城市污泥資源化處理技術及其裝備的現(xiàn)狀和前景展望

陳啟東，孫越高

（1.常熟理工學院機械工程學院，江蘇常熟215500；2.蘇州大學機械學院，江蘇蘇州215000）

城市污泥資源化處理技術及其裝備的現(xiàn)狀和前景展望

陳啟東1，孫越高2

（1.常熟理工學院機械工程學院，江蘇常熟215500；2.蘇州大學機械學院，江蘇蘇州215000）

隨著我國經濟和城市化的迅速發(fā)展，城市污水處理廠污泥不斷增多，污泥的處理及資源化利用已經成為當前急需解決的問題.本文綜述了國內城市污泥的處理現(xiàn)狀；探討和介紹了城市污水處理中污泥處理處置的技術及其裝備；介紹了一些污泥資源化處理的新技術；給出了今后污泥資源化處理處置的發(fā)展趨向.

污水處理廠；污泥處理處置；資源化；新技術；發(fā)展趨向

城市污泥是指城市生活污水、工業(yè)廢水處理過程中產生的固體廢棄物［1］.隨著城市污水處理廠不斷的建成和使用，污泥量的增加速度越來越快.如果這些污泥只是進行簡單的填埋處理，將會引起嚴重的二次污染.如何進行妥善安全的處理，使其無害化、減量化，最終達到資源化，已經成為深受關注的重大課題［2］.另一方面，鑒于設計和使用等諸多方面的因素，目前只有少數的污水處理廠采用機械濃縮設備以及離心脫水等設備，大部分城市污水處理廠仍舊采用單一的機械設備.

1　城市污泥處理現(xiàn)狀

1.1我國城市污水廠污泥的成分特點

我國城市污水中工業(yè)廢水的比重較大，故污泥中重金屬含量比較高.污水廠污泥主要是可溶解的有機生物和不可溶解的無機物.我國的污泥特征為碳水化合物含量高；有機物質和脂肪含量低；污泥中含有大量可被植物利用的營養(yǎng)成分，如氮、磷、鉀等［3］；污泥具有較高的熱值，在一定含水率下具有自燃和用作能源的可能性［4］.

1.2國內城市污泥處理的現(xiàn)狀

據《城市建設統(tǒng)計年鑒》顯示，截止2014年底，我國城鎮(zhèn)的污水處理能力已經達到每天1.52億噸，由此帶來的城市污泥年產量超過3500萬噸（含水率為80%）.“十二五”規(guī)劃中，對污泥處理處置的目標為：相關建設投資超過300億元，增加污泥處置能力每年500萬噸，折合濕泥2500萬噸，城鎮(zhèn)的污泥無害化處置率需達到80%.污泥的處置已經成為需要重點解決的問題.目前，常見的污泥處理方法主要有土地填埋、焚燒法、生物堆肥和厭氧消化.

1.3我國污泥處理現(xiàn)狀分析

目前，我國在污泥處理過程中，填埋占據了較大的比例，農用也占一定比例，焚燒只占據了相當小的比例.圖1給出了我國處理污泥各種方法所占的比例［5］.由于填埋會消耗大量的土地資源，污泥中含有的大量重金屬對植物有毒害作用，并且會對地下水造成污染.因此，填埋法作為城市污水廠污泥的處置方法，應該減少其比例.

圖1　中國處理污泥各種方法所占比例

針對目前我國城市污泥處理的現(xiàn)狀，科技部在“十二五”期間啟動了關于市政污泥資源化處理的重點專項（節(jié)能降耗市政污泥處理與能源化利用技術與工程示范）.該專項根據我國各地的市政污泥和相關資源的具體情況.提出了處理城市污泥的幾種關鍵技術：污泥摻混制備生物質燃料技術、污泥制陶技術、污泥厭氧發(fā)酵技術、污泥濃縮脫水干燥技術、污泥重金屬處理技術、污泥發(fā)酵制肥技術等.目前各方向課題組都已完成中試進入結題驗收階段.污泥摻混制備生物質燃料技術包括：污泥與褐煤半焦粉摻混技術、污泥與植物秸稈摻混技術、污泥與煤摻混制備水煤漿技術.作者承擔了污泥摻混制備生物質燃料中污泥摻混植物秸稈制備生物質燃料的子課題.針對我國廣大小城鎮(zhèn)秸稈資源豐富且焚燒污染環(huán)境的問題，項目通過將秸稈粉碎后與干化污泥摻混造粒制備生物質燃料，利用燃料燃燒后產生的部分高溫煙氣，用流化床技術將污泥快速干化，通過特制的生物質鍋爐燃燒以達到資源化利用.燃燒后的煙氣經處理后達標排放.項目解決了污泥快速干化關鍵技術、污泥秸稈摻混造粒技術、煙氣處理關鍵技術.使我國污泥資源化利用技術達到了國際先進水平.目前城市污泥處理還存在著一些關鍵的技術問題：污泥濃縮脫水干燥技術中，雖然現(xiàn)在已有強力壓濾機，可將污泥的含水率控制在65%左右，但壓成的泥餅堅硬，不利于后期的資源化利用；在污泥的焚燒技術當中，污泥的焚燒溫度［6］必須控制在800～1100℃之間；污泥重金屬處理技術并不是相當完善等等.這些問題還需要今后進一步研究和完善.

2　城市污水處理中污泥處理處置技術及其裝備

2.1太陽能污泥干燥技術及設備

在污泥處理處置的過程當中，污泥干燥和焚燒是最完全、最穩(wěn)定的處理手段.但在焚燒過程中易產生硫氧化物、二噁英、氮氧化物等污染物，會對環(huán)境造成二次污染［7］，因此對污泥干燥技術［8］的研究就顯得尤為重要.饒賓期、曹黎［9］研究利用太陽能熱泵對污泥進行干燥，整個干燥系統(tǒng)包括干燥箱、太陽能系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)和控制系統(tǒng).干燥箱內部設置輸送帶，兩側配置熱泵供熱系統(tǒng)和太陽能供熱系統(tǒng).風機、制冷器、壓縮機、冷凝器等組成熱泵系統(tǒng)，風機、水泵、集熱真空管等組成太陽能供熱系統(tǒng).干燥箱、熱泵供熱系統(tǒng)以及太陽能供熱系統(tǒng)通過風管連接，風管上設置風量調節(jié)閥和風量傳感器.結構如圖2所示.

圖2　太陽能熱泵干燥系統(tǒng)示意圖

太陽能熱泵干燥系統(tǒng)通過太陽能的熱能和熱泵產生的熱能對污泥進行干燥.此過程當中，太陽能為熱泵干燥的輔助熱源；熱泵干燥采用逆卡諾原理，在壓縮機的作用下，冷媒在系統(tǒng)內循環(huán)流動，同時不斷吸收空氣的熱量并轉移到干燥箱之中.

2.2污泥脫水干燥一體化技術及設備

目前國內外有關污泥脫水主要采用如下方法：板框壓濾機［10］對污泥脫水、箱式隔膜板框壓濾機［11］對污泥脫水、普通帶式過濾機對污泥脫水、離心脫水機對污泥脫水.板框壓濾機的優(yōu)點是其結構簡單、處理量大，缺點是功耗大、需要的勞動強度大；箱式隔膜板框壓濾機具有處理量大、濾餅含水率低的優(yōu)點，其缺點是結構復雜、功耗較大；普通帶式過濾機的優(yōu)點是其自動化程度高、耗能小，缺點是處理量低、濾餅含水率較高；離心脫水機具有自動化程度高、處理能力大等優(yōu)點，缺點是功率消耗大、濾餅含水率高.

國內外有關污泥脫水干燥主要采用如下方法：滾筒式污泥干燥機、帶式污泥干燥機［12］、耙式攪拌污泥干燥機.滾筒式污泥干燥機優(yōu)點是結構簡單、處理量大，缺點是功耗大、綜合運行成本高、設備占場地大；帶式污泥干燥機具有結構簡單的優(yōu)點，缺點是漏灰問題不易解決、功耗大、設備占地面積大；耙式攪拌污泥干燥機優(yōu)點是結構相對簡單，熱效率高，但具有功耗大、污泥粘耙問題不易解決等缺點.

經過多年的研究，在反復實踐的基礎上，污泥資源化利用課題組開發(fā)設計了一種“污水處理廠污泥：螺旋濃縮→帶式振動壓榨→振動干燥一體化脫水與干燥成套設備”，如圖3所示.該設備與傳統(tǒng)脫水與干燥設備相比，生產效率提高25%～30%，綜合運行成本降低15%～20%，干燥后的污泥可以直接送發(fā)電廠作燃料，同時也解決了冬季污泥因含水率高無法運輸問題.

圖3　污泥脫水干燥一體化處理工藝流程圖

2.3污泥干燥流化床技術及設備

普通的機械脫水不能夠將污泥深度脫水，當前很多專家都認為流化床干燥是深度脫水的有效方式.袁東成、黃亞繼等［13］研究了濕污泥在流化床中的干燥特性；張健、顧劍等［14］提出了一種流化床污泥系統(tǒng)工藝的優(yōu)化；李亞云［15］對循環(huán)流化床一體化污泥焚燒工藝進行了實驗研究；Vaxelaire等［16］成功搭建了對流干化的實驗裝置，研究了污泥干化勢能和污泥干化動力學等.

流化床污泥干燥機具有干燥速度快、流化床內部溫度較容易控制、時間選定容易等優(yōu)點.此種技術可以得到含水率極低的干燥污泥.在污泥干燥方面，流化床技術具有極其廣泛的應用前景.

2.4污泥旋流分離裝置

通過調查分析，蘇州地區(qū)（以常熟市為例）污水處理廠污水處理的基本流程為：進水→粗格柵及進水泵房→細格柵及旋流沉沙池→水解酸化池→…→濃縮池→勻質池→污泥脫水機房→泥餅外運處置，在污泥脫水過程之前污水池中污泥的含固率大約在0.8%-1%，若在污泥脫水之前將污泥進一步濃縮，可以很大程度上提高污泥脫水過程中壓濾機或者離心機的工作效率，降低污水處理的成本.污泥資源化利用課題組針對上述問題，經過反復試驗，設計出了一套旋流分離裝置.通過復合型旋流分離器［17-18］，使得污泥在壓濾機或離心機處理之前便得到很大程度的濃縮.經離心分離濃縮后的污水中污泥的含固率超過3%.可大大提高帶式慮壓機的污水處理能力.該裝置具有結構簡單、操作方便、壓力損失小、處理能力大等特點，其結構示意圖如圖4所示.整個裝置主要包括直管段、上小下大喇叭口形管、方形管、整流器、螺旋導流葉片、圓弧管以及斜切單入口式的旋流分離器.

圖4　復合型旋流分離器裝置結構示意圖

3　城市污泥資源化處理技術及設備的發(fā)展趨勢

從“十一五”以來，國家對城市污水處理廠污泥的處置十分重視，先后發(fā)布了《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術政策（試行）》、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質》、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質》、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置制磚用泥質》、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術指南（試行）》、《化學品有機物在消化污泥中的厭氧生物降解性氣體產量測定法》等污泥處理處置的相關政策和標準規(guī)范［19］.盡管污泥資源化利用已廣為人們接受，國家在這方面也投入了大量的人力和財力，但是污泥中存在病原體、有毒物質、重金屬等，在處置過程中會轉移到最終產品中造成二次污染.污泥的處理工藝也影響到污泥處置的費用和產品的質量，這些均成為限制污泥資源化利用的主要因素.因此，迫切需要尋求新的、有效的污泥處置方法.

作者主持的課題組總結了今后污泥資源化處理的新技術：污泥低溫熱解制油技術［20］、污泥超聲波處理技術［21］、超臨界水氧化技術［22］、污泥活性炭技術［23］、污泥熔化技術［24］、污泥電弧等離子體處理技術［25］等等.設備方面，太陽能熱泵污泥干燥、污泥干燥流化床以及污泥旋流分離裝置在今后將有巨大的發(fā)展空間，同時，低能耗、低磨損的污泥脫水裝置將成為今后的發(fā)展趨勢.當前，已有很多學者對各種污泥脫水設備的運行參數［26-28］以及其它工藝參數進行了研究，這些最佳的運行參數在不久的將來一定能夠得到充分的利用.

4　城市污泥資源化處理的前景展望

盡管污泥處置行業(yè)目前的確存在不少問題，但毋庸置疑的是，城市污泥的資源化前景十分廣闊.2015年4月16日出臺的“水十條”明確提出進一步推進城市污泥處理處置，現(xiàn)有污泥處理處置設施應于2017年底基本完成達標改造，地級及以上城市污泥無害化處理率應于2020年底前達到90%以上.針對污泥處理處置下一步發(fā)展策略，一方面要繼續(xù)堅持無害化處理和資源化利用并存；另一方面，要多與其他行業(yè)進行互動.中國工程院張杰院士認為：污泥是污水處理過程中產生的副產物，來源于生產農產品的土壤，處理的大方向理應回歸農田.中國科學院地理科學與資源研究所環(huán)境修復中心余杰等［29］專家認為污泥的土地利用是今后的發(fā)展方向之一，無論是污泥的干燥、好氧發(fā)酵，還是最新的污泥資源化處理處置方法的推出，污泥的最終歸屬還是土地.

總而言之，隨著社會的不斷發(fā)展和進步，世界各國的污泥排放量都會大大增加，污泥處置也將成為全球關注的重大環(huán)境問題，機械濃縮和離心脫水設備也將成為各國重點研究的對象.污泥的處理處置應從環(huán)境污染、衛(wèi)生安全以及經濟效益等多方面綜合考慮；污水處理的機械設備應從低能耗、低磨損、能夠連續(xù)生產等方面綜合考慮.具備能源回收利用的污泥處理處置的新方法將會在今后發(fā)揮不可替代的作用.雖然這些技術目前還存在著一些有待解決的問題，但應用前景十分光明.

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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

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）“污泥摻混制備生物質燃料技術裝備及應用”（2012AA063506）

陳啟東，教授，研究方向：機械振動、流體機械，E-mail:cqd666@163.com.