摘要:概述当前国内外污泥处理处置技术研究现状,根据污泥处理处置技术的处理效果、适用性、经济性、环境影响等方面对污泥处理处置技术和工艺流程进行了比较和评估;同时指出了我国污泥处理处置技术评估工作中存在的问题,并提出相应建议。
关键词:污泥,技术评估,工艺选择
0引言
城市污水厂污泥(以下简称污泥)由于含有各种病原体、重金属等有毒有害物质,必须要进行处理处置。同时,随着我国城市污水处理率的不断增加,污泥的产量呈急剧上升趋势,污泥的处理处置已成为制约许多城市发展的主要因素。目前污泥处理处置技术方法很多,但由于对各技术的特点和适用条件了解较少,导致许多工程未能正常运转。因此,本文对常用污泥处理处置技术进行评估和筛选,以便对今后污泥处理处置工程技术的选择提供参考依据。
1污泥处理处置技术研究现状
发达国家早在20世纪六七十年代就开始对污泥处理处置技术进行研究。美国农业部门在19世纪70年代就对污泥农用堆肥工艺展开研究,并发展了Beltsville Aerated Pile法用于污泥堆肥。这种方法既可以处理生污泥,也可以处理消化后的污泥,得到的产品无臭、灭菌、便于保存和运输并可以应用于农业生产[1]。德国在19世纪80年代致力于污泥焚烧体系的开发和完善,并为该系统配备了能量的回收利用设备。据统计,德国固体废弃物焚烧而回收利用的能量可为全国30%的人口服务[2]。随着污水处理技术的更新和发展,污泥处理处置技术也在不断地改进。经过近30年的发展,一些发达国家陆陆续提出了污泥处理处置新方法。西班牙科学家提出利用微波能量来水解消化污泥, 取得了很好的效果[ 3]。美国和智利的科学家提出使用火山爆发遗留的熔岩地来处理污泥及污泥焚烧灰。这种方法可以有效控制污泥及污泥焚烧灰中的矿物质元素以及磷元素和锌元素, 从而改善熔岩地的营养结构并提高其生产力[ 4]。爱尔兰利用过热蒸汽流干化工艺与污泥消化工艺相结合, 不但实现污泥的稳定, 更实现了能量的回收利用[ 5 ]。日本的污泥处理处置技术主要集中在污泥的再生利用方面, 占到污泥处置比例的56%, 包括污泥制砖、制骨料、制燃料和熔渣4种[ 6]。
目前, 中国的污泥处理处置技术得到了很大的改善, 但还存在技术单一、设备落后和处理率低等问题。中国污泥处理处置工作主要面临着两大技术难题: 污泥含水率高和有机质利用率低。污泥含水率是制约污泥处理处置的关键问题。含水率过高限制堆肥、焚烧等高效处置技术的应用, 同时也不利于污泥的再生利用。而有机质利用率低不仅浪费了可回收利用的资源, 也造成污泥易腐、有异味等不良特性。
湿污泥中包含4种水分: 毛细水、间隙水、吸附水和内部水。存在于微生物细胞内的内部水是导致上述2个难点的主要原因。不但水分难以除去, 有机质物质也被包裹在细胞中难以释放。因此, 要除去内部水, 释放胞内有机物必须采取高温干燥或细胞破碎的处理方法。事实上, 中国针对上述难点开展了一系列的研究工作) ) ) 发展了超声波预处理法、湿式氧化法、水热解法和水泥窑共处理等新技术。这些技术已应用于一些污水厂并取得了显著的处理效果。但要实现规模化和产业化, 还需要对新技术进行进一步的改进和完善。
2 污泥处理处置技术评估
正确评估污泥处理处置技术是污水厂选择合理的污泥处理处置方法的前提。本文针对国内外污泥处理处置技术的现状, 从经济性、适用性、处理效果以及环境影响等方面对污泥处理处置技术进行比较和评估。
2. 1 污泥的浓缩和脱水技术
常见的污泥浓缩和脱水技术有以下几种: 重力浓缩法、机械浓缩法、板框压滤脱水、带式压滤脱水、离心脱水以及浓缩脱水一体机浓缩脱水。各浓缩脱水技术的比较见表1
若仅考虑减少投资, 可以选择重力浓缩+ 带式压滤脱水/板框压滤脱水。重力浓缩只需一次性构筑物的建造和基本维护费用, 投资和成本低。带式压滤和板框压滤脱水机的设备投资较少, 但处理效率低、噪声大。
为了提高处理效率和减少环境影响, 可以选择机械浓缩+ 离心脱水或使用浓缩脱水一体机。机械浓缩和离心脱水会增加污水厂的电耗和购买调理药剂的费用, 但是他们的处理效果好、处理效率高。机械浓缩和离心脱水机封闭性好、臭味不易扩散、噪声小,因而对操作间和周边环境的影响较小; 同时自动化程度高, 无需人工操作[ 8]。对于污水厂新建工程或改造工程, 浓缩脱水一体机是很好的选择。它集浓缩和脱水为一体, 无需建造浓缩池构筑物。不但处理效率高, 而且节省投资。
2. 2 污泥干化
污泥干化工艺按原理可分为自然干化、直接加热干燥和间接加热干燥。由于利用外加热源进行污泥干化的能耗高, 其运行费用也很高。若仅考虑干化技术的经济性, 自然干化是非常理想的方法。自然干化方法简单、易于管理; 但此法受气候影响大, 卫生条件差; 并且仅适用于干燥少雨且土地资源较宽裕的地区。
若选择处理效果好且环境影响小的技术, 可以使用加热干燥法。直接加热干化具有流程简单、热交换率损失少等优点; 但干燥烟气具有恶臭, 因而对工作间和周边环境有不良影响。间接加热干燥是利用一定介质在封闭回路中循环, 因此不仅干化效果好, 而且无恶臭气体。但介质会带走一部分热量, 热能利用率不如直接加热干燥技术效率高。
上海石洞口污水厂采用流化床低温干化系统对污泥进行干化。该系统的干化温度为85e , 系统内控制含氧量< 4% (防止爆炸)。干化系统每蒸发1 t水分, 消耗热能为2 800kJ。经干化后的污泥含水率能够降至5% ～ 10%。
2. 3 污泥消化
污泥消化按原理可分为厌氧消化和好氧消化。厌氧消化又可分为中温厌氧消化、高温厌氧消化和两相厌氧消化。污泥消化技术的初期投资和运行费用都很高。但由于消化工艺可进一步稳定污泥, 因而污水厂应根据规模的大小、污泥的性质及财政状况选择合适的消化工艺。
对于处理能力在10万t/d以上的大型二级污水处理设施产生的污泥, 应采用中温厌氧消化或高温厌氧消化; 对于中小型污水处理厂, 应选择工艺成熟、机械设备简单、运行管理方便的好氧消化工艺; 而对于高浓度有机废水、悬浮物浓度很高的污水以及含有毒物质、难降解物质的污泥宜采用两相厌氧消化方法处理。
2. 4 污泥最终处置技术
常见的污泥最终处置技术主要包括卫生填埋、堆肥、焚烧和土地利用等。4种常见污泥处置技术比较见表2。近年, 污泥制建材、污泥制肥和污泥发电等新兴技术也有所发展和应用。。
卫生填埋和污泥土地利用是经济性最好的污泥终处置技术, 投资约3 万～ 515 万元/ t (含水率80% ), 运行成本约15 ～ 30元/t(含水率80% ) [ 10]。但污泥填埋工作仍存在很多问题, 如渗滤液产生量大、渗滤液收集系统易堵塞、填埋操作困难等; 土地利用也存在恶臭污染的问题。另外, 近年修订的污泥处置标准CJ /T 249 - 20075城镇污水处理厂污泥处置混合填埋泥质6中规定: 混合填埋泥质的含水率应不大于60% , 污水厂目前的脱水技术很难实现这一要求。因此, 卫生填埋和土地利用的发展前景不容乐观。
焚烧技术的处理效率最高, 可以大幅减少污泥体积和含水率。但是焚烧法所需投资较高, 设备投资约35万～ 45万元/ t(以干污泥计), 运行成本约771 ～1 000元/t(以干污泥计)。同时, 我国焚烧设备主要依赖于进口, 设备投资费用和维护修理费用较高。焚烧法仅适合于大型污水处理厂污泥或有毒有害物质含量高的污泥的处置。上海石洞口干化焚烧工程选用了德国进口流化床焚烧系统。该厂投资8 000万元(含干化和焚烧设备、土建、自控及辅助设施), 运行费用约250 元/ t(含水率为82% , 包含电费、药剂费、人工费、维修费等)。我国也自主设计了焚烧炉,运行效果良好。齐鲁石化乙烯污水处理厂污泥采用二段串联的卧式回转焚烧炉焚烧, 处理量为2 100 kg /h含水率不大于80% 的湿污泥。
堆肥工艺对环境的影响最小。堆肥可利用污泥中的大部分营养元素和有机质, 实现资源的循环利用。同时污泥堆肥基建费用低、容易管理、设备简单;产品无味无臭、质地疏松、含水率低、密度小, 便于运输施用和后续加工成商品肥。但堆肥过程中恶臭气体的控制以及污泥中的重金属含量仍制约着堆肥技术的应用和发展。此外, 产品的销路也是影响堆肥技术的关键因素。一般堆肥周期较长, 适用于小型污水厂使用。山东省晨鸣集团污泥堆肥工程采用北京中科博联环保高新技术有限公司自行研发的CTB高温好氧快速堆肥技术进行污泥堆肥, 处理效果很好。该工程总投资2 600万元, 其中基建费1 300万元, 设备费900万元。另外, 太仓市巨龙农业养殖技术有限公司引进日本大平二号蚯蚓原种, 开发/蚯蚓生物转化污泥、生产生物有机肥0项目。该公司现已成功利用蚯蚓处理造纸污泥, 蚯蚓处理污水厂污泥正在研发中。
污泥制建材、污泥制肥和污泥发电等新兴技术也是今后污泥处理处置发展的方向, 但目前技术还不完善、规模化和产业化程度较低, 短期内较难实现大规模工程化应用。
3 污泥处理处置工艺流程的选择评估污泥处理处置技术是为了更合理地选择污泥处理处置工艺流程, 以便污水厂污泥处理处置工作正常、高效运转。中国城市污水厂污泥处理处置工艺流程及其应用比例见表3。 样化的。污水厂应根据自身的规模、污水污泥性质以及经济实力合理选择。
大中型污水厂(处理量在5万t/d以上)产泥量大, 污泥产率高, 因此适于选择处理量大、处理效率高的污泥处理处置工艺。在资金充裕的情况下, 污水厂宜选择带有污泥消化的工艺, 如浓缩池) 消化池) 机械脱水) 最终处置。该工艺是比较完备的污泥处理处置工艺流程。污泥消化可以明显改善污泥的理化性质, 降低污泥的生物活性, 实现污泥的稳定化, 但这种工艺基建投资和运行成本都很高。浓缩池) 机械脱水) 最终处置是我国最常见的污泥处理处置工艺流程, 但该流程缺少了消化工艺, 污泥有机物含量高,脱水后仍有较大异味且疏水性差。污水厂应尽量根据实际情况配备适合的消化工艺。
中小型污水厂(处理量在5万t/d以下)产泥量和污泥产率带来的压力小, 可适当选择一些经济性好的工艺。浓缩池) 最终处置工艺构成相对简单, 投资和运行成本较低, 因而经济性好。但污泥经浓缩后含水率仍在93% ～ 96%, 最终处置方法的选用受到了极大的限制。浓缩池) 机械脱水) 最终处置更适合小型污水厂应用。对于有资源优势和工艺上有特殊需要的污水厂, 可以根据实际情况选择其他工艺。如厂区周边有大量空地的污水厂可以选择带有干化场的工艺来处理处置污泥; 以生活污水为主的污水厂可以选择带有湿污泥池的工艺。
4 讨论
1)我国污泥处理处置技术评估方法体系尚不完善。目前我国污泥处理处置技术评估工作中, 对研究对象的界定、评价指标、评价方法和步骤等评估细则尚没有统一的规范和标准。
2)我国污泥处理处置技术及应用信息还不全面。目前关于我国污泥处理处置技术及应用情况的信息平台或数据库较少, 获取相关资料和信息的渠道也不够畅通, 数据搜集难度大, 影响了评估的效率和准确性。为此, 提出以下建议: a. 借鉴和引用国外成熟的污泥处理处置技术评估体系, 紧密结合我国污泥处理处置工作的现状, 尽快建立起适合我国污泥处理处置技术评估的技术框架和实施方法。b. 完善我国污泥处理处置技术评估工作的规范和标准, 使评估工作时有据可依。同时规范评估结果。c. 建立污泥处理处置技术数据库, 并促进信息共享, 加强我国污泥处理处置技术现状和应用情况的信息交流, 使评估工作的资料来源更翔实可靠。（中国环境科学研究院）
