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城市污水厂污泥处理处置技术评估及工艺选择 ＊ 姚金玲 王海燕 于云江 王兴润 中国环境科学研究院, 北京 100012 摘要 概述当前国内外污泥处理处置技术研究现状, 根据污泥处理处置技术的处理效果、适用性 、经济性、环境影响等 方面对污泥处理处置技术和工艺流程进行了比较和评估; 同时指出了我国污泥处理处置技术评估工作中存在的问题, 并提出相应建议。 关键词 污泥; 技术评估;工艺选择 T H ET E C H N O L O G YA S S E S S ME N TA N DP R O C E S SS E L E C T I O NO FMU N I C I P A L S E WA G ES L U D G ET R E A T ME N TA N DD I S P O S A LT E C H N O L O G I E S Y a oJ i n l i n g Wa n gHa i y a n Y uY u n j i a n g Wa n gX i n g r u n C h i n e s eR e s e a r c hA c a d e m yo f E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s , B e i j i n g100012, C h i n a Ab s t r a c t O nt h eb a s i s o f s u m ma r i z i n gt h ec u r r e n t r e s e a r c hs t a t u s o f s l u d g et r e a t me n t a n dd i s p o s a l t e c h n o l o g i e s a t h o m ea n da - b r o a d , t h i sp a p e r c o mp a r e da n da s s e s s e dt h es l u d g et r e a t m e n t a n dd i s p o s a l t e c h n o l o g i e sa n dp r o c e s s e sa c c o r d i n gt ot h et r e a t - m e n t e f f e c t s , a p p l i c a b i l i t y , e c o n o m i c a n de n v i r o n m e n t a l i m p a c t s .A t t h es a m et i m e , t h ep r o b l e ms w i t ht h e a s s e s s m e n t o f t r e a t - m e n t a n dd i s p o s a l t e c h n o l o g i e s w e r ep o i n t e do u t a n daf e ws u g g e s t i o n sf o r i m p r o v e m e n t w e r ea l s op r o v i d e d . Ke y wo r d s s l u d g e ;t e c h n o l o g ya s s e s s me n t ;p r o c e s ss e l e c t i o n ＊中国环境科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务专项 g y k 10901 。 0 引言 城市污水厂污泥 以下简称污泥 由于含有各种 病原体 、 重金属等有毒有害物质, 必须要进行处理处 置 。同时 ,随着我国城市污水处理率的不断增加, 污 泥的产量呈急剧上升趋势, 污泥的处理处置已成为制 约许多城市发展的主要因素。目前污泥处理处置技 术方法很多 ,但由于对各技术的特点和适用条件了解 较少, 导致许多工程未能正常运转。因此 , 本文对常 用污泥处理处置技术进行评估和筛选 ,以便对今后污 泥处理处置工程技术的选择提供参考依据 。 1 污泥处理处置技术研究现状 发达国家早在 20世纪六七十年代就开始对污泥 处理处置技术进行研究。美国农业部门在 19世纪 70年代就对污泥农用堆肥工艺展开研究 , 并发展了 B e l t s v i l l e A e r a t e dP i l e 法用于污泥堆肥 。这种方法既 可以处理生污泥 ,也可以处理消化后的污泥, 得到的 产品无臭、 灭菌、便于保存和运输并可以应用于农业 生产 [ 1] 。德国在 19世纪 80年代致力于污泥焚烧体 系的开发和完善 ,并为该系统配备了能量的回收利用 设备。据统计,德国固体废弃物焚烧而回收利用的能 量可为全国 30 的人口服务 [ 2] 。 随着污水处理技术的更新和发展 ,污泥处理处置 技术也在不断地改进。经过近 30年的发展, 一些发 达国家陆续提出了污泥处理处置新方法 。西班牙科 学家提出利用微波能量来水解消化污泥, 取得了很好 的效果 [ 3] 。美国和智利的科学家提出使用火山爆发 遗留的熔岩地来处理污泥及污泥焚烧灰 。这种方法 可以有效控制污泥及污泥焚烧灰中的矿物质元素以 及磷元素和锌元素,从而改善熔岩地的营养结构并提 高其生产力 [ 4] 。爱尔兰利用过热蒸汽流干化工艺与 污泥消化工艺相结合, 不但实现污泥的稳定, 更实现 了能量的回收利用 [ 5] 。日本的污泥处理处置技术主 要集中在污泥的再生利用方面, 占到污泥处置比例的 56,包括污泥制砖、 制骨料 、 制燃料和熔渣 4种 [ 6] 。 目前,中国的污泥处理处置技术得到了很大的改 善 ,但还存在技术单一 、 设备落后和处理率低等问题。 81 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期 中国污泥处理处置工作主要面临着两大技术难题 污 泥含水率高和有机质利用率低。污泥含水率是制约 污泥处理处置的关键问题。含水率过高限制堆肥、焚 烧等高效处置技术的应用, 同时也不利于污泥的再生 利用。而有机质利用率低不仅浪费了可回收利用的 资源, 也造成污泥易腐 、 有异味等不良特性 。 湿污泥中包含 4种水分 [ 7] 毛细水 、 间隙水、 吸附 水和内部水 。存在于微生物细胞内的内部水是导致 上述 2个难点的主要原因。不但水分难以除去 ,有机 质物质也被包裹在细胞中难以释放。因此 ,要除去内 部水,释放胞内有机物必须采取高温干燥或细胞破碎 的处理方法 。事实上 ,中国针对上述难点开展了一系 列的研究工作 发展了超声波预处理法 、 湿式氧化 法 、 水热解法和水泥窑共处理等新技术。这些技术已 应用于一些污水厂并取得了显著的处理效果。但要 实现规模化和产业化 ,还需要对新技术进行进一步的 改进和完善 。 2 污泥处理处置技术评估 正确评估污泥处理处置技术是污水厂选择合理 的污泥处理处置方法的前提。本文针对国内外污泥 处理处置技术的现状 ,从经济性 、 适用性、处理效果以 及环境影响等方面对污泥处理处置技术进行比较和 评估。 2. 1 污泥的浓缩和脱水技术 常见的污泥浓缩和脱水技术有以下几种 重力浓 缩法、机械浓缩法、板框压滤脱水、带式压滤脱水、离 心脱水以及浓缩脱水一体机浓缩脱水 。各浓缩脱水 技术的比较见表 1。 表 1 常见污泥浓缩脱水技术比较 技术分类子类 处理 效率 运行 费用 运行 稳定性 二次 污染 工程实例 重力浓缩池低低较好有哈尔滨文昌污水处理厂 离心浓缩法离心浓缩机高高好有上海石洞口污水处理厂 加压过滤法板框压滤低较少好有北京高碑店污水处理厂 带式压滤低较高较好较少日照第一污水处理厂 离心分离法卧式离心式 脱水机 高高好较少杭州七格污水处理厂 浓缩脱水 一体机 高高好较少太原北郊污水处理厂 若仅考虑减少投资,可以选择重力浓缩 带式压 滤脱水 / 板框压滤脱水 。重力浓缩只需一次性构筑物 的建造和基本维护费用,投资和成本低。带式压滤和 板框压滤脱水机的设备投资较少 ,但处理效率低、噪 声大。 为了提高处理效率和减少环境影响, 可以选择机 械浓缩 离心脱水或使用浓缩脱水一体机。机械浓 缩和离心脱水会增加污水厂的电耗和购买调理药剂 的费用, 但是他们的处理效果好、处理效率高 。机械 浓缩和离心脱水机封闭性好、 臭味不易扩散、 噪声小, 因而对操作间和周边环境的影响较小 ; 同时自动化程 度高, 无需人工操作 [ 8] 。对于污水厂新建工程或改 造工程 ,浓缩脱水一体机是很好的选择。它集浓缩和 脱水为一体 ,无需建造浓缩池构筑物 。不但处理效率 高 ,而且节省投资 。 2. 2 污泥干化 污泥干化工艺按原理可分为自然干化 、 直接加热 干燥和间接加热干燥 。由于利用外加热源进行污泥 干化的能耗高,其运行费用也很高。若仅考虑干化技 术的经济性 ,自然干化是非常理想的方法 。自然干化 方法简单、 易于管理; 但此法受气候影响大 ,卫生条件 差 ; 并且仅适用于干燥少雨且土地资源较宽裕的 地区。 若选择处理效果好且环境影响小的技术, 可以使 用加热干燥法。直接加热干化具有流程简单、热交换 率损失少等优点 ; 但干燥烟气具有恶臭 ,因而对工作 间和周边环境有不良影响。间接加热干燥是利用一 定介质在封闭回路中循环, 因此不仅干化效果好, 而 且无恶臭气体。但介质会带走一部分热量 ,热能利用 率不如直接加热干燥技术效率高。 上海石洞口污水厂采用流化床低温干化系统对 污泥进行干化 。该系统的干化温度为 85℃, 系统内 控制含氧量 4 防止爆炸 。干化系统每蒸发 1t 水分, 消耗热能为 2 800k J 。 经干化后的污泥含水率能 够降至 5 ～ 10。 2. 3 污泥消化 污泥消化按原理可分为厌氧消化和好氧消化。 厌氧消化又可分为中温厌氧消化 、 高温厌氧消化和两 相厌氧消化 。污泥消化技术的初期投资和运行费用 都很高 。但由于消化工艺可进一步稳定污泥, 因而污 水厂应根据规模的大小、 污泥的性质及财政状况选择 合适的消化工艺 。 对于处理能力在 10万 t /d 以上的大型二级污水 处理设施产生的污泥 ,应采用中温厌氧消化或高温厌 氧消化 ; 对于中小型污水处理厂 ,应选择工艺成熟 、 机 82 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期 械设备简单 、 运行管理方便的好氧消化工艺 [ 9] ; 而对 于高浓度有机废水、 悬浮物浓度很高的污水以及含有 毒物质 、 难降解物质的污泥宜采用两相厌氧消化方法 处理。 2. 4 污泥最终处置技术 常见的污泥最终处置技术主要包括卫生填埋、堆 肥 、 焚烧和土地利用等 。 4种常见污泥处置技术比较 见表 2。近年, 污泥制建材 、 污泥制肥和污泥发电等 新兴技术也有所发展和应用。 表 2 常见污泥最终处置技术比较 技术分类处理效率二次污染工程实例 卫生填埋低有北京清河污水处理厂 焚烧高有上海石洞口污水处理厂 堆肥低有太原杨家堡污水处理厂 土地利用低有上海程桥污水处理厂 卫生填埋和污泥土地利用是经济性最好的污泥 终处置 技术, 投资约 3 万 ～ 5. 5 万元 /t 含 水率 80 , 运行成本约 15 ～ 30元 /t 含水率 80 [ 10] 。 但污泥填埋工作仍存在很多问题 , 如渗滤液产生量 大 、 渗滤液收集系统易堵塞 、 填埋操作困难等; 土地利 用也存在恶臭污染的问题。另外 ,近年修订的污泥处 置标准 C J /T249 - 2007城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋泥质中规定 混合填埋泥质的含水率应不 大于 60,污水厂目前的脱水技术很难实现这一要 求 。因此 , 卫生填埋和土地利用的发展前景不容 乐观。 焚烧技术的处理效率最高, 可以大幅减少污泥体 积和含水率 。但是焚烧法所需投资较高, 设备投资约 35万 ～ 45万元 / t 以干污泥计 , 运行成本约 771 ～ 1 000 元 /t 以干污泥计 。同时 ,我国焚烧设备主要 依赖于进口 ,设备投资费用和维护修理费用较高。焚 烧法仅适合于大型污水处理厂污泥或有毒有害物质 含量高的污泥的处置 [ 11] 。上海石洞口干化焚烧工程 选用了德国进口流化床焚烧系统 。该厂投资 8 000 万 元 含干化和焚烧设备、土建 、自控及辅助设施 , 运 行费用约 250元 /t 含水率为 82, 包含电费 、药剂 费 、 人工费、维修费等 。我国也自主设计了焚烧炉, 运行效果良好。齐鲁石化乙烯污水处理厂污泥采用 二段 串 联 的 卧 式 回 转 焚 烧 炉 焚 烧, 处 理 量 为 2 100 k g /h 含水率不大于 80的湿污泥 。 堆肥工艺对环境的影响最小 。堆肥可利用污泥 中的大部分营养元素和有机质 , 实现资源的循环利 用 。同时污泥堆肥基建费用低、容易管理 、 设备简单; 产品无味无臭、质地疏松 、 含水率低、密度小 ,便于运 输施用和后续加工成商品肥。但堆肥过程中恶臭气 体的控制以及污泥中的重金属含量仍制约着堆肥技 术的应用和发展 。此外,产品的销路也是影响堆肥技 术的关键因素。一般堆肥周期较长, 适用于小型污水 厂使用 [ 12- 13] 。山东省晨鸣集团污泥堆肥工程采用北 京中科博联环保高新技术有限公司自行研发的 C T B 高温好氧快速堆肥技术进行污泥堆肥, 处理效果很 好 。该工程总投资 2 600万元, 其中基建费 1 300万 元 ,设备费 900万元 。另外 , 太仓市巨龙农业养殖技 术有限公司引进日本大平二号蚯蚓原种, 开发 “蚯蚓 生物转化污泥、 生产生物有机肥 ”项目 。该公司现已 成功利用蚯蚓处理造纸污泥,蚯蚓处理污水厂污泥正 在研发中。 污泥制建材 、 污泥制肥和污泥发电等新兴技术也 是今后污泥处理处置发展的方向 ,但目前技术还不完 善 、 规模化和产业化程度较低, 短期内较难实现大规 模工程化应用 [ 14- 16] 。 3 污泥处理处置工艺流程的选择 评估污泥处理处置技术是为了更合理地选择污 泥处理处置工艺流程 ,以便污水厂污泥处理处置工作 正常、 高效运转。中国城市污水厂污泥处理处置工艺 流程及其应用比例见表 3。 表 3 中国污泥处理处置工艺流程及应用比例 [ 17] 编号污泥处理流程应用比例 / 1 浓缩池 - 最终处置21. 63 2 双层沉淀池污泥 - 干化场 - 最终处置4. 05 3 浓缩池 - 消化池 - 湿污泥池 - 最终处置21. 63 4 浓缩池 - 消化池 - 机械脱水 - 最终处置18. 92 5 浓缩池 - 两相消化池 - 湿污泥池 - 最终处置1. 35 6 浓缩池 - 两级消化池 - 最终处置2. 70 7 初沉池污泥 - 消化池 - 干化场 - 最终处置1. 35 8 接触氧化池污泥 - 干化场 - 最终处置1. 35 9 浓缩池 - 消化池 - 干化场 - 最终处置5. 4 10 初沉池污泥 - 浓缩池 - 两级消化池 - 机械脱水 - 最终处置 1. 35 11 浓缩池 - 机械脱水 - 最终处置14. 87 12 初沉池污泥 - 消化池 - 浓缩池 - 机械脱水 - 最终 处置 4. 05 13 浓缩池 - 厌氧消化 - 浓缩池 - 机械脱水 - 最终 处置 1. 35 由表 3可知, 我国污泥处理处置工艺是十分多 83 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期 样化的 。污水厂应根据自身的规模、污水污泥性质以 及经济实力合理选择 。 大中型污水厂 处理量在 5万 t /d 以上 产泥量 大 ,污泥产率高, 因此适于选择处理量大、处理效率高 的污泥处理处置工艺 。在资金充裕的情况下, 污水厂 宜选择带有污泥消化的工艺 ,如浓缩池消化池机 械脱水 最终处置 。该工艺是比较完备的污泥处理 处置工艺流程。污泥消化可以明显改善污泥的理化 性质,降低污泥的生物活性 ,实现污泥的稳定化 ,但这 种工艺基建投资和运行成本都很高。浓缩池机械 脱水 最终处置是我国最常见的污泥处理处置工艺 流程,但该流程缺少了消化工艺 ,污泥有机物含量高, 脱水后仍有较大异味且疏水性差 。污水厂应尽量根 据实际情况配备适合的消化工艺。 中小型污水厂 处理量在 5万 t /d 以下 产泥量 和污泥产率带来的压力小, 可适当选择一些经济性好 的工艺 。浓缩池 最终处置工艺构成相对简单 ,投资 和运行成本较低 , 因而经济性好。但污泥经浓缩后 含水率仍在 93 ～ 96, 最终处置方法的选用受到 了极大的限制 。浓缩池 机械脱水 最终处置更适 合小型污水厂应用 。对于有资源优势和工艺上有特 殊需要的污水厂 ,可以根据实际情况选择其他工艺。 如厂区周边有大量空地的污水厂可以选择带有干化 场的工艺来处理处置污泥; 以生活污水为主的污水厂 可以选择带有湿污泥池的工艺 。 4 讨论 1 我国污泥处理处置技术评估方法体系尚不完 善 。目前我国污泥处理处置技术评估工作中, 对研究 对象的界定 、 评价指标 、 评价方法和步骤等评估细则 尚没有统一的规范和标准 。 2 我国污泥处理处置技术及应用信息还不全 面 。目前关于我国污泥处理处置技术及应用情况的 信息平台或数据库较少,获取相关资料和信息的渠道 也不够畅通 ,数据搜集难度大, 影响了评估的效率和 准确性 。为此,提出以下建议 a . 借鉴和引用国外成 熟的污泥处理处置技术评估体系 ,紧密结合我国污泥 处理处置工作的现状 ,尽快建立起适合我国污泥处理 处置技术评估的技术框架和实施方法。 b . 完善我国 污泥处理处置技术评估工作的规范和标准 ,使评估工 作时有据可依 。同时规范评估结果 。 c . 建立污泥处 理处置技术数据库, 并促进信息共享 , 加强我国污泥 处理处置技术现状和应用情况的信息交流 ,使评估工 作的资料来源更翔实可靠 。 参考文献 [ 1] P a r r J F , E p s t e i nE , Wi l l s o nGB .C o m p o s t i n gs e w a g es l u d g ef o r l a n da p p l i c a t i o n [ J ] .A g r i c u l t u r ea n dE n v i r o n m e n t , 1978 4 123- 137. 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