城市污泥资源化处理技术及其装备的现状和前景展望

陈启东，孙越高

（1.常熟理工学院机械工程学院，江苏常熟215500；2.苏州大学机械学院，江苏苏州215000）

城市污泥资源化处理技术及其装备的现状和前景展望

陈启东1，孙越高2

（1.常熟理工学院机械工程学院，江苏常熟215500；2.苏州大学机械学院，江苏苏州215000）

随着我国经济和城市化的迅速发展，城市污水处理厂污泥不断增多，污泥的处理及资源化利用已经成为当前急需解决的问题.本文综述了国内城市污泥的处理现状；探讨和介绍了城市污水处理中污泥处理处置的技术及其装备；介绍了一些污泥资源化处理的新技术；给出了今后污泥资源化处理处置的发展趋向.

污水处理厂；污泥处理处置；资源化；新技术；发展趋向

城市污泥是指城市生活污水、工业废水处理过程中产生的固体废弃物［1］.随着城市污水处理厂不断的建成和使用，污泥量的增加速度越来越快.如果这些污泥只是进行简单的填埋处理，将会引起严重的二次污染.如何进行妥善安全的处理，使其无害化、减量化，最终达到资源化，已经成为深受关注的重大课题［2］.另一方面，鉴于设计和使用等诸多方面的因素，目前只有少数的污水处理厂采用机械浓缩设备以及离心脱水等设备，大部分城市污水处理厂仍旧采用单一的机械设备.

1　城市污泥处理现状

1.1我国城市污水厂污泥的成分特点

我国城市污水中工业废水的比重较大，故污泥中重金属含量比较高.污水厂污泥主要是可溶解的有机生物和不可溶解的无机物.我国的污泥特征为碳水化合物含量高；有机物质和脂肪含量低；污泥中含有大量可被植物利用的营养成分，如氮、磷、钾等［3］；污泥具有较高的热值，在一定含水率下具有自燃和用作能源的可能性［4］.

1.2国内城市污泥处理的现状

据《城市建设统计年鉴》显示，截止2014年底，我国城镇的污水处理能力已经达到每天1.52亿吨，由此带来的城市污泥年产量超过3500万吨（含水率为80%）.“十二五”规划中，对污泥处理处置的目标为：相关建设投资超过300亿元，增加污泥处置能力每年500万吨，折合湿泥2500万吨，城镇的污泥无害化处置率需达到80%.污泥的处置已经成为需要重点解决的问题.目前，常见的污泥处理方法主要有土地填埋、焚烧法、生物堆肥和厌氧消化.

1.3我国污泥处理现状分析

目前，我国在污泥处理过程中，填埋占据了较大的比例，农用也占一定比例，焚烧只占据了相当小的比例.图1给出了我国处理污泥各种方法所占的比例［5］.由于填埋会消耗大量的土地资源，污泥中含有的大量重金属对植物有毒害作用，并且会对地下水造成污染.因此，填埋法作为城市污水厂污泥的处置方法，应该减少其比例.

图1　中国处理污泥各种方法所占比例

针对目前我国城市污泥处理的现状，科技部在“十二五”期间启动了关于市政污泥资源化处理的重点专项（节能降耗市政污泥处理与能源化利用技术与工程示范）.该专项根据我国各地的市政污泥和相关资源的具体情况.提出了处理城市污泥的几种关键技术：污泥掺混制备生物质燃料技术、污泥制陶技术、污泥厌氧发酵技术、污泥浓缩脱水干燥技术、污泥重金属处理技术、污泥发酵制肥技术等.目前各方向课题组都已完成中试进入结题验收阶段.污泥掺混制备生物质燃料技术包括：污泥与褐煤半焦粉掺混技术、污泥与植物秸秆掺混技术、污泥与煤掺混制备水煤浆技术.作者承担了污泥掺混制备生物质燃料中污泥掺混植物秸秆制备生物质燃料的子课题.针对我国广大小城镇秸秆资源丰富且焚烧污染环境的问题，项目通过将秸秆粉碎后与干化污泥掺混造粒制备生物质燃料，利用燃料燃烧后产生的部分高温烟气，用流化床技术将污泥快速干化，通过特制的生物质锅炉燃烧以达到资源化利用.燃烧后的烟气经处理后达标排放.项目解决了污泥快速干化关键技术、污泥秸秆掺混造粒技术、烟气处理关键技术.使我国污泥资源化利用技术达到了国际先进水平.目前城市污泥处理还存在着一些关键的技术问题：污泥浓缩脱水干燥技术中，虽然现在已有强力压滤机，可将污泥的含水率控制在65%左右，但压成的泥饼坚硬，不利于后期的资源化利用；在污泥的焚烧技术当中，污泥的焚烧温度［6］必须控制在800～1100℃之间；污泥重金属处理技术并不是相当完善等等.这些问题还需要今后进一步研究和完善.

2　城市污水处理中污泥处理处置技术及其装备

2.1太阳能污泥干燥技术及设备

在污泥处理处置的过程当中，污泥干燥和焚烧是最完全、最稳定的处理手段.但在焚烧过程中易产生硫氧化物、二噁英、氮氧化物等污染物，会对环境造成二次污染［7］，因此对污泥干燥技术［8］的研究就显得尤为重要.饶宾期、曹黎［9］研究利用太阳能热泵对污泥进行干燥，整个干燥系统包括干燥箱、太阳能系统、热泵系统和控制系统.干燥箱内部设置输送带，两侧配置热泵供热系统和太阳能供热系统.风机、制冷器、压缩机、冷凝器等组成热泵系统，风机、水泵、集热真空管等组成太阳能供热系统.干燥箱、热泵供热系统以及太阳能供热系统通过风管连接，风管上设置风量调节阀和风量传感器.结构如图2所示.

图2　太阳能热泵干燥系统示意图

太阳能热泵干燥系统通过太阳能的热能和热泵产生的热能对污泥进行干燥.此过程当中，太阳能为热泵干燥的辅助热源；热泵干燥采用逆卡诺原理，在压缩机的作用下，冷媒在系统内循环流动，同时不断吸收空气的热量并转移到干燥箱之中.

2.2污泥脱水干燥一体化技术及设备

目前国内外有关污泥脱水主要采用如下方法：板框压滤机［10］对污泥脱水、箱式隔膜板框压滤机［11］对污泥脱水、普通带式过滤机对污泥脱水、离心脱水机对污泥脱水.板框压滤机的优点是其结构简单、处理量大，缺点是功耗大、需要的劳动强度大；箱式隔膜板框压滤机具有处理量大、滤饼含水率低的优点，其缺点是结构复杂、功耗较大；普通带式过滤机的优点是其自动化程度高、耗能小，缺点是处理量低、滤饼含水率较高；离心脱水机具有自动化程度高、处理能力大等优点，缺点是功率消耗大、滤饼含水率高.

国内外有关污泥脱水干燥主要采用如下方法：滚筒式污泥干燥机、带式污泥干燥机［12］、耙式搅拌污泥干燥机.滚筒式污泥干燥机优点是结构简单、处理量大，缺点是功耗大、综合运行成本高、设备占场地大；带式污泥干燥机具有结构简单的优点，缺点是漏灰问题不易解决、功耗大、设备占地面积大；耙式搅拌污泥干燥机优点是结构相对简单，热效率高，但具有功耗大、污泥粘耙问题不易解决等缺点.

经过多年的研究，在反复实践的基础上，污泥资源化利用课题组开发设计了一种“污水处理厂污泥：螺旋浓缩→带式振动压榨→振动干燥一体化脱水与干燥成套设备”，如图3所示.该设备与传统脱水与干燥设备相比，生产效率提高25%～30%，综合运行成本降低15%～20%，干燥后的污泥可以直接送发电厂作燃料，同时也解决了冬季污泥因含水率高无法运输问题.

图3　污泥脱水干燥一体化处理工艺流程图

2.3污泥干燥流化床技术及设备

普通的机械脱水不能够将污泥深度脱水，当前很多专家都认为流化床干燥是深度脱水的有效方式.袁东成、黄亚继等［13］研究了湿污泥在流化床中的干燥特性；张健、顾剑等［14］提出了一种流化床污泥系统工艺的优化；李亚云［15］对循环流化床一体化污泥焚烧工艺进行了实验研究；Vaxelaire等［16］成功搭建了对流干化的实验装置，研究了污泥干化势能和污泥干化动力学等.

流化床污泥干燥机具有干燥速度快、流化床内部温度较容易控制、时间选定容易等优点.此种技术可以得到含水率极低的干燥污泥.在污泥干燥方面，流化床技术具有极其广泛的应用前景.

2.4污泥旋流分离装置

通过调查分析，苏州地区（以常熟市为例）污水处理厂污水处理的基本流程为：进水→粗格栅及进水泵房→细格栅及旋流沉沙池→水解酸化池→…→浓缩池→匀质池→污泥脱水机房→泥饼外运处置，在污泥脱水过程之前污水池中污泥的含固率大约在0.8%-1%，若在污泥脱水之前将污泥进一步浓缩，可以很大程度上提高污泥脱水过程中压滤机或者离心机的工作效率，降低污水处理的成本.污泥资源化利用课题组针对上述问题，经过反复试验，设计出了一套旋流分离装置.通过复合型旋流分离器［17-18］，使得污泥在压滤机或离心机处理之前便得到很大程度的浓缩.经离心分离浓缩后的污水中污泥的含固率超过3%.可大大提高带式虑压机的污水处理能力.该装置具有结构简单、操作方便、压力损失小、处理能力大等特点，其结构示意图如图4所示.整个装置主要包括直管段、上小下大喇叭口形管、方形管、整流器、螺旋导流叶片、圆弧管以及斜切单入口式的旋流分离器.

图4　复合型旋流分离器装置结构示意图

3　城市污泥资源化处理技术及设备的发展趋势

从“十一五”以来，国家对城市污水处理厂污泥的处置十分重视，先后发布了《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策（试行）》、《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》、《城镇污水处理厂污泥泥质》、《城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质》、《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南（试行）》、《化学品有机物在消化污泥中的厌氧生物降解性气体产量测定法》等污泥处理处置的相关政策和标准规范［19］.尽管污泥资源化利用已广为人们接受，国家在这方面也投入了大量的人力和财力，但是污泥中存在病原体、有毒物质、重金属等，在处置过程中会转移到最终产品中造成二次污染.污泥的处理工艺也影响到污泥处置的费用和产品的质量，这些均成为限制污泥资源化利用的主要因素.因此，迫切需要寻求新的、有效的污泥处置方法.

作者主持的课题组总结了今后污泥资源化处理的新技术：污泥低温热解制油技术［20］、污泥超声波处理技术［21］、超临界水氧化技术［22］、污泥活性炭技术［23］、污泥熔化技术［24］、污泥电弧等离子体处理技术［25］等等.设备方面，太阳能热泵污泥干燥、污泥干燥流化床以及污泥旋流分离装置在今后将有巨大的发展空间，同时，低能耗、低磨损的污泥脱水装置将成为今后的发展趋势.当前，已有很多学者对各种污泥脱水设备的运行参数［26-28］以及其它工艺参数进行了研究，这些最佳的运行参数在不久的将来一定能够得到充分的利用.

4　城市污泥资源化处理的前景展望

尽管污泥处置行业目前的确存在不少问题，但毋庸置疑的是，城市污泥的资源化前景十分广阔.2015年4月16日出台的“水十条”明确提出进一步推进城市污泥处理处置，现有污泥处理处置设施应于2017年底基本完成达标改造，地级及以上城市污泥无害化处理率应于2020年底前达到90%以上.针对污泥处理处置下一步发展策略，一方面要继续坚持无害化处理和资源化利用并存；另一方面，要多与其他行业进行互动.中国工程院张杰院士认为：污泥是污水处理过程中产生的副产物，来源于生产农产品的土壤，处理的大方向理应回归农田.中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心余杰等［29］专家认为污泥的土地利用是今后的发展方向之一，无论是污泥的干燥、好氧发酵，还是最新的污泥资源化处理处置方法的推出，污泥的最终归属还是土地.

总而言之，随着社会的不断发展和进步，世界各国的污泥排放量都会大大增加，污泥处置也将成为全球关注的重大环境问题，机械浓缩和离心脱水设备也将成为各国重点研究的对象.污泥的处理处置应从环境污染、卫生安全以及经济效益等多方面综合考虑；污水处理的机械设备应从低能耗、低磨损、能够连续生产等方面综合考虑.具备能源回收利用的污泥处理处置的新方法将会在今后发挥不可替代的作用.虽然这些技术目前还存在着一些有待解决的问题，但应用前景十分光明.

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The Presentsituation and Prospect of Municipalsewagesludge Treatment in China

CHEN Qidong1，SUN Yuegao2
（1.School of Mechanical Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500；2.School of Mechanics，Soochow University，Suzhou 215000，China）

The rapid development of China's economy and urbanization has led to more and moresludge in urbansewage treatment plants.Disposal and recycling of thesludge has become an urgent problem.This papersummarizes the handlingsituations of urbansludge in China and discusses the technology and equipment of urbansewage treatment.Besides，the papersums upsome new technologies using for recycling ofsludge resources and puts forward the future development trend ofsludge recycling.

sewage treatment plant；sludge treatment and disposal；resource；new technology；development trend

X703

A

1008-2794（2015）04-0023-05

2016-04-06

国家高技术研究发展计划（863计划）“污泥掺混制备生物质燃料技术装备及应用”（2012AA063506）

陈启东，教授，研究方向：机械振动、流体机械，E-mail:cqd666@163.com.