污泥固化穩定技術在南太子湖環境整治中的工程應用分析

李 銘，余太平，楊 早，包申旭

(1.中南建筑設計院股份有限公司，湖北武漢 430000；2.長江生態環保集團有限公司，湖北武漢 430000；3.武漢理工大學，湖北武漢 430000)

近年來，城鎮各類水環境整治工程大力推進，初步固液分離后污泥量呈快速增加趨勢。十三五期間全國污泥處理(以80%含水率計)處置規模達到6.01萬t/d，其中，設市城市為4.56萬t/d，縣城為0.92萬t/d，建制鎮為0.53萬t/d。規劃到2020年底，地級及以上城市污泥無害化處置率達到90%，其他城市達到75%，縣城達到60%，初步實現建制鎮污泥統籌集中處理處置的發展目標。《中國污泥處理處置市場調研與未來預測報告(2019版)》顯示，我國主要污泥處理方式填埋、堆肥、自然干化、焚燒這4種占比分別為65%、15%、6%、3%。目前，仍以填埋為主，加之城鎮污水處理企業處置能力不足、大量城市綜合污泥未規范化處理，含水率高，含有機物、微生物及寄生蟲卵，易腐敗變質，會造成嚴重的二次污染[1]。

現階段污泥處理處置技術以達到減量化、穩定化、無害化為目標，常見有厭氧消化、好氧發酵、深度脫水、熱干化、固化穩定和焚燒技術，各種工藝有對應適合應用場景。其中，焚燒法處理處置污泥可最大程度地實現“減量化、穩定化和無害化”，但投資運維成本很高，且尾氣排放量大，處理不當易造成二次污染，民生影響度敏感。固化穩定技術投資小，運行成本低，占地面積小，操作管理簡單，同時可有效滅菌且無再生的風險；缺點是因投加固化藥劑反應，減量化程度相對其他工藝不高，但無害穩定化后泥料可作為建材基材、路基輔料、工程場平回填土等使用，尤其適合應急過渡階段或過程性處置。經濟性方面，固化穩定技術的建設投資和運行成本是最低的[2]。2009年《城鎮污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術政策(試行)》發布以來，對污泥進行固化調理和穩定化處理成為國家鼓勵采用的技術路線之一，近年來該類工藝越來越多地應用于工程項目。

本文通過對武漢市南太子湖泊岸邊污泥堆場環境綜合整治工程項目介紹，對采用的污泥固化穩定技術各項處理指標效能及影響因素進行分析，總結歸納工程應用的共性之處，為類似項目建設提供技術參考，并展望污泥資源化利用處置類技術發展。

1 項目概況

污泥堆場地處湖畔，近年來周邊商住開發程度漸增，政府對地塊所在區域進行了建設規劃，需進行清淤綜合治理再平整場地，使之形成市政公用綠地。地塊積存污泥經歷長時間的堆積，自然條件下降解的速率很慢，必須依靠工程處理措施來實現堆場污泥改性，實現無害化處置。場內污泥占地面積約29 664 m2，邊側泥層深度為1.6～2.2 m，污泥平均深度約2.7 m，綜合污泥總量約8.1萬m3。圖1為項目區位圖，圖2為堆場現場原狀圖。

圖1 項目區位圖Fig.1 Project Location

圖2 堆場現場原狀圖Fig.2 Original Status of Sludge Yard

2 工程設計總體思路

2.1 原始污泥性質及處理標準

積存污泥長時間堆積，去除表層后依然表現為原始污泥性質，經取樣分析主要指標如表1所示。深度處理后污泥含水率、有機質、重金屬、衛生指標達到我國《城鎮污水處理廠污泥處置土地改良用泥質》(GBT 24600—2009)和《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》(GBT 23486—2009)標準。

表1 原污泥性質Tab.1 Properties of Raw Sludge

2.2 污泥處置方案比選

地塊堆置污泥總量約為8.1萬m3，按300工日計算，日處理規模為270 m3/d堆置污泥(含水率以80%計)。根據項目所處區域污泥消納途徑，較成熟可行的有2種方案：打包外運至專項處置公司和就地固化穩定化處理進行場地平整，技術經濟比較如表2所示。

方案二經濟性略優，且在項目建設管理、適應條件和環境影響等技術方面具備優勢，綜合比較后確定污泥就地處理作為土地改良場平填方再利用為污泥處置方案。降低污泥含水率后再覆蓋少量外運回填植土滿足綠化和無害化再利用要求。

表2 處置方案經濟技術比較表Tab.2 Economic and Technical Comparison of Sludge Disposals

2.3 污泥深度處理方案

污泥深度處理工藝有：污泥消化+深度脫水、好氧堆肥、污泥熱干化、復合堿基穩定+深度脫水等。

2.3.1 復合堿基穩定化技術

復合堿基穩定化技術是通過向污泥中投加特制穩定化材料混合反應，降低污泥含水率的同時提高污泥的溫度和堿性，利用污泥物化改性機理破壞污泥中微生物的細胞結構，實現殺滅病原體和產臭微生物并防止其增長的目的；且能對其中的少量重金屬起到鈍化作用，將其固定在固化形成的網鏈(晶格)中[3]，降低其遷移性，從而降低污泥危害性，提高穩定性。

投加的固化劑為復合藥劑，包含復合堿基藥劑CGM1，主要成分為石灰、活性氧化鎂、鐵粉、水泥、粉煤灰等；膠凝添加劑CGM2，主要成分為粉末活性炭、水石膏等；骨架材料CGM3，主要成分為膨潤土、黏土。固化劑投加比例控制在15%～30%。每1 kg復合劑能以化學形式結合去除0.32 kg水[4]。其中，氧化鎂具有較強緩沖性能的活性和吸附能力，以及安全可靠不具腐蝕性等獨特性能。作為一種環境友好型的第三種堿的弱堿，不僅不會造成環境危害，而且對于植物有很好的促進抗病、抗旱、抗寒作用，對酸性土壤的改良和提高作物產量方面有直接重要作用[5]。試驗證明，污泥溫度提高至55 ℃以上、pH值達到12(保持2 h)時，投加固化劑能使致病微生物得到有效去除，臭味氣體的產生也能大大減少。處理后污泥還會發生后續反應，通過結合水分子以及水分蒸發達到干化效果，可增加固體物質的比例和硬度[6]。用較少藥劑量就可實現污泥干化與穩定化的目的，改善儲存運輸形態，是一種投資較少、系統簡單、效果良好的處理方法。

考慮到項目以場平填方作為消納方式，處理后污泥含固率在50%～60%，同時，場地內長期露天堆放含有砂石、生活垃圾等各類雜物，復合堿基穩定化處理工藝的穩定性適用于本項目。

2.3.2 污泥資源再利用

污泥經固化穩定處理后的產品呈顆粒狀，性狀疏松，后續分解過程促進土壤團粒結構形成，改善植物對碳素的吸收；配合其他有機肥料與營養添加劑，可有效提高土壤肥力，改善植物抗逆性。污泥經堿基穩定化技術處理后，富含氮、磷等營養元素，可在園林綠化、土壤改良方面進行廣泛資源化利用。圖3為污泥堆場原狀，圖4為堆場固化處理后的干化污泥。復合堿基穩定化處理后產品的各項指標如表3所示。

固化劑對重金屬也具有良好的固化穩定作用，處理后污泥中鉻、鉛、銅、鎳等重金屬的浸出濃度遠低于國家有關指標，經試驗測定各類重金屬指標如表4所示。處理后的污泥符合國家有關標準，完全可以在土壤改良或園林綠化方面進行資源化土地利用。

圖3 污泥堆場原狀圖Fig.3 Original State of Sludge Yard

圖4 堆場固化處理后的干化污泥Fig.4 Solidified Sludge in the Yard

表3 堿基穩定化污泥工藝指標表Tab.3 Indexes of Base Stabilized Sludge

3 污泥固化試驗效果分析

3.1 藥劑投加率對含水率的影響分析

中試試驗中，通過投加15%～30%不同比例的堿基復合藥劑多批次污泥對比反應后樣品含水率，得出添加量為20%時經濟效能比最佳。投加20%比例堿基復合劑時：攪拌2 min，放置30 min，污泥含水率由80.8%降低至59.3%；攪拌5 min，放置30 min，污泥含水率由80.8%降低至62.2%；攪拌8 min，放置30 min，污泥含水率由80.8%降低至61.8%，如圖5所示。

表4 堿基穩定化污泥重金屬含量Tab.4 Heavy Metal Contents of Base Stabilized Sludge

圖5 堿基穩定化中試含水率變化Fig.5 Water Contents in Pilot Tests

生產試驗(藥劑加量為20%)中，污泥含水率由80%左右可降為40%左右。技術生產試驗的效果顯著好于中試試驗，原因是生產試驗混合更均勻和產生的熱量被高效利用。采用散堆方式對污泥堆置脫水效果顯著好于垛積方式。當堆置第9 d時，藥劑添加量為20%的污泥含水率由干化后的59.3%，垛堆時降至45.3%，散堆時降至30.9%，如圖6所示。

圖6 堿基穩定化生產試驗含水率變化Fig.6 Water Contents in Engineering Tests

污泥堿基穩定干化效果如圖7所示，大量試驗與工程應用得出堿基復合藥劑投加比例與污泥含水率變化之間的大致關系如表5所示。

3.2 藥劑投加率對有機物含量影響分析

復合堿基穩定工藝對污泥有機物含量去除效果顯著。通過投加15%～30%不同比例的堿基復合劑污泥對比反應后樣品有機物含量，以投加20%堿基藥劑為例，攪拌2 min，放置30 min后，污泥有機物含量由78.5%降低至26.8%，此比例的量能效比最佳，如圖8所示。

圖7 污泥堿基穩定干化效果示圖Fig.7 Status of Base Stabilized and Dried Sludge for Different Compound Dosages

表5 堿基藥劑投加量與含水率的變化關系Tab.5 Water Contents of Sludge for Different Base Compound Dosages

生產試驗(藥劑添加量為30%)中，不同批次污泥有機物含量(均值)由75%可降為16%左右，如圖9所示。通過對不同污水廠污泥的對比分析，發現原泥有機物含量越高，堿基穩定化后有機物含量的降低也越顯著。考慮到藥劑無機物自身增量因素，有機物削減率約為60%～73%。

圖8 小試有機物隨反應時間變化Fig.8 Variation of Organics with Reaction Time in Lab Test

圖9 批次泥樣有機物含量對比Fig.9 Comparison of Organics in Sludge Samples

3.3 堆置時間的影響分析

通過各批次不同投加藥劑比例的試驗，發現污泥堆置1 d后有機物含量基本趨于穩定，如圖10所示，但含水率還會進一步隨散堆時間的增加而進一步降低，如圖11所示。

圖10 有機物含量隨堆置時間變化Fig.10 Variation of Organics with Stacking Time

圖11 含水率隨堆置時間變化Fig.11 Variation of Water Contents with Stacking Time

3.4 穩定重金屬效果分析

污泥中重金屬最重要的載體是有機質和硫化物，超過50%以上的銅、鉛、鋅、鎘、鉻以有機態或硫化物的形式存在。添加復合堿基穩定化材料后污泥pH將提高，重金屬將與OHˉ結合，形成不溶態或絡合態的穩定狀態，降低了重金屬在環境中的遷移性，同時降低了對環境的污染風險。此外在穩定化過程中，形成比表面積很大的凝膠結構，將重金屬離子包縛起來或吸附到帶電表面，起到封閉重金屬的作用。

3.5 對衛生學指標影響分析

加入復合堿基藥劑在水和反應作用下溫度升至55 ℃以上、pH值由7.0迅速升至12.0左右，對污泥具有顯著的殺菌作用，堿基穩定化后大腸菌群由原泥的2.08×106MPN/(100 g)降低為1.45×105MPN/(100 g)，堆置10 d后降為8.6×103MPN/(100 g)，滿足《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥》(GBT 23486—2009)標準。

4 工程設計與實施

工程項目包括清淤、污泥深度處理以及最終處置3部分。清淤是前置預處理環節，污泥深度處理是核心部分，最終處置是后續環節。

4.1 污泥處理流程及平面布置

復合堿基穩定化系統工藝包含：(1)污泥給料系統；(2)藥劑計量與投加系統；(3)物料混合反應系統；(4)出料輸送系統；(5)氣體凈化系統。工藝流程和平面布置如圖12、圖13所示。

圖12 工藝流程圖Fig.12 Process Flow Chart

圖13 污泥處理系統布置圖Fig.13 Layout of Sludge Treatment System

4.2 固化養護及除臭

固化反應后污泥早期強度較低，自然養護需4～7 d才能達到設計強度，不僅養護場地面積偏大，而且不利于固化過程中的尾氣控制；項目采用機械強化養護的方式，通過定期翻拋，將養護時間縮短至2 d左右。養護場緊臨處理站，平面尺寸為40 m×30 m，面積為1 200 m2。

固化和養護會釋放一定量的氨、小分子有機物，為控制場地環境，設置除臭系統1套，系統采用高壓霧化噴灑系統、高壓霧化噴嘴技術，微小工作液顆粒均勻分布在除臭空間內，與空間內臭氣分子充分接觸、反應、分解，從而消除異味。沿卸料倉外壁頂部斜對角各布置1套霧化噴嘴，養護區域每隔約6 m布置1套，設計38套霧化噴嘴，1臺高壓霧化噴灑主機。噴淋除臭系統全自動控制，可24 h連續運行，運行時段內，空間噴霧的運行程序可根據需要調整，設2～3支路控制各除臭空間，可同時運行或單獨運行。

4.3 處置工程實施

4.3.1 分區處置

基于現場施工機械控制范圍、可利用周轉場地及場地處理施工條件，沿污泥坑壩體劃分為約20 m寬單元格，采用分塊順序推進施工方式進行污泥處理，圖14為平面分區網格圖。

圖14 平面分區網格圖Fig.14 Grid Chart of Plane Division

采用鋼板樁圍堰后，逐步完成圍擋范圍內的淤泥送入污泥處理系統。分區清淤完畢后形成回填作業面，底部淤泥層可采用原位固化方式，就地固化，提高場地基礎強度，達到施工條件后進行回填處置，如此逐步推進。

4.3.2 雨水導排

沿施工便道周側及堆場北側設排水溝，通過D100盲管垂直接入，將下滲雨水匯集后排至場外水體。溝寬0.4 m，內高0.5～0.8 m，溝內坡度不小于0.3%。圖15為排水溝設計斷面圖及平整后現場實景。

圖15 排水溝設計斷面圖及平整后現場實景Fig.15 Designed Section of Drain and Photo on the Site

4.3.3 終場覆蓋

封場覆蓋層共0.9 m，由下至上包括頂部隔斷層、疏水層和表面覆土層。頂部隔斷層由0.3 m厚壓實黏土層構成，用來阻擋地表降水滲入填埋層，有效減少滲濾液的產生量。在隔斷層表面鋪設0.3 m厚卵石作疏水層，在填埋場四周設置雨水排水盲溝，溝內鋪設排水管，地表水入滲至隔斷層后，在疏水層內沿場頂坡度流進排水盲溝，經排水管引出場外。疏水層上覆蓋0.3 m厚的回填土層，為防止雨水沖刷，表層覆蓋營養土壤。

5 結論與展望

5.1 主要結論

(1)污泥堆場環境綜合整治工程項目采用綠化用地土壤改良資源化利用作為處置方式，經比選采取復合堿基穩定技術對污泥進行無害化和穩定化處理。項目于2017年12月開工，2018年底完成施工并通過竣工驗收。經過3年定期監控抽樣送檢、穩定實現了污泥無害化、穩定化目標，消除了周邊的生態環境污染風險，改善了區域環境，工程效果顯著。

(2)實際生產中固化劑投加量為20%時能效比最佳，混合后污泥含水率由80%降至40%～60%，有機物由78%降至16%～26%。

(2)污泥堆置1 d后有機物含量基本穩定在20%～25%，堆置7 d含水率會進一步降低至50%以下，實際工程中宜進行機械翻拋縮短后期自然堆置時間。

5.2 工程建議與展望

(1)混合體系傳質是反應速度的控制因素，盡量避免“擠壓”，在“柔和”的條件下進行，以保持自有的較松散結構，有利于混合與擴散實現接觸表面最大化，在短時間充分均勻混合。分散均度越高，反應速度越快，用量越節省。

(2)固化反應進程較長，在后續輸送及堆積過程仍在進一步反應，應考慮有利于后續反應及水汽蒸發的工程條件。

(3)可向污泥中混入不同的物料比例復合劑對應各種利用形式。如可按一定比例添加粉煤灰、鋸末、秸稈粉等物質，以達到節省堿基藥劑、增加副產品營養成分和調節pH的效果，用作景觀種植土地利用。

(4)隨著近年來城市大力推進的水體治理、排水管涵清淤疏浚以及污水處理廠擴建等系列項目的陸續開展和實施，城市綜合污泥量逐年大幅增加。

目前，我國占比最大的污泥填埋處置成本相對較低，操作簡單，日漸縮小的填埋庫容與城市中心建成區的快速發展延擴的矛盾日益凸顯。逐步替代填埋的焚燒處置又面臨投資巨大、項目選址困難、民生投訴和維穩等系列問題。

(5)污泥資源化技術發展被看作是污泥處置的又一重要出路，可以一定程度地解決填埋和焚燒方法中存在的問題，且其本身具有經濟、可行性高等優點，有著廣闊的發展前景。通過對固化穩定技術的進步研究及其推廣應用，對有效消納城市綜合污泥具有重要的意義。但發展過程也不可避免會存在一些問題，需不斷對其加以研究解決。