處置污水廠污泥的方法解析

楊耀東，余志輝

處置污水廠污泥的方法解析

Analysis Method of Disposing Sludge

楊耀東1，余志輝2

1 污泥的介紹

污泥的種類很多，主要包括工業(yè)企業(yè)產(chǎn)生的污泥，如電鍍污泥、印染污泥等;河道污泥，自來水廠污泥，污水廠污泥等。其中污水廠污泥（也稱市政污泥）是隨著城市污水處理量的增長而長期、穩(wěn)定、大量產(chǎn)生的污泥，因其獨特的理化性質(zhì)，如得不到妥善的處理處置，對環(huán)境的危害是非常嚴重的。本文主要針對污水廠污泥的處理處置進行簡要論述。

1.1 污水廠污泥的基本特征

污水廠污泥主要來源是居民的生活污水、市政污水等凈化過程的產(chǎn)物，與自來水廠污泥等土質(zhì)污泥不同，其有機質(zhì)含量較高，一般占其干基含量的50%以上，同時還含有大量的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)。由于部分污水廠還接納一些工業(yè)廢水，其污泥中還含有一定比例的重金屬離子和化學(xué)物質(zhì)，特別是含有一定量的有害化學(xué)物質(zhì)，如可吸附性有機鹵素、陰離子合成洗滌劑、多氯聯(lián)苯等，以及大量的病原微生物。另一個特征是污泥的含水率高，通常城市的污水處理廠都會對所產(chǎn)生的污泥進行脫水處理。污泥是由液體和固體兩部分組成的，分離污泥中的水分、減少污泥的體積是后續(xù)處理污泥最重要的步驟。污泥中的水主要存在形式為自由水、間隙水、毛細水和細胞內(nèi)的水合水，在一般的污水廠只能通過物理的濃縮的方式將自由水去除一部分，因此，污水廠污泥排出污水廠時的含水率基本保持在80%左右，一般這種污泥被稱作脫水污泥或脫水泥餅。

1.2 污泥對環(huán)境的影響

（1）污泥鹽分污染

污泥含鹽量較高，會明顯提高土壤電導(dǎo)率，破壞植物養(yǎng)分平衡、抑制植物對養(yǎng)分的吸收，甚至對植物根系造成直接的傷害，而且離子間的拮抗作用會加速有效養(yǎng)分的淋失。

（2）病原微生物

污水中的病原體（病原微生物和寄生蟲）經(jīng)過處理還會進入污泥。新鮮污泥中檢測得到的病原體多達千種，其中危害較大的是寄生蟲。Po?lan和Jones（1992）認為污泥中病原體對人類或動物的污染途徑大致有4條：a直接與污泥接觸；b通過食物鏈與污泥直接接觸而感染；c水源被病原體污染；d病原體首先污染了土壤，然后污染水體。污泥農(nóng)用引起的潛在疾病的流行，被認為主要與沙門氏菌和絳蟲卵有關(guān)。

（3）氮磷等養(yǎng)分的污染

在降雨量較大地區(qū)的土質(zhì)疏松土地上大量施用富含N、P等的污泥之后，當有機物分解速度大于植物對N、P的吸收速度時，N、P等養(yǎng)分就有可能隨水流失而進入地表水體造成水體的富營養(yǎng)化，進入地下引起地下水的污染。所以N、P等養(yǎng)分遷移對環(huán)境的影響是一個需長期監(jiān)測研究的工作。

（4）有機物高聚物污染

城市污泥中主要有苯、氯酚等。盡管目前國內(nèi)外對城市污泥中有機污染物的研究并不多，但是一些國家對農(nóng)用城市污泥中有機污染物的特征及其在農(nóng)業(yè)環(huán)境中的行為、生態(tài)效應(yīng)和調(diào)控措施等方面進行了一定的研究。西方發(fā)達國家對污泥中有機污染物的濃度進行了一定的限制，并對PCBs、PCDD/Fs等提出了一些限量建議，但是除苯并〔a〕芘制定了控制標準外，我國還未能制訂出較完善的城市污泥有機污染物限制標準。

（5）重金屬污染

在污水處理過程中，70%～90%的重金屬元素通過吸附或沉淀而轉(zhuǎn)移到污泥中。一些重金屬元素主要來源于工業(yè)排放的廢水，如鎘、鉻；一些重金屬來源于家庭生活的管道系統(tǒng)如銅、鋅等重金屬。重金屬是限制污泥大規(guī)模土地利用的重要因素，因為污泥施用于土壤后，重金屬將積累于地表層。另外重金屬一般溶解度很小，性質(zhì)較穩(wěn)定，難去除，所以其潛在毒性易于在作物和動物以及人類中積累。

1.3 污水廠污泥處理處置的基本原則

當今國內(nèi)外污泥處理處置的原則均是“減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化”。處理要求是最終處置時對環(huán)境無害。按此要求，污泥可經(jīng)過濃縮、穩(wěn)定、調(diào)理、脫水、滅菌、干化、堆肥、焚燒等一個或多個處理手段組合處理。如前所述，我國的污水廠基本上對污泥處理處置到脫水階段。

2 國內(nèi)外污水廠污泥處理處置方法

2.1 衛(wèi)生填埋

衛(wèi)生填埋操作相對簡單，投資費用較小，處理費用較低，適應(yīng)性強。但是其侵占土地嚴重，如果防滲技術(shù)不夠，將導(dǎo)致潛在的土壤和地下水污染。污泥衛(wèi)生填埋始于20世紀60年代，到目前為止已經(jīng)發(fā)展成為一項比較成熟的污泥處置技術(shù)。污泥填埋是歐洲特別是希臘、德國、法國在前幾年應(yīng)用最廣的處置工藝。由于滲濾液對地下水的潛在污染和城市用地的減少等，對處理技術(shù)標準要求越來越高（例如德國從2000年起，要求填埋污泥的有機物含量小于5%），許多國家和地區(qū)甚至堅決反對新建填埋場。近年來污泥填埋處置所占比例越來越小，填埋并不能最終避免環(huán)境污染，而只是延緩了污染產(chǎn)生的時間。

2.2 污泥農(nóng)用和堆肥

70年代以后由于污泥產(chǎn)生的環(huán)境問題和填埋技術(shù)的缺點日益突出，污泥堆肥技術(shù)引起了世界各國的廣泛重視，并成為環(huán)保領(lǐng)域的一個研究熱點。我國在污泥堆肥工藝上接近國外的先進水平，但在機械設(shè)備上與國外存在很大差距。總的來說，堆肥工藝效率低，成本也高。各種堆肥工藝基本上都具有勞動強度大、設(shè)備維護復(fù)雜、占地大等缺點。污水廠污泥進行堆肥節(jié)約了能源，有效地利用了資源，但因污泥中基本都不同程度地含有金屬物質(zhì)，如 Zn、Fe、Mn、Cu、Pb、Cd、Hg等，如含量過高，在堆肥化過程中須有特殊的要求，否則成為不可用肥料。

污泥農(nóng)用投資少，能耗低，運行費用低，其中有機部分可轉(zhuǎn)化成土壤改良劑成分。影響污泥農(nóng)用的主要因素是重金屬污染、病原體、難降解有機物及N、P的流失對地表水和地下水的污染。目前對重金屬污染研究較多，主要集中在污泥農(nóng)用后土壤耕作層重金屬的變化、作物各部位富積量、存在形態(tài)及其影響等。因此，需要嚴格控制污泥堆肥質(zhì)量，合理施用，才不會造成重金屬污染。但這需要對其中的重金屬含量進行嚴格定期監(jiān)測并進行長期跟蹤。近年來，隨著污泥農(nóng)用標準（如合成有機物和重金屬含量）的日益嚴格，許多國家如德國、意大利、丹麥等污泥農(nóng)用的比例不斷降低。

2.3 污泥焚燒

以焚燒為核心的處理方法是最徹底的處理方法，它能使有機物全部碳化，殺死病原體，可最大限度地減少污泥體積，但是其缺點在于處理設(shè)施投資大，處理費用高，有機物焚燒會產(chǎn)生二惡英等劇毒物質(zhì)。自1962年德國率先建議并開始運行了歐洲第一座污泥焚燒廠以來，焚燒的污泥量大幅度增加。在國外，特別是西歐和日本已得到了廣泛的應(yīng)用。在日本，污泥焚燒處理已經(jīng)占污泥處理總量的60%以上，歐盟也在10%以上。為防治焚燒產(chǎn)生二惡英等有害氣體，要求焚燒溫度高于850℃。焚燒后產(chǎn)生的焚燒灰可以改良土壤、筑路，制磚瓦、陶瓷、混凝土填料等。在國內(nèi)由于其一次性投資大，焚燒煙氣需進一步處理，處理工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大、成本昂貴等問題而一直未得到應(yīng)用。

2.4 海洋傾倒

海洋傾倒操作簡單、對于沿海城市來說其處理費用較低。但是，隨著生態(tài)環(huán)境意識的加強，人們越來越多地關(guān)注污泥海洋傾倒對海洋生態(tài)環(huán)境可能存在的影響。美國于1988年已禁止污泥海洋傾倒，并于1991年全面加以禁止。日本對污泥的海洋投棄作了嚴格的規(guī)定。中國政府于1994年初接受3項國際協(xié)議，承諾于1994年2月20日起不再海上處置工業(yè)廢物和污水污泥。海洋傾倒在英國尤其流行，因為與其他方法相比，其費用相當?shù)汀５菑?998年底，歐共體城市廢水處理法令（91/271/EC）已經(jīng)禁止其成員國向海洋傾倒污泥。

2.5 石灰穩(wěn)定

石灰穩(wěn)定法是一種簡單的方法，所需的基建費用不高。但此法實際上沒有直接降解有機物，而且不僅不能使污泥固體物的量減少，反而使固體物增加，因此對其進行最終處置時的費用往往要比別的方法高。石灰穩(wěn)定主要是解決污泥的臭氣問題和殺死病原體。石灰與污泥間的復(fù)雜反應(yīng)還不清楚，但復(fù)雜分子分解、皂化作用、酸堿中和等反應(yīng)是存在的，這些反應(yīng)大大降低了污泥的肥料價值和燃料價值。

2.6 污泥干化

污泥干化能使污泥顯著減容，體積可以減少4～5倍，產(chǎn)品穩(wěn)定、無臭且無病原生物，干化處理后的污泥產(chǎn)品用途多，可以用作肥料、土壤改良劑、替代能源等。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，污泥干化技術(shù)的優(yōu)點正逐步顯現(xiàn)出來。由于干化后污泥的含水率較低，污泥體積大大減少，方便運輸和貯存；而且污泥干化后用途廣泛：若與無機肥料摻混，可制成復(fù)合肥料；若與工業(yè)燃料摻合，其熱值相當于褐煤；工藝及裝備成熟的干化過程是在封閉的設(shè)備中進行，對環(huán)境的影響小，而且占地面積少。污泥干化過程中可視為水的蒸發(fā)過程，需要外部提供熱能。

目前，除了海洋傾倒、石灰穩(wěn)定以外，其他的處置方法之前，基本上都對含水80%的污泥先進行一定程度的干化，以對其大幅度減量。一般來講，含水率低于10%時成為全干化，介于60%～10%間稱為半干化。

2.7 污泥熔融

污泥的熔融技術(shù)是將干化后的污泥經(jīng)過1300～1500℃的高溫煅燒，燃盡其中的有機成分，并使重金屬幾乎完全喪失可溶出性。在使用機械脫水機處理污泥時，一般要加凝聚劑，使得污泥的灰分堿度大，熔點也高。因此，此種處置辦法需要特制的熔融爐，目前，只有日本采用。

3 國內(nèi)污泥處置概況

污水處理中的污泥處理和處置技術(shù)在我國還處于起步階段，在全國現(xiàn)有污水處理設(shè)施中有污泥穩(wěn)定處理設(shè)施的還不到1/4，處理工藝和配套設(shè)備較為完善的還不到1/10，能夠正常運行的為數(shù)不多，污泥直接排放造成的二次污染以及占用土地資源和削減生活垃圾填埋場正常使用容量等情況已經(jīng)引起各地充分的重視。我國存在大量小型污水處理廠，其污泥絕大部分未能得到妥善處置，污泥處置已經(jīng)成為污水處理廠設(shè)計、運行中必須優(yōu)先考慮的重要環(huán)節(jié)。

目前我國污水廠污泥的主要去向還是垃圾填埋場，甚至是普通填埋場。隨著污水處理率的不斷提高，污泥大量的產(chǎn)出給垃圾填埋場帶來巨大負擔(dān)，縮短了使用年限，而且存在安全隱患，給城市垃圾處理造成了影響，并使得適宜填埋的場所顯得越來越有限。近年來，隨意傾倒并造成環(huán)境災(zāi)害的案例也時有發(fā)生。

在單純的污泥焚燒方面，目前全國還沒有真正意義上的污泥焚燒廠。

在污泥干化處理方面，上海石洞口污水廠已經(jīng)建成運轉(zhuǎn)了一座日處理干泥30t的污泥干化廠（干化加焚燒）；北京市清河污水廠已建成日處理干泥80t（濕泥400t）的污泥干化廠（干化后外運）。

4 水泥窯協(xié)同處置污泥

利用水泥窯進行協(xié)同處置是無害化、資源化處置污泥的一個重要方式。日本、美國及歐洲早在上世紀70、80年代就有了這方面的工業(yè)化應(yīng)用。中國的水泥廠家在利用水泥窯協(xié)同處置工業(yè)固體廢棄物、危險廢物方面也有了近20年的成功實踐。

現(xiàn)代化水泥生產(chǎn)工藝即新型干法水泥熟料生產(chǎn)線具有如下特點：

（1）自身產(chǎn)能大。我國從上世紀90年代建設(shè)的新型干法水泥熟料單線產(chǎn)能基本都在2000t/d、4000t/d、5000t/d甚至更大。熟料燒成系統(tǒng)的熱容量、物料承載量大，生產(chǎn)余熱量相對大，可以利用。

（2）水泥熟料燒成溫度高，物料煅燒溫度＞1400℃，氣體最高溫度達到1700℃，其中900℃～1700℃的高溫段長達幾十米，以CaO和SiO2為主的物料的停留時間長達幾十分鐘，污泥的熔融溫度就是由其自身的灰分比尤其是稱之為堿度的CaO和SiO2的含量比決定的；煙氣的停留時間長達幾秒甚至十幾秒，非常有利于有機物及揮發(fā)分等分解。

（3）整個燒成系統(tǒng)呈堿性環(huán)境，可中和各種酸性物質(zhì)，如鹵素有害物。

（4）燒成系統(tǒng)的煙氣處理系統(tǒng)復(fù)雜，要求的排放水平高，完全滿足污泥焚燒產(chǎn)生的煙氣處理。

（5）水泥生產(chǎn)自動化水平高，可長期穩(wěn)定運行，這是任何處置污泥的獨立裝置所不能比擬的。

（6）水泥生產(chǎn)相比于鋼鐵廠、熱電廠，對于原燃料品質(zhì)波動的敏感性不強，可以比較好地適應(yīng)各種廢棄物。

利用水泥窯協(xié)同處置各種廢棄物，主要遵循兩大基本原則：（1）協(xié)同處置以后，水泥產(chǎn)品的質(zhì)量（包括重金屬含量的限值）應(yīng)符合國家及地方的相應(yīng)的水泥標準；（2）協(xié)同處置以后，水泥窯對環(huán)境的污染物排放應(yīng)符合國家及地方的排放標準。相關(guān)水泥企業(yè)，如北京水泥廠，經(jīng)過多年大規(guī)模處置工業(yè)固體廢棄物的成功經(jīng)驗證明：在充分利用好新型干法水泥熟料生產(chǎn)線特點的基礎(chǔ)上，通過合理的協(xié)同處置的工藝選擇，是完全可以符合上述兩大原則的。利用水泥窯協(xié)同處置污水廠污泥，本身是水泥窯協(xié)同處置各種工業(yè)廢棄物的技術(shù)延續(xù)。

新型干法水泥窯系統(tǒng)處置污泥可以有兩種方式：一是直接將含水80%脫水污泥投入窯內(nèi)；二是先對脫水污泥進行一定程度的干化后再投入窯內(nèi)。兩者主要的差別在于，前者水分太高，單位時間投入的污泥量小；如集中一點投入，易造成燒成工況的局部劇烈波動，影響生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定；后者可以大幅提高污泥處置量。

經(jīng)過試驗和分析研究，利用水泥窯規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化處置污水廠污泥的方式可以確定為：

（1）利用水泥窯系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱對污泥進行干化；干化后的含水率根據(jù)具體的生產(chǎn)線情況確定，但不大于50%為佳。

（2）干燥后的污泥在窯系統(tǒng)適當?shù)奈恢猛度敫G內(nèi)；污泥的剩余水分在窯內(nèi)蒸出、有機物揮發(fā)分高溫焚燒，其熱值得到充分利用；不可燃成分混入水泥生料得到高溫煅燒熔融，形成水泥熟料，重金屬得以安全分散固化。

（3）污泥干化選擇密閉循環(huán)工藝，務(wù)必使蒸發(fā)出的含有大量有害元素的水得以冷凝，不使其以蒸汽形式排向大氣；此部分蒸發(fā)水由獨立的水處理系統(tǒng)凈化處理后可作為循環(huán)水回用。

（4）污泥干化過程中產(chǎn)生的臭氣及不可凝氣可經(jīng)過收集直接通向窯系統(tǒng)的高溫區(qū)域，使其迅速分解。

該方法是基于環(huán)境安全，全面結(jié)合水泥生產(chǎn)線、發(fā)揮新型干法水泥工藝各項優(yōu)點，大規(guī)模處置污泥的可行方法。其中最大的亮點是：充分利用水泥燒成的余熱，節(jié)約能源；污泥得到安全的最終處置，無二次污染；污泥中的液體和固體均得到最大程度的利用。

鋼鐵廠熱電廠也有大量的余熱可供利用，但和水泥窯相比沒有優(yōu)勢。鋼鐵廠熱電廠的余熱連續(xù)性穩(wěn)定性不如水泥窯，而且污泥僅能以燃料形式使用，并將形成爐渣，轉(zhuǎn)變成新的固體廢棄物，仍需再處理。

2008年3月北京水泥廠有限責(zé)任公司處置污水廠污泥工程項目啟動，該項目處理污水廠污泥500t（含水率80%），干化后的污泥水分≤35%，污泥處理系統(tǒng)與水泥窯同步生產(chǎn)運行。

污泥項目工藝框圖見圖1。

其中項目關(guān)鍵所在為煙氣-換熱系統(tǒng)、污泥干燥系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)，該項目經(jīng)過近一年多的設(shè)計、采購、施工、安裝，調(diào)試、測試等建設(shè)，2010年該系投入運行。項目的運行情況如下：

煙氣-換熱系統(tǒng)。熱工標定的結(jié)果表明供熱系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計指標。在窯系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的前提下，可以穩(wěn)定供應(yīng)干化系統(tǒng)所需的熱量和導(dǎo)熱油溫度。在進行蒸發(fā)量測試階段以及熱工標定階段，水泥生產(chǎn)系統(tǒng)與污泥干化系統(tǒng)密切配合，連續(xù)維持拉風(fēng)高位，實踐也證明取熱系統(tǒng)達到設(shè)計標準。

污泥干燥系統(tǒng)。經(jīng)過測試，五套系統(tǒng)的蒸發(fā)能力達到了設(shè)計標準。依據(jù)所測試的蒸發(fā)量折合處置含水率為80%的污泥干化到含水35%的設(shè)計基準，五條線的處理能力平均滿足100t/d的處置量，考慮到測試期間實際污泥的含水率平均高于85%、干泥的含水率平均在30%，布袋壓差已經(jīng)升高6、7倍，因此就干化回路的能力已經(jīng)達標。

廢水處理系統(tǒng)。通過近半年的調(diào)試、改進，原水和出水的測試檢驗，當進廠污泥的指標控制在合理范圍內(nèi)時，干化后的污水指標也在合理范圍內(nèi)，污水處理站可以正常工作，處理后的清水滿足設(shè)計要求。

中國水泥發(fā)展中心物化檢測所（報告編號100627）于2010年6月至7月對該項目系統(tǒng)進行了熱工標定，表1、2、3僅列出對2號窯和預(yù)熱器的部分標定結(jié)果。上述標定結(jié)果顯示水泥工廠處置污泥對生產(chǎn)系統(tǒng)影響不大，對環(huán)境的影響完全符合國家標準。

5 有待解決的問題

表1 回轉(zhuǎn)窯的標定數(shù)據(jù)

表2 預(yù)熱器出口溫度和廢氣量的標定數(shù)據(jù)

表3 預(yù)熱器出口氣體成分，%

污泥干化環(huán)節(jié)與其他任何物料干化環(huán)節(jié)類似，干化系統(tǒng)的能力是以水分蒸發(fā)量來衡量的，取決于進泥含水率與出泥含水率的差別。因此，同等條件下，進泥含水率的高低直接影響著干化系統(tǒng)表觀產(chǎn)能即實際物料干化量的高低。

由于脫水污泥來源于城市污水處理廠污泥脫水車間，因此，具體到特定的污水廠的污泥，其性能指標除了與其原水情況、季節(jié)氣候等相關(guān)外，與該污水廠的污水治理工藝裝備、脫水車間的工藝裝備、各環(huán)節(jié)所使用的各種添加劑、絮凝劑以及污水廠整體的運行水平都緊密相關(guān)。在設(shè)計污泥處置工廠時，對應(yīng)的污泥指標均以國家標準為參照（參見《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)標準GB24188-2009》）。其中，脫水污泥的含水率是強制性指標，必須小于80%。但是，在項目運行中，從污水廠來的脫水污泥含水率最高達到90%以上，平均也在85%。另一方面，泥質(zhì)標準中礦物油的指標為3000mg/kg干污泥，而進廠的脫水污泥曾長期達到10000mg/kg干污泥以上，最高值甚至超過了23000mg/kg干污泥。

含水率高，使干化處置企業(yè)實際處置的濕污泥量下降，熱量利用超負荷；含油過高，造成收塵環(huán)節(jié)糊袋，壓差上升，工藝回路參數(shù)變動；更嚴重的是，造成干化出的蒸汽在冷凝環(huán)節(jié)、水處理環(huán)節(jié)的處理不力，因為礦物油的含量與冷凝液的COD/BOD等值成等比關(guān)系。

雖然泥質(zhì)標準中沒有提及脫水污泥中的含砂率，但是含砂率的高低直接影響污泥輸送、干化等設(shè)備的材質(zhì)選擇與運行壽命。北京水泥廠所接受的污泥的含砂率一度高達30%（以全干污泥中將SiO2看作全部含砂量）以上，接觸污泥的設(shè)備磨損是相當嚴重的。而在前期調(diào)研及取樣分析時得到的含砂量約為10%。

6 結(jié)論

綜上所述，基于污水廠污泥的特殊性質(zhì)，處置污泥一直是各國的難題。尤其在我國，各種獨立解決污泥的方式方法不僅起步晚，而且成效慢，無法在短期內(nèi)解決當下的污泥污染問題。在各行業(yè)當中，新型干法水泥生產(chǎn)窯具有天然的處置污泥的優(yōu)勢，除了不能發(fā)揮污泥的肥料價值以外，其他可資源化利用的都得到了利用，而且處置規(guī)模相對較大。我們堅信，通過實踐的摸索，完善具體的技術(shù)問題，現(xiàn)代化水泥生產(chǎn)企業(yè)與大規(guī)模規(guī)范化處置污水廠污泥將共生共存，這是目前大量的城市污泥集中化處置的最佳方法。

[1]張辰,王國華,孫曉副.污泥處理處置技術(shù)與工程實例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[2]徐強,張春敏,趙麗君.污泥處理處置技術(shù)及裝置[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

TQ172.44

A

1001-6171（2012）04-0101-05

通訊地址：1中材國際工程股份有限公司天津分公司，天津 300400；2北京水泥廠有限責(zé)任公司處置污水廠，北京 100031；

2012-02-03；

沈 穎