城市污水廠的污泥是指處理污水所產生的固態、半固態及液態的廢棄物,是一種由有機殘片、細菌體、無機顆粒、膠體等組成的極其復雜的非均質體。任意排放不加處理的污泥會對環境造成嚴重的污染。隨著城市化的進展和環境質量標準的日益提高,污水處理率和處理程度也日益得到提高和深化,因此污泥的產量也大大提高。據統計,2003年全國每年的污泥(干重計)產量約為130萬噸,而且以每年10%的速度遞增[1]。如果大量的污泥不加處置就任意堆放和投棄,會對環境造成新的污染。因此,如何將數量大、成分復雜的城市污水污泥進行處理處置,使其減量化、穩定化、無害化、資源化,已經成為全球廣泛關注的課題之一。

1城市污水處理廠污泥的特點

城市污水污泥的成分復雜,由多種微生物形成的菌膠團與其吸附的有機物和無機物組成的集合體,含有水分、難降解的有機物、重金屬、鹽類以及少量的病原微生物和寄生蟲等。中國城市污水廠污泥的成分特點如表1所示[2]。

污泥中重金屬含量主要取決于工業廢水排入污水處理廠的情況。中國污水中工業廢水比重大,故污水廠初沉及二沉污泥重金屬含量較高,某些重金屬含量嚴重超標。

2污泥處理處置的一般原則

城市污水廠污泥處理與處置必須遵循“減量化、穩定化、無害化、資源化”的處置原則,將“無害”作為污泥處置的重點,把“資源化”作為污泥處置的最終目標。為有效、徹底解決污泥的環境污染問題,可以通過技術開發將大量的廢物變為可用物質,對污泥進行綜合利用,取得良好的經濟效益和環保效益。

2.1減量化

城市污水處理廠的污泥減量化就是通過采用過程減量化的方法減小污泥體積,以降低污泥處理及最終處置的費用。污泥減量化通常分為質量的減少和過程減量,質量減少的方法主要是通過穩定和焚燒,污泥體積減小的方法主要是通過污泥濃縮、污泥脫水兩個步驟來實現,過程減量可通過超聲波技術、臭氧法、膜生物反應器、生物捕食、微生物強化、代謝解偶聯及氯化法等方法實現。

2.2穩定化

污泥穩定化是降解污泥中的有機物質,進一步減少污泥含水量,殺滅污泥中的細菌、病原體,消除臭味,使污泥中的各種成分處于相對穩定狀態的一個過程。需要采用生物好氧或厭氧消化工藝,或添加化學藥劑等方法,使污泥中的有機組分轉化成穩定的最終產物,進一步消解污泥中的有機成分,避免在污泥的最終處置過程中造成二次污染。

2.3無害化

污泥無害化處理的目的是采用適當的工程技術去除、分解或者“固定”污泥中的有毒、有害物質(如有機有害物質、重金屬)及消毒殺菌,使處理后的污泥在最終處置中不會對環境造成沖擊,防止意想不到的污染物在不同介質之間的轉移,更具有安全性和可持續性,不會對環境造成危害。

2.4資源化

污泥的特點和性質決定了污泥的根本出路是資源化。資源化是指在處理污泥的同時,回收其中的氮磷鉀等有用物質或回收能源,達到變害為利、綜合利用、保護環境的目的。污泥資源化的特征是:環境效益高、生產成本低、生產效益高、能耗低[3]。

3城市污水廠污泥處理的工藝流程

污泥處理的主要目的是減少污泥量并使其穩定,便于污泥的運輸和最終處置。污泥處理工藝主要由污泥的性質以及污泥最終處置的要求所決定。圖1為以活性污泥法為主的城鎮污水二級處理廠污泥處理典型流程。

來自一級處理的初沉污泥和二級處理的剩余污泥分別進入處理池,以協調污水處理系統污泥的產生量和污泥處理系統處理能力之間的平衡;隨后進行污泥濃縮,濃縮的方法有自然濃縮和機械濃縮,自然濃縮又分為重力濃縮和氣浮濃縮,目的均為大幅度地消減污泥體積,減小后續處理的水量負荷和污泥調理時的藥劑投量;污泥穩定則是減少污泥中的有機物含量和致病微生物的數量,降低污泥利用的風險,穩定的方法有厭氧消化、好氧消化和化學穩定;調理則是提高污泥的脫水性能(減少污泥的比阻);脫水的目的是進一步降低污泥的含水率,經脫水后的污泥可直接進行最終處置,也可經干化后再進行最終處置[4]。在本文的第四部分將對污泥的處置進行具體論述。

目前在城鎮污水處理中普遍采用生物除磷工藝,此時所產生的剩余污泥由于富含無機磷,進行重力濃縮時,由于濃縮池內的厭氧狀態會促使磷的釋放,常用的一種方法是經調理后直接進行機械濃縮和脫水,使用的主流設備為污泥濃縮脫水一體機。典型流程見圖2。

4污泥的最終處置和綜合利用

4.1污泥的衛生填埋

污泥填埋處置主要可以分為兩類:一是在專門填埋污水污泥的填埋場進行填埋處置;二是在可以和生活垃圾一起在城市固體廢棄物填埋廠進行填埋[5]。

衛生填埋是從傳統的堆放和填地發展起來的一項最終處置技術。目前已經比較成熟,它的優點是投資少、容量大、見效快,并且還可以增加一部分城市建設用地。基本方式是城市污泥經過簡單的滅菌處理,直接傾倒于低地或谷地制造人工平原。

但是這種方法占地面積大,而且污泥中含有的各種有毒有害物質,會通過雨水的侵蝕和滲透作用污染地下水,并不能徹底地避免環境污染,并且還有填埋場構筑物中的沼氣的累計可能產生火災或爆炸,有潛在的危險性。

4.2污泥的焚燒處理

污泥焚燒的處理法是最徹底、最大程度的減容方法。一是脫水直接焚燒,另一類是脫水、干化再焚燒。污泥中含有大量的有機物和一定量的纖維木質素,具有一定的熱值。焚燒法產生的剩余物最少,無異味,可迅速和較大程度地使污泥達到減量化。不需作滅菌處理,干污泥顆粒可作發電廠燃料的摻合料,燃燒灰可作水泥的添加劑,污泥陶粒等可作建筑材料。

污泥通過干餾可提取焦油、燃料油等,也可制造四氯化碳、有機玻璃樹脂、甲醛等化工產品。污泥中合有一定量的有機成分,經脫水干燥的污泥可用焚燒處理。污泥焚燒還可以從廢氣中獲得剩余能量,用來發電。在脫水污泥中加入引燃劑、催化劑、疏松劑和固硫劑等添加劑制成合成燃料。該合成燃料可用于工業和生活鍋妒,燃燒穩定,熱工測試和環保測試良好,是污泥有效利用的一種理想途徑[2]。

4.3污泥的土地利用

污泥的土地利用已有多年歷史,主要包括污泥農用,污泥用于森林與園藝、廢棄礦場等場地的改良等。污泥中含有豐富的有機物和N、P、K等營養元素以及植物生長必需的各種微量元素Ca、Mg、Zn、Cu、Fe等,施用于農田能夠改良土壤結構、增加土壤肥力、促進作物的生長。污泥的土地利用是一種安全積極的污泥處置方式,在美國約有40%左右的污泥采用土地利用的方式進行處置。盡管污泥的土地利用有能耗低、可回收利用污泥中養分等優點,但污泥中也含大量病原菌、寄生蟲(卵),以及銅、鋁、鋅、鉻、汞等重金屬和多氯聯苯、二噁英、放射性核素等難降解的有毒有害物。一般來說,污泥要作土地處置必須經無毒無害化處理,否則,污泥中的有毒有害物質會導致土壤或水體的二次污染[1]。

4.4污泥的堆肥處理

污泥堆肥是城市生活污水處理產生的污泥堆肥化產物,也就是將污泥進行穩定化處理。其堆肥工藝流程如圖3所示。

堆肥處理是一種無害化、減容化、穩定化的綜合處理技術,是由混合微生物群落在潮濕的環境中對有機物進行分解。堆肥過程中產生的高溫可以有效地殺死病原微生物及各種寄生蟲卵。污泥經過高溫堆肥進行生物發酵技術處理后,把有機廢物轉化為穩定性較高的腐殖質,可達到無害化和資源化。它一方面借助堆肥產生的高溫加快分解速度,更加有效地殺死病原微生物及各種蠕蟲卵。另一方面通過添加調理劑、膨脹劑以改善污泥的膠體團粒結構,降低含水率,同時由于污泥的進一步腐殖化,植物可利用的養分增加,大大提高了肥料的利用價值。

4.5污泥的堿性穩定化

堿性穩定化是指在污泥中加入石灰或水泥窯灰等堿性物質,使污泥pH>12并保持一段時間,利用強堿性和石灰放出的大量熱能殺滅病原體、降低惡臭和鈍化重金屬,處理后污泥可直接施用于農田。堿性穩定化的兩個主要處理方法是N-ViroSoil和AgriSoil方法[1]。前者是在堿性穩定后通過機械翻堆或其他方法使污泥快速干燥,后者則是在混合堿性物料后進行堆肥。

4.6污泥的濕式氧化

濕式氧化是指在高溫高壓下利用空氣中的氧來氧化分解濕污泥中的有機物的一種處理方法。濕式空氣氧化技術是將污泥置于密閉反應器中,在高溫高壓條件下通入空氣或氧氣作氧化劑,按浸沒燃燒原理使污泥中有機物氧化分解,將有機物轉化為無機物的過程。

濕式氧化法的特點是能對污泥中幾乎所有的有機物進行氧化,不但分解程度高,而且可以根據需要進行調節;經濕式氧化后的污泥主要為礦化物質,污泥比阻小,一般可直接過濾脫水,而且效率高,濾餅含水率低。缺點是要求設備耐高溫高壓,投資費用大,運營費用高,設備易腐蝕[4]。

4.7污泥的能源利用

4.7.1污泥低溫制油技術

污泥低溫制油技術是指在300℃～500℃,常壓或者高壓缺氧條件下,借助污泥中所含的重金屬和硅酸鋁,尤其是銅的催化作用將污泥中的蛋白質和脂類轉變成碳氫化合物,最終產物為碳、油、非冷凝氣體和反應水,是一種發展中的能源回收型的污泥熱化學處理技術[3]。外國學者Bayer等提出了一種污泥低溫熱解油的技術,其工藝流程簡單描述如圖4。

4.7.2污泥沼氣利用

污泥通過厭氧消化可產生以甲烷為主要成分的沼氣。現代工藝是在電腦控制的反應容器內,根據處理物的各種不同條件隨時對容器里的厭氧環境進行調節,使自然界普遍存在的微生物,充分參與有機物逐級發酵降解(水解、酸化、氣化),最終實現甲烷化。發酵產物(沼氣)中主要是甲烷和二氧化碳,將其收集后用作清潔燃料[3]。利用厭氧發酵制氣的主要優點是資源化程度高,既產生高熱值沼氣同時也生產了有機肥料;生產環境好,臭氣產生量極小;大氣污染小,無酸性物、二噁英、粉塵產生。

4.7.3污泥燃料化利用

目前污泥燃料化包括了污泥能量回收系統和污泥燃料。污泥能量回收系統是將初沉池污泥和剩余活性污泥分別進行厭氧消化、混合消化,使污泥含水率至80%,加入輕溶劑油,變成流動性漿液,送入四效蒸發器,脫除輕油(含水率2.6%),含油污泥經機械脫水后,加入重油成流動性漿液,將該漿液送至四效蒸發器蒸發、脫油,制成含水率5%、含油率10%以下的污泥燃料[3]。污泥燃料可以用于發電,也可用于廠區水泥的生產,不僅節約了煤炭資源,燃燒的污泥灰還可以作為生產水泥的原料。污泥燃料還適合紙漿造紙廠應用,有利于降低造紙廠的能耗。污泥燃料熱值較高,性質比較穩定,可以方便控制。

4.8污泥制作建筑材料

污泥生產建筑材料,不僅可以減少污泥填埋所占用的土地,減少自然資源消耗,而且可以使資源得到循環利用。既解決了污泥的出路,又解決建材面臨的需求,有利于國家的可持續發展。

4.8.1污泥制瀝青

瀝青混合物的黏度、耐久性和穩定性的提高需要向其中添加細集料。經試驗研究,加入了污泥灰的瀝青混合物,其各方面性能與傳統的材料制成的混合物相同。

4.8.2污泥制磚

污泥制磚的方法有兩種。一種是用干化污泥直接制磚,另一種是用污泥灰渣制磚[2]。用干化污泥直接制磚時,應對污泥的成分作適當調整,使其成分與制磚粘土的化學成分相當。

4.8.3污泥制生化纖維板

污泥制生化纖維板主要是利用活性污泥中所含粗蛋白(有機物)與球蛋白(酶)能溶解于水及稀酸、稀堿、中性鹽的水溶液這一性質,在堿性條件下加熱干燥、加壓后發生蛋白質的變性作用,從而制成活性污泥樹脂(又稱蛋白膠),使之與漂白、脫脂處理的廢纖維壓制成板材。其品質優于國家三級硬質纖維板的標準[2]。

4.8.4污泥制混凝土

污泥灰可替細填料污泥焚燒灰也可以作為混凝土的細填料,代替部分水泥和細砂。研究表明污泥灰可替代高達30%的混凝土的細填料[3],具有較高的經濟價值。

4.8.5污泥制陶粒

污泥制成的陶粒具有質輕、高強、隔熱、保溫、耐久等特性,節能效果顯著,用途廣泛。

4.8.6污泥制生態水泥

利用城市污水處理廠產生的脫水污泥為原料制造水泥。這種類型的水泥的原材料約60%為廢料,水泥燒成溫度為1000℃～1200℃,因燃料用量和二氧化碳的排放量較低,所以該水泥被稱之為“環保水泥”[3]。

4.9其它綜合利用方法

此外,污泥處理處置還包括:污泥制蛋白塑料、污泥制動物飼料、污泥改性制吸附劑等方法。

5污泥處理處置技術發展趨勢

5.1注重源頭減量的技術研發

源頭減量是減輕污泥后續處理處置負荷的前提,在城市污水處理過程中進行污泥減量預計將是今后研究的一個方向。同時,諸如破壞污泥微生物細胞壁分離出自由態水分等降低污泥含水率的污泥減量技術也將是一項新的挑戰性研究課題。

5.2突破節能降耗的技術障礙

長期重視污水處理而忽略污泥處理處置的現狀,導致污泥處理處置技術發展相對緩慢。目前污泥處理處置運行能耗過高是影響污泥處理處置規模化推廣應用的一項限制性關鍵因素。預計今后在污泥處理處置的節能降耗技術方面將有較大的突破。

5.3健全二次污染的防止技術

在城鎮污水處理廠污泥處理處置各個環節,均存在不問程度的二次污染問題,目前的技術和工程應用對二次污染的重視程度普遍不夠。隨著社會進步和經濟發展,預計將有大量污泥處理處置二次污染防治新技術被研發和應用,形成與污泥處理處置工藝相配套的二次污染防治技術健全體系。

5.4發展循環利用的運行模型

在國家土地資源日益緊缺和建設資源節約型、環境友好型社會的大背景下,發展污泥循環處理利用的運行模式是大勢所趨。污泥土地利用和建材綜合利用將成為研究熱點,前者的技術難點在于污泥中重金屬的去除和土地利用泥質的保證,后者在于運行能耗的降低和諸如二噁英控制等二次污染防治技術的成熟[7]。

6結束語

盡管世界各地對污泥的處理、處置和管理措施不盡相同,但最終的目的都是使污泥經過減量、穩定和無害化處理后作為資源加以綜合利用。污泥處理處置和利用應同時考慮環境、經濟、社會三方面的因素,污泥作為一種有價值的資源,進行穩定化、無害化處理后再利用,既解決了污泥的出路問題,又開發了新的資源,滿足了可持續發展的需求。當然,各地區應根據各自經濟發展水平,制定和實施目前適宜的處理處置技術,但選擇具體方法時應及早考慮短期適用目標與終極發展目標的漸進銜接。