城市污泥處理處置技術(shù)研究進展

楊傳璽 王小寧

摘? 要：目前我國城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展及污水處理率的大幅提高，城市污泥產(chǎn)量急劇倍增且成分復(fù)雜，探究城市污泥有效地處理處置技術(shù)已成為環(huán)境工作者研究的熱點?；趯Τ鞘形勰嗟漠a(chǎn)生來源、組成成分、理化特性和污染特征的探討，歸納總結(jié)了城市污泥的典型污染特征及其環(huán)境危害性。為有效調(diào)控城市污泥環(huán)境風(fēng)險，深入探討了國內(nèi)外城市污泥的處理處置方式。最后，對城市污泥的環(huán)境危害性及其處理處置方式的研究進行了展望，為優(yōu)化城市污泥的處理處置方式提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：城市污泥;污泥處理;污泥處置

中圖分類號：X705 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）36-0157-03

Abstract： In recent years， with the rapid development of urbanization and the substantial increase in sewage treatment efficiency in China， the production of municipal sludge soars rapidly and the composition of it is complicated. Therefore， it has become a hot spot for environmental workers to explore the effective treatment and disposal technology of urban sludge. Based on the source， composition， structural characteristics and pollution characteristics of urban sludge， the typical pollution characteristics and environmental hazards were summed. In order to effectively control the environmental risk of urban sludge， the treatment and disposal methods was discussed. Finally， the outlook for the study on the environmental hazards and the treatment and disposal of urban sludge was included， which provides a theoretical basis and technical support for the treatment and disposal of urban sludge.

Keywords： urban sludge; sludge disposal; sludge treatment

城市污泥是指在污水處理過程中產(chǎn)生的固體、半固體或液體殘留物，由細菌菌體、有機殘片和無機顆粒等組成的成分極其復(fù)雜的非均質(zhì)體，污染生態(tài)環(huán)境甚至威脅人類健康[1]。城市污水的處理方式方法決定了污泥的來源，污泥的生成受污水量、污水來源、處理工藝、污泥脫水程度等因素的影響，污泥在污水處理過程中的生成量約為污水體積的0.3-0.5%[2]。污水處理過程中產(chǎn)生的城市污泥主要有以下四種來源：一是由格柵和沉砂池產(chǎn)生的柵渣和無機顆粒物，污泥的產(chǎn)生量和物化性質(zhì)受污水水質(zhì)及沉砂池的設(shè)計運行情況影響;二是由初次沉淀池污泥產(chǎn)生的以浮渣和粗大顆粒為主的污泥，污泥量與懸浮物、沉淀效率和排泥濃度有關(guān);三是由二次沉淀池產(chǎn)生的富含微生物的剩余活性污泥，產(chǎn)量取決于污水生物處理工藝和排泥濃度;四是由化學(xué)沉淀池產(chǎn)生的化學(xué)污泥，污泥性質(zhì)取決于混凝劑的種類，污水中的懸浮物量和藥劑投加量影響污泥的產(chǎn)生量。全球每年可以產(chǎn)生幾千萬噸的干污泥，而且我國城市污泥大約以每年10%的速度增長[3]，污泥的處理處置已成為環(huán)境保護工作的重點研究內(nèi)容。

污泥表面呈黑色或黑褐色，粘滯狀，顆粒粒徑為100 μm左右，比重約為0.8g/cm3;污泥含水率為60-70%時為黏膠狀，小于50%時為粘土狀，干化后呈比較堅硬的固體，不易破碎，分散困難;污泥主要由有機質(zhì)和硅酸鹽粘土礦物組成，有機質(zhì)含量高于硅酸鹽粘土礦物時為有機污泥，有機質(zhì)含量低于硅酸鹽粘土礦物為土質(zhì)污泥，二者含量相當(dāng)時為有機土質(zhì)污泥;污泥的熱值取決于其中有機物質(zhì)的含量，污泥有機質(zhì)含量高達60-80%，病原菌和寄生蟲卵等微生物含量較多，污泥容易腐化變臭，氣味刺鼻難聞;污泥富含氮、磷、鉀元素以及植物生長所必需的鐵、鋅、銅等微量元素，大部分污泥中銅、鉛、汞等重金屬含量較高[4-5]。

城市污泥經(jīng)濃縮、離心機械脫水后含水率仍為70%左右，污泥仍含大量水分，而且還含有各種對環(huán)境有毒害作用的重金屬元素;難降解有機物與其他殘留的有機碎屑，同時污泥中還含有大量細菌、真菌、病毒等多種微生物，因而污泥若得不到有效地處理處置容易對環(huán)境造成二次污染。未得到有效處理處置的污泥存在多方面的問題：侵占土地，污泥堆積填埋占用大量土地資源;污泥中含有大量腸道細菌、蠕蟲寄生蟲和病毒等大量病原菌，且濃度遠遠高于污水中的含量，污泥滲濾液容易污染水體、河床，甚至威脅食物鏈安全;污泥中有機物質(zhì)被分解釋放出大量惡臭氣體，嚴重污染大氣環(huán)境[6];重金屬含量高，污泥還田容易污染土壤，殺滅土壤微生物，破壞土壤結(jié)構(gòu)，造成土壤板結(jié)退化[7]。1983年，LESTER等[8]基礎(chǔ)性地綜述了重金屬在城市污泥處理和處置中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)重金屬的不同存在形態(tài)存在毒性差異，提出兼顧環(huán)境接收重金屬的最終形態(tài)，制定更加嚴格細致的城市污泥重金屬處理處置標準。本文對城市污泥基礎(chǔ)特征特性和污泥處理處置方式進行了歸納總結(jié)，為進一步優(yōu)化城市污泥處理處置方式和調(diào)控污泥產(chǎn)生水平提供理論支撐。

1 城市污泥處理技術(shù)

城市污泥是污水處理廠處理污水的衍生物，含有泥沙、纖維、重金屬和病原菌等殘留物，如果城市污泥未能夠得到有效地處置，容易對環(huán)境安全和人類健康帶來極大的威脅[9-10]。

1.1 污泥濃縮

污泥濃縮處理技術(shù)是通過重力、氣浮或離心作用的方式達到固水分離的目的，可以顯著降低污泥含水率同時減小污泥體積，減輕后續(xù)污泥處理的負擔(dān)[11-12]。在污泥物理濃縮方式的基礎(chǔ)上，通過添加化學(xué)絮凝劑可以有效減少污泥濃縮時間提高濃縮效率。污泥濃縮主要適用于含水率在96%以上的泥水混合液，經(jīng)濃縮后含水率可降低2%-4%。2013年，孫興福課題組[13]開創(chuàng)性地研究了兩相一體式污泥濃縮消化反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)在最佳污泥投配率下污泥濃縮后含水率可降低4%-7%，并最終形成特定的生態(tài)群落結(jié)構(gòu)。

1.2 污泥干化

污泥穩(wěn)定的目的是去除或減少污泥中一部分有機物，同時殺滅或抑制其中病原微生物增長，進一步降低污泥含水率的過程。一般城市污泥含水率在70%或調(diào)至70%左右時，均可通過厭氧微生物消化和好氧微生物發(fā)酵技術(shù)進行污泥穩(wěn)定。厭氧微生物消化是在無氧或氧氣含量低的條件下，由兼性或?qū)Ｐ詤捬蹙到庥袡C物產(chǎn)生二氧化碳和甲烷的過程;而好氧微生物發(fā)酵是對污泥進行長時間曝氣，通過好氧微生物內(nèi)源呼吸，經(jīng)過升溫、高溫、降溫和腐熟四個階段進行自身氧化反應(yīng)的過程[14-15]。由于厭氧微生物消化過程難以避免的產(chǎn)生大量堆體滲濾液，嚴重威脅生態(tài)安全和人類健康;目前，好氧微生物發(fā)酵技術(shù)以其污泥減容量顯著、性質(zhì)更穩(wěn)定、產(chǎn)品除臭明顯、病原菌含量低和用途更加廣泛等優(yōu)點，已成為當(dāng)下固體廢物污泥穩(wěn)定處理方法的研究熱點[16]。2016年，吳直穎等[17]報道了經(jīng)過20天的污泥生物干化試驗后，發(fā)現(xiàn)堆肥物料表面出現(xiàn)明顯的孔洞和裂紋，單位污泥有機質(zhì)含量減少13.1%。

1.3 其他處理技術(shù)

城市污泥的處理技術(shù)還包括以下方法：（1）濕式空氣氧化技術(shù)。該方法主要適用于處理有機物質(zhì)含量高的難降解污泥，將污泥置于密閉反應(yīng)器中，在高溫高壓下通入空氣或氧氣，進而氧化分解污泥中有機質(zhì)[18]。（2）蚯蚓處理污泥技術(shù)。蚯蚓凈化處理后，污泥中的銅、鋅、鎳等含量均有明顯降低，惡臭味明顯改善，處理產(chǎn)品土質(zhì)疏松、營養(yǎng)豐富[19]。（3）污泥酸化技術(shù)。將水解酸化后的處理污泥回流至廢水處理系統(tǒng)中集中處理代謝，降低污泥排放量[20]。（4）污泥人工濕地處理技術(shù)。該技術(shù)是一種將污泥濃縮、脫水、降解于一體的新型城市污泥處理技術(shù)，降低基建投資和運行費用[21]。

2 城市污泥處置技術(shù)

處理后的污泥需進行有效地處置，傳統(tǒng)的污泥處置方式包括污泥填埋、焚燒和投海等。

2.1 污泥填埋

污泥填埋操作簡單，適應(yīng)性強;但投資費用高，占地面積大，滲濾液容易對土壤和地下水帶來二次污染;填埋并不能最終消除污染，只是延緩了污染的發(fā)生時間。隨著污泥處置技術(shù)的發(fā)展進步，污泥填埋處置所占比例越來越小。例如英國污泥填埋比例從1980年的27%降低至10%;歐洲在1992年有40%左右的污泥通過填埋法處置，但2005年僅有不足20%的污泥填埋;如今美國絕大部分的污泥填埋場早已被關(guān)閉[22]。近年來，由于滲濾液對地下水的潛在威脅和城市用地的嚴重不足，污泥衛(wèi)生填埋處置技術(shù)的標準要求越來越高以及許多國家地區(qū)堅決反對新建污泥填埋場，因而污泥不合理地填埋及其造成的二次污染得到了有效預(yù)防。

2.2 污泥焚燒

污泥中含有一定量的有機組分，脫水干燥后的污泥可通過焚燒處理，實現(xiàn)有機物碳化、能量回收，殺死病原菌，最大限度降低污泥體積的目的。在日本已有超過60%的污泥經(jīng)由焚燒處置，歐盟也在10%以上[23]。污泥焚燒主要分為兩大類：一是將脫水污泥直接焚燒。直接焚燒需要摻入大量的煤或油等輔助燃料，運行成本高，燃燒效率和熱效率均較低;二是先將脫水污泥低溫干化后再焚燒，無需添加輔助燃料[24]。但污泥焚燒的缺點在于處理設(shè)施投資大，處理費用高，焚燒過程容易產(chǎn)生二噁英等有毒物質(zhì)，對生態(tài)環(huán)境造成二次污染。

2.3 污泥投海

這是一種簡單方便的污泥處置方式，投資處理費用較低，但會嚴重污染海洋環(huán)境和威脅人類健康。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生態(tài)環(huán)保意識的不斷加強，污泥投海技術(shù)已受到越來越多國家的禁止，早在1991年美國就已全面禁止污泥投海;歐洲國家從1999年開始禁止向海洋傾倒污泥;我國于1994年起不再在海上處置工業(yè)廢物和污水污泥。

3 結(jié)束語

近年來，有關(guān)城市污泥處理處置技術(shù)的研究已經(jīng)取得了較為理想的成果，然而在污泥的產(chǎn)生量調(diào)控、污泥有效處理、污泥合理處置及資源化綜合利用方面仍存在一定的爭議。目前，基于城市污泥處理處置中遵循的穩(wěn)定化、無害化、減量化和資源化等原則，污泥處理處置技術(shù)應(yīng)重點關(guān)注以下三點：

（1）污泥材料化，包括建筑材料（制磚、生態(tài)水泥、生化纖維板、輕質(zhì)陶粒、蛋白塑料、路基地下水道襯墊、瀝青細骨料、微晶玻璃）、環(huán)保材料（制備吸附劑、絮凝劑、黏結(jié)劑和可降解塑料等;提取重金屬）、污泥養(yǎng)殖（飼料蛋白和提煉動物用維生素B12等動物飼料、飼料添加劑）。

（2）污泥能源化，包括制備可燃性的油和氣等燃料（污泥低溫?zé)峤庵瓶扇夹杂秃蜌?、污泥消化產(chǎn)沼氣、污泥發(fā)酵產(chǎn)氫、污泥合成燃料技術(shù)）、污泥發(fā)電（干污泥顆粒用于發(fā)電廠燃料摻合料、污泥燃燒發(fā)電，污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣發(fā)電）和污泥焚燒產(chǎn)熱（摻入燃煤中焚燒法）。

（3）污泥土地利用，包括污泥農(nóng)用（風(fēng)干后直接施肥等污泥直接農(nóng)用、堆肥或制成污泥復(fù)合肥之后的農(nóng)業(yè)利用等間接農(nóng)用、城市污泥植物處理和直接農(nóng)用結(jié)合）、森林園藝利用（用于園林綠化地和林地的建設(shè)、城市園林綠化的肥料）和土壤修復(fù)（土壤改良劑，如污泥改良黃土）。

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