芻議污泥分類處置及其資源化再生利用技術

徐劍橋

（上海格林曼環境技術有限公司，上海200001）

隨著生態環境的破壞，國家出臺了一系列環保措施，推動城市污水污泥處置行業的發展。根據水十條的規定，2020年前我國地級以上城市污泥無害化處置率必須達到90%以上，這對城市污水污泥處理技術提出了新的要求。我國傳統城市污水處理廠的污泥主要通過就地掩埋、焚燒等方式，沒有充分發揮污泥的作用，造成嚴重的資源浪費。如何有效處置污泥，提高污泥處置效率和降低成本是當下城市污水處理面臨的難題。活泥碳化技術作為一種新型的再生利用技術，不僅可以達到碳化污泥作用，而且可以分解污泥中的有害物質，實現污泥處置無害化、減量化目的。

1 污泥分類

污水處理廠在處理污水過程中會產生含水量不同的半固態或者固態物質的污泥，這些污泥主要是由有機殘片、無機顆粒、膠狀物體、細菌菌體等非均勻質體組成，污泥中含有大量的有機物、寄生蟲、重金屬、氮磷有機物等成分，如果處理方法不當，可能對環境造成二次污染。城市污水處理廠處理后的污泥組成成分有很大的差異，按照污泥處理方法不同，產生的污泥性質不同，污泥的分類比較復雜，一般按照以下方法進行分類。按照污泥的來源可以分為工業污泥、生活污水污泥、給水污泥。按照處理方法和分離過程，污泥可以分為初沉污泥、活性污泥、腐殖污泥、化學污泥、沉淀。初沉污泥指污水一級處理過程中產生的沉淀物；活性污泥指活性污泥處理過程中二沉池產生的沉淀物；腐殖污泥指通過生物膜處理工藝中二次沉淀池產生的沉淀物；化學污泥指的是化學強度一級處理后產生的污泥；沉淀污泥指初次沉淀池中截留的污泥，包括物理沉淀污泥、混凝沉淀污泥和化學沉淀污泥。

2 國內外污泥處理現狀

污泥的成分十分復雜，含有大量的鉀元素、氮元素、磷元素以及有機物質，還有大量的微生物病源、重金屬以及有害物質。目前常見的處理方法是衛生填埋法、土地利用、焚燒等方式，這些處理方式存在不少問題：衛生填埋法需要占用大量的土地資源，污泥中的有害物質滲透到地下水，污染地下水。在當前城市土地用地緊張的局面下，土地利用法已經不適合城市生活污水處理廠污泥處理方法。焚燒過程中產生大量的有害氣體，直接排放到大氣會污染環境。

2.1 國外污泥處理現狀

隨著全球各個國家對環境保護的重視，各國對生活污水、工業廢水、農業廢水等水質的排放標準越來越嚴格，這一定程度上增加了污泥處理難度。污泥的處理方法受各地環境、政策等因素影響，處置方法也不同。英國、英國、法國、日本等國家采用衛生填埋、焚燒、填海、消化、農用等方式。法國主要采用衛生填埋和焚燒方式；德國主要采用衛生填埋的方式，英國、葡萄牙、盧森堡等國家主要采用土地利用方式。歐盟污泥處理方法結合成員國實際國情，制定了相應的污泥農用標準，規定了農業污泥重金屬濃度限值、土壤重金屬濃度限值，并對單位面積土地污泥用量、頻率、時間等作出了嚴格限制。為了降低污泥處理造成的二次環境污染風險，歐盟國家還制定了《城市污水處理法規》《污泥管理規范》《廢棄物焚燒準則》等相關的污泥處置管理辦法，各個成員國根據污泥法規的大綱，分別制定了各自的污泥法規。

2.2 國內污泥處理現狀

我國污泥處理技術還處在起步階段，城鎮化快速發展，城市人口的增多，城市污水排放量不斷增加，產生的污泥數量不斷上增。目前我國常用的污泥處理技術采用污泥濃縮、污泥脫水等方式，從而實現農業利用、制作建筑材料、園林綠化及填埋等。按照十二五規劃，我國城鎮污水處理以及再生利用設施建設規劃，2015年我國的直轄市、省會城市和計劃單列市污泥無害化處理達到80%以上。但是受到技術、資金等方面的限制，我國大部分城市的污泥沒有得到有效的處理，而是直接排放到大氣環境，對周圍的環境帶來重大污染。目前污泥處理的技術難題主要在于含水率太高，污泥含水率從95%降低到80%，則污泥的體積減少75%，含水率從80%降低到50%，則污泥的體積縮小50%。污泥的含水率越高，則熱值越低，只有含水率降低到50%以下，達到5052.2 kJ/kg的熱值才能焚燒。通過機械脫水含水率只能降低到80%，想要達到焚燒、填埋則需要將污泥的含水量降低到50%，所以需要研發將污泥的含水量降低到50%以下的技術。然而在處理污泥過程中，由于污泥中含有大量的微生物細胞以及膠體物質，這些物質機械脫水和生物降解都有一定的難度。傳統的污泥消化的進泥濃度只有2%～4%，反應容器比較小，無法對污泥進行有效的消化，因而進一步增加了污泥處理難度。

3 污泥分類處置及資源化再生利用

3.1 生活污泥的堆肥處理工藝

城市污水處理廠處理污水過程中會產生大量的污泥，常見的污泥處理工藝是好氧堆肥。好氧堆肥是在氧氣比較充足的情況下，好氧菌對廢棄物進行吸收、氧化以及分解。好氧微生物將一部分吸收的有機物氧化為無機物，并釋放微生物所需的能量，另外部分有機物合成新的細胞結構，讓微生物不斷繁殖，繁殖出更多的新細胞質。這種處理工藝可以最大限度殺死污泥中的有害原菌，加速有機物的降解速度，減少臭氧發生量。好氧堆肥工藝流程為：預處理—次發酵—二次發酵—后處理—存儲。

3.1.1 預處理

預處理主要是通過分選、破碎等方式，去除污泥中的金屬、玻璃、塑料、木片等其他雜質，并將其破碎為直徑40 mm的顆粒，按照堆肥原料的配比，降低污泥中的水分和氮元素、碳元素的比例。

3.1.2 發酵

為了能夠提高微生物的分解能力，一般需要二次發酵。一次發酵是將好氧堆從低溫到高溫慢慢發酵，一般發酵10～12 d，高溫發酵的時間比較長。二次發酵指經過第一次發酵以后，還存在部分易分解和難分解的有機物，需要送到發酵室，堆成1～2 m高的堆垛進行二次發酵并腐熟，一般腐熟溫度控制在40℃左右，腐熟時間為20～30 d。

3.1.3 后預處理

將發酵腐熟的堆肥進行處理，進一步去除堆肥過程中沒有去除的雜質和一些比較大的顆粒，將處理好堆肥的含水率控制在30%左右，碳氧比例控制在15～20。

3.1.4 儲存

將處理好的堆肥進行管理，可以直接存放或者袋裝，存儲的時候確保處于通風干燥的地方，避免受潮。

3.2 印染污泥綜合利用技術

3.2.1 印染污泥的特點

紡織、印染輕工業生產過程中，產生大量的印染污泥，印染污泥中含有染料、漿料、油劑、纖維雜質、助劑、酸堿等物質，印染污泥的熱值比生活污水的熱值高，熱值達到了8 471.8 kJ/kg，污泥的含水量一般在60%左右，將印染污泥進行有效的處理，可以作為建筑材料中結磚、輕質陶粒等建筑材料的添加成分。印染工藝生產出來的污泥成分不僅可以作為建筑材料的添加成分，而且還可以作為部分黏土，和粉煤灰、煤矸石等材料進行結合，生產出節能磚、輕質陶瓷等建筑材料。在處理材料過程中，污泥中含有的有機物燃燒以后還可以作為補充燃燒的熱量，將磚窯燒結和陶粒產生的余熱對磚坯和陶粒進行干化處理，大大降低燒紙建筑材料的成本，實現資源化的處理要求。同時，通過高溫燒制，還可以殺死污泥中的有害病毒。

3.2.2 印染污泥燒制環保磚

印染污泥燒制環保磚的工藝基本和普通磚塊燒制的方法一樣，兩者之間最大的差別在于污泥的準備過程，由于印染污泥的含水率一般在80%以上，比其他燒結磚塊的原料高。環保磚燒制過程的磚坯含水率不能大于23%，所以需要對印染污泥進行處理，降低含水率是污泥燒制環保磚的技術難點。降低污泥含水率的主要方法有以下3種：第一，直接摻兌，將印染污泥和其他原料進行摻兌，達到降低污泥含水量的目的。這種工藝操作簡單，不需要增加污泥處理設備，但是這種直接摻兌方式，污泥摻兌量比較小，按照體積比只能摻兌15%。第二，脫水后摻兌。通過煙氣烘干機、脫水設備將污泥中的含水量降低，然后與其他原料進行摻兌。這種方法需要摻兌的污泥量比較大，脫水機將污泥的含水量降低到60%以下，破碎后與其他原料的摻和比可以達到25%，含水量80%的污泥處理量相當于直接摻兌的3倍，成本相對比較低。第三，焚燒后摻兌。這種方法是將污泥進行焚燒以后，將焚燒的灰渣作為燒結磚塊的原料。由于污泥焚燒以后的摻和比不再受到含水量的影響，可以將灰渣作為降低污泥含水率的調節劑。焚燒過程中，還殺死了污泥中大量的有害病菌，可以保證生產工人的人身健康。但是焚燒以后的灰渣熱量幾乎忽略不計，無法為燒制磚塊提供熱值，焚燒過程中，還需要投入大量的設備，因此成本相對比較高。

3.2.3 印染污泥燒制輕質陶粒

輕質陶粒一般以黏土作為原料，助燃劑、添加劑作為輔料，進行科學配比，達到符合輕質陶粒生產要求和標準，在高溫燒制下得到陶瓷粒產品。但是大量使用黏土會給周圍的生態環境造成嚴重的破壞，生產出來的陶粒產品強度比較低。將印染污泥燒制為陶瓷粒的具體步驟如下：首先將印染污泥進行機械脫水，然后將脫水后的污泥放置在特制的污泥干化裝置中進行干化，降低污泥體積和含水量。污泥的含水量降低到30%以下，污泥的體積降低1/3以下，然后通過專門的壓機，將污泥壓制成生料球，然后用1 000～1 200℃的高溫焙燒生料球，焙燒以后就可以形成污泥陶粒。由于印染污泥中含有大量的有機物，這些有機物可以更好地燒制為陶瓷粒，讓燒制后的陶粒質地輕、力學性能好。但是這種方法技術難點在于如何將污泥進行脫水，將污泥的含水量降低30%以下。

3.3 造紙污泥和城市污泥碳化利用

造紙污泥和城市污泥中含有大量纖維素、氮氧化物，有機物含量達到60%以上，熱值達到6 798.2 kJ/kg，將其進行有效處理，并將氮元素有效利用，作為農用化肥。

3.3.1 污泥碳化技術

污泥碳化技術指通過高溫、高壓的方式，將污泥中的微生物細胞分裂，讓生物體的水分釋放出來，達到降低污泥含水量的目的。經過碳化處理后的污泥含水量降低70%，而且碳化過程中不需要蒸發，降低了處理成本，保留了污泥中大量的碳值，有利于碳化物的回收利用。與焚燒處理技術相比，碳化處理過程中不會產生有害物質造成環境污染。污泥碳化技術分為低溫碳化、中溫碳化及高溫碳化。低溫碳化的碳化溫度為315℃，壓力為10 MPa，碳化以后的污泥成為液態，脫水以后可以作為生物質燃料使用；中溫碳化需要將污泥進行干化，讓污泥的含水量控制在90%，再進入炭化爐中進行分解，常壓條件下，炭化爐的溫度控制在430～540℃。然后冷卻成為沼氣和固體碳化物；高溫碳化物需要將污泥含水量控制在30%左右，再進入到炭化爐分解，常壓條件，炭化爐的溫度控制在690～980℃。

3.3.2 污泥炭化后成分

污泥經過炭化爐炭化以后，污泥中80%的有機物被分解，剩余20%的有機物被炭化為黑色粒狀的碳化物，碳化物的顆粒粒徑為1～5 mm，其中固定碳占比為25%～40%，灰分占比為50%～70%。這些黑色顆粒的碳化物具有密度小、質量輕、孔隙密度大、脫色除臭性能好、熱值高，濕潤后可以稀釋污泥30%～40%的水分。

3.3.3 污泥炭化能源利用

炭化以后的污泥可以作為吸附材料和除臭，污泥活性炭在處理工業有機廢水，吸收污水中的氮氧化物，比商品活性炭效果更好，在除臭方面也遠遠超過硫化氫和甲基硫醇等物質。由于碳化污泥的熱值比較高，吸收太陽光熱量效果比較好，所以還可以作為融雪劑使用。其次，碳化后的污泥還可以用于園林綠化施工中，改良土壤的性質，提高土壤的透水性和透氣性。此外，工業產值比較高的污泥炭化以后，還可以作為生物質原料用于熱電廠助燃料。

4 結束語

隨著我國經濟社會的發展，生活污水、工業污水的總量不斷增加，污水中的污泥量總量和種類不斷增加，污泥的含水量比較多，一定程度上增加了污泥處理的難度。按照污泥來源進行分類，結合污泥特點，生活污泥采用堆肥處理作為農業廢料；印染污泥處理后燒制環保磚；造紙污泥進行碳化處理，可以用來除臭、融雪劑和改善土壤性質。通過對污泥再生利用，可以提高污泥利用率，防止污泥再次污染生態環境。