金屬指標(biāo)；污泥熱值[2]。

2 城市污泥的理化特點

表1 城市污水處理廠污泥理化性質(zhì)

2.1 養(yǎng)分特點

通過城市污水廠污泥的取樣監(jiān)測分析，從監(jiān)測分析的結(jié)果來看，城市污泥中含有大量氮磷養(yǎng)分和有機質(zhì)，這些有機質(zhì)及氮磷養(yǎng)分可有效利用于農(nóng)作物土壤肥料或土壤改良劑。其中，城市污水處理廠主要為生活污水和工業(yè)污水。通過比較二者污水處理后的污泥養(yǎng)分來看，生活污水中的污泥有機質(zhì)含量和氮磷含量通常要高于工業(yè)污水處理產(chǎn)生的污泥。一般，生活污水處理的污泥有機質(zhì)含量為工業(yè)污水處理中污泥有機質(zhì)含量的2-4 倍，全氮含量約為2.5-3 倍左右。全磷和速效磷也一般高于工業(yè)污泥。此外，污泥中還含有豐富的氮、磷、鉀等養(yǎng)分，這些污泥中的養(yǎng)分含量高于一般農(nóng)家肥。總體而言，生活污泥較工業(yè)污泥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有更大應(yīng)用價值[3]。

2.2 重金屬含量

從城市污水廠污泥取樣分析，污泥中常常含有鋅、銅、鉛等重金屬元素。其中，污泥中的重金屬鋅、鉛的含量低于國家土壤pH 值限值標(biāo)準(zhǔn)；污泥中的銅含量超過國家pH＜6.5 的上限，但低于pH≥6.5 土壤限值。此外，從污泥資源化應(yīng)用來看，污泥的農(nóng)用價值與其重金屬總量其形態(tài)有著密切關(guān)系。經(jīng)取樣分析，污泥中的銅形態(tài)以有機結(jié)合態(tài)為主，其次為殘渣態(tài)；鋅的形態(tài)以碳酸鹽結(jié)合態(tài)為主，其次為交換離子態(tài)；殘渣態(tài)的鉛含量一般較高，交換離子態(tài)銅含量則較高。可見，城市污泥中的重金屬含量主要以有機結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài)等生物有效性較低存在，無論是含量還是所占比例，交換態(tài)在城市污泥中的重金屬形態(tài)都較少，這也增強了城市污泥資源化利用的安全性。

2.3 病原體及有機物

城市生活污水產(chǎn)生的污泥礦物油含量低，新鮮污泥中含有一定的沙門氏菌、大腸桿菌和蛔蟲卵，經(jīng)晾曬風(fēng)干，可顯著減少菌落，安全系數(shù)大，可直接處理后實現(xiàn)資源化再利用。經(jīng)烘干設(shè)備處理污泥，未檢出相關(guān)病原體。因此，城市污泥通過簡易烘干程序處理，可消除病原物傳播風(fēng)險。與發(fā)達(dá)國家相比，我國城市居民的肉類、牛奶等消耗量總體偏低，生活污水處理后的污泥中的揮發(fā)性懸浮物含量低，淀粉、糖類、纖維素等碳水化合物含量較高。

2.4 pH值及酸堿度

我國城市污水處理產(chǎn)生的污泥中，總堿度介于15-25mg·L-1之間，城市污水中的污泥pH 值數(shù)值約在5.5-7 之內(nèi)，pH 值及酸堿度直接會影響城市污泥的厭氧消化工藝效果。

3 城市污泥處理技術(shù)及處置方式

污泥處理技術(shù)應(yīng)首先考慮其減容及利用，實現(xiàn)其減量化、無害化和穩(wěn)定化，并將其作為一種資源化處理方式。其中，減量化。就是最大限度地減少污泥處置前的體積，從運行成本上降低污泥處理處置費用。穩(wěn)定化。城市污泥經(jīng)穩(wěn)定化處理，使處置不再產(chǎn)生污泥降解，避免污泥出現(xiàn)二次污染。無害化。污泥處理處置時應(yīng)進(jìn)行滅菌、去除重金屬，從而達(dá)到無害化、衛(wèi)生化。資源化。污泥處理處置過程中，還需要本著變害為利、綜合利用等，實現(xiàn)污泥處理處置的資源化。

3.1 城市污泥土地利用

城市污泥經(jīng)穩(wěn)定化處理，使其不再產(chǎn)生污泥降解，營養(yǎng)成分回用于土地的一種處理技術(shù)和處置方法。目前，堿性穩(wěn)定、堆肥、污泥熱干化等均屬于污泥土地利用常用處理方法。選擇土地利用的方式處置城市污泥，具有運行費用低、能耗低和投入少等優(yōu)勢，且污泥中有機質(zhì)及養(yǎng)分元素可培肥土壤，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收，并減少污泥負(fù)面影響。例如，城市市政綠化、果園、林地等場所，均可實現(xiàn)城市污泥的土地利用，還有效實現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)。目前，重金屬含量、病原體、氮磷流失污染水環(huán)境，以及有機物難降解等都是影響城市污泥土地利用的主要因素。由于城市生活污泥重金屬含量低，工業(yè)生產(chǎn)工藝技術(shù)的更新，重金屬含量呈現(xiàn)出下降態(tài)勢，控制好污泥堆肥質(zhì)量，不會因污泥的土地利用而影響土壤重金屬污染，但是需要在利用過程中進(jìn)行監(jiān)測、跟蹤，防止因土壤重金屬、病原體等影響其利用。

根據(jù)城市污泥土地利用分類，一般將污泥土地利用分為農(nóng)用、土地改良及園林綠化。無論選擇何種利用，均應(yīng)對其進(jìn)行穩(wěn)定化處理，通過脫水、降解有機物，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的最終產(chǎn)物，進(jìn)一步進(jìn)行堆肥處理，可將其作為園林植土、肥料、生活垃圾填埋覆土等。以堆肥為例：城市污泥含水量高、易腐蝕，有惡臭，堆肥穩(wěn)定處理符合實際運用，經(jīng)堆肥脫水污泥中有機物降解為穩(wěn)定物。堆肥處理又分為好氧堆肥和厭氧堆肥。前者是在充足氧氣等良好通氣條件下，利用好氧微生物生命活動，使污泥中的有機物進(jìn)一步降解。好氧堆肥，溫度一般在50-65℃為宜，有時可高達(dá)80℃左右。后者，則是在氧氣不足條件下，利用厭氧微生物發(fā)酵堆肥。由于城市污泥中的發(fā)酵原料與空氣隔絕，工藝簡單，溫度低，堆肥制成品中氮元素等營養(yǎng)元素較多保留，異味持續(xù)時間較長[4]。

3.2 城市污泥填埋技術(shù)

上世紀(jì)60 年代，衛(wèi)生填埋運用于城市污泥，污水處理廠污泥經(jīng)脫水處理后，直接或經(jīng)簡單滅菌處理后，傾倒于低谷地或?qū)ｉT選址，并經(jīng)相應(yīng)的防滲填埋處理。目前，城市污泥常被運往垃圾填埋場與垃圾混合填埋。填埋技術(shù)具有處理容量大、見效快、投資低、成本少等優(yōu)勢。但污泥填埋技術(shù)占地較大，難以有效滿足日益增長的污泥量；城市污泥穩(wěn)定性差、脫水操作難也是影響其填埋技術(shù)應(yīng)用的重要制約因素；此外，填埋產(chǎn)生的垃圾滲濾液，易導(dǎo)致環(huán)境二次污染。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 混合填埋泥質(zhì)》 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，選擇填埋技術(shù)處理城市污泥，其含水率應(yīng)＜60%，而作為垃圾填埋場覆蓋土，其含水率應(yīng)＜45%。但從實際運行情況來看，目前城市污泥含水率均較高，難以直接選用填埋進(jìn)行處理，須對其進(jìn)行干化處理后填埋。可參照《城市生活垃圾衛(wèi)生填埋處理工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，對城市污泥進(jìn)行填埋。

3.3 城市污泥建材利用

城市污泥經(jīng)處理后可以制作成建材，從而實現(xiàn)污泥變廢為寶資源化利用。目前，關(guān)于城市污泥的建材利用標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)的是《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 制磚用泥質(zhì)》。由于城市污泥含水率較高，如直接運往建材廠制作建材，會增加城市污泥的運輸成本；如進(jìn)行干化等脫水處理，則需要增加相應(yīng)設(shè)備，提高成本。

3.4 城市污泥焚燒技術(shù)

根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置分類》的相關(guān)規(guī)定，城市污泥單獨焚燒、與垃圾混合焚燒、利用工業(yè)鍋爐焚燒及火力發(fā)電廠焚燒等焚燒處置是城市污泥的重要處置方式。其機理是通過高溫焚燒，破壞城市污泥有機質(zhì)，殺死病原體，且可有效降低城市污泥的體積。選擇城市污泥焚燒處置方式，通常是其自身燃燒熱值高，或城市污泥中含較高有毒物質(zhì)，不宜選用其他處置方式。城市污泥焚燒前，需要先對其進(jìn)行脫水處理，降低城市污泥中的含水率，減少污泥體積，改變城市污泥殘渣性質(zhì)。目前，城市污泥焚燒處置方式已經(jīng)實現(xiàn)了規(guī)模化運行[5]。

表2 城市污泥焚燒技術(shù)

3.5 城市污泥干化處理

干化是指運用熱能快速蒸發(fā)污泥中的水分，為進(jìn)一步處置創(chuàng)造條件。從實際運行情況來看，目前城市污泥干化包括生物干化、熱干化和太陽能干化。經(jīng)干化處理，城市污泥可進(jìn)一步用于焚燒或填埋，以及土地利用。其技術(shù)特點是占地面積小、處理成本低。通過污泥干化處理，可有效實現(xiàn)城市污泥的穩(wěn)定化、減量化、無害化和資源化，即，經(jīng)干化去水處理，抑制污泥中的微生物活性，使其不會腐臭，滿足長時間存儲或運輸。經(jīng)干化處理，城市污泥的體積可減少60%左右，重量可減少70%左右。經(jīng)巴氏消毒，消除病原體，使干化污泥滿足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。城市污泥干化可用作綠肥、土壤改良劑、制磚或制水泥原料，適合推廣和應(yīng)用。

4 城市污泥處理處置技術(shù)比選思路

城市污水處理廠污泥處理處置的基本原則，是要實現(xiàn)城市污泥的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源和，其中，重點是減量化和無害化，而終極目標(biāo)則是資源化，實現(xiàn)污泥處理處置的變廢為寶。經(jīng)過多年來的實踐探索和技術(shù)發(fā)展，目前，城市污泥處理處置的主要技術(shù)是集合了土地利用、填埋、建材利用、焚燒及干化處理等復(fù)合工藝，有：深度脫水+應(yīng)急填埋；厭氧消化+土地利用；好氧發(fā)酵+土地利用；干化+焚燒+灰渣填埋/建材利用。不同的工藝,在處理污泥方面有其各自的特點。例如：深度脫水+應(yīng)急填埋處理技術(shù)，該技術(shù)是目前國內(nèi)大多數(shù)城市中，污水處理廠所選用的污水處理方法，將石灰及其固化劑投加至原污泥中，使污泥在石灰及固化劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并由此釋放出大量的熱能，進(jìn)一步降低污泥中的含水率。深度脫水+應(yīng)急填埋工藝技術(shù)的不足之處，是需要添加大量石灰、鋁基材料等，增加了污泥量，與“四化”中的減量化原則不相符；此外，經(jīng)深度脫水處理，污泥無法再次利用，只能采取填埋工藝。厭氧消化+土地利用污泥處理技術(shù)，對污泥處理要求高，要求其含有較高的有機物，厭氧消化后的污泥處理還需要進(jìn)一步的做脫水處理和處置，因此，厭氧消化+土地利用工藝處理污泥具有運營成本高、投資大，以及一定的安全等問題，其主要適用于大中型城市污水處理廠。污泥需要預(yù)熱處理，耗費大量的熱能，難以滿足維持自身需要；經(jīng)厭氧消化處理污泥，產(chǎn)生大量的沼渣，還需要進(jìn)行再次的處理；在厭氧消化處理過程中產(chǎn)生的甲烷氣體，難以并入到市政管網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)再利用。該工藝技術(shù)在氣候較低的北方冬季，運行無法正常進(jìn)行。“好氧發(fā)酵+土地利用”工藝技術(shù)處理污泥，由于污泥泥質(zhì)不穩(wěn)定，重金屬難以穩(wěn)定化，經(jīng)好氧發(fā)酵工藝處理后，只能用作園林綠化用肥，不能用于農(nóng)業(yè)用肥；堆肥過程中所產(chǎn)生的大量臭氣，對周邊的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定污染影響；后期需要持續(xù)加入秸稈等調(diào)理劑，不斷供氧，保證工藝技術(shù)的持續(xù)運行。“干化焚燒+灰渣填埋或建材利用”工藝處理污泥，該工藝技術(shù)處理污泥運行成本高，焚燒耗費能量大，需提前干化，尾氣排放產(chǎn)生的二噁英有害氣體易污染環(huán)境。

在具體選擇相應(yīng)的處理處置工藝技術(shù)時，應(yīng)重點考量以下幾點：

（1）無害化

城市污泥處理處置工藝技術(shù)應(yīng)始終堅守?zé)o害化原則，經(jīng)相應(yīng)工藝技術(shù)的運用，實現(xiàn)去除污泥中的病原體、重金屬及持久性有機物等。且相關(guān)工藝技術(shù)投入使用時，應(yīng)滿足污染控制標(biāo)準(zhǔn)，項目需經(jīng)環(huán)境安全評估，定期監(jiān)測城市污泥處理過程及處理后的相關(guān)環(huán)境指標(biāo)，確保工藝技術(shù)安全可靠。

（2）資源化

城市污泥中含有的有機質(zhì)、營養(yǎng)元素及能量，是其資源化利用的重要保障。因此，選擇相關(guān)工藝技術(shù)，應(yīng)始終考量其資源化利用目標(biāo)。具體來說，選擇焚燒工藝，可實現(xiàn)城市污泥的能量回收；或者堆肥，實現(xiàn)污泥的土地利用，將其中的營養(yǎng)元素、有機質(zhì)等補充到土地，實現(xiàn)增肥效果。

（3）節(jié)能性

為實現(xiàn)污泥低碳處理處置，在城市污泥處理過程中應(yīng)最大限度低減少優(yōu)質(zhì)清潔能源、物料及土地資源的消耗。如，在污泥厭氧消化過程中所產(chǎn)生的沼氣熱能、污泥焚燒產(chǎn)生的余熱等，可作為污泥處理處置的熱源，減少優(yōu)質(zhì)清潔能源投入。

（4）適宜性

城市污泥處理處置工藝技術(shù)比選，應(yīng)全面考慮處理處置機構(gòu)的技術(shù)成熟度、經(jīng)濟成本、污泥處理量等，適宜性是其比選決策的重要依據(jù)。例如，污泥泥質(zhì)的主要特征及未來一個時期的變化；經(jīng)濟社會的發(fā)展水平；污泥產(chǎn)生量的變化；土地資源等，從而選擇適宜的工藝技術(shù)。

（5）可靠性

隨著城市污泥處理處置技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展，一些先進(jìn)技術(shù)先進(jìn)工藝陸續(xù)投入實際運行，但在選擇相應(yīng)的工藝技術(shù)時應(yīng)把可靠性、成熟度貫穿城市污泥處理處置的全過程，經(jīng)過嚴(yán)格評價、工程示范，確認(rèn)可靠的，可應(yīng)用相應(yīng)的新技術(shù)和新工藝。總之，應(yīng)制訂城市污泥處理處置方案時，根據(jù)污泥處理處置的階段性特點，在永久方案完成前，可現(xiàn)行制訂污泥處理處置的階段性方案，待方案成熟可靠后，再作為永久性處置方案。

結(jié)語

隨著城市化、工業(yè)化進(jìn)程加快，以及城市資源日益匱乏，選擇合適處理處置工藝技術(shù)，實現(xiàn)城市污泥減量化、無害化、穩(wěn)定化及最大化資源利用是擺在當(dāng)前亟待解決的問題。既要實現(xiàn)環(huán)保效益，也要兼顧經(jīng)濟效益，既要兼顧長遠(yuǎn)利益，也要考慮當(dāng)前實際情況，應(yīng)從城市污泥處理處置工藝的無害化、資源化、節(jié)能性、適宜性和可靠性等方面進(jìn)行綜合考慮、比選適宜的工藝技術(shù)，實現(xiàn)城市污泥處理的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益雙贏。