污泥净化的清洁生产发展方向

杨 克 林



污泥净化的清洁生产发展方向

杨 克 林

（中粮生物化学（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233000）

高浓度可生化性好的、有机废水生物处理产生剩余污泥常用土地改良利用、垃圾填埋、固废焚烧等后续净化处置方式，但污泥处理、处置费用占废水处理总费用50%以上，且留下了不同程度环境隐患，基于经济、环境、资源等诸多方面的考虑，环保生化污泥处理是废水生化处理工艺面临的新挑战。世界各国、各地区对环保剩余污泥处理、处置指标越来越严格，减少剩余污泥产量、实现源头污泥净化是废水处理迫切的目标。将 “清洁生产”理念贯穿污泥处理、处置中去，从源头控制，真正按照剩余污泥减量化、资源化、无害化的优先顺序，才是剩余污泥净化未来的科学发展方向。

污泥净化；清洁生产；减量化

高浓度、可生化性好的、有机废水生物处理过程中，将部分液态污染物转化成半固态生物菌体，通俗称为剩余污泥，污泥处理、处置是废水处理厂棘手的难题，环境保护部办公厅文件（环办[2010]157号）要求“废水处理厂以贮存（即不处理处置）为目的将污泥运出厂界的，必须将污泥脱水至含水率50%以下”进入垃圾填埋场，可按规定、规范运输、办理外运填埋、交纳垃圾处置费，目前污泥脱水设施，污泥不经特殊处理，一次性脱水到不能达到50%，正常一次性脱水泥饼含水率80%左右，污泥量大、有机质高、且含水量大，不易储存、运输,有的晾晒，裸露堆放，占地面积大，蝇虫、微生物繁殖和腐败变质后产生恶臭等引起周边环境大气、地表水、土壤污染；有的采用烘干工艺，投资大，能耗高，烟气治理费用高；有的增上板框二次脱水，需添加大量污泥改性药剂、辅料（如生石灰、锯沫等），污泥含水率做到了50%以下，但改性药剂、辅料添加，增加固体废弃物绝干量（增加5-20%），有的还带来新的污染，无论采用何种污泥处理措施，投资、运行费用都给废水处理厂带来巨大人力、物力压力。

1 剩余污泥最终出处及存在的主要问题

1.1 污水处理剩余污泥常用处理、处置、无害化方式

废水生物活性污泥法产生的剩余污泥主要是微生物菌体及无机杂质，常用的减量化方法脱水，最终污泥出处主要土地利用、填埋、焚烧或热处理三类。

根据1996年报道，世界各地污泥主要出处，45.3%为农业资源化利用，38.0%为卫生填埋，10.5%为高温焚烧，6.0 %为排海[1]。

剩余污泥作为土壤改良剂，资源化利用是目前脱水至半塑性污泥变废为宝主要出路之一。由于污泥中含有大量微生物功体，菌体中富含有机物、氮、磷、钾等植物生长主要元素及植物必须的各种微量元素，作为土壤改良剂回归自然，通过环境自净作用，是对剩余污泥进行充分的资源化利用[2]。

污泥脱水至半固态作为固废填埋，是目前使用最方便、最简单的剩余污泥处置方式之一，垃圾填埋场容量大，不需要新增投资，最多交一点垃圾运输费和填埋费，尤其是对那些无机质高、难以资源化利用可塑或半固态泥饼，最佳净化路径。在欧洲等发达地区，脱水泥饼与城市垃圾一起掺杂填埋居多；在美国、日本等国家多数采用单独污泥填埋[3]；对于我国污泥深度处理刚刚起步，脱水至半塑性或塑性污泥填埋是最主要的路径，且多数采用垃圾掺杂填埋，但随环境污染加重，各国对剩余污泥脱水后填埋，含水量水率要求越来越严，我国要求进入垃圾填埋场污泥含水率小于50%。

剩余污泥脱水后焚烧是目前使用相对减量化较为彻底、较安全的剩余污泥净化路径之一，可使剩余污泥的体积减少到最小化，它解决污泥填埋方式占用大量空间的缺陷，这对于填埋场蝇虫、微生物繁殖和腐败变质后产生恶臭等引起周边环境大气、地表水、土壤污染，节约土地资源等是很重要的。剩余污泥焚烧过程中，有机物和绝大部分无机质等被氧化成二氧化碳和水等，同时产生少量二恶英、一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等废气，只剩下很少的灰分，作为一般固废，可作为建筑材料综合利用。焚烧技术主要针对热值高、含水率低可塑或半固态泥饼，在欧、美、日本等发达国家对此处置工艺有较深的研究、研究装置及工程案例较多，在我国也进行类似研究，多数利用废热将半塑性或塑性污泥烘干至可塑或半固态状态，与煤掺烧或直接进入垃圾焚烧炉。

随资源紧张，技术进步，环保要求标准提高，近年研发出来诸多污泥治理新技术，其中以深度机械脱水+废热利用相结合为主，将含水率低、半固态泥饼加热分解，废气进行回收，变废为宝，从而实现污泥资源化，如可燃气体、油、活性炭、水泥、可生物降解塑料等[4]。

1.2 脱水后剩余污泥常用净化路径存在的主要问题

土地利用、垃圾填埋、污泥焚烧等常用有剩余污泥脱水后续主要净化路径都存在其各自不同的缺陷。

土地利用有局限性，农用须过农用指标，如剩余污泥含有重金属离子、呋喃等有害物质，不能用于食用作物，用于园林绿化也要达到相应限值，若长期、过量施用，有害物质的积累，对环境造成负面影响，通过生物链最终影响动物和人类的身心健康，虽报道未发现重金属离子、呋喃等有害物质在绿色植物体内积累，但过量施用污泥，会造成树木枯萎、死亡。为了善待地球，发展循环经济，污泥作为土壤改良剂用量、指标应针对不同土质、不同植被，作了严格的标准规定[5]。此外，污泥脱水、运输、施用过程存在异味，蝇虫、微生物繁殖和腐败变质等问题，数量多、体积大，防治难度大，易造成点污染源扩大到面污染，甚至影响地下水环境。

作为垃圾填埋，无论是单独填埋、还是混合填埋，为了脱水到50%以下，有的添加改良剂如生石灰、木屑、硅藻土，费用高、难度大，且增加固废数量，同样要占用大量的土地，填埋过程产生渗透液、臭气、蝇虫等诸多不良次生环境问题。随社会发展、人类生活水平提高，环保意识提升，对环境质量要求越来越高，新建垃圾填埋场项目环境影响评价要求随之提高，在许多国家和地区，公众要求对现有垃圾场加大治理力度，避免或减轻对环境敏感区和周边环境保护目标影响，今后20年内，美国环保局预测美国80%固废填埋场被关闭[2]。

脱水污泥焚烧曾一度很受社会的青睐，但是投资大，对于有机质低、含水率高的污泥焚烧过程需要消耗大量的辅助热源，处理成本太高，不经济而且还存在二噁英、氮氧化物、一氧化硫、重金属等烟气污染问题。美国环保局准备按清洁大气修改法控制生物固体焚烧炉烟气的排放[6]，中国垃圾焚烧炉烟气排放标准执行《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2001)。

可生化性、高有机质废水生物处理，将部分液态污染物转为微生物菌体，产生微生物菌体和无机杂质为主的活性污泥，针对污泥后续主要净化路径各自优缺点及存在的问题，给废水生物处理工艺设计带来了新挑战：、污泥中转、脱水、处理、运输、处置及过程异味收集净化等运营成本占污水处理费用的高达50%的。能否妥善解决好、处置好污泥问题是废水处理成功与否的决定性因素之一，废水处理工艺技术先进性，很大程度上取决于剩余污泥减量化、资源化、无害化的净化技术的进步。在经过了稳定化、资源化、无害化阶段之后，废水处理厂工艺源头设计、日常运行中推行清洁生产，减少二次污染势在必行，从源头削减剩余污泥产率、产量，真正实现废水处理剩余污泥减量化，是废水处理工艺设计的关键。

2 降低剩余污泥产率、实现剩余污泥减量化的新思路

《固废法》第三条规定：“国家对固体废物污染环境的防治，实行减少固体废物的产生、充分合理利用固体废物和无害化净化固体废物的原则。”明确规定固体废物污染防治的“减量化、资源化、无害化”处理、处置优先顺序，并以此促进我国清洁生产和循环经济发展基本政策。

从废水处理设计工艺上采取降低剩余污泥产率、实现剩余污泥减量化是对剩余污泥净化的环保新理念，即废水生物法处理，设计减少微生物同化作用，降低微生物自身繁殖，加大微生物内源呼吸，延长微生物食物链， 利用食物链中微生物之间弱肉强食，“一物降一物”的吃与被吃关系，实现能量单向流动，微生物随营养等级升高而数量减少，最终被高等水生生物所利用，变废为宝，实现绿色、清洁环保。利用食物链机理，维系着废水处理系统中微生物的数量、种类平衡，实现剩余污泥的量减少，废水生物处理工艺设计应考虑：（1）高浓度有机废水优先选择产泥率低、污泥脱水性能好的厌氧工艺，将绝大部分有机质转化为生物气，作为能源回收利用，充减废水处理费用，降低固废产率，实现污泥源头上减量；（2）采用菌种间弱肉强食，“一物降一物”内耗机理，延长曝气时间，加强菌群间自身氧化，增长食物链，培养出较高等水生生物，利用高等水生生物净化污泥；（3）加大池容延长废水停留时间，利用环境复氧能力、自净能力。总之利用自然生态系统中的食物链、自净能力实现污泥减量化措施，是从源头上、工艺上降低污泥产率，实现污泥“绿色”净化，最终实现污泥近零排放。

将清洁生产的理念应用到废水处理设计和运营中去，利用微生物间“一物降一物”的生物链关系，实现废水处理剩余污泥从源头净化、治理的“绿色生产”是未来废水处理工艺提升的发展方向。

3 降低剩余污泥产率、实现剩余污泥减量化废水处理工艺

由于微生物间“一物降一物”的生物链关系在污泥减量化中运用有理论基础，但实际运行效果有待进行一步提升，以生物链净化污泥处理研究阶段，以低等菌体及无机质为食的生物种群开发利用研究不够深入，以废水生物处理只能从底物浓度、污泥泥龄、曝气时间、曝气强度、微生物种类及数量等参数进行设计，而对污泥产率（或微生物产率）、污泥衰减率等新陈代谢尚无统一的考核指标。

3.1 高浓度有机废水厌氧生物处理工艺在废水处理中推广应用

采用高效、低耗厌氧处理工艺处理高浓度有机废水是废水处理技术上的飞跃，虽然厌氧菌生化反应比好氧菌慢，但厌氧反应器菌种浓度是好氧的10~50倍，所以厌氧设计有机负荷高达5~20 kgCOD/（m3·d），而好氧设计有机负荷只不过0.2~1 kgCOD/（m3·d），废水厌氧处理剩余污泥产率是好氧处理的1/6-1/10，且厌氧剩余污泥脱水性能比好氧污泥好，另外废水厌氧生化处理工艺控制受进水pH值影响较小[7]，厌氧生物处理反应器内的pH值是由反应器内部环境体系中代谢生物气：CO2、CH4、H2S、NH3、等多种气体物质，在不同深度受到分气压不同，与水作用产生不同离子平衡作用的结果，这种作用结果与反应器构造、微生物种类及数量、生化反应微生物的有机负荷及进水水质有关，由废水及微生物所构成的内环境所决定，因此，分析和研究厌氧消化过程中酸碱变化趋势、VFA、pH值的预测、控制技术，对于选择和设计废水生物处理反应器工艺，针对不同工艺厌氧生物处理装置进行调试和运行有重要的指导意义。实践证明高浓度有机废水厌氧处理可以不调或微调pH值。

好氧污泥厌氧消化，主要是通过污泥消化罐或加大厌氧段和兼氧段停留时间，能不同程度地削减剩余污泥产率，降低剩余污泥量。

厌氧法所产生的污泥相对好氧污泥高度无机化，疏水性能好，可直接用作农田肥料或作为新运行的废水厌氧处理厂的种泥出售[8]。

总之，从废水处理工艺设计上，采用厌氧生化处理降低废水中有机污染物，将大多数有机污染物转化为沼气，变废为宝，降低处理费用的同时，大幅度降低剩余污泥量及提升污尼脱水性能。

3.2 MBR（membrane bioreactor ,MBR，膜生物反应器）处理工艺

MBR处理工艺是利用高效膜 实现废水与微生物分离新技术，活性污泥法升级改造相结合的新型污水处理技术，可用于可生性有机物含量较高的市政或工业废水处理。虽然膜技术在好氧系统中应用即MBR反应器可以追溯到20世纪70年代，但是它在污水处理领域的大规模工程化应用也是在近20年内的。利用膜分离替代传统二沉池和污泥回流系统，在曝气池内实现泥水分离，使活性污泥停留时间由实际工艺需要自行控制，集好氧曝气、泥水分离、污泥浓缩等多功能于一体，实现出水悬浮物低，好的可达SS小于10×10-6以内。与传统工艺相比，MBR不怕污泥膨胀，可以使好氧系统具有较高的MLSS值，高达10 000×10-6，延长活性污泥在反应器中的停留时间，提高污染物的去除率和反应器抗冲击能力。MBR是现代化的、高效的废水生物处理系统，可满足市政污水和高浓度有机废水厌氧出水等处理量不断增长的需求，极大地提高废水处理能力及出水水质，并有效地利用微生物间“一物降一物”的生物链关系，降低好氧剩余污泥产率和产量，极大地改善了污泥脱水性能。
MBR机理：提高污泥浓度，降低污泥处理有机负荷，延长污泥停留时间，保证出水水质前提下，通过污泥间菌群间竞争，实现污泥内部消耗使污泥达到近零排放。MBR系统是一种操作简单，自动化程度高的废水处理装置，具有以下优点：

（1）与传统处理系统相比，不设沉降过程，不建沉降装置，可节省50%的土地使用面积；

（2）可处理各种复杂废水，例如MLSS含量高(＜10 g/L)的污水，具有较长的淤泥截留时间(≮30 d)；主要利用微生物间“一物降一物”的生物链关系，提高微生物量及优势菌；

（3）对不同的进水，抗冲击能力强，能保证较好的出水水质；

（4）污泥产量低，达近零排放，减少了污泥处理、处置的难度，减少剩余污泥二次污染；

（5）MBR的处理效果，特别是也水SS低，在处理出水回用如绿化、冲厕、冲地，优势极为明显。

但MBR反应器目前也存在很多缺点：

[1] 主要体现在高效膜的价格高，膜污染、再生及最终膜自身处置等问题。废旧膜最终处置不能有效解决，产生新固废，带来二次污染；

[2] MBR反应器的生化功能并未改变传统生化本质，不具备催化作用，只是改进传统的固液分离方式，比传统生物法二沉池固液分离性能大幅改善，通过提高微生物量来提高处理能力和抗冲击能力，也由此带来相应的泥龄过长、SS携带COD等工艺不足；

[3] MBR反应器采用较高的气水比，即利用较高的空气流速冲涮膜表面，以防止膜堵塞。延时曝气运行费用大幅上升；

[4] MBR反应器高效膜需要定期酸清洗、碱清洗，操作麻烦，这样也增加了运行成本，产生酸碱污染。

MBR反应器的推广的应用或者说发展主要的问题如下：

[1] 材料科学的发展，实现膜的规模化生产，降低膜成本。研发、改善目前的清洗堵塞、膜污染、膜老化变形等问题，能提高通量和使用寿命。

[2] MBR反应器的出水只是SS优于二沉池出水，剩余污泥减少50%以上，一定程度上的“零排放”，若能提升废水微生物处理活性，这才能有助于MBR的推广。

归根结底，MBR的推广其实是一个经济效益、环境效益、社会效益综合的问题。材料成本降低，中水再利用降低系统成本及污泥零排放，节省土地成本这些都是为了提高MBR工艺的综合效益，只有经得起市场经济的考验，才有推广空间。

3.3 多级串联接触曝气法（利用微型动物减少剩余污泥量）

微型动物捕食细菌利用菌胶团在填理挂膜，增加废水生物处理系统中微生物量，降低微生物有机负荷，使处于低负荷状态下的生物菌群向营养级高微型动物的方向发展，利用微型动物捕食细菌，降低污泥主率，削减自我代谢中产生的剩余污泥量。废水生物处理系统内生物链越长，能量单向传递、逐级衰减，最终系统中存在的生物种类增多、个数量减少。利用微型动物新陈代谢作用减少低级微生物数量，按照弱肉强食理念又增强菌种的活性或增加有活性污泥菌种种类及高级微生物间自我平衡，一般活性污泥法曝气池虫相在显微镜观察，初级消费者—细菌和蓝藻等藻类数量多，表明废水处理于预处理阶段或运营异常，微生物数量多而种类少，生物链短，低级生物向高级的传递慢，后生动物数量多且活跃，表明废水运营较正常，能量在传递过程中衰减，实现生物量减少，细菌和藻类等低级生物量是形成大量剩余活性污泥的根本原因。无论是多级串联接触曝气法还是直接向低级活性污泥系统中投入更高级后生动物，或将活性污泥作为饵料饲养蚯蚓及其他生物，均可净化污泥，但是异化作用使得污泥氮和磷增加，可能要增加废水氮和磷等植物营养成分。

臭氧氧化加速污泥有机质降解，实现污泥减量化这一工艺是由日本的H.Yasui等[9]学者提出的，废水处理中，集剩余污泥的消化、氧化、减量化处理和废水处理于一个系统内同时进行。工艺实际包括两个过程，一个是臭氧深度氧化作用，提高废水可生化性即B/C比提高，另一个是部分微生物细胞壁被破坏。

从沉降系统中沉下来的活性污泥，一部分按传统方式直接回流到好氧曝气系统，另一部分则先进行臭氧深度氧化处理，活性污泥经过臭氧处理后，部分细菌被臭氧氧化分解而无机化（气体化），细胞壁被破坏，细胞质溶出，提高废水可生化性（B/C比提高），有利于后续微生物降解。臭氧的强氧化性，使菌体外的多糖类及细胞壁破坏同时，对废水中高分子难生物降解的有机成分降解作用，达到废水、污泥双重处理的功效。经过臭氧处理后的污泥，将部分被无机化，因此，只要臭氧操作适当，可以使废水处理中微生物净增量与臭氧作用无机化量相等，达到污泥近零排放的目的。该方法适合于含磷量低的废水，但设施负荷不易过大。

如何降低废水处理污泥产生量是高浓度有机废水生物处理工艺研究的关键点之一，理论研究多，针对不同废水收效不同，有的废水在试验中已取得比较不错的效果，但在生产实践中效果不佳。污泥减量化常用方法还有：纯氧曝气、解耦联法，高溶解氧法，OSA工艺法等。不同的方法针对不同废水，应能通过试验方法进一步开发和研究污泥近零效果，选择性价最优方法。

4 结 论

清洁生产观念将废水生物处理看成一个系统工程，从源头设计，通过实验室小试，从各种污泥净化新工艺、新技术中选择适应了本废水处理系统性价比最高工艺方案，实现废水生物处理良性运行，避免或减缓剩余污泥末端处理、处置过程中出现二次污染。真正做到剩余污泥减量化、资源化、无害化的绿色环保。

［1］ 陈涛. 污泥农林处置与利用[J]. 云南环境科学，2000，19：207-209.

［2］ 黄国锋. 城市废水污泥处理利用研究进展[J]. 农业环境与发展，1999(1)：13-17.

［3］ Diane Garvey. Sludge disposal trends around the globe [J]. Water engineering &Management,1993,140:17-20.

［4］ 李军，等. 高温突跃法处理城市污泥的研究[J]. 环境科学报，2000，20(6)：751-754

［5］ 薛栋森. 美国废水污泥的研究和利用概况[J]. 国外农业环境保护，1991(1)：31-33.

［6］ 江刚. 美国废水污泥焚烧装置面临更严格的排放限制[J]. 中国环境科学，1999，6：509-512.

［7］ 马三剑，蒋京东，刘锋，等．柠檬酸废水生物处理过程中的pH值问题[J]．中国给水排水，2002(10)：39-41．

［8］ 胡纪萃．试论内循环厌氧反应器[J]．中国沼气，1999，17(2)：3-6．

［9］ Yasui H Nakamura. An innovative approach to reduce excess sludge production in the activated sludge process[J]. Water Sci.Tech., 1996,34:11-20.

Development Direction of Clean Production of Sludge Purification

YANG Ke-lin

（Cofco biochemical (anhui) co., LTD., Anhui Bengbu 233000, China）

The excess sludge of high concentration organic wastewater biological treatment is commonly used in land improvement, or is treated by landfill, solid waste incineration and other subsequent purification method, but sludge disposal cost is account for more than 50% the total cost of wastewater treatment. Based on consideration of economy, environment, resources and other factors, to solve the problem of excess sludge disposal is a challenge for the wastewater treatment. The environment and relevant laws are strict to the environmental indicators of residual sludge treatment and reducing the sludge production, so sludge purification is the urgent target of wastewater treatment. The concept of "the clean production" should run through the sludge treatment; the excess sludge reduction, recycling, and harmless treatment are the excess sludge purification development direction in the future.

sludge purification; clean production; sludge reduction

X 703

A

1671-0460（2016）06-1312-05

2016-04-15

杨克林 （1977-），男，安徽省蚌埠市人，2015年毕业于安徽财经大学工商管理专业，研究方向：运营。E-mail：yangkelin@cofco.com。