城鎮(zhèn)污水廠污泥處理處置技術(shù)的研究進(jìn)展

張麗霞

（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102 )

1 引言

城鎮(zhèn)污水處理廠污泥主要是在污水處理過程中產(chǎn)生的沉渣與沉淀物，主要來源于初次沉淀池、二次沉淀池等工藝環(huán)節(jié)。城鎮(zhèn)污泥屬于有機(jī)污泥，其特點(diǎn)是有機(jī)物含量高，容易腐化發(fā)臭，顆粒較細(xì)，密度較小，含水率高且不易脫水，便于管道運(yùn)輸。

城鎮(zhèn)污泥兼具資源性和危害性雙重特性。一方面，污水中約40%～50%的污染物最終進(jìn)入城鎮(zhèn)污泥中，據(jù)美國環(huán)保署(以下簡稱USEPA)對污泥中污染物定向調(diào)查分析，在2006～2007年間對3 337座國有污水處理廠污泥中145種目標(biāo)污染物進(jìn)行了調(diào)查，包括4種陰離子污染物(亞硝酸鹽、硝酸鹽、氟化物、水解磷)、28種金屬、4種多環(huán)芳烴、2種半揮發(fā)性物質(zhì)、11種阻燃劑、72種藥品、25種激素和類固醇等，調(diào)查結(jié)果表明，上述污染物中129種污染物存在于污水處理廠的污泥中，由此表明城鎮(zhèn)污泥中存在大量污染物，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高[1]。另一方面，污泥中還含有大量的有機(jī)質(zhì)、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，其資源化、能源化潛力巨大。如歐洲一些污水處理廠通過城鎮(zhèn)污泥中生物質(zhì)能源的回收和綜合利用，能夠滿足污水處理過程60%的電耗需求。污泥中的磷具有潛在利用價(jià)值，因此如果將污泥中的磷提取出來進(jìn)行綜合利用將緩解磷資源匱乏的現(xiàn)狀。此外，對污泥中蛋白質(zhì)和腐殖酸資源進(jìn)行提取和開發(fā)，作為動物飼料和新型農(nóng)業(yè)肥[2]，也是實(shí)現(xiàn)污泥資源化的重要途徑。

2 污水處理技術(shù)

污泥處置技術(shù)主要包括污泥熱水解技術(shù)、協(xié)同消化技術(shù)、好氧發(fā)酵技術(shù)、污泥熱解技術(shù)、污泥富氧混燒技術(shù)等。

2.1 污泥熱水解技術(shù)

污泥熱水解技術(shù)(Thermal Hydrolysis Pre-Treatment)是以含固率15%～20%脫水污泥作為處理對象，采用處理溫度150～200℃、壓力600～2 500kPa情況下對污泥進(jìn)行處理[3]。污泥熱水解可能發(fā)生以下四個(gè)變化：污泥絮體分解、細(xì)胞破碎及有機(jī)物釋放、有機(jī)物水解及發(fā)生美拉德反應(yīng)。熱水解處理實(shí)現(xiàn)污泥無害化、減小污泥體積、提高污泥脫水性，促進(jìn)污泥厭氧消化；同時(shí)污泥在高溫狀態(tài)時(shí)易生成難降解的多聚氮，一定程度上降低了污泥生化性。

熱水解工藝流程主要包括混勻預(yù)熱、水解反應(yīng)和泄壓閃蒸。具體操作步驟分為：①通過傳輸泵從濃縮池中將待處理污泥輸送到熱水解反應(yīng)器中；②閃蒸蒸汽對熱水解反應(yīng)器中的污泥進(jìn)行預(yù)加熱，使其溫度提高到80℃；③反應(yīng)器溫度150～170℃、壓強(qiáng)0．6～2．5MPa、保持20～30min，由蒸汽鍋爐提供熱水解所需溫度和壓力；④反應(yīng)結(jié)束后，蒸汽被釋放到污泥預(yù)熱反應(yīng)器中；⑤熱水解污泥被釋放到緩沖池中貯存。此循環(huán)過程不需要泵，僅利用反應(yīng)器內(nèi)剩余壓力即可完成。

陶梅平等[4]研究熱水解預(yù)處理促進(jìn)污泥厭氧消化方面，表明熱水解預(yù)處理能有效水解污泥中的有機(jī)質(zhì)，當(dāng)熱處理溫度為150℃和170℃時(shí)，揮發(fā)性懸浮固體(VSS)水解率分別為38．1%和41．2%，溶解性碳水化合物水解率分別為37．9%和42．9%，溫度變化對氨氮影響較小。張琦東[5]試驗(yàn)結(jié)果表明170℃是熱水解的最佳溫度，且熱水解促進(jìn)揮發(fā)性脂肪酸的累積和揮發(fā)性懸浮固體的減量化，揮發(fā)性懸浮固體最大減量率為34%。提升與甲烷有關(guān)關(guān)鍵酶活性，促進(jìn)微生物群落結(jié)構(gòu)硬壁菌門和抗菌微生物的相對豐度分別為35．6%和3．9%。

2.2 協(xié)同消化技術(shù)

協(xié)同消化指兩種或兩種以上不同來源的物料混合進(jìn)行厭氧消化處理。共消化的主要優(yōu)勢有：①提高甲烷產(chǎn)率；②提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；③廢棄物得到很好處理；④不同來源的廢棄物使用同一套處理設(shè)施，提升設(shè)備使用效率；⑤多種廢棄物合并處置，有利于形成規(guī)?；?yīng)。

目前我國產(chǎn)生的脫水污泥和餐廚垃圾的含固率在15%～24%，適于進(jìn)行高含固厭氧消化處理。一般而言，垃圾單獨(dú)消化存在Na+抑制問題，Na+濃度過高會影響甲烷菌的活性，從而導(dǎo)致VFA(揮發(fā)性脂肪酸)持續(xù)積累最終導(dǎo)致系統(tǒng)酸化[6]。而污泥單獨(dú)消化時(shí)氨氮濃度較高，也會對甲烷菌產(chǎn)生影響，使系統(tǒng)酸化；而污泥和餐廚垃圾共同處理則很好的解決這一問題。當(dāng)脫水污泥和餐廚垃圾按4∶1進(jìn)行混合共消化時(shí)，與二者單獨(dú)消化處理時(shí)相比，在相同的停留時(shí)間下，共消化系統(tǒng)內(nèi)VFA濃度下降40%，單位體積產(chǎn)氣率提高57%。

共消化的工藝流程：在共消化工藝中除利用污泥，另一部分主要是廚余垃圾、動物糞便以及一些工業(yè)有機(jī)廢棄物。這些有機(jī)垃圾先通過碾磨機(jī)粉碎后進(jìn)行分選，其他干擾物質(zhì)通過篩子去除，剩下的有機(jī)垃圾先在稀釋池中被稀釋，然后被輸送到消毒穩(wěn)定池內(nèi)殺菌消毒，再和一定量的市政污泥混合在一起加入到消化池中進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣用于發(fā)電。主要設(shè)備包括預(yù)處理系統(tǒng)、消化池、沼氣收集系統(tǒng)、沼氣發(fā)電系統(tǒng)等。

秦文娟等[7]選用有機(jī)負(fù)荷1．0消化污泥樣1#、有機(jī)負(fù)荷1．0餐廚垃圾與污泥混合樣2#、有機(jī)負(fù)荷1．5餐廚垃圾與污泥混合樣3#、有機(jī)負(fù)荷3．0餐廚垃圾與污泥混合樣4#，1#～4#的單位生物氣產(chǎn)量分別為0．18L/gVs、0．85L/gVs、0．69L/gVs和0．66L/gVs，甲烷含量分別為56%、69%、57%和66%，混合厭氧消化后的剩余物比原消化污泥具有更好的生物降解能力。陳恒寶等[8]采用“餐廚預(yù)處理+污泥熱水解+高含固/協(xié)同厭氧消化”組合處理工藝，系統(tǒng)運(yùn)行表明揮發(fā)性固體平均降解率達(dá)53．5%，沼氣產(chǎn)率約0．45m3/kgVS投加，即0．84m3/kgVS去除。

2.3 好氧發(fā)酵技術(shù)

目前好氧發(fā)酵技術(shù)主要有膜覆蓋好氧發(fā)酵技術(shù)和超高溫好氧發(fā)酵技術(shù)。

膜覆蓋好氧發(fā)酵工藝是將帶有微孔功能的膜覆蓋在發(fā)酵的污泥堆體上，發(fā)酵過程產(chǎn)生的水蒸汽和二氧化碳可以向膜外排出，而病原微生物、氣溶膠等隔離在膜內(nèi)；同時(shí)通過底部風(fēng)機(jī)通風(fēng)，在膜內(nèi)形成一個(gè)低壓腔體，使堆內(nèi)的氧氣分布均勻，溫度交換平衡，從而促使污泥發(fā)酵過程中有機(jī)質(zhì)的充分降解和升溫滅菌[9]。在發(fā)酵堆體結(jié)構(gòu)上，膜覆蓋技術(shù)并未限制堆體結(jié)構(gòu)的形式，要求每個(gè)堆體配備單臺風(fēng)機(jī)。與常規(guī)發(fā)酵技術(shù)相比，其控制臭氣的效果更好，同時(shí)不需要過多的設(shè)置堆體間作業(yè)通道，因此單位面積上污泥處理效率比更高。鄒錦林等[10]研究了紡織用PTFE膜、改性PTFE膜覆蓋及無膜覆蓋時(shí)污泥好氧發(fā)酵時(shí)對臭氣的阻隔試驗(yàn)，表明相對于無膜覆蓋污泥好氧組，有膜覆蓋時(shí)對發(fā)酵初期硫化氫濃度降低64%左右；改性PTFE膜對氨氣的阻隔作用相當(dāng)于無膜覆蓋和紡織用PTFE膜覆蓋發(fā)酵累積氨氣揮發(fā)量的0．5倍左右。朱海偉等[11]研究采用兩階段共24d的膜覆蓋高溫好氧發(fā)酵工藝，通過調(diào)節(jié)物料含水率和C/N，經(jīng)高溫好氧發(fā)酵處理的污泥有機(jī)質(zhì)降解、含水率下降至45%左右，且堆體內(nèi)部維持60℃溫度8d以上，實(shí)現(xiàn)滅菌除雜的作用。

超高溫處理污泥技術(shù)是直接向污泥堆體中引入嗜熱微生物，同時(shí)引入性激發(fā)物質(zhì)，活化堆體內(nèi)源微生物；實(shí)現(xiàn)污泥堆體內(nèi)外源微生物協(xié)同代謝作用，從而促進(jìn)污泥堆體的發(fā)酵進(jìn)程。周普雄[12]研究污泥超高溫好氧發(fā)酵(HTC)和傳統(tǒng)高溫發(fā)酵(TC)工藝特點(diǎn)比對，表明HTC能快速進(jìn)入≥80℃的超高溫階段并持續(xù)9d，堆體最高溫度93．4℃，整個(gè)堆肥過程中50℃以上高溫維持21d，有效促進(jìn)堆體中有機(jī)質(zhì)降解和污泥熟化；堆肥結(jié)束HTC中有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別減少了21．2%和11．6%，TC有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別減少了15．9%和19．5%。且分析指出HTC超高溫和高溫階段的微生物群落組成與堆體溫度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，表明棲熱菌科和高溫放線菌科等嗜熱微生物是導(dǎo)致HTC出現(xiàn)超高溫并加速有機(jī)質(zhì)降解和促進(jìn)堆肥腐熟的主要原因。

2.4 污泥熱解新技術(shù)

污泥熱解新技術(shù)主要有濕式氧化技術(shù)、污泥高溫碳化技術(shù)和熱干化新技術(shù)三種。

濕式氧化技術(shù)用于在高溫及一定壓力下處理高濃度廢水和難生化降解廢水處理時(shí)產(chǎn)生的污泥。在密閉反應(yīng)器中通入空氣或氧氣促使污泥中有機(jī)物氧化分解。有關(guān)試驗(yàn)表明污泥在300℃以上氧化30min后，污泥中82%的有機(jī)物被降解，70%以上的懸浮物被去除。該技術(shù)特點(diǎn)是殺滅污泥中病原菌等微生物，可實(shí)現(xiàn)土地利用，實(shí)現(xiàn)污泥減量化，改善污泥脫水性能。李維成等[13]對污泥濕式氧化反應(yīng)條件及產(chǎn)物進(jìn)行研究表明，污泥的有機(jī)質(zhì)分解率達(dá)90%以上；固相產(chǎn)物殘?jiān)臒崾е芈市∮?0%；液相產(chǎn)物中含有COD可返回污水廠處理；氣相產(chǎn)物無SO2和NOx；重金屬富集于殘?jiān)?。徐巖[14]研究經(jīng)濕式氧化處理后的污泥含水率降至10%左右，有機(jī)質(zhì)含量為18%左右，pH值上升至8左右，重金屬含量大幅下降，且反應(yīng)后污泥中有機(jī)質(zhì)含量滿足土地改良泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

污泥高溫碳化技術(shù)是在一定溫度和無氧或缺氧條件下，通過裂解等方式將生化污泥中揮發(fā)分強(qiáng)制脫出，同時(shí)保留污泥中的碳值，使最終產(chǎn)物中的碳含量比例大幅提高的過程[8]。污泥碳化系統(tǒng)主要包括污泥儲倉、干化爐、碳化爐、冷凝器、旋風(fēng)除塵器、二次燃燒爐、廢熱鍋爐、洗滌塔及螺旋輸送機(jī)、風(fēng)機(jī)、煙囪等。根據(jù)魯濤等[15]以10t/d污泥碳化系統(tǒng)運(yùn)行的研究表明，排放的煙氣污染物含量：煙塵0．01mg/m3、煙氣黑度1級格林曼黑度、CO為30mg/m3、NOx為16．9mg/m3、SO2為37．3mg/m3、HCl為4．2 mg/m3、汞為0．003 4mg/m3、鎘為0．002mg/m3、鉛為0．02 mg/m3。最終產(chǎn)物類似于木炭固狀物可以作為低級燃料或用于土地改良用泥質(zhì)回歸土壤，實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和資源化。

熱干化技術(shù)中采用電場協(xié)同進(jìn)行污泥干化技術(shù)屬于其中一項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)，該技術(shù)是通過加入電場防止污泥干化過程中粘壁現(xiàn)象發(fā)生，外加電場時(shí)的污泥粘壁僅為無外加電場時(shí)的1/16，主要由于外加電場提高了污泥內(nèi)部傳熱效率，降低了污泥和加熱面之間的傳熱阻力；另外在電場作用下，帶負(fù)電荷的微生物向陽極運(yùn)動，帶陽離子的水分向陰極運(yùn)動，使泥水分離，改善了污泥的干化效果[16]。當(dāng)污泥含水率大于50%時(shí)，電場協(xié)同污泥熱干化速度較傳統(tǒng)方法明顯提高。孫啟元等[17]對采用熱干化技術(shù)污水廠運(yùn)行效果分析表明熱干化技術(shù)能快速降低污泥含水率至30%以下，污泥減量率達(dá)71%，且干化尾氣中惡臭及二惡因排放符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值。

2.5 富氧混燒污泥新技術(shù)

傳統(tǒng)污泥焚燒分為單獨(dú)焚燒和混合焚燒，存在的問題主要有：對污泥含水率要求較高，摻混率要求嚴(yán)格，限制工程推廣應(yīng)用，產(chǎn)生的尾氣治理成本高、能耗大等。

富氧混燒污泥新技術(shù)是在濕污泥中加入新型助濾劑后脫水至含水率50%左右，與少量秸稈混合制成衍生燃料，秸稈與污泥摻混比例一般為1∶5～1∶3。制得的衍生燃料與生活垃圾摻混焚燒，同時(shí)通入氧氣助燃，焚燒爐內(nèi)為富氧燃燒，生成的熱能可回收綜合利用。氧氣供應(yīng)量根據(jù)生活垃圾的含水率、不燃成分含量及污泥熱值的不同進(jìn)行調(diào)整，一般情況下，助燃風(fēng)含氧量為21%～25%[18]。上述技術(shù)特點(diǎn)是通過調(diào)整氧氣供應(yīng)量，實(shí)現(xiàn)處理物料充分燃燒，避免了摻混比例調(diào)節(jié)，放寬污泥含水率限制，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；幹霉腆w廢棄物。王梓桓[19]研究表明污泥在O2/CO2氣氛中燃燒，氧氣濃度升高，污泥更容易著火，燃盡時(shí)間縮短，失重速率和綜合燃燒特性參數(shù)均增大，整體燃燒性能改善。燃燒之后，重金屬在灰渣中富集，重金屬的富集量及種類受溫度和氣氛的影響。萬嘉瑜[20]熱重試驗(yàn)表明，隨氧濃度的提高，著火溫度降低，反應(yīng)速率加快，綜合燃燒性能隨之提高，并得出富氧燃燒的理想工況為氧濃度在25%～35%。

3 展望

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)污水處理效率不斷提升，污泥產(chǎn)生量也呈現(xiàn)逐年增長的趨勢。截至2017年12月底，全國城市、縣累計(jì)建成污水處理廠5 027座，污水處理能力達(dá)1．88億m3/d，年產(chǎn)生含水量80%的污泥5 000多萬t。特別是2015年發(fā)布的《水污染防治行動計(jì)劃》規(guī)定，地級市及以上城市污泥無害化處置率應(yīng)于2020年底前達(dá)到90%以上。因此，城鎮(zhèn)污水處理廠污泥的安全處置問題將日益突出，污泥處置存在巨大的市場空間和機(jī)遇挑戰(zhàn)。