论市政污水污泥处理和处置

1　概述

　　市政污水污泥是城市市政排水系统的副产品，主要来源于城市排水系统，包括排水管道、泵站和污水处理厂的污泥。它容积大、有恶臭味、有些污泥还含有毒有害物质及病原菌等，若不经有效处理和处置，则会对环境造成严重的二次污染。

　　仅在欧洲，2000年污泥的年产量就达到790万t（干重），而且以每年5%～6%的速度递增，在我国，九五期间（1996年～2000年）城市排水系统建设力度增大，污水治理工程的建设投资高达27亿元人民币，相对于八五期间4.1亿元有较大增长，排水管网、泵站普及率进一步提高，城市污水处理率也由1995年的19.4%上升到2000年的47%，并且这个趋势还会在接下来的几年里继续保持，因而我国城市的污水污泥处理问题也将日益突出。

　　市政污水污泥处理处置的目的，一是减量化，其次是无害化，三是资源化。

　　为了解决好城市排水系统污水污泥的出路问题，国内外科研与工程技术人员进行了大量研究与实践。而随着城市排水系统的完善和污水处理率的提高，污水污泥产量的增长，也使得污水污泥的处理问题更为突出。本文即针对市政污水污泥的处置技术提出几点看法供商榷。

　　2　污水污泥处理处置常见技术介绍

　　国内和国际的立法机构越来越重视污泥治理问题，许多国家都推行了严厉的法律制度。在欧洲，不再允许直接将污泥倾倒入海，也将禁止将含有有机物的污泥直接填埋。用于农业的污泥必须符合严格的标准，需要有效地去除有害成分，防止进入食物链。

　　污泥处置方案的技术原则有：安全性、可靠性、合理性、先进性及经济性。常见的污泥处理、处置技术有以下几种：

　　2.1　传统处理技术

　　包括：浓缩、消化、自然干化、机械脱水、消毒等。

　　2.2　卫生填埋处置技术

　　污泥卫生填埋基本属厌氧性填埋，仅在初期填埋的污泥表层及填埋区内排水排气管路附近，由于空气的接触扩散形成局部的准好氧填埋方式。虽然污泥在污水处理厂中经过了厌氧中温消化处理，但由于这一过程有机物没有达到完全的降解（进入填埋区的污泥有机物含量仍在40%左右），因此，污泥在填埋过程中依然存在着一个稳定化降解过程。最终污泥中的可降解的有机质被分解为稳定的矿化物或简单的无机物，并释放出包括CO2和CH4在内的污泥气。然而，由于填埋污泥彻底的稳定化是一个漫长的过程，一般需十几年，甚至几十年。

　　2.3　投海、填海技术

　　利用海洋的环境容量，一是投海二是造地。投海区距海岸的距离不应小于10km；造地一般在浅水海滩或海湾处，用污泥填海造地。此两种方法都存在一定的污染环境问题，受到严格的控制，或者已经被禁止使用。

　　2.4　堆肥处理技术

　　污泥堆肥农用是资源化再利用的有效途径之一。可采用单独堆肥或与城市垃圾混合堆肥的方式。污泥堆肥一般采用好氧动／静态技术，利用嗜温菌、嗜热菌的作用，分解污泥中有机质并杀死致病菌、寄生虫卵和病毒，提高污泥肥份。制成有机复合肥或有机菌肥以提高其利用价值。好氧堆肥有滚筒式或仓式。

　　2.5　热干化与焚烧处理技术

　　污泥的热干化与焚烧处理可以达到彻底的无害化和减量化效果，明显的优越性使得该技术的研究与应用在近年来得到长足的发展。在实际应用中，热干化与焚烧通常被认为是两个独立的工艺过程，事实上，没有经过干化的污泥直接进行燃烧不仅十分困难，而且在能耗上也是极不经济的。

　　加热干化后污泥的干性成分可从20%～35%提高到70%～95%，能耗也比机械脱水高，尤其是完全干化的污泥(干性成分＞90%)。

　　热干化系统有转鼓式、立式、多盘式、盘式、流化床等。干化污泥的焚烧是一个彻底的无机化处理过程，最终产物为CO2、H2O、N2等气体和焚烧灰等。焚烧设备主要有回转焚烧炉、立式多段焚烧炉、流化床焚烧炉等。焚烧处理存在管理复杂、设备昂贵、运转费用高等制约其应用的问题。

　　2.6　污泥处理新技术的发展与应用的可能性

　　污水污泥引起的环境污染问题已经引起各方面广泛的关注，科研与工程技术人员一直致力于开发研究新的处理技术，特别是资源化利用方面由于具有一定的市场潜力尤受青睐。其中活性石灰稳定处置工艺与成套设备是天津市近年开发的新技术和新设备。它是在引进了日本先进技术的基础上，结合我国实际情况开发和研制的，产品先后出口日本、印尼等，专门用于处置市政污水污泥、河道清淤污泥及橡胶产业排出污泥的处置。

　　工艺过程为：污泥由配有电子计量称的螺旋输送机输送到搅拌筒内；添加剂由配有电子计量称的输送机输送到搅拌筒内与污泥在搅拌筒内进行充分的搅拌；污泥与添加剂的自动配比经过电子计量称计量后的信号反馈到控制系统，控制系统通过改变输送的参数来实现和完成最佳配料，经过充分搅拌的污泥与添加剂的混合物由输送机构输送到反应仓内进行化学反应，在5秒钟内添加剂与污泥中的水分开始发生化学反应：CaO＋H2O→Ca(OH)2反应时温度逐渐开始上升，最高可达到102～105℃，此时，在反应仓内产生大量的气体，当反应仓的温度达到102℃时，控制系统将排气阀开启，废气通过废气处理系统处理后排出，当反应仓通过排气气温下降至100℃（也可用户设置）时控制系统关闭阀门。该污泥干燥机处理后的污泥产品，经相关部门检测，证明具有较好的利用价值，主要利用途径有：公路基土；垃圾填埋厂的覆盖土。

　　2.7　其他处理技术

　　新的探索性的污泥资源化处理技术，包括作为填料回用、低热值燃料回用、建筑材料的附加原料（如制砖、纤维板）等。

　　3　市政污水污泥处置方案论证

　　3.1　污泥的运输

　　污水污泥有较高含水率（90％），低容重（1.006～1.02），因而体积大、污染重，运输困难。在污水处理厂，污泥可通过管道输送，卫生、经济又连续工作。而市政通挖污泥属于假塑性或塑性流体，流动性差、易产生沉淀、产泥源分散、运距大等，故不宜采用管道输送。

　　天津市目前市政通挖污泥的输送主要采用“人力推车－可拖带污泥箱（多能泥斗）－排放地”的输运方式。落后、低效且极易外漏而污染环境。目前吸泥车在国内大中城市正在得到逐步推广。但应注意的是，由于通挖污泥体积大、含水率高，运输量与运输费用的压力比较大，以污泥的含水率为90％计算，污泥中的干物质仅占10％，运输上极不经济。

　　3.2　脱水处理方案

　　污泥脱水有自然干化和机械脱水。影响污泥脱水性能的因素主要有含水率、水的存在形式、比阻（r）、毛细吸水时间（CST）等。高含水率污泥中含有亲水性带负电荷的胶体颗粒，比阻值一般在0.031×109～28.8×109s2／g之间，通挖污泥的性质类似于污水处理厂初沉污泥，比阻大约为4.5×109～4.9×109s2／g之间。

　　（1）人工干化场与机械脱水的比较

　　干化场工程范例：

　　●工艺参数：污泥含水率93％、占地为18000m2、层厚30cm、平均干化周期为24天、每年可充满与铲除污泥15次、最初2～3天固体浓度可达到15％，依靠蒸发脱水使固体浓
度达30％以上。

　　●干化场结构：由围堤、隔墙、防渗层、排水系统、滤水管等部分组成。

　　●干化场底板：由150 mm厚的三七灰土、上铺设厚度1.5mm土工膜（HDPE），底板应有2%的坡度排向排水系统；排水管道系统采用150mmHDPE多孔管材，管外周圈用土
工布缠绕，管中心距8m，坡度0.003，排水管起点覆土深（至砂层顶面）为0.4m左右。滤水层底层采用粗矿渣或砾石，厚200mm，上层采用细矿渣或砾石，厚200mm。干化场四周设围堤，场内用隔墙将整块干化场分隔成若干块，每次排入干化场的污泥占用一块，使污泥均匀地平铺于干化场，顺序轮流使用各分块，便于泥饼的铲除，使干化场有效、合理的作用。

　　污水污泥在传统的人工自然干化场进行泥水分离的作业方式，由于占地面积大、操作自动化程度低、工况恶劣、工艺效果的耐候性差、处理效率低下等缺陷已逐渐被淘汰并被机械脱水方式所取代。目前在欧洲还在应用的所谓“日光污泥干化法”，虽然也是利用自然日照进行污泥干化，但其配置的特殊材料的玻璃房、电动搅拌设备、推力铲以及其他专用的结构设施，已使其具有较强的人为干预和较强的机械化程度和工作效率，同时受自然条件的制约也比较小，因而与传统的自然干化法有了本质的区别。

　　（2）污泥机械脱水

　　由于通挖污泥有机质含量机较低，泥水分离较易实现，脱水性能优于污水处理厂的生物污泥，因此在助凝剂的使用上须根据具体情况加以确定。

　　脱水机械有：带式脱水机、离心脱水机、板框脱水机、螺压脱水机、滚压脱水机、真空过滤机等，其中带式脱水机和离心脱水机更为常用。

　　市政通挖污泥无机成分含量高、含水率偏低且杂质较多，选用脱水设备时，必须考虑污泥对设备造成的损害，如带式脱水机的滤布较易被坚硬颗粒格破。一般离心脱水机的螺旋与进出料口均须有防磨损涂层进行保护。

　　3.3　污泥车载脱水与运输

　　车载式污泥脱水设备已在国外住宅区、小型污水处理厂、工业污水处理厂、隧道污泥、河道湖泊淤泥、排水管道污泥等的脱水处理中得到应用，如有的承包商购买德国韦斯伐里亚环境公司的车载污泥脱水机（见右图），通过提供污泥脱水服务已经获得较好的经济效益。

　　车载污泥脱水设备具有完整的污泥脱水系统，包括脱水机、进泥泵、污泥破碎机、絮凝剂配制投加装置、污泥输送机和输泥管线，如果需要还可配置动力设备（发电机）。输泥管线为柔性管道，进泥端设拦污网拦截大块物质，污泥破碎机用于破碎大颗粒污泥以保证泥泵和脱水机的安全。车载脱水设备的标准处理能力范围为5m3／h～20m3／h。

　　3.4　污泥处置方案

　　（1）方案一：卫生填埋的处置方案

　　按填埋物的类别和污染防治设计原理，填埋场的构造类型可分为自然衰减型、全封闭型和半封闭型三种；按填埋场的建设的地形地貌不同，一般分为沟谷型填埋和平地型填埋两种：

　　污泥卫生填埋场建设方案

　　① 建设内容与型式

　　半封闭类型建设污泥填埋场。

填埋区的防渗系统分为水平防渗（阻止渗沥液水平扩散）和垂直防渗（阻止渗沥液垂直扩散）两部分，水平防渗部分设置于填埋区底部，垂直防渗设置于填埋区边坡。防渗结构的核心是人工防渗层，而由于防渗材料是人工防渗层的主体，起到主要的防渗作用，材料的选择至关重要。

　　填埋场主要建设内容包括填埋区基底处理、人工防渗层铺设、排渗系统的设置、防洪沟设置、修建进场道路与临时道路、管理区建设、填埋作业设备购置、环保与监测设施建设等。

　　② 防渗方案的比较确定

　　以天然防渗层为主的建设方案，在充分利用天然条件和自然界的自身净化能力的情况下，可大幅度降低工程投资和运行费用。但是，由于包气带土层与含水层不可能使渗沥液中的所有污染物全部自然衰减，原则上，只有发生了生物降解、化学降解或物理衰变的有害物质才能够被认为得到真正的去除，因此对场地的包气带土层的衰减容量和含水层的稀释容量要求较高。

　　以人工防渗层为主的建设方案，强调了人为地对填埋物污染物的控制，防渗系统、排渗系统、填埋气体导排系统等的设置充分地体现了现代垃圾卫生填埋场的特点。由于填埋区顶部的完整封闭需在达到服务期后实现，因此在运行期间应采取“边填埋、边覆盖”、“边运行、边封场”的措施。

　　③ 防渗材料的选择

　　防渗材料的渗透系数不得大于10～7cm／s，应具有可靠的机械强度，具备适宜的抗臭氧氧化、抗紫外线能力，具有适当的耐候性和抗生化腐蚀性能。防渗材料必须与堆体渗沥液相容，其结构完整性、机械性能与防渗性能不得因与渗沥液接触而发生变化。目前工程上得到应用的人工防渗材料主要有：钠基膨润土、优质黄粘土与澎润土拌和、高密度聚乙烯（HDPE）土工膜等。上述三种防渗材料的主要技术经济指标见表1。表1中示出，采用高密度聚乙烯（HDPE）土工膜为首选防渗材料。

　　④ 填埋堆体

　　综合考虑填埋区面积、处置能力、服务年限要求、堆顶作业要求和相关经济指标，地面以上填埋堆体高度（即填埋效率）一般确定为20m；根据对填埋作业覆盖土层的要求和填埋污泥的性状对填埋作业的影响，污泥填埋堆体边坡比确定为1:3。为了能保证填埋物基本的形态和作业运转的要求，应向填埋污泥中投加一定比例的骨料（如粉煤灰、石灰等）。

表1 常用防渗材料主要技术经济指标

⑤ 填埋气体的处理

　　填埋气体的主要成分是CO2和CH4，随后CO2含量逐渐变低，CH4含量逐渐增大。在产气稳定阶段，厌氧条件下产生的填埋气体的成分为50%～70%的CH4和20%～40%的CO2，以及低含量的NH3、H2S和其他有机气体。在某些情况下，填埋场局部地区存在好氧状态，使填埋气体中的甲烷浓度有所下降（40%～50%），N2浓度升高（10%～20%）。

　　城市污水污泥填埋气体的典型组成见表2。

表2 城市污泥填埋气体典型组成
 

CH4易燃，在空气中的爆炸临界浓度是5%～15%。高浓度CH4也可成为窒息剂。CO2由于密度较大，因此会逐步向填埋场下部迁移，使填埋场地势较低的区域CO2浓度较高，通过填埋场基础薄弱的地方释出，沿地层下移而与地下水接触。

　　CO2较易溶于水，使水的pH值降低，硬度及矿物质含量增加。

　　城市污水污泥填埋气体各主要成份的物理性质见表3。

　　表3 城市污泥填埋气体物理性质

● 填埋气体的导排

　　污泥卫生填埋场规模不断扩大，而且密闭性越来越好，填埋气体有可能大量产生并在场内聚集，其结果将导致场内气体压力升高，从而引起填埋气体的迁移，这种无控制的迁移，不仅可造成大气污染，而且可能造成重大火灾、爆炸事故。所以必须控制填埋气体的自由转移或扩散，通常采取的方法有：阻止填埋气体向非允许区域的迁移，输导填埋气体向指定方向排放；收集填埋气体使其经无害化处理后排放或利用。

　　⑥ 渗沥液的导排与处理

　　渗沥液来源有：大气降水、地表径流、地下水、污泥中的水份、覆盖材料中的水份、污泥中有机物降解所产生的水份。主要水质指标典型值为：

　　　　BOD5：500～11600 mg／L

　　　　CODCr：3000～55000 mg／L

　　　　Cl－： 2500～3200 mg／L

　　　　NH3－N：630～3500 mg／L

　　　　pH值： 5.5～8.7

　　渗沥液浓度在填埋初期持续上升，大约半年后开始缓慢下降，15年～20年后可基本达到排放要求。渗沥液产生量的理论计算公式为：L＝P＋W＋Q1＋Q2－E1－E2－Q3－H

　　式中：L－渗沥液产生量，mm／d；

　　　　　P－降水量，mm／d；

　　　　　W－污泥中含有的水分，mm／d；

　　　　　Q1－外部渗入水，mm／d；

　　　　　Q2－外部地表流入水，mm／d；

　　　　　Q3－填埋区地表流出水，mm／d；

　　　　　E1－填埋区地表蒸发水，mm／d；

　　　　　E2－填埋区植物叶面失去的水，mm／d；

　　　　　H－场持水，mm／d。

　　目前在实际工程中，经济可靠的渗沥液处理方法较少，一般处理方法有以厌氧－好氧处理为主的生物处理工艺、以氨吹脱和混凝为主的化学处理工艺、以膜法为主的物理处理工艺等，在干燥或半干燥地区可采用对渗沥液做简单处理后回喷填埋物而实现零排放的方法。

　　（2）方案二：热干化处置方案

　　污泥工业化处理技术—热干化工艺，在发达国家的许多工程上已经比较成熟，下面提出两个较为先进的热干化技术如下：

　　● 涡轮薄层热干化工艺

　　① 工艺过程

　　经过机械脱水处理的污泥（干基15～35%）,通过螺杆上料器进入一个卧式涡轮干燥处理器见右图），处理器的衬套内循环有温度高达280～300℃的热油，使反应器的内壁得到均匀有效的加热；在进料的同时，220～240℃的工艺空气从同侧进入处理器；与圆柱形反应器同轴的转子上在不同位置上装配有不同曲线的桨叶，含水污泥在顺流的热工艺空气带动下，被高速旋转的转子带动桨叶旋转所形成的涡流在反应器内壁上形成一层物料薄层，该薄层以一定的速率从反应器进料一侧向另一侧螺旋移动，从而完成接触、反应、干燥，灭菌，除臭和造粒；处理后固态物料、水蒸汽和其它气态物质等被涡流带入气旋分离器进行气固分离，固态物质（即干燥后的污泥）被一个带有冷水套的螺杆装置冷却并排出；气态物质（含蒸汽、挥发物质、可燃气体）进入一个涡轮洗涤冷凝器，转子带动桨叶的高速旋转将热气体（蒸汽和其它气态物质）与分段喷入的洁净水进行充分混合冷凝；冷凝后的气体在一个气液分离器内进行除湿分离，气体被风机吸出，其中大约3％的轻质气体被抽至热能装置（燃油锅炉）作为能源烧掉，而大部分气体经过热交换器的预热后再次进入循环，工艺空气原则上是闭环。

　　工艺空气的补充可以来自热能装置的燃烧尾气，重油燃烧的烟气中的微粒粉尘在污泥干燥造粒过程中被固化，最后经过水洗，洁净的工艺空气可重新进入循环或经热能装置排放。

　　气液分离器中沉降下来的水被收集起来再利用或排放，如果污泥产品的干燥度低，则没有粉尘微粒进入冷凝水系统；如果干燥度高，则可能在冷凝水中有微量的沉淀，这部分杂质沉淀可利用本系统进行处理；若污泥没有其它化学沾染，无需处理即可排放江河；若有，则需经过污水处理厂进行简单处理才能排放。

　　供热锅炉采用重油、天然气加热，传热介质为耐高温油品。耐高温的介质热油一是在涡轮干燥器的外套内循环干燥污泥；二是作为热源对工艺空气进行加热。

　　② 技术特点

　　一步完成处理；最佳热能利用效率；涡轮薄层技术反应时间短；无需干泥返混；闭环工艺空气；重金属生成不溶或极难溶的无毒化合物；极高的工业安全可靠性；模块化扩展；顺流工艺避免粉尘爆炸；全部自动化；使用寿命在15年以上。

　　（3）方案三：污泥热干化硬颗粒造粒工艺

　　① 工艺过程

　　污泥热干化硬颗粒造粒工艺所采用的设备是一个间接的预混合立式多级转盘造粒机，其工艺是干化和造粒一步完成的工艺，产出的颗粒干性成分90%。

　　污泥热干化硬颗粒造粒机内部是由一系列的水平放置的内部有孔的圆盘组成，通过一个闭循环的热油系统加热。

　　带有耙臂的圆盘的照片

　　该工艺的关键部件是一个污泥涂层机，也称之为预混合机，位于造粒机的顶部。涂层机内，再循环的干化后的小颗粒，在外层不断涂覆机械脱水湿污泥薄层（见下图）。已经干化的物质形成一个内核，湿污泥不断涂覆，从而形成颗粒。这个颗粒形成的过程十分重要，因为涂覆后的颗粒外面是湿的而内部却是干的，送入造粒机后将会完全干化。
   
　　涂覆后的污泥颗粒直接进入造粒机。它们被倒入造粒机上部的锥形分配器中，均匀的散在顶层圆盘颗粒上。一旦进入直接干化系统，污泥由与中心转轴相连的转速为6rpm的耙臂耙着在上层圆盘上作圆周运动。污泥颗粒从内逐渐被扫到圆盘的外沿，散落到第二层圆盘上。这里，污泥颗粒从外沿逐渐被扫到开口的中心区域，散落到第三层。就这样，污泥颗粒从上一层圆盘运送到下一层圆盘，直到造粒机底部。当污泥在圆盘上移动时，污泥因为与被加热的表面接触而干化。蒸发装置如上图。配器中，均匀的散在顶层圆盘颗粒上。一旦进入直接干化系统，污泥因为耙臂耙着污泥颗粒混和、滚动，污泥的蒸发效率很高，并可防止污泥过热。另由于耙臂耙污泥的动作柔和，不会产生灰尘。最后形成的是圆形的规则的颗粒，直径通常是2～5毫米，干性成分90%。污泥的类型和循环次数直接影响颗粒大小。

　　干化污泥颗粒由造粒机底部的螺旋输送机收集运输(见下图)。再由斗式提升机送入分离漏斗。斗式提升机是密封操作的，由皮带输送机和不锈钢料斗组成。

　　中间颗粒分离漏斗的作用是将循环颗粒与输送出去的颗粒分离，保证有可用的循环颗粒。斗式提升机将颗粒送入分离漏斗的第一格。在这个格内，循环使用的颗粒被分离出来，由螺旋输送机送入涂层机中。当第一格满了以后，颗粒流入第二格，从那里送入颗粒冷却器。每个污泥颗粒平均再循环5到7次，每次都有新的湿污泥层涂覆到输入的颗粒核表面。颗粒逐渐长大。流出的颗粒在流化床内冷却至40°C以下，用于流化的空气经袋式除尘器除尘。冷却的过程避免了颗粒的自燃，防止从热的颗粒的气流中吸收湿气，从而不会产生堵塞。

　　② 技术特点

　　严格的间接干化；安全防爆与防腐；造粒性能；节能；产品颗粒的干性成分可达95%，可达到了美国环保局EPA503标准中规定的“A”级；对环境不会产生恶劣影响。

　　●工艺的比较选择

　　上述两种污泥热干化工艺代表了目前国际上先进的工艺技术水平，其共同的特点是在工艺设计中，无论是在干化静力学、干化动力学的基本原理应用方面，还是在构造型式及材料选用方面，均达到了合理、经济、紧凑，系统操作卫生安全，而热能的合理使用较好地解决了节能问题，即考虑了工艺的有效性又采取适当的措施保证了系统连续运行的可靠性，同时作为现代化的工业生产系统，又都具有高度自动化、智能化的特点。

　　就目前掌握的技术经济资料与信息内容分析，我们认为相比之下涡轮薄层热干化工艺在工程投资和运行费用方面更具有优势。