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投稿指南关键词： 厌氧消化，污泥机械脱水，污泥干化，污泥资源化
前言
天津创业环保股份有限公司是一家大型水务建设与运营公司，随着公司投入运营的污水处理厂逐渐增多，污水处理能力不断提升，污泥的产生量也越来越大。
污泥虽然有机物含量高，有一定肥效，但它含水率高，体积大，有恶臭、含大量致病微生物、杂草种子，重金属含量偏高，未经处理或处置很难资源化。在处理工业污水占较大比例的污水处理厂，污泥中的重金属超标是制约污泥再利用的主要因素。
污泥处理与处置工艺研究，是为了开发高效低耗的城市污水处理厂的污泥减量化、稳定化、无害化技术，实现生物能的综合利用及有效回收。目前我公司正在运用的污泥处理与处置技术包括污泥厌氧消化、机械脱水和污泥干化。该研究主要针对这三项工艺。同时还对污泥的资源化途径进行了分析，提出了相关建议。
1. 污泥处理技术
天津创业环保股份有限公司运营的污水处理厂污泥处理多为中温消化+机械脱水为主要工艺。现以东郊污水处理厂（1993年4月投入运行，处理量40万吨/天）为例，进入该厂的污水经生物处理后，产生的污泥经过沉淀浓缩，进入消化池进行厌氧消化处理。消化后的污泥通过带式压滤机脱水，含水率降到80％左右。
1.1 污泥消化工艺研究
东郊污水处理厂设有一级消化池4座，二级消化池1座，组成3分离式消化系统。一级消化池是在中温和沼气搅拌条件下进行厌氧消化。二级消化池是在不加温、不搅拌情况下进行消化、沉淀浓缩，最后排出污泥。此污泥稳定、基本无害。产生的沼气由沼气柜储存和调节，供沼气锅炉和沼气发电机回收利用，产生的热能用于加热消化池污泥，产生的电能并入市网。
经过对该厂有代表性的一级消化池的进泥和出泥进行检测分析，泥质情况见表1-1。
表1-1 东郊污水处理厂污泥消化前后的泥质情况
|
项目 |
浓缩进泥 |
消化污泥 |
|
湿泥有机物含量g/L |
26 |
17 |
|
干泥中碳水化合物百分含量% |
24 |
27 |
|
有机物中碳水化合物百分含量% |
49.5 |
51.6 |
|
湿泥中碳水化合物含量g/L |
12.3 |
9.1 |
|
干泥中脂肪百分含量% |
5.05 |
3.95 |
|
有机物中脂肪百分含量% |
10.3 |
7.6 |
|
湿泥中脂肪含量g/L |
2.7 |
1.3 |
|
干泥中蛋白质百分含量% |
19.7 |
21.3 |
|
有机物中蛋白质百分含量% |
40.1 |
40.8 |
|
湿泥中蛋白质含量g/L |
10.4 |
7.2 |
从上表数据可见该厂污泥属于高碳水化合物低脂肪污泥。
表1-2 各有机物分解后的产气情况
|
有机物名称 |
理论产气量ml/g |
CH4含量% |
CH4产量ml/g |
CO2含量% |
CO2产量ml/g |
各自的分解率% |
对总有机物而言分解率% |
占总产气量的百分比% |
|
碳水化合物 |
790 |
50 |
395 |
50 |
395 |
29.20 |
14.47 |
42.95 |
|
脂肪 |
1250 |
68 |
850 |
32 |
400 |
50.08 |
5.15 |
24.19 |
|
蛋白质 |
704 |
71 |
500 |
29 |
204 |
30.95 |
12.42 |
32.86 |
污泥消化所产生的沼气，理论上主要是由污泥有机物中的碳水化合物和蛋白质提供的。该厂消化污泥脂肪的分解率虽然最高，但含量太少只占10.3％，产气量低，这体现该厂污泥产气的特点(见表1-2)。
该厂进水中工业废水占的比重大于生活污水，故其泥质特点是有机物含量较低，其均值是55%（干泥）左右，与欧美国家70～80%的有机物含量相比少得多。以2004年检测数据计算得消化率平均为35%左右。
以该厂2# 消化池及其相应的设备、装置、仪表为试验设施，以浓缩池出泥为试验用泥样，在保持泥含水率、pH值、酸碱度、碳氮比、重金属等原有特性的情况下，按照污泥消化温度、污泥投配率、沼气搅拌间隔、投泥间隔的不同，做了4组生产性试验。通过试验结果的分析及近几年来实际运行状况的总结，得出东郊污水处理厂污泥中温消化稳定运行的最佳工艺参数为：pH值：6.8～7.2；含水率：94.8～96.5%；消化温度：35±2℃；消化时间：不低于16.7天；搅拌：连续沼气搅拌，搅拌强度l m3／m2／h；有机投配负荷：0.7～1.7 kg／（m3·d）。
在最佳工艺条件下，消化池运行的效率参数为：产气率：5.87～8.36 m3气／m3泥；分解单位重量有机物产气量：0.734～0.762m3／kg·vss，与理论产沼气量0.825m3／kg·vss相比，达到了理论产沼气量的88.97～92.36％；有机分解率：37.37～41.09%；沼气组成：甲烷含量达70.34～72.73%。
图1-1 污泥消减量变化图（单位：m3）
我们采用污泥消减量的变化来判断消化池运行的状况是否稳定。污泥消减量＝污泥消化前体积－污泥消化后体积，其减少原因是消化过程中有机物的降解和上清液的排出，据此可判断出消化池运行状况是否稳定。由东郊厂2004年运行数据计算得：污泥消化前的量一年内增加了约15％，污泥消化后的量也有相同的增幅，污泥消减量（见图1-1）基本在均值1464m3/月上下小幅变动，表明消化池运行稳定。
图1-2 2004年单位污泥产气量（单位： m3气/ m3泥）
在2004年一年内污泥消化前后的体积均增加了15％左右，单位污泥产气量（即每立方米消化前污泥在消化过程中产出的气体量，见图1-2）除在检修期间（3月和9月）波动较大外，基本在均值5-6 m3气／m3泥上下小幅变动，稍低于最佳工艺条件下得运行参数（5.87～8.36 m3气／m3泥），表明消化池运行较好。
1.2 污泥脱水技术研究
东郊污水处理厂消化后的污泥通过带式压滤机脱水，脱水后平均含水率基本在80％（见图1-3，平均减容到消化前体积的1/4-1/5）。若能改为离心式脱水，脱水污泥含水率能降到70％左右。这样可使污泥再减容1/3，进一步减少运输成本。
图1-3 东郊污水处理厂2003-2004年脱水污泥含水率（％）
上图可见脱水污泥含水率春夏季节较低，秋冬季节较高。经分析可能与春夏季节污泥温度较高，絮凝剂溶解较好，污泥絮凝效果较好有关。经过我们不断的摸索和研究，逐渐掌握了脱水机的操作运行规律，采用了溶解性好，粘性大的絮凝剂，在保证污泥脱水效果的前提下，逐渐减少絮凝剂用量，即减少了生产成本（见表1-3）。
表1-3 污泥处理量与絮凝剂消耗量对照表
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年份 |
单位污泥耗药量（kg/ m3） |
年份 |
单位污泥耗药量（kg/ m3） |
|
2001 |
0.30 |
2003 |
0.16 |
2. 污泥处置技术研究
2.1 咸阳路污水处理厂污泥干化系统的概况
咸阳路污水处理厂（2005年投入运行，设计处理量45万吨/天），污泥采用先中温消化（尚未运行），再离心脱水的工艺处理。其中100吨/天的脱水污泥（含水率75％）采用美国U.S.Filter/Davis制造的两套污泥干化系统处理。该系统通过将污泥干化到含水率≤10％，实现污泥减量化、稳定化、无害化。干化后生产出的产品符合美国环保局（EPA）503A级标准，可应用于土壤改良修复，肥料添加剂或建筑材料等方面。
根据设计两套污泥干化系统处理能力分别为50吨湿泥/24h每天（14吨干泥/24h每天），其进料为75％含水率经厌氧消化离心机脱水后的市政污水污泥。干化后含水率≤10％，成粒状为1-4mm左右的颗粒，比脱水污泥（含水率75％）减容2/3以上，并且消灭了致病菌和杂草种子，成品稳定无臭，可长期保存。完全达到污泥稳定化、减量化、无害化的目的。干燥度也可以根据需要控制在10-50％的含水率。
其工艺流程为：脱水后的污泥送至干化机的进料斗，通过螺旋输送器送至干化机内，螺旋输送器可变频控制定量输送。干化机有转鼓和线形翼片螺杆组成，转鼓通过燃烧炉加热，转鼓最大转速为1.5转/分钟，翼片螺杆通过循环热油传热，最大转速为0.5转/分钟。转鼓和翼片螺杆同向或反向旋转，污泥可连续前移进行干化。转鼓沿长度方向分布为三个燃烧炉温度区域，分别为370℃，340℃和85℃。翼片螺杆内的热油温度为315℃。转鼓经抽风，其内部为负压，水汽和尘埃无法外逸，污泥经过转鼓和翼片螺杆前移并经加热被逐步烘干并磨成粒状。在转鼓后端低温区经过S形空气止回阀由干泥螺杆送至储泥斗仓或外运卡车。污泥在系统的停留时间为2.5-5.0小时，热量利用率为78％。污泥蒸发出的水汽通过系统抽风机送至冷凝和洗涤吸附系统，其尾气排至污水厂生化系统而冷凝水和冷却水混合后直接排放至污水厂的预处理构筑物。
每套干化系统操作配套要求为：
1. 电源：100A，380V-3相交流电，30A，220V单相交流电。系统平均运行功率为73kw。
2. 冷却水：152m3/天，可采用粗滤后的二沉池出水。
3. 燃气: 天然气2060 m3/天（5000-5200千卡/立方米）或沼气（60％ CH4）2757-2950 m3/天（需配套沼气脱硫净化装置）。
4. 占地面积：20m×15m×6m。
5. 地面排水系统和尾气排放系统。
该系统结构简单。热能利用率高，无需回收废热能。技术先进，成熟可*，操
作安全、方便。全自动运行监控，无需专人管理。全封闭装置，无危险性气体散发。占地小，易扩容。可变废为宝，产生经济效益。
咸阳路污水处理厂目前采用离心脱水，污泥含水率在65-72%之间，有机质55％左右。干化设备正在进行安装、调试阶段，2005年底即将投入运行。脱水污泥干化后热值估计在2800千卡/kg左右（但经过消化后会低于该值），相当于劣质煤，可作为辅助燃料代替部分煤。若重金属不超标，凭借其较高的氮磷钾含量，也可作农作物或园林绿化基肥使用。
2.2 未来咸阳路污泥处理厂污泥处置项目技术规划
咸阳路污泥处置厂项目厂址位于咸阳路污水处理厂西侧，占地面积约9公顷。处理对象是纪庄子、咸阳路和北仓三个污水处理厂产生的脱水污泥。计划采用的处置工艺为完全干化加部分焚烧工艺。工艺流程图(图1-4)如下：
图1-4 工艺流程图
该项目干化设备采用流化床式或转鼓式干化系统，处理能力为550吨脱水污泥/天。污泥干化后含水率由78％降到10％以下。焚烧设备采用流化床式焚烧炉，主要燃料为干化污泥，产生的余热可回用于干化系统。这样不但充分利用了污泥中的热能，还节约了能源，降低了运行费用。除臭系统计划采用创业环保研发中心开发的专利技术设备。
3. 污泥资源化研究
污泥资源化是污泥处置的最终出路，通过资源化可将污泥变废为宝。污泥资源化的前提是污泥的减量化，稳定化、无害化。市政污泥（指未消化脱水污泥，含水80％左右，下同）资源化的优势在于：原料成本为零，富含有机质及氮、磷、钾。有相当于劣质煤的热值；劣势在于：含水率过高，体积大，有恶臭，含大量致病微生物、杂草种子，部分重金属含量偏高或超标，人们对污泥资源化产品接受度还普遍较低等。尤其对进水中工业污水占较大比例的污水处理厂的污泥，部分重金属超标是制约其资源化的主要因素。
3.1 污泥土地利用
污泥中含有丰富的有机质，是一种有价值的有机肥料。但污泥中还含有许多有害物质（盐分、重金属、有毒有机物等），这些物质进入到土壤中，可能会对土壤—植物系统，地表水、地下水系统产生影响，对自然环境与人类健康会造成长期的潜在的风险。
用于土地利用的污泥肥料基本前提是需要进行稳定化预处理，其可分为四类：浓缩污泥肥料、脱水污泥肥料、堆肥化污泥肥料和干燥污泥肥料。其中干燥污泥（含水率10-20％）肥料土地利用效果最佳。
由于重金属容易在农作物中富集进而进入人的食物链，所以污泥农用的标准非常严格。而天津市城市污水处理厂的污水中都有相当比例的工业废水，有的部分重金属超标，因此不适合做农肥，但作为园林绿地的肥料是比较合适的，因其避免了重金属对人的食物链的污染。
污泥绿地利用的形式是在新建城市绿地时，利用适宜形态的城市污泥替代绿地营建时的基土（天津市现在通常需从东北购买）。这种利用形式的特点是单位面积用量较大。其中主要的适宜对象是脱水后的水体疏浚污泥、排水沟清捞污泥及与适量泥土混合的污水厂脱水污泥。
3.2 污泥制建材
污泥制造建筑材料，其处理（预处理和建材制造）的最终产物是可在各种类型建筑工程中使用的材料制品。污泥材料利用的真正对象是其所含的无机矿物组分，因此各种类型的城市污泥，由于其组成条件上的差异，其建材利用价值和利用方法均有较大不同。污水厂污泥和排水沟道污泥的性质比较相似，不仅有机物组分高于无机物组分，且其无机物组成也与黏土在矿物结构上有较大差异，因此作为建材原料替代时有相当大的预处理工作量。因此直接的经济效益不大，但综合处置用地节约等因素，具有显著的生态环境价值。
经处理后（如焚烧）的污泥可通过烧结制造建筑材料，如制砖、制陶粒、水泥、纤维板以及铺路等。创业环保目前也正积极与天津振兴水泥有限公司开展此类合作处置污泥。
3.3 污泥作燃料
城市污泥中含有大量的有机物，其热值较高。污水污泥的发热量相当于煤炭的35％～50％，比泥煤和木材的发热量稍低，属低热值燃料。而且其焚烧时产生的二恶英量等剧毒物质也大大低于生活垃圾。国外发达国家如荷兰的水泥厂大量使用干化污泥用作燃料替代品。欧洲国家还在流化床－单一污泥焚烧厂中使用脱水污泥；在煤发电厂中使用脱水或干化污泥；垃圾焚烧厂中使用脱水或干化污泥。因焚烧后重金属被固化于焚烧灰中，焚烧灰又可作为生产水泥的添加剂，故该法对重金属含量超标无法农用的污泥非常适合。我国目前能源紧缺，如能充分利用污泥的热量，运送到发电厂发电，则能彻底实现污泥资源化。
3.4 污泥作垃圾填埋厂覆盖土
在填埋场的运行过程中需要大量的适用材料完成日覆盖；在填埋场封场时又需要适用的材料完成最终覆盖，并支持覆盖层表面的植被覆盖。通常填埋场以农田耕作土或从专用取土场上采集的黏土作为覆盖材料，这对土地资源的保护是不利的。
达到适当性质要求的污水厂污泥可用于替代黏土作为覆盖材料。含固率达到50％以上的城市污水厂污泥，在外观和功能作用上均十分相似于耕作土和黏土，经理论分析与实践证明，以污泥替代黏土作为日覆盖和最终覆盖材料，能达到所要求的覆盖层的作用。因此干化污泥（含水率<20％，绝大多数病原菌被杀灭）完全可以作为垃圾填埋场的覆盖土。
3.5 结语
目前创业环保正积极研究污泥资源化问题。目前各污水处理厂的进水中工业废水比例虽逐年下降，但比例仍然较大，导致污泥中部分重金属含量超标，不宜农用，同时也考虑到污泥肥料目前在农民中的接受度偏低。故宜将这些污泥用作园林绿化用土或辅助燃料。若今后污泥的重金属含量达标可再考虑其他资源化途径。
4. 结论
1. 东郊污水处理厂的消化池污泥消减量基本保持稳定，表明污泥厌氧消化工艺运行稳定；单位产气量在5-6 m3/ m3，稍低于最佳工艺条件下的参数，说明消化池运行效果较好。
2. 通过不断摸索和实践，东郊污水处理厂在保证脱水污泥含水率稳定在80％左右的前提下，将絮凝剂用量减少到了2001年的一半，大大降低了处理成本。若能改为离心式脱水则更有助于污泥的减量化。
3. 目前污泥处理仅达到了政府批准的环境影响报告书及初步设计的基本要求，需做进一步处置才能满足更严格的环保要求，适应天津社会经济发展的需要。咸阳路污水处理厂的热干化系统可以使污泥达到完全的无害化，且更加稳定，减量更加显著，资源化的途径也更广，还可满足今后更加严格的环保标准，是一种值得采用的先进工艺。
4. 污泥资源化是污泥处置的最终出路，根据目前各运行中的污水处理厂的污泥泥质，同时考虑到污泥肥料在农民中的接受度偏低，宜将污泥用作园林绿化用土和辅助燃料。
参考文献：
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