城市污水處理廠污泥處理工藝分析

柏 靜

（江蘇科易達(dá)環(huán)保科技有限公司，江蘇 鹽城 224002）

1 污泥特性

1.1 重金屬污染

當(dāng)前，我國城市污泥的重金屬含量過高，鉻、鎘等重金屬物質(zhì)吸附在污泥中，并長期沉淀。工業(yè)廢水會產(chǎn)生大量的重金屬，小部分重金屬來自人類生活，如銅和鋅。如果將污泥用于正常土壤中，其內(nèi)部的重金屬會逐漸富集在地表層，進(jìn)而通過食物鏈進(jìn)入人體。重金屬危害極大，是阻礙污泥大規(guī)模利用的重要因素。

1.2 有機(jī)質(zhì)污染

污泥中含有大量有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)隨著時間的推移會持續(xù)分解，滋生各種微生物和寄生蟲。污泥中還存在有機(jī)高聚物，如呋喃、多氯聯(lián)苯以及多環(huán)芳烴等，該類物質(zhì)毒性大，不易降解，會嚴(yán)重危害人體健康。未處理的新鮮污泥含有極多病原體，任意排放后，一旦與土壤、水體相結(jié)合，將會帶來諸多不良影響。

1.3 含水率較高

污泥含水率是污泥中水的質(zhì)量除以污泥總質(zhì)量的比值，其高低受水分組成影響。污泥中自由間隙水一般呈游離態(tài)，大約占70%，可以通過濃縮脫水去除。毛細(xì)結(jié)合水占比為20%，往往需要采用高機(jī)械力進(jìn)行壓濾和離心脫水等操作，才能達(dá)到去除的目的。表面吸附水的比重大約為5%，需要加入絮凝劑來調(diào)節(jié)。胞內(nèi)水占比為5%，脫水難度最大，目前多采取生物分離或熱力方法去除。

2 國內(nèi)污泥處理現(xiàn)狀

受多方條件制約，我國污泥處理水平整體比較落后，一直以來，污水處理廠“重水輕泥”，污泥只是經(jīng)過簡單的脫水處理便被外運(yùn)，這在一定程度上加重了生態(tài)破壞。近些年，我國生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，相關(guān)部門對污泥處理給予了高度重視，許多發(fā)達(dá)地區(qū)持續(xù)加大污泥處理力度，并積極建設(shè)治理項目。當(dāng)前，我國常用的污泥處置方式包括焚燒、外運(yùn)、土地填埋、隨意堆放以及資源化利用。由于制度和監(jiān)管方面的缺陷，污泥處理存在許多不合理現(xiàn)象，填埋和外運(yùn)堆放無人管理，因此始終難以實現(xiàn)污泥的減量化、無害化和穩(wěn)定化處置。

調(diào)查數(shù)據(jù)表明，目前我國還有部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)未設(shè)置污水處理設(shè)施，這種現(xiàn)象在農(nóng)村地區(qū)更為普遍。隨著城市化建設(shè)腳步的加快，人們的生活水平不斷提高，污水產(chǎn)生量不斷上升，污泥產(chǎn)量也隨之增加。截至2015年底，我國污泥的總產(chǎn)生量約為3 500萬t。預(yù)計2020-2025年，中國污水處理量將達(dá)到頂峰，污泥總生產(chǎn)量在2020年末很有可能突破6 000萬t。

3 污泥處理技術(shù)

3.1 濃縮脫水技術(shù)

濃縮脫水技術(shù)不僅能夠縮小污泥體積，還能降低污泥含水量。濃縮方式主要分為兩種，一是機(jī)械濃縮，二是重力濃縮。與后者相比，機(jī)械濃縮占地面積較小，建設(shè)成本低，操作環(huán)境好，能夠有效避免污泥厭氧磷的問題。濃縮技術(shù)主要應(yīng)用生物除磷的方法，縮短污泥停留時間是防止活性污泥二次放磷的重要前提。

脫水處理的目的在于分離污泥中的吸附水和毛細(xì)水，并將其轉(zhuǎn)化為半固態(tài)或固體黏土。經(jīng)過脫水操作后，污泥含水量大大降低，而污泥和沉淀物的性質(zhì)以及設(shè)備效率都會直接影響實際脫水效果。此后還要進(jìn)一步脫水，即進(jìn)行污泥干燥，再次處理后的污泥含水率已經(jīng)低于10%。脫水可以采用造粒、機(jī)械脫水法和自然干燥法三種方法，后兩種方法適用于污水中的污泥處理，而造粒法則更加適用于沉淀和混凝狀態(tài)的污泥處理。但自然干化法需要時間作用，因此機(jī)械脫水法成為城市污水處理廠的首選。

3.2 污泥厭氧消化

污泥厭氧消化技術(shù)指的是在厭氧條件下，通過兼性厭氧菌來分解污泥中的有機(jī)物，其被微生物降解后形成水、甲烷和二氧化碳，進(jìn)而產(chǎn)生沼氣，這有助于穩(wěn)定污泥狀態(tài)，實現(xiàn)減量化目的[1]。

該項污泥處理技術(shù)的最大優(yōu)勢在于發(fā)電，厭氧消化能夠產(chǎn)生甲烷，進(jìn)而降低污泥中有機(jī)物濃度。這樣可以提高污泥脫水能力，防止出現(xiàn)臭味，減降低后續(xù)處理成本。此外，高溫能夠殺死污泥中的寄生蟲，有效去除病原體。但該處理方法操作復(fù)雜，需要大面積的場地和較長的厭氧消化時間，處理成本較大，其不適用于小型污水處理廠。

3.3 污泥好氧發(fā)酵

污泥好氧消化的原理是內(nèi)源代謝，主要利用污泥中的好氧嗜熱菌對有機(jī)物進(jìn)行分解，最終形成與腐殖質(zhì)土壤相類似的物質(zhì)，因此其也被稱作好氧堆肥。首先通過曝氣將氧氣充入污泥中，實現(xiàn)有機(jī)體的自我分解和轉(zhuǎn)化。有機(jī)質(zhì)在降解的過程中會產(chǎn)生熱量，形成高溫環(huán)境，用以消滅病原體、寄生蟲卵等微生物，穩(wěn)定污泥的性質(zhì)。實際處理工作中，好氧發(fā)酵階段可能需要用到干燥和造粒。

3.4 熱解（炭化）技術(shù)

熱解（炭化）技術(shù)指的是在缺氧或無氧環(huán)境條件下進(jìn)行污泥加熱，有機(jī)物具有熱不穩(wěn)定性，熱裂解后會生成燃料氣、裂解油和炭。其中，燃料氣和裂解油可以二次利用，裂解炭則多用于廢氣處理。污泥經(jīng)過熱解，有效降低了重金屬的性能，這樣一來，污泥在資源化利用中也不會產(chǎn)生過大的環(huán)境風(fēng)險。同時，裂解炭作為一種有效的吸附劑，有助于處理污水和煙氣，市場應(yīng)用前景良好。

4 污泥處置的實際應(yīng)用

以某污水處理廠為例，在建立污泥熱解處理項目后，該廠的污泥處理量達(dá)到25 t/d，此時的污泥含水率在60%左右，具體采用混合式干化技術(shù)、煙氣處理技術(shù)以及污泥熱解技術(shù)，建立集成工藝系統(tǒng)，流程如圖1所示。

圖1 熱解工藝流程

脫水污泥送至混合式干化爐后，干化爐內(nèi)移動的過程就已進(jìn)行雙重加熱，當(dāng)溫度在160～200℃，污泥含水率低于20%時，才算完成干化過程。另外，處理過程中產(chǎn)生的煙氣混合后，再加以吸附和降溫除塵處理后，確定達(dá)標(biāo)方可排放。

已經(jīng)干化的污泥輸送到外熱式熱解爐，在其內(nèi)部移動過程中完成與高溫?zé)煔獾拈g接換熱。熱解產(chǎn)物排出后需要通過冷卻輸送裝置進(jìn)行降溫處理，方可排出，有助于減少資源浪費(fèi)。一般情況下，將熱解溫度控制在550℃左右為最佳，干化污泥在熱解爐內(nèi)的停留時間不宜過長，要控制在30 min左右[2]。

二次燃燒爐主要是通過高溫?zé)煔鈦砑訜釥t體，加熱完成后的煙氣會進(jìn)入干化爐，直接接觸濕污泥并進(jìn)行加熱，此時輔助燃燒爐也能夠起到一定作用。熱解產(chǎn)生的裂解氣多樣，有CO、粉塵、水蒸氣以及有機(jī)烴類，其中廢水直接進(jìn)入污水處理裝置，在二次燃燒爐作用下，污泥中的有機(jī)質(zhì)會產(chǎn)生熱量，進(jìn)而實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。本試驗采用的熱解設(shè)備是自制的，包括熱解爐和裂解氣處理裝置。熱解爐的作用在于干化污泥的高溫?zé)峤?，冷卻處理后的熱解物和裂解氣需要進(jìn)行干燥處理方可排出。

熱解裝置的生產(chǎn)需要外熱支持，而外熱由生物質(zhì)燃燒提供。通過計算熱量消耗之差，人們可以了解能夠節(jié)省的生物質(zhì)消耗量，并以此為依據(jù)，評估處理工藝的經(jīng)濟(jì)效益。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，生物質(zhì)燃燒裝置的熱效率大概在60%，其中生物質(zhì)的熱值約為15.91 MJ/kg。

每噸市政污泥的含水率為60%，經(jīng)過400℃的高溫?zé)峤?，污泥中的生物質(zhì)消耗量約為26.1 kg，按照當(dāng)前市場價格，生物質(zhì)1 000元/t，工藝優(yōu)化后大概每噸可以節(jié)省26.1元；項目估算成本為350元/t，生產(chǎn)成本明顯降低，降幅約為7.46%；如果縮短污泥的熱解停留時間，在同樣的設(shè)備條件下，熱解物的產(chǎn)能可以提高約33%。綜合以上數(shù)據(jù)，筆者認(rèn)為，優(yōu)化后的工藝條件能夠增強(qiáng)熱解技術(shù)的市場競爭力。

5 污泥處置

5.1 衛(wèi)生填埋

衛(wèi)生填埋是指污泥已經(jīng)經(jīng)過簡單處理，卻無法進(jìn)行資源化利用，因此需要進(jìn)行土壤填埋。經(jīng)過近些年的發(fā)展，污泥填埋技術(shù)日趨成熟，其優(yōu)點在于處理容量大，見效快。值得注意的是，該項技術(shù)受到土地資源的限制，再加上填埋場地面積有限，長期以來，污泥中的有害成分可能會發(fā)生滲漏，污染地下水源，污泥堆積所產(chǎn)生的臭氣也會對周圍環(huán)境造成二次污染[3]。由于場地限制，多數(shù)發(fā)達(dá)國家已摒棄這種處置方式。

5.2 污泥土地利用

污泥土地利用主要有以下幾種工藝類型。

5.2.1 園林綠化

園林綠化是指將污泥當(dāng)作肥料和營養(yǎng)土施用于花卉、草坪和景觀林中。污泥中含有大量有機(jī)質(zhì)，能夠促進(jìn)植物生長。但在實際應(yīng)用中，園林綠化的污泥施用量應(yīng)當(dāng)根據(jù)樹木種類加以控制。

5.2.2 林地利用

林地利用是指將污泥施用于密集生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)林，如薪材林或人工楊樹林。幼林會出現(xiàn)同類競爭，幼樹的營養(yǎng)攝入無法保證，人們可以將污泥用作肥料，輔助幼樹成長。

5.2.3 土壤修復(fù)及改良

土壤修復(fù)及改良是指將污泥用于受到損毀的土地和改良土中，提高廢棄土地的利用率，增強(qiáng)土壤肥力。選用該方法時，人們需要考慮施用場地的原有用途。

5.3 污泥焚燒

污泥焚燒需要在特定條件下進(jìn)行，污泥經(jīng)過必要處理，內(nèi)部有機(jī)組分會發(fā)生氧化（燃燒）反應(yīng)，生成氣相物質(zhì)，如CO2和H2O等，而無機(jī)組分則會形成固相惰性物質(zhì)，如爐灰、爐渣。

污泥焚燒系統(tǒng)由多個系統(tǒng)組成，主要包括污泥接收、儲存及給料系統(tǒng)、熱干化系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)（包括輔助燃料添加系統(tǒng)）、熱能回收和利用系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、灰/渣收集和處理系統(tǒng)、自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)及其他公共系統(tǒng)等。污泥焚燒前處理技術(shù)的作用在于提高污泥的熱值，需要通過脫水和熱干化工藝來實現(xiàn)，既能夠降低污泥的運(yùn)輸和儲存成本，還能夠節(jié)省物料消耗。

污泥焚燒分為兩類，一是直接單獨(dú)焚燒，二是協(xié)同焚燒。其中，單獨(dú)焚燒技術(shù)是指利用專門的污泥焚燒爐進(jìn)行單獨(dú)處置。如果污泥的熱值低，但含水率較高，此時將其輸送到焚燒爐中處理往往會消耗更多物料，能量利用率不高[4]。而協(xié)同焚燒是指利用工業(yè)窯爐進(jìn)行污泥處理，但需要相應(yīng)的輸送系統(tǒng)做支撐，這樣就節(jié)省了不必要的建設(shè)投資。當(dāng)前常見的幾種協(xié)同焚燒處理方式有：燃煤電廠協(xié)同處置、污泥與生活垃圾混燒以及水泥窯協(xié)同處置。

6 結(jié)語

近年來，環(huán)境保護(hù)觀念逐漸深入人心，而城市污水處理廠面臨巨大的壓力。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，污水處理廠的污水排放量和污泥排放量不斷增加。污泥處理是污水處理的重要一環(huán)，為了避免污泥處理不當(dāng)而導(dǎo)致二次污染，城市污水處理廠必須結(jié)合實際情況，科學(xué)選用污泥處理工藝，采取相應(yīng)的輔助措施，盡可能地減輕環(huán)境危害。