处置污水厂污泥的方法解析

杨耀东，余志辉

处置污水厂污泥的方法解析

Analysis Method of Disposing Sludge

杨耀东1，余志辉2

1 污泥的介绍

污泥的种类很多，主要包括工业企业产生的污泥，如电镀污泥、印染污泥等;河道污泥，自来水厂污泥，污水厂污泥等。其中污水厂污泥（也称市政污泥）是随着城市污水处理量的增长而长期、稳定、大量产生的污泥，因其独特的理化性质，如得不到妥善的处理处置，对环境的危害是非常严重的。本文主要针对污水厂污泥的处理处置进行简要论述。

1.1 污水厂污泥的基本特征

污水厂污泥主要来源是居民的生活污水、市政污水等净化过程的产物，与自来水厂污泥等土质污泥不同，其有机质含量较高，一般占其干基含量的50%以上，同时还含有大量的氮磷等营养物质。由于部分污水厂还接纳一些工业废水，其污泥中还含有一定比例的重金属离子和化学物质，特别是含有一定量的有害化学物质，如可吸附性有机卤素、阴离子合成洗涤剂、多氯联苯等，以及大量的病原微生物。另一个特征是污泥的含水率高，通常城市的污水处理厂都会对所产生的污泥进行脱水处理。污泥是由液体和固体两部分组成的，分离污泥中的水分、减少污泥的体积是后续处理污泥最重要的步骤。污泥中的水主要存在形式为自由水、间隙水、毛细水和细胞内的水合水，在一般的污水厂只能通过物理的浓缩的方式将自由水去除一部分，因此，污水厂污泥排出污水厂时的含水率基本保持在80%左右，一般这种污泥被称作脱水污泥或脱水泥饼。

1.2 污泥对环境的影响

（1）污泥盐分污染

污泥含盐量较高，会明显提高土壤电导率，破坏植物养分平衡、抑制植物对养分的吸收，甚至对植物根系造成直接的伤害，而且离子间的拮抗作用会加速有效养分的淋失。

（2）病原微生物

污水中的病原体（病原微生物和寄生虫）经过处理还会进入污泥。新鲜污泥中检测得到的病原体多达千种，其中危害较大的是寄生虫。Po⁃lan和Jones（1992）认为污泥中病原体对人类或动物的污染途径大致有4条：a直接与污泥接触；b通过食物链与污泥直接接触而感染；c水源被病原体污染；d病原体首先污染了土壤，然后污染水体。污泥农用引起的潜在疾病的流行，被认为主要与沙门氏菌和绦虫卵有关。

（3）氮磷等养分的污染

在降雨量较大地区的土质疏松土地上大量施用富含N、P等的污泥之后，当有机物分解速度大于植物对N、P的吸收速度时，N、P等养分就有可能随水流失而进入地表水体造成水体的富营养化，进入地下引起地下水的污染。所以N、P等养分迁移对环境的影响是一个需长期监测研究的工作。

（4）有机物高聚物污染

城市污泥中主要有苯、氯酚等。尽管目前国内外对城市污泥中有机污染物的研究并不多，但是一些国家对农用城市污泥中有机污染物的特征及其在农业环境中的行为、生态效应和调控措施等方面进行了一定的研究。西方发达国家对污泥中有机污染物的浓度进行了一定的限制，并对PCBs、PCDD/Fs等提出了一些限量建议，但是除苯并〔a〕芘制定了控制标准外，我国还未能制订出较完善的城市污泥有机污染物限制标准。

（5）重金属污染

在污水处理过程中，70%～90%的重金属元素通过吸附或沉淀而转移到污泥中。一些重金属元素主要来源于工业排放的废水，如镉、铬；一些重金属来源于家庭生活的管道系统如铜、锌等重金属。重金属是限制污泥大规模土地利用的重要因素，因为污泥施用于土壤后，重金属将积累于地表层。另外重金属一般溶解度很小，性质较稳定，难去除，所以其潜在毒性易于在作物和动物以及人类中积累。

1.3 污水厂污泥处理处置的基本原则

当今国内外污泥处理处置的原则均是“减量化、稳定化、无害化和资源化”。处理要求是最终处置时对环境无害。按此要求，污泥可经过浓缩、稳定、调理、脱水、灭菌、干化、堆肥、焚烧等一个或多个处理手段组合处理。如前所述，我国的污水厂基本上对污泥处理处置到脱水阶段。

2 国内外污水厂污泥处理处置方法

2.1 卫生填埋

卫生填埋操作相对简单，投资费用较小，处理费用较低，适应性强。但是其侵占土地严重，如果防渗技术不够，将导致潜在的土壤和地下水污染。污泥卫生填埋始于20世纪60年代，到目前为止已经发展成为一项比较成熟的污泥处置技术。污泥填埋是欧洲特别是希腊、德国、法国在前几年应用最广的处置工艺。由于渗滤液对地下水的潜在污染和城市用地的减少等，对处理技术标准要求越来越高（例如德国从2000年起，要求填埋污泥的有机物含量小于5%），许多国家和地区甚至坚决反对新建填埋场。近年来污泥填埋处置所占比例越来越小，填埋并不能最终避免环境污染，而只是延缓了污染产生的时间。

2.2 污泥农用和堆肥

70年代以后由于污泥产生的环境问题和填埋技术的缺点日益突出，污泥堆肥技术引起了世界各国的广泛重视，并成为环保领域的一个研究热点。我国在污泥堆肥工艺上接近国外的先进水平，但在机械设备上与国外存在很大差距。总的来说，堆肥工艺效率低，成本也高。各种堆肥工艺基本上都具有劳动强度大、设备维护复杂、占地大等缺点。污水厂污泥进行堆肥节约了能源，有效地利用了资源，但因污泥中基本都不同程度地含有金属物质，如 Zn、Fe、Mn、Cu、Pb、Cd、Hg等，如含量过高，在堆肥化过程中须有特殊的要求，否则成为不可用肥料。

污泥农用投资少，能耗低，运行费用低，其中有机部分可转化成土壤改良剂成分。影响污泥农用的主要因素是重金属污染、病原体、难降解有机物及N、P的流失对地表水和地下水的污染。目前对重金属污染研究较多，主要集中在污泥农用后土壤耕作层重金属的变化、作物各部位富积量、存在形态及其影响等。因此，需要严格控制污泥堆肥质量，合理施用，才不会造成重金属污染。但这需要对其中的重金属含量进行严格定期监测并进行长期跟踪。近年来，随着污泥农用标准（如合成有机物和重金属含量）的日益严格，许多国家如德国、意大利、丹麦等污泥农用的比例不断降低。

2.3 污泥焚烧

以焚烧为核心的处理方法是最彻底的处理方法，它能使有机物全部碳化，杀死病原体，可最大限度地减少污泥体积，但是其缺点在于处理设施投资大，处理费用高，有机物焚烧会产生二恶英等剧毒物质。自1962年德国率先建议并开始运行了欧洲第一座污泥焚烧厂以来，焚烧的污泥量大幅度增加。在国外，特别是西欧和日本已得到了广泛的应用。在日本，污泥焚烧处理已经占污泥处理总量的60%以上，欧盟也在10%以上。为防治焚烧产生二恶英等有害气体，要求焚烧温度高于850℃。焚烧后产生的焚烧灰可以改良土壤、筑路，制砖瓦、陶瓷、混凝土填料等。在国内由于其一次性投资大，焚烧烟气需进一步处理，处理工艺复杂、技术难度大、成本昂贵等问题而一直未得到应用。

2.4 海洋倾倒

海洋倾倒操作简单、对于沿海城市来说其处理费用较低。但是，随着生态环境意识的加强，人们越来越多地关注污泥海洋倾倒对海洋生态环境可能存在的影响。美国于1988年已禁止污泥海洋倾倒，并于1991年全面加以禁止。日本对污泥的海洋投弃作了严格的规定。中国政府于1994年初接受3项国际协议，承诺于1994年2月20日起不再海上处置工业废物和污水污泥。海洋倾倒在英国尤其流行，因为与其他方法相比，其费用相当低。但是从1998年底，欧共体城市废水处理法令（91/271/EC）已经禁止其成员国向海洋倾倒污泥。

2.5 石灰稳定

石灰稳定法是一种简单的方法，所需的基建费用不高。但此法实际上没有直接降解有机物，而且不仅不能使污泥固体物的量减少，反而使固体物增加，因此对其进行最终处置时的费用往往要比别的方法高。石灰稳定主要是解决污泥的臭气问题和杀死病原体。石灰与污泥间的复杂反应还不清楚，但复杂分子分解、皂化作用、酸碱中和等反应是存在的，这些反应大大降低了污泥的肥料价值和燃料价值。

2.6 污泥干化

污泥干化能使污泥显著减容，体积可以减少4～5倍，产品稳定、无臭且无病原生物，干化处理后的污泥产品用途多，可以用作肥料、土壤改良剂、替代能源等。经过几十年的发展，污泥干化技术的优点正逐步显现出来。由于干化后污泥的含水率较低，污泥体积大大减少，方便运输和贮存；而且污泥干化后用途广泛：若与无机肥料掺混，可制成复合肥料；若与工业燃料掺合，其热值相当于褐煤；工艺及装备成熟的干化过程是在封闭的设备中进行，对环境的影响小，而且占地面积少。污泥干化过程中可视为水的蒸发过程，需要外部提供热能。

目前，除了海洋倾倒、石灰稳定以外，其他的处置方法之前，基本上都对含水80%的污泥先进行一定程度的干化，以对其大幅度减量。一般来讲，含水率低于10%时成为全干化，介于60%～10%间称为半干化。

2.7 污泥熔融

污泥的熔融技术是将干化后的污泥经过1300～1500℃的高温煅烧，燃尽其中的有机成分，并使重金属几乎完全丧失可溶出性。在使用机械脱水机处理污泥时，一般要加凝聚剂，使得污泥的灰分碱度大，熔点也高。因此，此种处置办法需要特制的熔融炉，目前，只有日本采用。

3 国内污泥处置概况

污水处理中的污泥处理和处置技术在我国还处于起步阶段，在全国现有污水处理设施中有污泥稳定处理设施的还不到1/4，处理工艺和配套设备较为完善的还不到1/10，能够正常运行的为数不多，污泥直接排放造成的二次污染以及占用土地资源和削减生活垃圾填埋场正常使用容量等情况已经引起各地充分的重视。我国存在大量小型污水处理厂，其污泥绝大部分未能得到妥善处置，污泥处置已经成为污水处理厂设计、运行中必须优先考虑的重要环节。

目前我国污水厂污泥的主要去向还是垃圾填埋场，甚至是普通填埋场。随着污水处理率的不断提高，污泥大量的产出给垃圾填埋场带来巨大负担，缩短了使用年限，而且存在安全隐患，给城市垃圾处理造成了影响，并使得适宜填埋的场所显得越来越有限。近年来，随意倾倒并造成环境灾害的案例也时有发生。

在单纯的污泥焚烧方面，目前全国还没有真正意义上的污泥焚烧厂。

在污泥干化处理方面，上海石洞口污水厂已经建成运转了一座日处理干泥30t的污泥干化厂（干化加焚烧）；北京市清河污水厂已建成日处理干泥80t（湿泥400t）的污泥干化厂（干化后外运）。

4 水泥窑协同处置污泥

利用水泥窑进行协同处置是无害化、资源化处置污泥的一个重要方式。日本、美国及欧洲早在上世纪70、80年代就有了这方面的工业化应用。中国的水泥厂家在利用水泥窑协同处置工业固体废弃物、危险废物方面也有了近20年的成功实践。

现代化水泥生产工艺即新型干法水泥熟料生产线具有如下特点：

（1）自身产能大。我国从上世纪90年代建设的新型干法水泥熟料单线产能基本都在2000t/d、4000t/d、5000t/d甚至更大。熟料烧成系统的热容量、物料承载量大，生产余热量相对大，可以利用。

（2）水泥熟料烧成温度高，物料煅烧温度＞1400℃，气体最高温度达到1700℃，其中900℃～1700℃的高温段长达几十米，以CaO和SiO2为主的物料的停留时间长达几十分钟，污泥的熔融温度就是由其自身的灰分比尤其是称之为碱度的CaO和SiO2的含量比决定的；烟气的停留时间长达几秒甚至十几秒，非常有利于有机物及挥发分等分解。

（3）整个烧成系统呈碱性环境，可中和各种酸性物质，如卤素有害物。

（4）烧成系统的烟气处理系统复杂，要求的排放水平高，完全满足污泥焚烧产生的烟气处理。

（5）水泥生产自动化水平高，可长期稳定运行，这是任何处置污泥的独立装置所不能比拟的。

（6）水泥生产相比于钢铁厂、热电厂，对于原燃料品质波动的敏感性不强，可以比较好地适应各种废弃物。

利用水泥窑协同处置各种废弃物，主要遵循两大基本原则：（1）协同处置以后，水泥产品的质量（包括重金属含量的限值）应符合国家及地方的相应的水泥标准；（2）协同处置以后，水泥窑对环境的污染物排放应符合国家及地方的排放标准。相关水泥企业，如北京水泥厂，经过多年大规模处置工业固体废弃物的成功经验证明：在充分利用好新型干法水泥熟料生产线特点的基础上，通过合理的协同处置的工艺选择，是完全可以符合上述两大原则的。利用水泥窑协同处置污水厂污泥，本身是水泥窑协同处置各种工业废弃物的技术延续。

新型干法水泥窑系统处置污泥可以有两种方式：一是直接将含水80%脱水污泥投入窑内；二是先对脱水污泥进行一定程度的干化后再投入窑内。两者主要的差别在于，前者水分太高，单位时间投入的污泥量小；如集中一点投入，易造成烧成工况的局部剧烈波动，影响生产系统的稳定；后者可以大幅提高污泥处置量。

经过试验和分析研究，利用水泥窑规模化产业化处置污水厂污泥的方式可以确定为：

（1）利用水泥窑系统产生的余热对污泥进行干化；干化后的含水率根据具体的生产线情况确定，但不大于50%为佳。

（2）干燥后的污泥在窑系统适当的位置投入窑内；污泥的剩余水分在窑内蒸出、有机物挥发分高温焚烧，其热值得到充分利用；不可燃成分混入水泥生料得到高温煅烧熔融，形成水泥熟料，重金属得以安全分散固化。

（3）污泥干化选择密闭循环工艺，务必使蒸发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气；此部分蒸发水由独立的水处理系统净化处理后可作为循环水回用。

（4）污泥干化过程中产生的臭气及不可凝气可经过收集直接通向窑系统的高温区域，使其迅速分解。

该方法是基于环境安全，全面结合水泥生产线、发挥新型干法水泥工艺各项优点，大规模处置污泥的可行方法。其中最大的亮点是：充分利用水泥烧成的余热，节约能源；污泥得到安全的最终处置，无二次污染；污泥中的液体和固体均得到最大程度的利用。

钢铁厂热电厂也有大量的余热可供利用，但和水泥窑相比没有优势。钢铁厂热电厂的余热连续性稳定性不如水泥窑，而且污泥仅能以燃料形式使用，并将形成炉渣，转变成新的固体废弃物，仍需再处理。

2008年3月北京水泥厂有限责任公司处置污水厂污泥工程项目启动，该项目处理污水厂污泥500t（含水率80%），干化后的污泥水分≤35%，污泥处理系统与水泥窑同步生产运行。

污泥项目工艺框图见图1。

其中项目关键所在为烟气-换热系统、污泥干燥系统、废水处理系统，该项目经过近一年多的设计、采购、施工、安装，调试、测试等建设，2010年该系投入运行。项目的运行情况如下：

烟气-换热系统。热工标定的结果表明供热系统能够满足设计指标。在窑系统正常运转的前提下，可以稳定供应干化系统所需的热量和导热油温度。在进行蒸发量测试阶段以及热工标定阶段，水泥生产系统与污泥干化系统密切配合，连续维持拉风高位，实践也证明取热系统达到设计标准。

污泥干燥系统。经过测试，五套系统的蒸发能力达到了设计标准。依据所测试的蒸发量折合处置含水率为80%的污泥干化到含水35%的设计基准，五条线的处理能力平均满足100t/d的处置量，考虑到测试期间实际污泥的含水率平均高于85%、干泥的含水率平均在30%，布袋压差已经升高6、7倍，因此就干化回路的能力已经达标。

废水处理系统。通过近半年的调试、改进，原水和出水的测试检验，当进厂污泥的指标控制在合理范围内时，干化后的污水指标也在合理范围内，污水处理站可以正常工作，处理后的清水满足设计要求。

中国水泥发展中心物化检测所（报告编号100627）于2010年6月至7月对该项目系统进行了热工标定，表1、2、3仅列出对2号窑和预热器的部分标定结果。上述标定结果显示水泥工厂处置污泥对生产系统影响不大，对环境的影响完全符合国家标准。

5 有待解决的问题

表1 回转窑的标定数据

表2 预热器出口温度和废气量的标定数据

表3 预热器出口气体成分，%

污泥干化环节与其他任何物料干化环节类似，干化系统的能力是以水分蒸发量来衡量的，取决于进泥含水率与出泥含水率的差别。因此，同等条件下，进泥含水率的高低直接影响着干化系统表观产能即实际物料干化量的高低。

由于脱水污泥来源于城市污水处理厂污泥脱水车间，因此，具体到特定的污水厂的污泥，其性能指标除了与其原水情况、季节气候等相关外，与该污水厂的污水治理工艺装备、脱水车间的工艺装备、各环节所使用的各种添加剂、絮凝剂以及污水厂整体的运行水平都紧密相关。在设计污泥处置工厂时，对应的污泥指标均以国家标准为参照（参见《城镇污水处理厂污泥泥质标准GB24188-2009》）。其中，脱水污泥的含水率是强制性指标，必须小于80%。但是，在项目运行中，从污水厂来的脱水污泥含水率最高达到90%以上，平均也在85%。另一方面，泥质标准中矿物油的指标为3000mg/kg干污泥，而进厂的脱水污泥曾长期达到10000mg/kg干污泥以上，最高值甚至超过了23000mg/kg干污泥。

含水率高，使干化处置企业实际处置的湿污泥量下降，热量利用超负荷；含油过高，造成收尘环节糊袋，压差上升，工艺回路参数变动；更严重的是，造成干化出的蒸汽在冷凝环节、水处理环节的处理不力，因为矿物油的含量与冷凝液的COD/BOD等值成等比关系。

虽然泥质标准中没有提及脱水污泥中的含砂率，但是含砂率的高低直接影响污泥输送、干化等设备的材质选择与运行寿命。北京水泥厂所接受的污泥的含砂率一度高达30%（以全干污泥中将SiO2看作全部含砂量）以上，接触污泥的设备磨损是相当严重的。而在前期调研及取样分析时得到的含砂量约为10%。

6 结论

综上所述，基于污水厂污泥的特殊性质，处置污泥一直是各国的难题。尤其在我国，各种独立解决污泥的方式方法不仅起步晚，而且成效慢，无法在短期内解决当下的污泥污染问题。在各行业当中，新型干法水泥生产窑具有天然的处置污泥的优势，除了不能发挥污泥的肥料价值以外，其他可资源化利用的都得到了利用，而且处置规模相对较大。我们坚信，通过实践的摸索，完善具体的技术问题，现代化水泥生产企业与大规模规范化处置污水厂污泥将共生共存，这是目前大量的城市污泥集中化处置的最佳方法。

[1]张辰,王国华,孙晓副.污泥处理处置技术与工程实例[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2]徐强,张春敏,赵丽君.污泥处理处置技术及装置[M].北京:化学工业出版社,2003.

TQ172.44

A

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2012-02-03；

沈 颖