論市政污水污泥處理和處置

1　概述

　　市政污水污泥是城市市政排水系統的副產品，主要來源于城市排水系統，包括排水管道、泵站和污水處理廠的污泥。它容積大、有惡臭味、有些污泥還含有毒有害物質及病原菌等，若不經有效處理和處置，則會對環境造成嚴重的二次污染。

　　僅在歐洲，2000年污泥的年產量就達到790萬t（干重），而且以每年5%～6%的速度遞增，在我國，九五期間（1996年～2000年）城市排水系統建設力度增大，污水治理工程的建設投資高達27億元人民幣，相對于八五期間4.1億元有較大增長，排水管網、泵站普及率進一步提高，城市污水處理率也由1995年的19.4%上升到2000年的47%，并且這個趨勢還會在接下來的幾年里繼續保持，因而我國城市的污水污泥處理問題也將日益突出。

　　市政污水污泥處理處置的目的，一是減量化，其次是無害化，三是資源化。

　　為了解決好城市排水系統污水污泥的出路問題，國內外科研與工程技術人員進行了大量研究與實踐。而隨著城市排水系統的完善和污水處理率的提高，污水污泥產量的增長，也使得污水污泥的處理問題更為突出。本文即針對市政污水污泥的處置技術提出幾點看法供商榷。

　　2　污水污泥處理處置常見技術介紹

　　國內和國際的立法機構越來越重視污泥治理問題，許多國家都推行了嚴厲的法律制度。在歐洲，不再允許直接將污泥傾倒入海，也將禁止將含有有機物的污泥直接填埋。用于農業的污泥必須符合嚴格的標準，需要有效地去除有害成分，防止進入食物鏈。

　　污泥處置方案的技術原則有：安全性、可靠性、合理性、先進性及經濟性。常見的污泥處理、處置技術有以下幾種：

　　2.1　傳統處理技術

　　包括：濃縮、消化、自然干化、機械脫水、消毒等。

　　2.2　衛生填埋處置技術

　　污泥衛生填埋基本屬厭氧性填埋，僅在初期填埋的污泥表層及填埋區內排水排氣管路附近，由于空氣的接觸擴散形成局部的準好氧填埋方式。雖然污泥在污水處理廠中經過了厭氧中溫消化處理，但由于這一過程有機物沒有達到完全的降解（進入填埋區的污泥有機物含量仍在40%左右），因此，污泥在填埋過程中依然存在著一個穩定化降解過程。最終污泥中的可降解的有機質被分解為穩定的礦化物或簡單的無機物，并釋放出包括CO2和CH4在內的污泥氣。然而，由于填埋污泥徹底的穩定化是一個漫長的過程，一般需十幾年，甚至幾十年。

　　2.3　投海、填海技術

　　利用海洋的環境容量，一是投海二是造地。投海區距海岸的距離不應小于10km；造地一般在淺水海灘或海灣處，用污泥填海造地。此兩種方法都存在一定的污染環境問題，受到嚴格的控制，或者已經被禁止使用。

　　2.4　堆肥處理技術

　　污泥堆肥農用是資源化再利用的有效途徑之一。可采用單獨堆肥或與城市垃圾混合堆肥的方式。污泥堆肥一般采用好氧動／靜態技術，利用嗜溫菌、嗜熱菌的作用，分解污泥中有機質并殺死致病菌、寄生蟲卵和病毒，提高污泥肥份。制成有機復合肥或有機菌肥以提高其利用價值。好氧堆肥有滾筒式或倉式。

　　2.5　熱干化與焚燒處理技術

　　污泥的熱干化與焚燒處理可以達到徹底的無害化和減量化效果，明顯的優越性使得該技術的研究與應用在近年來得到長足的發展。在實際應用中，熱干化與焚燒通常被認為是兩個獨立的工藝過程，事實上，沒有經過干化的污泥直接進行燃燒不僅十分困難，而且在能耗上也是極不經濟的。

　　加熱干化后污泥的干性成分可從20%～35%提高到70%～95%，能耗也比機械脫水高，尤其是完全干化的污泥(干性成分＞90%)。

　　熱干化系統有轉鼓式、立式、多盤式、盤式、流化床等。干化污泥的焚燒是一個徹底的無機化處理過程，最終產物為CO2、H2O、N2等氣體和焚燒灰等。焚燒設備主要有回轉焚燒爐、立式多段焚燒爐、流化床焚燒爐等。焚燒處理存在管理復雜、設備昂貴、運轉費用高等制約其應用的問題。

　　2.6　污泥處理新技術的發展與應用的可能性

　　污水污泥引起的環境污染問題已經引起各方面廣泛的關注，科研與工程技術人員一直致力于開發研究新的處理技術，特別是資源化利用方面由于具有一定的市場潛力尤受青睞。其中活性石灰穩定處置工藝與成套設備是天津市近年開發的新技術和新設備。它是在引進了日本先進技術的基礎上，結合我國實際情況開發和研制的，產品先后出口日本、印尼等，專門用于處置市政污水污泥、河道清淤污泥及橡膠產業排出污泥的處置。

　　工藝過程為：污泥由配有電子計量稱的螺旋輸送機輸送到攪拌筒內；添加劑由配有電子計量稱的輸送機輸送到攪拌筒內與污泥在攪拌筒內進行充分的攪拌；污泥與添加劑的自動配比經過電子計量稱計量后的信號反饋到控制系統，控制系統通過改變輸送的參數來實現和完成最佳配料，經過充分攪拌的污泥與添加劑的混合物由輸送機構輸送到反應倉內進行化學反應，在5秒鐘內添加劑與污泥中的水分開始發生化學反應：CaO＋H2O→Ca(OH)2反應時溫度逐漸開始上升，最高可達到102～105℃，此時，在反應倉內產生大量的氣體，當反應倉的溫度達到102℃時，控制系統將排氣閥開啟，廢氣通過廢氣處理系統處理后排出，當反應倉通過排氣氣溫下降至100℃（也可用戶設置）時控制系統關閉閥門。該污泥干燥機處理后的污泥產品，經相關部門檢測，證明具有較好的利用價值，主要利用途徑有：公路基土；垃圾填埋廠的覆蓋土。

　　2.7　其他處理技術

　　新的探索性的污泥資源化處理技術，包括作為填料回用、低熱值燃料回用、建筑材料的附加原料（如制磚、纖維板）等。

　　3　市政污水污泥處置方案論證

　　3.1　污泥的運輸

　　污水污泥有較高含水率（90％），低容重（1.006～1.02），因而體積大、污染重，運輸困難。在污水處理廠，污泥可通過管道輸送，衛生、經濟又連續工作。而市政通挖污泥屬于假塑性或塑性流體，流動性差、易產生沉淀、產泥源分散、運距大等，故不宜采用管道輸送。

　　天津市目前市政通挖污泥的輸送主要采用“人力推車－可拖帶污泥箱（多能泥斗）－排放地”的輸運方式。落后、低效且極易外漏而污染環境。目前吸泥車在國內大中城市正在得到逐步推廣。但應注意的是，由于通挖污泥體積大、含水率高，運輸量與運輸費用的壓力比較大，以污泥的含水率為90％計算，污泥中的干物質僅占10％，運輸上極不經濟。

　　3.2　脫水處理方案

　　污泥脫水有自然干化和機械脫水。影響污泥脫水性能的因素主要有含水率、水的存在形式、比阻（r）、毛細吸水時間（CST）等。高含水率污泥中含有親水性帶負電荷的膠體顆粒，比阻值一般在0.031×109～28.8×109s2／g之間，通挖污泥的性質類似于污水處理廠初沉污泥，比阻大約為4.5×109～4.9×109s2／g之間。

　　（1）人工干化場與機械脫水的比較

　　干化場工程范例：

　　●工藝參數：污泥含水率93％、占地為18000m2、層厚30cm、平均干化周期為24天、每年可充滿與鏟除污泥15次、最初2～3天固體濃度可達到15％，依靠蒸發脫水使固體濃
度達30％以上。

　　●干化場結構：由圍堤、隔墻、防滲層、排水系統、濾水管等部分組成。

　　●干化場底板：由150 mm厚的三七灰土、上鋪設厚度1.5mm土工膜（HDPE），底板應有2%的坡度排向排水系統；排水管道系統采用150mmHDPE多孔管材，管外周圈用土
工布纏繞，管中心距8m，坡度0.003，排水管起點覆土深（至砂層頂面）為0.4m左右。濾水層底層采用粗礦渣或礫石，厚200mm，上層采用細礦渣或礫石，厚200mm。干化場四周設圍堤，場內用隔墻將整塊干化場分隔成若干塊，每次排入干化場的污泥占用一塊，使污泥均勻地平鋪于干化場，順序輪流使用各分塊，便于泥餅的鏟除，使干化場有效、合理的作用。

　　污水污泥在傳統的人工自然干化場進行泥水分離的作業方式，由于占地面積大、操作自動化程度低、工況惡劣、工藝效果的耐候性差、處理效率低下等缺陷已逐漸被淘汰并被機械脫水方式所取代。目前在歐洲還在應用的所謂“日光污泥干化法”，雖然也是利用自然日照進行污泥干化，但其配置的特殊材料的玻璃房、電動攪拌設備、推力鏟以及其他專用的結構設施，已使其具有較強的人為干預和較強的機械化程度和工作效率，同時受自然條件的制約也比較小，因而與傳統的自然干化法有了本質的區別。

　　（2）污泥機械脫水

　　由于通挖污泥有機質含量機較低，泥水分離較易實現，脫水性能優于污水處理廠的生物污泥，因此在助凝劑的使用上須根據具體情況加以確定。

　　脫水機械有：帶式脫水機、離心脫水機、板框脫水機、螺壓脫水機、滾壓脫水機、真空過濾機等，其中帶式脫水機和離心脫水機更為常用。

　　市政通挖污泥無機成分含量高、含水率偏低且雜質較多，選用脫水設備時，必須考慮污泥對設備造成的損害，如帶式脫水機的濾布較易被堅硬顆粒格破。一般離心脫水機的螺旋與進出料口均須有防磨損涂層進行保護。

　　3.3　污泥車載脫水與運輸

　　車載式污泥脫水設備已在國外住宅區、小型污水處理廠、工業污水處理廠、隧道污泥、河道湖泊淤泥、排水管道污泥等的脫水處理中得到應用，如有的承包商購買德國韋斯伐里亞環境公司的車載污泥脫水機（見右圖），通過提供污泥脫水服務已經獲得較好的經濟效益。

　　車載污泥脫水設備具有完整的污泥脫水系統，包括脫水機、進泥泵、污泥破碎機、絮凝劑配制投加裝置、污泥輸送機和輸泥管線，如果需要還可配置動力設備（發電機）。輸泥管線為柔性管道，進泥端設攔污網攔截大塊物質，污泥破碎機用于破碎大顆粒污泥以保證泥泵和脫水機的安全。車載脫水設備的標準處理能力范圍為5m3／h～20m3／h。

　　3.4　污泥處置方案

　　（1）方案一：衛生填埋的處置方案

　　按填埋物的類別和污染防治設計原理，填埋場的構造類型可分為自然衰減型、全封閉型和半封閉型三種；按填埋場的建設的地形地貌不同，一般分為溝谷型填埋和平地型填埋兩種：

　　污泥衛生填埋場建設方案

　　① 建設內容與型式

　　半封閉類型建設污泥填埋場。

填埋區的防滲系統分為水平防滲（阻止滲瀝液水平擴散）和垂直防滲（阻止滲瀝液垂直擴散）兩部分，水平防滲部分設置于填埋區底部，垂直防滲設置于填埋區邊坡。防滲結構的核心是人工防滲層，而由于防滲材料是人工防滲層的主體，起到主要的防滲作用，材料的選擇至關重要。

　　填埋場主要建設內容包括填埋區基底處理、人工防滲層鋪設、排滲系統的設置、防洪溝設置、修建進場道路與臨時道路、管理區建設、填埋作業設備購置、環保與監測設施建設等。

　　② 防滲方案的比較確定

　　以天然防滲層為主的建設方案，在充分利用天然條件和自然界的自身凈化能力的情況下，可大幅度降低工程投資和運行費用。但是，由于包氣帶土層與含水層不可能使滲瀝液中的所有污染物全部自然衰減，原則上，只有發生了生物降解、化學降解或物理衰變的有害物質才能夠被認為得到真正的去除，因此對場地的包氣帶土層的衰減容量和含水層的稀釋容量要求較高。

　　以人工防滲層為主的建設方案，強調了人為地對填埋物污染物的控制，防滲系統、排滲系統、填埋氣體導排系統等的設置充分地體現了現代垃圾衛生填埋場的特點。由于填埋區頂部的完整封閉需在達到服務期后實現，因此在運行期間應采取“邊填埋、邊覆蓋”、“邊運行、邊封場”的措施。

　　③ 防滲材料的選擇

　　防滲材料的滲透系數不得大于10～7cm／s，應具有可靠的機械強度，具備適宜的抗臭氧氧化、抗紫外線能力，具有適當的耐候性和抗生化腐蝕性能。防滲材料必須與堆體滲瀝液相容，其結構完整性、機械性能與防滲性能不得因與滲瀝液接觸而發生變化。目前工程上得到應用的人工防滲材料主要有：鈉基膨潤土、優質黃粘土與澎潤土拌和、高密度聚乙烯（HDPE）土工膜等。上述三種防滲材料的主要技術經濟指標見表1。表1中示出，采用高密度聚乙烯（HDPE）土工膜為首選防滲材料。

　　④ 填埋堆體

　　綜合考慮填埋區面積、處置能力、服務年限要求、堆頂作業要求和相關經濟指標，地面以上填埋堆體高度（即填埋效率）一般確定為20m；根據對填埋作業覆蓋土層的要求和填埋污泥的性狀對填埋作業的影響，污泥填埋堆體邊坡比確定為1:3。為了能保證填埋物基本的形態和作業運轉的要求，應向填埋污泥中投加一定比例的骨料（如粉煤灰、石灰等）。

表1 常用防滲材料主要技術經濟指標

⑤ 填埋氣體的處理

　　填埋氣體的主要成分是CO2和CH4，隨后CO2含量逐漸變低，CH4含量逐漸增大。在產氣穩定階段，厭氧條件下產生的填埋氣體的成分為50%～70%的CH4和20%～40%的CO2，以及低含量的NH3、H2S和其他有機氣體。在某些情況下，填埋場局部地區存在好氧狀態，使填埋氣體中的甲烷濃度有所下降（40%～50%），N2濃度升高（10%～20%）。

　　城市污水污泥填埋氣體的典型組成見表2。

表2 城市污泥填埋氣體典型組成
 

CH4易燃，在空氣中的爆炸臨界濃度是5%～15%。高濃度CH4也可成為窒息劑。CO2由于密度較大，因此會逐步向填埋場下部遷移，使填埋場地勢較低的區域CO2濃度較高，通過填埋場基礎薄弱的地方釋出，沿地層下移而與地下水接觸。

　　CO2較易溶于水，使水的pH值降低，硬度及礦物質含量增加。

　　城市污水污泥填埋氣體各主要成份的物理性質見表3。

　　表3 城市污泥填埋氣體物理性質

● 填埋氣體的導排

　　污泥衛生填埋場規模不斷擴大，而且密閉性越來越好，填埋氣體有可能大量產生并在場內聚集，其結果將導致場內氣體壓力升高，從而引起填埋氣體的遷移，這種無控制的遷移，不僅可造成大氣污染，而且可能造成重大火災、爆炸事故。所以必須控制填埋氣體的自由轉移或擴散，通常采取的方法有：阻止填埋氣體向非允許區域的遷移，輸導填埋氣體向指定方向排放；收集填埋氣體使其經無害化處理后排放或利用。

　　⑥ 滲瀝液的導排與處理

　　滲瀝液來源有：大氣降水、地表徑流、地下水、污泥中的水份、覆蓋材料中的水份、污泥中有機物降解所產生的水份。主要水質指標典型值為：

　　　　BOD5：500～11600 mg／L

　　　　CODCr：3000～55000 mg／L

　　　　Cl－： 2500～3200 mg／L

　　　　NH3－N：630～3500 mg／L

　　　　pH值： 5.5～8.7

　　滲瀝液濃度在填埋初期持續上升，大約半年后開始緩慢下降，15年～20年后可基本達到排放要求。滲瀝液產生量的理論計算公式為：L＝P＋W＋Q1＋Q2－E1－E2－Q3－H

　　式中：L－滲瀝液產生量，mm／d；

　　　　　P－降水量，mm／d；

　　　　　W－污泥中含有的水分，mm／d；

　　　　　Q1－外部滲入水，mm／d；

　　　　　Q2－外部地表流入水，mm／d；

　　　　　Q3－填埋區地表流出水，mm／d；

　　　　　E1－填埋區地表蒸發水，mm／d；

　　　　　E2－填埋區植物葉面失去的水，mm／d；

　　　　　H－場持水，mm／d。

　　目前在實際工程中，經濟可靠的滲瀝液處理方法較少，一般處理方法有以厭氧－好氧處理為主的生物處理工藝、以氨吹脫和混凝為主的化學處理工藝、以膜法為主的物理處理工藝等，在干燥或半干燥地區可采用對滲瀝液做簡單處理后回噴填埋物而實現零排放的方法。

　　（2）方案二：熱干化處置方案

　　污泥工業化處理技術—熱干化工藝，在發達國家的許多工程上已經比較成熟，下面提出兩個較為先進的熱干化技術如下：

　　● 渦輪薄層熱干化工藝

　　① 工藝過程

　　經過機械脫水處理的污泥（干基15～35%）,通過螺桿上料器進入一個臥式渦輪干燥處理器見右圖），處理器的襯套內循環有溫度高達280～300℃的熱油，使反應器的內壁得到均勻有效的加熱；在進料的同時，220～240℃的工藝空氣從同側進入處理器；與圓柱形反應器同軸的轉子上在不同位置上裝配有不同曲線的槳葉，含水污泥在順流的熱工藝空氣帶動下，被高速旋轉的轉子帶動槳葉旋轉所形成的渦流在反應器內壁上形成一層物料薄層，該薄層以一定的速率從反應器進料一側向另一側螺旋移動，從而完成接觸、反應、干燥，滅菌，除臭和造粒；處理后固態物料、水蒸汽和其它氣態物質等被渦流帶入氣旋分離器進行氣固分離，固態物質（即干燥后的污泥）被一個帶有冷水套的螺桿裝置冷卻并排出；氣態物質（含蒸汽、揮發物質、可燃氣體）進入一個渦輪洗滌冷凝器，轉子帶動槳葉的高速旋轉將熱氣體（蒸汽和其它氣態物質）與分段噴入的潔凈水進行充分混合冷凝；冷凝后的氣體在一個氣液分離器內進行除濕分離，氣體被風機吸出，其中大約3％的輕質氣體被抽至熱能裝置（燃油鍋爐）作為能源燒掉，而大部分氣體經過熱交換器的預熱后再次進入循環，工藝空氣原則上是閉環。

　　工藝空氣的補充可以來自熱能裝置的燃燒尾氣，重油燃燒的煙氣中的微粒粉塵在污泥干燥造粒過程中被固化，最后經過水洗，潔凈的工藝空氣可重新進入循環或經熱能裝置排放。

　　氣液分離器中沉降下來的水被收集起來再利用或排放，如果污泥產品的干燥度低，則沒有粉塵微粒進入冷凝水系統；如果干燥度高，則可能在冷凝水中有微量的沉淀，這部分雜質沉淀可利用本系統進行處理；若污泥沒有其它化學沾染，無需處理即可排放江河；若有，則需經過污水處理廠進行簡單處理才能排放。

　　供熱鍋爐采用重油、天然氣加熱，傳熱介質為耐高溫油品。耐高溫的介質熱油一是在渦輪干燥器的外套內循環干燥污泥；二是作為熱源對工藝空氣進行加熱。

　　② 技術特點

　　一步完成處理；最佳熱能利用效率；渦輪薄層技術反應時間短；無需干泥返混；閉環工藝空氣；重金屬生成不溶或極難溶的無毒化合物；極高的工業安全可靠性；模塊化擴展；順流工藝避免粉塵爆炸；全部自動化；使用壽命在15年以上。

　　（3）方案三：污泥熱干化硬顆粒造粒工藝

　　① 工藝過程

　　污泥熱干化硬顆粒造粒工藝所采用的設備是一個間接的預混合立式多級轉盤造粒機，其工藝是干化和造粒一步完成的工藝，產出的顆粒干性成分90%。

　　污泥熱干化硬顆粒造粒機內部是由一系列的水平放置的內部有孔的圓盤組成，通過一個閉循環的熱油系統加熱。

　　帶有耙臂的圓盤的照片

　　該工藝的關鍵部件是一個污泥涂層機，也稱之為預混合機，位于造粒機的頂部。涂層機內，再循環的干化后的小顆粒，在外層不斷涂覆機械脫水濕污泥薄層（見下圖）。已經干化的物質形成一個內核，濕污泥不斷涂覆，從而形成顆粒。這個顆粒形成的過程十分重要，因為涂覆后的顆粒外面是濕的而內部卻是干的，送入造粒機后將會完全干化。
   
　　涂覆后的污泥顆粒直接進入造粒機。它們被倒入造粒機上部的錐形分配器中，均勻的散在頂層圓盤顆粒上。一旦進入直接干化系統，污泥由與中心轉軸相連的轉速為6rpm的耙臂耙著在上層圓盤上作圓周運動。污泥顆粒從內逐漸被掃到圓盤的外沿，散落到第二層圓盤上。這里，污泥顆粒從外沿逐漸被掃到開口的中心區域，散落到第三層。就這樣，污泥顆粒從上一層圓盤運送到下一層圓盤，直到造粒機底部。當污泥在圓盤上移動時，污泥因為與被加熱的表面接觸而干化。蒸發裝置如上圖。配器中，均勻的散在頂層圓盤顆粒上。一旦進入直接干化系統，污泥因為耙臂耙著污泥顆粒混和、滾動，污泥的蒸發效率很高，并可防止污泥過熱。另由于耙臂耙污泥的動作柔和，不會產生灰塵。最后形成的是圓形的規則的顆粒，直徑通常是2～5毫米，干性成分90%。污泥的類型和循環次數直接影響顆粒大小。

　　干化污泥顆粒由造粒機底部的螺旋輸送機收集運輸(見下圖)。再由斗式提升機送入分離漏斗。斗式提升機是密封操作的，由皮帶輸送機和不銹鋼料斗組成。

　　中間顆粒分離漏斗的作用是將循環顆粒與輸送出去的顆粒分離，保證有可用的循環顆粒。斗式提升機將顆粒送入分離漏斗的第一格。在這個格內，循環使用的顆粒被分離出來，由螺旋輸送機送入涂層機中。當第一格滿了以后，顆粒流入第二格，從那里送入顆粒冷卻器。每個污泥顆粒平均再循環5到7次，每次都有新的濕污泥層涂覆到輸入的顆粒核表面。顆粒逐漸長大。流出的顆粒在流化床內冷卻至40°C以下，用于流化的空氣經袋式除塵器除塵。冷卻的過程避免了顆粒的自燃，防止從熱的顆粒的氣流中吸收濕氣，從而不會產生堵塞。

　　② 技術特點

　　嚴格的間接干化；安全防爆與防腐；造粒性能；節能；產品顆粒的干性成分可達95%，可達到了美國環保局EPA503標準中規定的“A”級；對環境不會產生惡劣影響。

　　●工藝的比較選擇

　　上述兩種污泥熱干化工藝代表了目前國際上先進的工藝技術水平，其共同的特點是在工藝設計中，無論是在干化靜力學、干化動力學的基本原理應用方面，還是在構造型式及材料選用方面，均達到了合理、經濟、緊湊，系統操作衛生安全，而熱能的合理使用較好地解決了節能問題，即考慮了工藝的有效性又采取適當的措施保證了系統連續運行的可靠性，同時作為現代化的工業生產系統，又都具有高度自動化、智能化的特點。

　　就目前掌握的技術經濟資料與信息內容分析，我們認為相比之下渦輪薄層熱干化工藝在工程投資和運行費用方面更具有優勢。