污泥制作有机肥：污水厂污泥处理处置方式
【污泥制作有机肥：污水厂污泥处理处置方式】本文研究了我国重点流域11个城市106个典型污水处理厂的污泥处理方法、处置方法和技术路线。结果表明，我国重点流域的污泥处理方法主要包括填埋、焚烧、建材利用和土地利用。填埋比例为53.79%，主要与城市生活垃圾混合；焚烧比例为18.31%，主要由电厂共同焚烧，单独焚烧比例较低；建材利用比例为16.08%，主要用于水泥制砖；土地利用比例为11.01%，处置方式主要为园林绿化和土地改良。此外，基于调查，探讨了我国污泥处理处置的发展方向。
谭学军，博士，教授级高级工程师，从事环境工程领域的技术研发工作。
随着我国污水处理设施建设的快速发展，污泥产量不断增加，我国城市污泥产量已达4300×104t/a污泥处理处置面临的问题越来越严重（含水率80%）。
污泥处理处置现状的研究分析是污泥规划的基础。因此，对我国重点流域具有代表性的城市污水处理厂污泥处理方法、处置方法和技术路线进行了研究，全面分析了污泥脱水、厌氧消化、好氧发酵、干焚烧等污泥处理技术的应用现状和存在的问题，比较了填埋、土地利用、建材利用等污泥处理方法在国内外的应用，探讨了我国污泥处理处置的发展方向。
01研究方法
调查时间跨度为2012年1月至2014年12月，涵盖上海、常州、嘉兴、太仓、无锡、合肥、天津、唐山、赤峰、昆明、重庆等11个城市的106个城市污水处理厂（见表1），总设计污水处理能力为1519×104m3/d，实际污水处理能力1264×104m3/d，污泥年产量为313×104t（污泥含水率80%），污水处理能力和污泥产量均达到全国总量的10%。污泥产量、污泥含水率等数据来自运行报表或设计文件，如污水处理厂运行日报表、污泥处理设施运行工艺参数、处理成本等。
污泥处理现状分析
2.1污泥脱水2.1.1应用现状在研究范围内，污泥脱水方式主要包括带式压滤、离心压滤和板框压滤。①60%的污水厂污泥采用带式压滤脱水，32%的污水厂采用离心脱水。但带式压滤脱水的污泥量仅占总污泥量的32%，而离心脱水的污泥量高达61%，这是由于离心脱水广泛应用于中大型污水处理厂。离心脱水污水处理厂平均污水处理规模为31.75×104m3/d，平均污泥产量为36.08tDS/d，采用带式压滤脱水的污水处理厂平均规模仅为7.37×104m3/d，平均污泥产量为7.21tDS/d。所有污水厂污泥带压滤和离心脱水均采用阳离子PAM作为絮凝剂，带式压滤脱水平均剂量为4.37kg/tDS，脱水污泥含水量为73.06%~82.50%；.42kg/tDS，脱水污泥的含水量为68.50%~79.30%，离心脱水剂的含水量高于带式压滤脱水，而脱水污泥的含水量较低。
②板框压滤深度脱水约8%的污水厂采用板框压滤深度脱水，调理方法主要是化学调理，药剂包括药剂PAM，钙盐(氢氧化钙/氧化钙)、铁盐(三氯化铁/聚合硫酸铁)、铝盐(三氯化铝、聚合氯化铝)，不同工程药剂的比例相差很大，即使同一工程不同季节药剂的比例也会有明显的波动，可能有两个原因:a.冬春污泥有机物含量高，脱水困难；b.冬春季节气温较低，不利于絮凝剂的作用。
研究发现，污泥板框压滤脱水泥饼的含水量一般可降至60%以下，处理方法包括填埋、电厂焚烧、水泥窑处理等。污泥深度脱水设施项目投资约8~10万元/（t·d-1)(含水率为80%的污泥，下同)t，药剂成本约20~30元/t。
2.1.近年来，污泥板框压滤深度脱水技术在我国得到了越来越多的应用。调理剂主要有氧化钙、三氯化铁、聚合氯化铝等。药剂量占污泥干燥质量的30%~50%。一方面脱水泥饼干质量大幅提高，减量效果有限；另一方面，污泥发生了显著变化pH，盐、电导率等物理化学指标不利于资源利用。此外，加入石灰调节后，污泥呈强碱性，调节压滤过程中氨气等异味成分容易散逸，脱水车间除臭问题亟待重视。
2.2厌氧消化2.2.我国自己的应用现状“九五”在此期间，我们开始推广污泥厌氧消化技术“十一五”和“十二五”在此期间，许多政策和指南相继出台，鼓励城市污水处理厂采用厌氧消化技术稳定污泥。目前，我国已建成污泥厌氧消化工程70余个。在本次调查的重点流域城市中，上海、天津、重庆、昆明等地均设有污泥厌氧消化设施，污泥总处理能力262.5tDS/d，占重点流域城市污泥总量的11.66%。
总结分析了我国一些典型污泥厌氧消化工程的工艺参数，具体结果如表2所示。表2中的数据主要来自设计文件、参考文献和操作数据。各工程采用中温厌氧消化工艺，消化温度为33~42℃。
典型污泥厌氧消化工程工艺参数表2
镇江、襄阳工程采用高温热水解预处理，镇江、大连工程污泥与餐厨垃圾协同厌氧消化。单位体积池沼气产量与物料固体含量、有机物含量、停留时间等因素有关。上海、青岛、郑州厌氧消化工程污泥固体含量不超过5%，单位体积池沼气产量为0.45～0.59m3/（m3·d）；昆明、镇江、大连、襄阳工程采用高含固厌氧消化，沼气产量为0.80～1.78m3/（m3·d）。襄阳污泥有机物含量仅为40%~60%，沼气产量明显低于镇江污泥工程，也采用了基于热水解的厌氧消化工艺。后者污泥与餐厨垃圾协同厌氧消化，单位池容沼气产量高达1.78m3/（m3·d）。大多数工程沼气净化采用干脱硫、干脱硫、生物脱硫和湿脱硫组合工艺。净化后，沼气主要用于消化池加热、污泥干燥、发电和净化压缩天然气。
2.2.2存在问题①污泥有机物含量低，砂含量高，制约了系统的高效稳定运行。由于雨污合流、基础设施建设等问题，大量泥沙排入污水管网，而我国污水处理厂沉砂池的除砂效果普遍较差，导致污泥有机物含量低，砂含量高。国外污泥有机物含量约为60%~70%，而我国污泥有机物含量仅为30%~60%。一方面，厌氧消化沼气产量低，经济效益差；另一方面，大量砂沉积在消化池中，不仅降低了有效池容量，影响了设施的稳定运行，而且加剧了设备的磨损。
②缺乏污泥资源利用的出路限制了厌氧消化的综合效益。一方面，部分污泥厌氧消化后仍不能满足土地利用等泥浆标准的要求，存在病原体超标、异味、有机酸烧苗、易结块等问题。另一方面，由于缺乏稳定的资源消耗方式和容量，大多数污泥厌氧消化后仍采用填埋处理，限制了厌氧消化的综合效益。
2.3好氧发酵2.3.好氧发酵是我国污泥处理污染防治的最佳可行技术之一。在调查范围内，污泥处理量为188.87tDS/d，重点流域污泥总量占8.39%。土地利用(园林绿化、土地改良等)约88.19%的发酵产品，其余11.81%填埋。
调查分析了我国一些典型污泥有氧发酵工艺的概况，结果见表3。表3中所有有有氧发酵工程的泥浆均为脱水污泥，含水量为74%~85%，有机物含水量为30%~65%。重金属指标基本符合泥浆标准要求。常用辅料包括稻壳、秸秆、锯末(锯末)、木块、花生壳、稻草等。辅料的添加质量占污泥质量的0~20%。回混料一般是老化后的发酵产品，有些工程发酵产品不老化直接回混，或者添加菌种而不需要回混。
表3典型污泥好氧发酵项目工艺概况
污泥好氧发酵设备包括配料设备、供氧设备、除臭设备等。大多数项目都有单独的配料机、进料机、布料机等，有些项目被叉车取代。氧气供应设备包括抛光机、叉车、罗茨鼓风机、离心鼓风机等强制通风或强制吸风设备。大多数项目都有除臭设施，最常用于生物过滤器。此外，还有喷雾除臭剂、离子除臭剂等方法。一些工程配备了造粒机的后处理设备。
以国内8个污泥储存、材料混合、强制通风曝气、除臭等环节为目标，分析其建设运行成本和占地面积。有氧发酵工程规模为120~1万t/d，单位工程总投资21~36万元/（t·d-1)运营成本为79~200元/t，包括辅料费、电费、人工费、设备维修费等，其中辅料费约占运营成本的50%，辅料费、电费、人工费之和约占运营成本的80%~90%。刘洪涛发现，辅料成本对运营成本影响最大，其次是电费和人工成本。因此，合理控制辅料的类型和用量，优化曝气除臭模式，提高设备自动化水平，对降低运营成本具有重要意义。
2.3.2.目前，我国已建成的污泥好氧发酵工程系统改进不均匀，运行管理水平差异较大。部分工程气味收集处理环节缺失，或运行维护广泛，容易产生二次污染，难以保证稳定效果。迫切需要提高好氧发酵系统、设备自动化和精细管理的改进。
此外，调查发现，部分污泥有氧发酵过程中添加的辅助材料质量约为污泥质量的20%，辅助材料体积约为污泥体积的100%。大量添加辅助材料不仅增加了运行成本，而且导致发酵产品体积大幅增加，增加了后续处理成本。
此外，部分污泥有氧发酵后，由于缺乏稳定的土地利用耗能力，长期堆放或填埋处理影响了有氧发酵的环境和经济效益。
2.4干化焚烧2.4.1.我国现行政策鼓励经济发达的大中城市采用污泥焚烧工艺。在研究范围内，焚烧处理的污泥量达到412.01tDS/d，占重点流域污泥总量的18.31%。污泥焚烧主要包括单独焚烧、电厂焚烧和垃圾焚烧，其中污泥量最高，其次是污泥单独焚烧。
污泥单独焚烧工程通常由干燥系统、焚烧系统、烟气净化系统和公共设备统和公共设备。干燥机包括流化床干燥机、圆盘干燥机、薄层干燥机、叶片干燥机、带式干燥机等，常用于焚烧炉流化床。例如，污泥干燥焚烧工程的设计和处理规模为64tDS/d，干燥系统采用流化床干燥机，热量来自焚烧系统，污泥含水率为10%；焚烧系统采用热载体流化床焚烧炉，炉温为850℃以上需补充少量燃煤；烟气净化系统由半干喷淋塔和袋式除尘装置组成，主要去除酸性气体和捕获颗粒物。
污泥电厂协同焚烧不需要另一个焚烧炉，干燥所需的热量可以利用原炉低品位、低余热，以降低工程投资和处理成本。例如，污泥回收项目的设计和处理规模为410tDS/d，污泥来自市政、印染、纺织、化纤、皮革等行业近300家企业。进厂污泥含水量70%~80%，超圆盘干化机出泥含水量35%~42%；干化污泥与煤混合，进入循环流化床焚烧；干化机废气冷凝，冷凝废水处理达标后排放，未冷凝气体由风机送入焚烧炉。
2.4.2.由于我国污泥含砂量高，设备在干燥焚烧过程中普遍存在磨损问题。例如，污水处理厂的污泥含砂量达到22.4%，而欧洲的污泥含砂量仅为6%~8%。污泥对流化床干燥机中的管式热交换器、螺旋分离器和给料分配器内壁严重磨损。运行统计发现，设备磨损引起的停车维护次数约占停车总数的50%，流化床干燥机换热器中导热油盘管磨损漏油引起的停车是维护的重点和难点，严重影响系统的稳定运行。
此外，我国大部分污泥焚烧方法都是电厂协同焚烧，迫切需要重视烟气污染控制。电厂烟气处理主要集中在除尘、脱硫和脱硝上，不完全适用于污泥焚烧烟气污染控制。污泥掺入后，烟气含水量增加，烟气量显著增加，导致高温段烟气停留时间缩短，影响二恶英等污染物的控制效果；此外，污泥和燃煤的火灾温度和燃烧时间不同，污泥粒径小，部分未燃污泥颗粒（包括未降解污染物）更容易离开高温区域；燃煤烟气量是污泥烟气量的2~3倍，污泥焚烧产生的污染物存在稀释排放的隐患。
03污泥处置现状分析分析
研究范围内污泥的主要处置方法包括：土地利用、填埋场、建筑材料利用和焚烧。污泥处置污泥量的比例如图1所示。填埋场仍然是我国重点流域最重要的污泥处置方法，占53.79%，焚烧和建筑材料分别占18.31%和16.08%，土地利用仅占11.01%。值得注意的是，虽然部分污泥处置方法被归类为填埋场和土地利用，但存在随机、无序的处置现象，并伴有二次污染的风险。
图1不同污泥处理方法在我国重点流域的比例
污泥处理方法与国外发达国家的比较如图2所示。
图2各国污泥处置方法比较
在填埋方面，我国重点流域污泥填埋比例仍远高于国外发达国家。德国禁止填埋有机物含量>3%的材料，主要是焚烧灰渣；日本的垃圾填埋场主要是焚烧灰渣或高温熔化后的惰性熔渣。我国污泥主要在生活垃圾填埋场混合填埋。填埋前通常只进行脱水处理。污泥含水量和有机物含量高，渗滤液和填埋气产量大，占地面积大，存在环境和安全隐患。
在土地利用方面，我国污泥土地利用率仅为11.01%，而澳大利亚、美国、德国、英国等国家污泥土地利用率均超过50%。我国重点流域污泥土地利用率低有两个原因:①我国污泥中重金属等污染物的总体含量高于国外发达国家，政府监管部门和公众对污泥土地利用的环境健康风险有更多的担忧；②我国尚未建立与污泥土地利用相关的实施、监督、监测和指导细则，污泥土地利用缺乏可操作性。
在焚烧方面，我国污泥焚烧方法主要是电厂协同焚烧，单独焚烧所占比例较小，而德国和日本主要是单独焚烧，其中德国单独焚烧所占比例达到59%。目前，我国还没有污泥混合焚烧、掺合焚烧的法律、法规或标准，污泥电厂协同焚烧缺乏科学的监督和规范。火电厂对烟气中污染物的监测和处理主要集中在二氧化硫、氮氧化物、烟尘浓度等方面，缺乏根据污泥烟气污染物特点的控制措施。
在建筑材料利用方面，我国重点流域污泥建筑材料的利用方式主要是水泥窑协同处理和砖砌，少量用于烧制陶粒。国外发达国家污泥建筑材料的使用对象主要是焚烧灰渣。例如，2005年日本70%的污泥被焚烧，64%的污泥被回收并用作建筑材料。然而，我国大多数污泥建筑材料在使用前只进行机械脱水。污泥含水量和有机质含量高，含有碱性金属氧化物（Na2O，K2O等)，直接用于制砖或制陶粒，不仅影响建筑材料的质量，而且存在二次污染的风险。
污泥处理处置技术路线分析
调查范围内重点流域城市污泥处理技术路线概况见表4。
基于填埋处理的技术路线主要包括厌氧消化+干化+填埋，厌氧消化+深度脱水+填埋，好氧发酵+填埋，石灰稳定+填埋、脱水/深度脱水+垃圾填埋场等。大部分污泥填埋前仅进行带式脱水、离心脱水或板框压滤深度脱水处理；一些城市有厌氧消化、好氧发酵等设施，但污泥仍在填埋，因为污泥的稳定性不符合土地利用标准，或者土地利用出路受阻。
基于焚烧处理方法的技术路线主要包括热干化+单独焚烧，热干化+合作焚烧垃圾，脱水/深度脱水+热干化/太阳能干化+电厂协同焚烧，脱水/深度脱水+电厂协同焚烧等。大部分污泥在焚烧前经过热干化或太阳能干化处理，以提高炉内污泥的热值；部分污泥经板框压滤深度脱水处理，污泥含水量降至60%左右；少数部分直接将含水量约为80%的带式压滤或离心脱水后的污泥混入炉中。
表42014年重点流域污泥处理技术路线概况
基于建筑材料使用的技术路线主要包括脱水+干化+水泥窑协同处理，脱水/深度脱水+水泥窑协同处理，脱水/深度脱水+建筑材料用于处理污泥的比例为16.08%，主要采用水泥窑协同处理，制砖制陶粒。使用前的主要处理方法是机械脱水或干燥。
基于土地利用的技术路线主要包括好氧发酵+土地利用，厌氧消化+脱水+土地利用，生物沥浸+深度脱水+土地利用，自然干燥+土地利用，脱水+在土地利用方面，大部分污泥在土地利用前进行好氧发酵或厌氧消化稳定处理，部分污泥在土地利用后深度脱水或自然干燥，部分污泥在土地利用后直接脱水。
展望污泥处理和处置的发展趋势
近年来，随着我国产业结构调整和环境治理力度的加强，污水处理厂进水工业废水比例逐渐下降，污泥中重金属含量日益下降，而有机物则呈逐渐上升趋势。根据调查，2003年我国城市污泥有机物含量平均值为38.4%，2008年污泥有机物含量增加到41.1%，而2014年调查范围内污泥有机物含量平均值进一步增加到50.4%，污泥热值也相应增加。污泥处理在以往工程运行经验的基础上，更加注重处理与处理的有机衔接，更加注重减少和无害化，污泥焚烧比例逐渐增加，而填埋比例明显降低。
郝晓迪认为，污泥干化焚烧是污泥处理/处理的最终方式，可以使灰分磷的回收更加有效。近年来，污泥干化焚烧技术路线在我国得到了越来越广泛的应用。例如，上海白龙港污泥干化焚烧工程设计处理规模为486tDS/d，采用“脱水+干化+单独焚烧”在处理过程中，利用余热锅炉回收污泥燃烧的热量，产生的蒸汽用于污泥干燥，烟气处理用于污泥干燥SNCR（炉内）/静电除尘/干式反应器/活性炭喷射/袋式除尘/湿式脱酸/烟气再热/物理吸附工艺，然后通过烟囱排入大气；离心脱水用于上海石洞污水处理厂二期污泥处理+干化+单独焚烧工艺技术路线，设置2条污泥干化线和3条焚烧线，努力实现区域内污泥的全量、稳定、高效的处理。
06讨论
在调查的基础上，对我国污泥处理处置的发展方向提出以下建议：①同样重视源头和末端控制，建立泥浆数据库，将污水排入城市下水道水质标准，加强对城市污水处理厂重金属等有毒有害物质的监督控制，从源头减少污泥中的污染物含量。同时，通过管理手段或工程措施，加强对城市排水管网泥强对城市排水管网泥沙的控制，减少污泥砂含量。此外，量、砂含量、热值、重金属等指标进行长期监测，建立泥浆数据库，为污泥的科学处理和处置提供技术支持。
②同时提出问题和质量导向，坚持绿色循环低碳，解决城市污泥处理处置存在的问题，满足污泥处理处置的迫切需要，改善污泥“减量化、稳定化、无害化、资源化”长期目标是满足环境保护和环境质量改善的需要。在充分考虑城市特色、污泥产量和污泥特性的基础上，积极采用新工艺、新技术、新材料、新设备，提高污泥处理工程的技术水平和先进性，减少污泥处理过程中的化学品消耗，温室气体排放和二次环境污染，充分利用污泥中的生物质能和营养物质。
③处理与处置充分联系，加强精细管理结合城市总体规划和产业布局、园林绿化、环保专业规划，根据城市政策，根据当地情况采取措施，合理选择污泥处理和消费方式，科学确定污泥处理技术路线，实现污泥处理与处理的充分联系。此外，坚持精细管理的理念，注重运营管理经验的积累，注重污泥处理设施运行数据的总结，根据不同季节污泥性质和污泥量的变化，调整运行模式和参数，最大化污泥处理设施的处理能力，降低污泥处理过程中的能耗和药品消耗。
07结论
①我国重点流域的污泥处置方式主要包括填埋、焚烧、建筑材料利用和土地利用。填埋比例为53.79%，主要与生活垃圾混合；焚烧比例为18.31%，主要是电厂合作焚烧，单独焚烧比例较低；建筑材料的使用比例为16.08%，主要是制作水泥和砖块；土地利用比例为11.01%，处置方式主要是园林绿化和土地改良。
