關(guān)于城鎮(zhèn)水環(huán)境工程污泥處理處置技術(shù)的探討

蔡磊 中交二航局廣州分公司

1.引言

城鎮(zhèn)管網(wǎng)改造、河涌水體整治等水治理工程的實施，提高了水系統(tǒng)運行能力和促進了水生態(tài)健康發(fā)展。隨之而產(chǎn)生的大量污泥的出路問題成為項目實施的關(guān)鍵性難題。若經(jīng)技術(shù)處理將其資源化，不僅解決了污泥處置的難題，還能創(chuàng)造社會經(jīng)濟效益。

如何科學合理地將污泥“減量化、穩(wěn)定化、無害化，資源化”，下面結(jié)合工程實例，探討相關(guān)技術(shù)的運用情況。

2.工程概況

中山市（中心城區(qū)10條河涌）黑臭水體整治提升工程EPC+O（以下簡稱“本項目”）項目。整治河涌累計全長23.8km，包括截污工程、清淤工程、管道檢測與修復、綠化景觀等9大專業(yè)工程，其中河涌清淤20.9萬m3，管道清淤量約2.2萬m，清淤量共計23.1萬m。運營期生活污水初沉污泥和剩余活性污泥干物重量按經(jīng)驗值32g/人﹡日、項目工程所在區(qū)的常住人口300萬人，預估每年平均需處理約為2.5萬m污泥。

施工階段的污泥主要來自黑臭河涌和管道的通溝污水污泥，運營階段的污泥主要來自新建的一體化污水分散設(shè)施產(chǎn)生的初沉污泥、剩余活性污與泥腐殖污泥。污泥含水率高達92%～99.5%，具有病原體種類多和寄生蟲卵數(shù)量大、有機物含量高，并含有一定量的重金屬元素的特點。

為解決施工中污泥處置難的問題，項目公司根據(jù)工程特點、周圍環(huán)境、處理規(guī)模，經(jīng)過詳細的市場調(diào)查，通過對經(jīng)濟財務指標測算和技術(shù)方案優(yōu)化比選，并在建設(shè)單位和政府部門大力支持下，在項目初期投資新建了污泥處理廠和制磚廠。

在項目施工階段，采用好氧堆肥工藝處理的污泥自給用于綠化景觀工程，其余污泥經(jīng)石灰穩(wěn)定處理后焚燒用于制磚。在項目運營階段，根據(jù)設(shè)備產(chǎn)能關(guān)系除了滿足本工程的污泥處理處置的需求外，還能對外經(jīng)營創(chuàng)收以補貼運營成本。

3.污泥處理

污泥處理包括穩(wěn)定化和無害化兩方面內(nèi)容。污泥穩(wěn)定化處理，目的為降解污泥中的有機物能形成穩(wěn)定產(chǎn)物。污泥無害化處理，采用熱處理技術(shù)將污泥中重金屬元素及其他不利成分進行處理，為污泥資源化利用提供先決條件。

污泥處理技術(shù)全過程的工藝流程，一般包括濃縮、脫水、消化或堿化及堆肥、干化或焚燒及熱解氣化等，其中消化或堿化及堆肥屬于穩(wěn)定化處理技術(shù)，干化或焚燒及熱解氣化屬于熱處理技術(shù)的無害化處理。

污泥處理技術(shù)應根據(jù)污泥的性質(zhì)和處置利用方向選擇適宜的方法，并充分考慮技術(shù)的穩(wěn)定性、可靠性及經(jīng)濟性。

3.1 穩(wěn)定化處理

污泥穩(wěn)定化處理要求滿足對所含的有機物和有害病原體具有一定的降解能力和殺除能力。常用的方法有消化穩(wěn)定，堿化穩(wěn)定和好氧堆肥。

污泥消化，適用于大中型污水處理廠對初沉污泥和剩余活性污泥進行批量集中處理，按消化過程中的生產(chǎn)環(huán)境可分為厭氧狀態(tài)消化和好氧狀態(tài)消化。厭氧消化需建大中型消化池，具有降解效率高，分解產(chǎn)物可回用，凈能耗低的特點，但初期投資大和操作要求高，伴有臭氣產(chǎn)生，有爆炸隱患。有氧消化具有總污泥量少，操作簡便，無臭氣產(chǎn)生，但需專業(yè)配套設(shè)施，處理能耗高。

堿化穩(wěn)定是添加生石灰（CaO）、鎂鹽（Mg2+）、粉煤灰等堿性物料，利用造堿功能和化學反應熱，實現(xiàn)污泥的殺菌和固化。這種技術(shù)并未直接降解污泥中的有機物，而是依靠改變病菌載體環(huán)境和產(chǎn)生高溫的方式殺除有害成分，并具有板結(jié)固化的特點。堿化穩(wěn)定具有工藝簡便，安全穩(wěn)定，投資省能耗低的特點，但占地面積大，可作為臨時或應急處理措施。

好氧堆肥是將脫水污泥在氧氣充足，通氣良好的條件下，污泥中的好氧菌在自產(chǎn)酶作用下對有機物進行吸收、氧化還原的分解。這種技術(shù)受自然環(huán)境和氣候影響小，在室內(nèi)室外均能進行機械化操作，簡便可靠。好氧堆肥具有易操作，低投入，適應性強等特點。

考慮工程條件和施工環(huán)境等因素，本項目工程采用了石灰穩(wěn)定和好氧堆肥技術(shù)：項目工期緊，污泥處理過程要求“短、平、快”；投資省、節(jié)能環(huán)保、操作簡便；具備場地條件和施工機械，可進行機械化施工；好氧堆肥處理的污泥可用于本工程的綠化景觀用土，堿化穩(wěn)定處理的污泥可備以制作建材。

3.1.1 石灰穩(wěn)定

石灰穩(wěn)定法是一種簡單有效的污泥堿化穩(wěn)定處理技術(shù)，因未直接降解污泥中的有機物，為后續(xù)熱處理技術(shù)最大程度地保留了熱值。相比較同屬堿化穩(wěn)定技術(shù)的鎂鹽法和粉煤灰法，最大的優(yōu)勢是石灰消解反應過程放熱量更大，殺菌除害能力更強。

石灰穩(wěn)定法首先要對污泥進行濃縮和脫水，分別采用了加壓溶氣氣浮濃縮工藝和帶式壓濾機脫水工藝。濃縮工藝先去除污泥中的自由水和部分間隙水，脫水工藝是去除污泥的間隙水，經(jīng)濃縮和脫水后形成泥餅的體積約為原有體積的1/10，有利于石灰穩(wěn)定處理。

加壓溶氣氣浮濃縮機，通過加壓使更多空氣溶于水中，析出大量微米級小氣泡附著在污泥顆粒表面，在小氣泡上浮過程中，形成固液分離狀態(tài)從而實現(xiàn)濃縮，污泥含水率可降為94%～97%。

帶式壓濾機有回轉(zhuǎn)帶一邊運泥一邊脫水，脫水工作原理是泥餅進入擠壓脫水區(qū)“S”壓榨段，形成“淤泥+S+淤泥”型壓榨段，淤泥被夾在上、下兩層濾布中間，經(jīng)若干個壓榨輥反復壓榨，從而實現(xiàn)快速脫水。污泥含水率可降為60%～80%。

石灰穩(wěn)定，向脫水泥餅中投加費用低且便于施工的生石灰，相對應的配套裝置包括：犁式混合機、螺旋輸送機、帶式混合器、漿式攪拌機、葉片式混料機等設(shè)備，其工藝流程，如圖1所示。

圖1 石灰穩(wěn)定流程示意圖

3.1.2 好氧堆肥

根據(jù)混合料堆置的情況可分為動態(tài)堆肥和靜態(tài)堆肥，動態(tài)堆肥與靜態(tài)堆肥相比消化地更充分，同時也加快了穩(wěn)定化處理進程。根據(jù)生物菌生長環(huán)境差異可分為好氧和厭氧兩種方法，好氧堆肥相對于厭氧堆肥，具有投入設(shè)備少，臭氣產(chǎn)生少，操作簡便安全的特點。

本項目工程利用場地優(yōu)勢和便利的施工條件，采用的是條垛式動態(tài)好氧堆肥。

脫水泥餅同蓬松介質(zhì)混合以條垛式堆置在多孔床上，具有較大的比表面積和孔隙比的特點。通過強制對流循環(huán)、自然擴散的方式形成自上而下、由里及外的供氣系統(tǒng)。機械定期翻推條垛，以保證堆肥發(fā)酵充分。經(jīng)篩分的過細顆?？苫亓骼?，充當膨脹劑使混合物形成多孔結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)場混合物堆體，暴露于空氣中以加快內(nèi)部水分消散，截面呈自然堆態(tài)的三角形，縱向布置成相互平行的長條垛，在條垛間及兩端預留出翻推機械的作業(yè)空間?？諝夤苈芳芸沼诙讯獾撞繙锨?nèi)部，配合強制通風機構(gòu)成了循壞有序的立體對流場。

好氧堆肥需進行兩次堆肥發(fā)酵可分為三個階段，即一次堆肥發(fā)酵周期為10-12天，包括起始階段和高溫階段。對難分解物質(zhì)進行二次堆肥發(fā)酵，周期為16-20天，該階段是腐化階段。

成品堆肥貯存在干燥通風的污泥處理廠場區(qū)內(nèi)，搭設(shè)雨棚并做好防水防潮措施。按生產(chǎn)時間先后順序外運用作綠化景觀工程的種植土。

3.2 無害化處理

由于污泥經(jīng)自然干化或機械脫水后，因含水率和體量達不到資源化的各項控制指標。所以還需再進行干化、焚燒或熱解氣化等熱處理技術(shù)進行無害化處理。

污泥干化，是脫水的泥餅被從燃燒器內(nèi)釋放的熱量高溫加壓烘干，同時伴有物理化學反應，充分利用高溫去除污泥中的毛細水、吸附水、內(nèi)部水，并降解或殺除污泥中殘留的有機物、病原體及寄生蟲卵的一種無害化處理技術(shù)。

污泥焚燒，是利用污泥本身所含有機物的可燃性或補加燃料，通過高溫燃燒去除有機物，殺除病原體及寄生蟲卵，并在一定程度上能將重金屬元素穩(wěn)定在爐渣中的一種無害化處理技術(shù)。

污泥熱解氣化，是將干化污泥與高溫煙氣在缺氧密閉狀態(tài)下接觸發(fā)生干餾反應，通過裂解作用將有機物和其他難解物質(zhì)轉(zhuǎn)化生成酚類、醇類、焦油及一氧化碳（CO）、甲烷（CH）等可燃氣，重金屬元素在縮合碳化作用下被固封在無機熔渣中的一種無害化處理技術(shù)。

考慮操作簡便和生產(chǎn)安全問題，本項目工程選擇采用立式多段焚燒爐，其融合了干化和焚燒技術(shù)，處理效果充分較為先進，其特點是多段爐膛可分為三段，頂部為干化段可對污泥進行干化處理，中部為焚燒段對進入爐膛內(nèi)的泥餅進行焚燒，底部為冷卻段起冷卻灰渣和預熱空氣的作用。多段焚燒爐排放的煙氣可以通過文丘里洗滌器、吸收塔、濕式旋風噴射洗滌器進行凈化處理。

4.污泥處置

污泥處置是對污泥的最終安排，處理后的污泥可在土地堆肥、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品、建筑材料和填海造地等領(lǐng)域進行利用。污泥建材利用的主流方向包括焚燒產(chǎn)物制成磚塊、陶粒，也可用作生產(chǎn)玻璃、水泥、生化纖維板的原材料等。

污泥制磚工藝可分為干化污泥制磚和污泥焚燒灰制磚，兩種方法工藝流程基本相同，其中污泥焚燒灰制磚多了焚燒環(huán)節(jié)，可使污泥中的有機物或揮發(fā)物在燃燒狀態(tài)下充分釋放，有效控制成型磚的干燥收縮率和吸水率，更利于磚質(zhì)量穩(wěn)定。

本項目工程的生活污泥焚燒灰的主要成分和制磚工業(yè)中的原材料黏土成分均為SiO和AlO，其他成分兩者較為接近。由于污泥焚燒灰中的SiO含量較低，因此在利用焚燒灰制磚時，需在制坯時添加適量的黏土和硅砂，以提高磚體的力學性能指標。

另外，污泥焚燒灰中FeO和PO及重金屬含量要高于普通黏土，要保證制磚質(zhì)量必須對焚燒灰和黏土進行成分分析和試配試拌。在進行材料顆粒分析、調(diào)配和力學性能等多項試驗后，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計和曲線對比分析可知，合適摻配比范圍為焚燒灰:黏土:硅砂=1:1:（0.3～0.4）（質(zhì)量比），將焚燒灰按粒徑要求粉碎篩分后，摻入黏土與水，混合攪拌均勻，制坯成型焙燒。各項性能指標均滿足《GB/T 5101-2017 燒結(jié)普通磚》的質(zhì)量標準。

（1）原材料要求：灰渣粒徑宜小于30μm，有機質(zhì)和水分總含量應控制在10%以內(nèi)，控制灰渣粒徑有利于拌合均勻和燒制成型，若有機質(zhì)和水分含量較高則在燒制過程中出現(xiàn)開裂收縮。

（2）制坯：采用細灰注模、沖壓成形工藝。質(zhì)量控制關(guān)鍵參數(shù)是坯體密度和模具內(nèi)真空度，宜控制坯體密度≥1.6g/cm，模具內(nèi)真空度26kpa。

（3）燒結(jié)：燒結(jié)采用輥道爐膛燒制，燒成溫度控制在1080℃～1100℃為宜，防止磚表面出現(xiàn)熔融現(xiàn)象。

污泥焚燒灰成品磚性能指標分析：

（1）磚的吸水率及飽和系數(shù)：磚的吸水率和含水率越低，其耐久性和抗侵蝕能力越好。根據(jù)相關(guān)試驗規(guī)范采用鼓風干燥箱和蒸煮箱對成品磚的吸水率和飽和系數(shù)進行試驗，驗證了焚燒灰工藝制磚要優(yōu)于干化工藝制磚，在嚴控粒徑和配比情況下各項性能指標與黏土制磚相當。

（2）泛霜和石灰爆裂：通過鼓風干燥箱進行泛霜試驗，試樣表面只出現(xiàn)細小明顯的霜模屬于輕微泛霜；通過蒸煮箱進行石灰爆裂試驗，未見大于3mm的爆裂區(qū)域，能達到一等品標準。

（3）磚的強度指標：通過抗壓強度試驗，根據(jù)不同配比能制出各種等級強度的磚，其中最高可達35Mpa，可達到Mu30等級。

通過對污泥焚燒灰成品磚的過程數(shù)據(jù)分析，污泥灰中的有機質(zhì)和水總含量越高磚塊的干燥收縮率越大，PO含量越高磚塊的軟化性越強；污泥焚燒磚的的抗壓強度與灰中的鐵、鈣元素含量有關(guān)，在一定范圍內(nèi)鐵元素能提高磚的強度，鈣元素則會降低磚的強度。研究表明，當焚燒灰含量≤10%，燒結(jié)溫度為1020℃時，磚的抗壓性能最好，滿足建材相關(guān)指標要求。

5.結(jié)束語

本工程堅持以國家政策為導向，結(jié)合實際情況，綜合考慮了污泥的特點性質(zhì)、處理規(guī)模、占地情況、環(huán)境影響等多方面因素，成功地應用了石灰穩(wěn)定、好氧堆肥及污泥制磚技術(shù)解決了污泥出路問題，并將其資源化利用，取得了降本創(chuàng)效的成果。

從社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略角度來看，對污泥進行資源化綜合利用不僅是對社會創(chuàng)新發(fā)展的態(tài)度，更是應盡的社會責任，能創(chuàng)造經(jīng)濟效益，更能帶動社會效益及環(huán)境效益的增長。