基于污染物变化选择干化污泥处置技术.pdf

基于污染物变化选择干化污泥处置技术 * 姚金玲 1， 2 王海燕 1 于云江 1 1. 中国环境科学研究院， 北京 100012;2. 农业部环境保护科研监测所， 天津 300191 摘要 为了解我国城市污水厂污泥干化前后污泥含水率、 pH 值、 总磷、 总氮、 有机质和重金属含量 Zn、 Cu、 Cr、 Pb、 Ni、 As、 Cd 的变化情况并据此选择合理的干化污泥处置技术， 以我国某污泥干化厂三种类型的污泥样品为研究对象， 并 测定上述六项指标。结果表明 污泥干化后含水率降至 3. 72 ; pH 值降低至 5. 95 和 5. 93; 干化后干料中总氮、 总磷 和有机质的增加量分别为 30 、 2. 7 和 5 ， 而湿料的增加量分别为 24. 5 、 10. 7 和 2. 2 ; 重金属含量的变化与干 化后污泥类型有关， 湿料中重金属含量有所减少， 而干料中重金属含量则有增有减。污泥干化厂应以湿料作为主要的 干化产品。同时， 对比样品中各指标的实测值与污泥标准中的控制限值可知， 干料适合制砖、 制水泥熟料和混合填埋， 而湿料适于农用、 土地改良和园林绿化。 关键词 干化;污水污泥;总氮和总磷;有机质;重金属 THE SELECTION FOR DISPOSAL TECHNOLOGIES OF DRYING SLUDGE BASED ON CHANGES IN SEVERAL POLLUTANTS Yao Jinling1， 2Wang Haiyan1Yu Yunjiang1 1. Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China; 2. Agro-Environmental Protection Institute，Ministry of Agriculture，Tianjin 300191，China AbstractSludge water content，pH，the contents of TP，TN，organic matter and heavy metals including Zn，Cu，Cr，Pb， Ni，As and Cd before and after drying in the wastewater treatment plants were studied using the standardized determination s of sludge to get more ination for the reasonable disposal of sludge. The samples were dewatered sludge，totally dried-sludge DPand mixed sludge the mixture of dried-sludge and dewatered sludge by 20∶ 1，MP . After drying，it was found that the water content of the sludge reduced to 3. 72 ，and the pH value reduced from 6. 18 to 5. 95 of DP and 5. 95 of MP，respectively，while the concentrations of TN，TP and organic matter increased，from 30 ，2. 7 and 5 in DP to 24. 5 、 10. 7 and 2. 2 in MP，respectively. After drying，the variation of heavy metals’concentration was related to the type of the product. Compared to dewatered sludge，the content of all kinds of heavy metals reduced in MP，while some of them increased and others decreased in DP. As a result，the sludge drying plants should make MP the main product. At the same time，according to the limit values in standards of sludge，it was found that DP were suitable for brick-making，cement clinker producing and co-landfilling，while MP were suitable for agriculture，land improvement and gardening. Keywordsdrying;sewage sludge;TN ＆ TP;organic matter;heavy metals * 国家环保公益性行业科研专项 200809046 ; 国家“十一五” 科技支 撑计划重点项目 2007BAC16B07 ; 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 gyk10901 。 0引言 污泥干化技术是利用热能将污泥中水分快速蒸 发的一种处理工艺， 属于污泥深度脱水技术， 可以将 污泥微生物细胞破碎并去除其中的内部水， 经过干化 处理后， 污泥含水率可降到 10 以下， 符合堆肥、 焚 烧、 制砖或填埋等处置方法的要求。随着干化技术和 设备的完善， 污泥干化技术也开始成为我国污泥处理 工艺之一。 国外有 大 量 针 对 污 泥 干 化 技 术 的 研 究， 例 如 Richard 等 ［ 1］研究了干化处理对消化污泥中 PCB 等 几种污染物的影响; Deng 等 ［ 2］分析了污泥干化过程 中挥发性化合物的排放特征等。在国内， 袁军等 ［ 3］ 研究了污水污泥干化基本特性; 胡龙等 ［ 4］探讨了污 17 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 泥热干燥处理技术以及热干燥处理技术的应用; 邓文 义等 ［ 5］对流化床内干化污泥燃烧污染物排放特性进 行了研究。但是， 由于我国污泥干化厂并不多， 关于 我国污泥干化厂污泥干化效果的报道不是很多， 因此 本文选取某城市污泥干化厂的脱水污泥、 干化污泥 以下简称干料 和干化污泥与脱水污泥的二次混合 物 以下简称湿料 作为研究对象， 测定这三种不同 类型污泥的含水率、 pH 值、 总磷、 总氮、 有机质和重金 属含量 Zn、 Cu、 Cr、 Pb、 Ni、 As、 Cd 这六项指标值并进 行比较分析。一方面了解污泥干化工艺的实际处理 效果， 另一方面了解污泥经过干化处理后的基本特 性， 以及上述六项指标的变化情况， 从而据此选择安 全的、 合理的污泥处置技术。 1实验部分 1. 1污泥样品采集和预处理 实验测定的脱水污泥样品采集点选择在污泥脱 水车间连续稳定运行的脱水机出泥口， 采集不同脱水 机出泥口的样品并将其混合， 混合样品的质量不少于 1 kg; 干料和湿料样品均从污泥干化流化床污泥出料 仓采集， 实验样品为出料仓多次出料混合而成， 混合 样品的质量不少于1 kg。 上述各样品使用聚乙烯封口 袋收集， 封口带回实验室备用。待测污泥经自然风 干， 研细， 备用。 1. 2实验方法 污泥含水率测定和 pH 值的测定使用重量法和 玻璃电极法 ［ 6］。 污泥总氮含量的测定使用碱性过硫酸钾高压消 解紫外光光度法 ［ 7］。 污泥 总 磷 含 量 的 测 定 使 用 钼 酸 铵 分 光 光 度 法 ［ 8］。 污泥有机质含量的测定使用低温外热重铬酸钾 氧化比色法 ［ 9］。 污泥重金属含量的测定使用微波高压消解电 感耦合等离子体发射质谱测定法 ［ 6］。 2结果和分析 2. 1污泥干化厂干化工艺简介 污泥干化厂采用流化床干化系统， 主要由三部分 组成 风箱、 流化层、 抽吸罩。它的工作原理是 流化 床干燥器底部的风机从整个底部断面均匀地吹进惰 性流化气体。污泥在惰性流化气体的作用下均匀分 散， 使其内部形成流化层。中间段的热交换器将导热 介质 蒸汽或热油 的热量送入流化层， 并将污泥干 化。随着污泥的逐渐干化， 其密度减小， 升到上部， 最 后随上部抽走的气体而抽出流化床 ［ 10］。 干化厂干化污泥来自邻近的污水处理厂产生的 含水率 80 左右的脱水污泥。该污水处理厂进水以 生活污水为主， 含有约 10 的工业废水。污泥经过 干化后的产品可以分为两种 一种是脱水较完全的干 料; 另一种为干料与脱水污泥按 20∶ 1的比例二次混 合得到的湿料。 2. 2污泥理化指标含量及其变化 2. 2. 1含水率的变化 污泥含水率是衡量污泥理化特性的重要指标之 一， 也是影响污泥处理处置工艺选择的决定性因素之 一。表 1 给出了污泥干化前后主要污染物成分含量 的变化。由表 1 可知， 脱水污泥未经干化时含水率为 80. 62 。脱水污泥具有黏结性; 含有大量肉眼可见 杂质; 新鲜脱水污泥具有泥土气味， 无明显臭味。干 料含 水 率 达 到 3. 72 。 干 料 呈 颗 粒 状 粒 径 在 0. 5 cm左右 ; 含有细小杂质， 粒度分布均匀， 分散度 好， 无明显的黏结团块， 有明显的刺激性臭味。 表 1污泥干化前后几种控制项目指标值的变化 污泥 类型 含水 率 / pH 总磷 / g kg － 1 总氮 / g kg － 1 有机质 含量 / g kg － 1 有机质 质量 分数 / 脱水 污泥 80. 626. 1814. 1124. 30214. 8740. 01 干料3. 725. 9514. 4931. 34225. 8142. 04 湿料12. 315. 9315. 6230. 25219. 6140. 89 湿料的含水率为 12. 31 ， 也呈颗粒状 一般粒 径在1 cm左右 ， 但含有较大杂质; 粒度分布不均匀; 分散度不好， 常出现颗粒黏结现象， 形成较大颗粒; 臭 味不明显。 脱水污泥和湿料含水率高于干料， 因此污泥颜色 较深、 分散度不好、 粒径分布不均匀。干料的臭味也 要比新鲜脱水污泥和湿料明显。这主要由于污泥干 化过程中有机硫化物、 胺等会转化， 进而形成臭味气 体 ［ 2］。 2. 2. 2pH 值的变化 区分污泥的酸碱性是污泥处理处置技术选择的 前提 条 件 之 一。例 如， 过 酸 pH 10 的污泥不适用于农用、 园林绿化和造砖。由表 1 所示， 干化前的脱水污泥 pH 值为 6. 18; 干化后的产 品， 干料 pH 值为 5. 95， 湿料 pH 值为 5. 93。脱水污 27 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 泥和干化产品的 pH 值均符合我国 GB24188 － 2009 城镇 污 水处理厂污 泥泥 质 ［ 11］中 对 于 污 泥 泥 质 pH 5 ～ 10 的限制要求。 pH 值的降低与污泥中蛋白质的水解有关 ［ 12］。 干化过程中， 污泥中蛋白质水解形成多肽、 二肽和氨 基酸， 而氨基酸会进一步水解形成有机酸。在氨基酸 和有机酸的作用下， 污泥的 pH 值有所降低。 2. 3污泥有机质和植物养分含量及其变化 由表 1 可知， 污泥中含有大量的有机质， 占污泥 40 左右。其含量及成分与污水处理厂污水的来源、 处理工艺、 服务区域内居民的生活水平和饮食结构有 关。有研究表明 ［ 13］ 用阳离子交换树脂提取污泥中 有机质， 测得其中蛋白质占 46 ～ 52 ， 腐殖酸占 18 ～ 23 ， 碳水化合物占 17 ， 其余为尿酸和核 酸。每千克脱水污泥中含有机质214. 87 g; 干化后， 每千克干料中含有机质225. 81 g， 每千克湿料含有机 质219. 61 g。 干料和湿料的有机质含量比脱水污泥的 有机质含量略有增加， 增加量为 5 和 2. 2 。 污泥的植物养分主要指总氮、 总磷、 总钾等指标。 它既反映了污泥可供给植物生长的营养成分和构成， 也反映了污泥可能引起水体富营养化和水质恶化的 能力。本实验更加关注污泥中容易引起环境污染的 植物养分含量变化情况， 因此仅选取总氮和总磷进行 测定分析。如表 1 所示， 经过干化处理后， 污泥中总 氮和总磷的含量均有所增加。干料和湿料的总氮含 量分别增加了 30 和 24. 5 ; 总磷含量分别增加了 2. 7 和 10. 7 。 因此， 干化处理可以使污泥的有机质和植物养分 含量增加。据报道， 这是由于污泥干化过程中， 污泥 中微生物细胞会发生裂解。细胞质中有机物和氮磷 化合物的释放会导致有机物总量的有所增加 ［ 14］。其 中， 增量最大的是总氮含量， 最大增量达到了 30 。 增量最小的为有机质含量， 仅为 2. 2 。总磷含量的 增加量介于两者之间， 最大增幅也达到了 10. 7 。 2. 4污泥重金属含量及其变化 本试验依照 GB24188 － 2009 中对于污泥选择性 控制项目的规定， 选取锌 Zn 、 铜 Cu 、 铬 Cr 、 铅 Pb 、 镍 Ni 、 砷 As 、 镉 Cd 七种重金属元素进行 测定分析， 以了解脱水污泥和干化污泥中重金属含量 及其变化。 污泥干化前后重金属含量变化如图 1 所示。污 泥中不同种类的重金属含量具有相同的分布趋势。 三种污泥中重金属含量都是按照 Zn、 Cu、 Cr、 Pb、 Ni、 As、 Cd 的顺序递减。Zhang Hua 等 ［ 15］也对城市污水 厂污泥重金属 Zn、 Cu、 Cr、 Pb、 Ni、 Hg、 Cd 含量进行 了研究， 研究表明污泥中重金属 Zn、 Cr、 Cu、 Pb、 Ni、 Cd、 Hg 的含量依次递减。本实验研究得出的趋势与 该研究的重金属分布趋势基本是一致的。由于我国 广泛使用镀锌管道， 因此污泥中锌的含量最高。由于 目前很多日用品均为电镀产品如不锈钢炊具、 金属制 品、 管道等， 因此电镀行业常使用的 Cu 和 Cr 的含量 也较高; Pb 主要来源于采矿、 冶炼产业废水， 但以生 活污水为主要污水来源的污水处理厂中的 Pb 主要来 自于大气中 Pb 的沉降。其含量要较前几种重金属 少。Ni、 Cd 和 Hg 在生活污水中的含量较少， 因此污 泥中的含量都不多。 图 1污泥干化前后重金属含量的变化 除此以外， 由图 1 可知， 经过干化处理以后， 干料 中铜 Cu 、 铅 Pb 、 镍 Ni 和砷 As 的含量有所增 加。而湿料中各种重金属含量明显少于脱水污泥中 的含量。 3干化污泥处置工艺选择 干化污泥具有含水率低、 体积小、 便于储存和运 输等特点， 因此可以选择多种方法对干化后污泥进行 处置。 我 国 最 早 的 污 泥 标 准 是 1984 年 制 定 的 GB4284 － 84 农用污泥中污染物控制标准 ， 至今仍 在使用， 但 其 中污 泥 农用 时 重 金 属 含 量 的 限 值 在 GB18918 － 2002城镇污水处理厂污染物排放标准 进行了修订。同时， 我国又陆续颁布了 GB24188 － 2009、 GB /T23486 － 2009城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质 、 CJ289 － 2008城镇污水处理厂污 泥处置 制砖用泥质 、 CJ290 － 2008城镇污水处理厂 污泥处置 单独焚烧用泥质 、 GB /T23485 － 2009城 镇污水处理厂污泥处置 混合填埋泥质 、 CJ/T291 － 2008城镇污水处理厂污泥处置 土地改良用泥质 、 37 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 CJ/T309 － 2009 城镇污水处理厂污泥处置 农用泥 质 和 CJ/T314 － 2009 城镇污水处理厂污泥处置 水 泥熟料生产用泥质 等一系列泥质标准。这些标准 都是污泥处理处置工作中遵循的依据和准则， 也是干 化污泥处理处置工艺选择的主要依据。 表 2 给出了干化处理污泥污染物含量与相关标 准规定的控制限值的比较。干化后污泥的含水率和 pH 值均符合表 2 所列各标准规定的限值。总养分含 量和有机质含量满足污泥处置园林绿化用泥质标准、 土地改良泥质标准和农用泥质标准的要求， 但是不符 合污泥处置单独焚烧用泥质的要求。因此， 干化后污 泥的理化性质指标和养分含量指标上均满足制砖、 混 合填埋、 制水泥熟料、 土地改良、 园林绿化和农用泥质 标准的要求。 污泥中重金属的含量一直是限制污泥处理处置 的关键因素。笔者对我国现行的污泥标准中重金属 的控制限值进行了比较， 发现污泥中重金属限值以污 泥农用泥质标准的规定最为严格。因此， 表 3 中列出 了干化后污泥中重金属含量与美国、 欧盟、 德国和中 国农用泥质标准中重金属含量控制限值的比较。由 表 3 可知， 干化后污泥的重金属含量均未超过我国污 泥标准所规定的重金属含量控制限值。同时， 也远低 于美国、 德国和欧盟的污泥重金属含量的控制限值。 并且， 湿料的重金属含量要低于干料的重金属含量。 综上所述， 从现有的污染物控制项目来看， 干化 后污泥都不存在含水率、 pH 值和重金属含量超标问 题。同时， 总氮、 总磷和有机质含量完全可以满足污 泥农用、 土地改良和园林绿化等用途。干料含水率 小、 粒径小、 分散度高但有臭味， 因此适用于制砖、 混 合填埋。湿料中含有更多的养分和有机质， 重金属含 量也要明显低于干料， 因此可以用于园林绿化、 农用、 堆肥等。同时， 对于污泥干化厂而言， 生产湿料还可 以节省部分用于污泥干化的成本， 因此污泥干化厂宜 以生产湿料为主。 由于本实验主要关注了污泥特性和有害物质的 含量， 因此只测定了标准中的部分控制指标。还有部 分标准涉及的检测项目未进行测定， 如卫生学指标细 菌总数、 种子发芽指数等。因此， 在利用上述备选的 污泥处置技术对干化污泥进行处置前， 还需根据各个 标准的规定对干化污泥进行其他污泥控制项目的监 测， 以便采取适当的污泥调理和稳定措施， 保证污泥 得到安全、 有效的处置。 表 2污泥中污染物含量与标准限值的对照 对照项目含水率 /pH总养分［总氮 总磷］有机质含量 / 干料3. 725. 954. 58 /45. 83 g/kg， 干基42. 04 /225. 81 g/kg， 干基 湿料12. 315. 934. 59 /45. 87 g/kg， 干基40. 89 /219. 61 g/kg， 干基 制砖用泥质要求≤405 ～ 10 混合填埋用泥质要求≤605 ～ 10 水泥熟料生产用泥质要求≤805 ～ 13 土地改良用泥质要求 656. 5 ～ 10≥1≥10 农用用泥质要求≤605. 5 ～ 9≥30 g/kg， 干基≥200 g/kg， 干基 园林绿化用酸性土壤 PH 6. 5 40 6. 5 ～ 8. 5 ≥3 ≥25泥质要求中碱性土壤 PH≥6. 5 5. 5 ～ 7. 8 单独焚烧用 自持焚烧 505 ～ 10 泥质要求 助燃焚烧 50 干化焚烧 805 ～ 10 4结论 1 干化处理可使污泥含水率和 pH 值下降; 干化 处理会使污泥中的总氮、 总磷和有机质的含量不同程 度地增加; 对于重金属， 其含量的变化与干化后污泥 的类型有关。湿料中各种重金属含量比脱水污泥中 的含量有所减少， 而干料中重金属含量则有增有减。 污泥干化厂宜以生产湿料为主。 2 干化污泥的理化特性、 养分含量和有害物质 含量均达到了我国污泥相关标准所规定的要求， 综合 考虑干化污泥的种类和性质， 干料粒径小、 分散度高 47 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 表 3干化后污泥中重金属含量与控制限值比较 mg/kg， 干基 对照项目 最高允许浓度 ZnCuCrPbNiAsCd 干料640186543522111 湿料558162423019101 美国污泥标准［ 16］ 7 5004 3003 00084042007585 欧盟污泥标准［ 17］ 2 500 ～ 4 000 1 000 ～ 1 750750 ～ 1200300 ～ 40020 ～ 40 德国污泥标准［ 18］ 250080090090020010 中国污泥农用泥质标准 A 级污泥 1 5005005001 000100303 B 级污泥 3 0001 5001 0003002007515 且有臭味， 因此可选择制砖、 混合填埋和制水泥熟料 等方法进行处置。湿料中含有更多的养分和有机质， 重金属含量也要明显低于干料， 因此可选择园林绿 化、 土地改良、 农用等方法进行处置。 参考文献 ［1 ］ Gibson R，Wang M J，Padgett E. Impact of drying and composting proceduresontheconcentrationsof4-nonylphenols， di-2- ethylhexyl phthalate and polychlorinated biphenyls in anaerobically digested sewage sludge［J］ . Chemosphere， 2007， 68 1352- 1358. ［2 ］ Deng W Y，Yan J H，Li X D. Emission characteristics of volatile compounds during sludges drying process［J］ . Journal of Hazardous Materials，2009， 162186- 192. ［3 ］ 袁军， 范浩杰， 施善斌， 等. 污水污泥干化基本特性的试验研究 ［J］ . 给水排水， 2008， 34 S1 185- 188. ［4 ］ 胡龙， 何品晶， 邵立明. 城市污水厂污泥热干燥处理技术及其应 用分析［J］ . 重庆环境科学， 1999. 21 1 51- 53. ［5 ］ 邓文义， 严建华， 李晓东， 等. 流化床内干化污泥燃烧污染物排 放特性研究［J］ . 浙江大学学报 工学版 ， 2008. 42 10 1805- 1811. ［6 ］ CJ/T 221 － 2005城市污水厂污泥检验方法 ［S］ . ［7 ］ 封勇， 陈杰， 吴亦红. 城市污泥中总氮的测定方法［J］ . 河北化 工， 2005 6 74- 75. ［8 ］ 陈国梅. 钼酸铵分光光度法测定城市污泥中的总磷［J］ . 中国 给水排水， 2006， 22 2 85- 86. ［9 ］鲁如坤. 土壤农业化学分析方法［M］ . 北京 中国农业科技出 版社， 2000 108- 109. ［ 10］ 王璠， 柯尊忠， 田秀敏. 城市污泥干化技术研究［J］ . 机电产品 开发与创新. 2003 2 9- 10. ［ 11］ GB 24188 － 2009城镇污水处理厂污泥泥质［S］ . ［ 12］ Ren L H，Nie Y F，Liu J G，et al. Impact of hydrothermal process on the nutrient ingredients of restaurant garbage［J］ . Environment Science，2006， 18 1012- 1019. ［ 13］ 王志玉， 金宜英， 王兴润， 等. 城市污水污泥中有机质的资源化 技术综述［J］ . 给水排水， 2007， 33 41- 44. ［ 14］ Zsolnay A，Baigar E，Jimenez M. Differentiating with Fluorescence Spectroscopy the Sources of Dissolved Organic Matter in Soil Subjected to Drying ［J］ . Chemosphre，1999， 38 45- 50. ［ 15］ Zhang Hua，He Pinjing，Shao Liming. Implication of heavy metals distribution for a municipal solid waste management system a case study in Shanghai［J］ .Science of the Total Environment， 2008， 402257- 267. ［ 16］ US Environmental Protection Agency.Protection of Environment ［EB /OL］ .Washington DCEnvironmental Protection Agency， 2009［ 2009 － 11 － 19］ . http / /ecfr. gpoaccess. gov. ［ 17］ European Communities. Council Directive 86 /278 /EEC of 12 June 1986 on the protection of the environment，and in particular of the soil，when sewage sludge is used in agriculture ［R］ . Brussels European Communities，1986 6- 12. ［ 18］ Federal Ministry for the Environment，Nature Conservation and Nuclear Safety.Sewage Sludge Ordinance ［EB /OL ］ .Berlin Sewage Sludge Ordinance，2007［ 2007 － 01 － 01］ . http / /www. bmu. de/english/waste_management/downloads/doc/4342. php. 作者通信处姚金玲300191天津市南开区复康路 31 号农业部环 境保护科研监测所综合办 电话 022 23003820 E- mailyaojl139 yahoo. com. cn 2010 － 01 － 12 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 欢迎订阅 环境工程 杂志邮发代号 82 －64 57 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期