污水處理廠污泥減量化技術(shù)的探討

宋艷會 李兵 楊培君 李元明 李家樂 魏志剛

摘? ? ? 要：介紹污水處理廠污泥的主要來源及性質(zhì)，明確污水處理廠污泥減量化、無害化工作急需一套完整的處理體系，無論是在水處理環(huán)節(jié)，還是污泥處理環(huán)節(jié)，均應(yīng)加大對污泥減量化技術(shù)的研究和落實。在污水處理過程中通過外加酶水解技術(shù)、機械處理技術(shù)、熱處理技術(shù)、熱化學(xué)水解技術(shù)、電處理技術(shù)等技術(shù)手段使得細胞破裂，釋放細胞內(nèi)物質(zhì)，然后回流至活性污泥池，進一步降解細胞破裂產(chǎn)生的溶解產(chǎn)物，從而實現(xiàn)污泥減量。后污泥減量技術(shù)是在污泥產(chǎn)生后，通過污泥厭氧消化、污泥濃縮脫水、污泥干化、污泥焚燒等處理工藝，進一步降低污泥產(chǎn)生量及處置成本。通過各種污泥減量技術(shù)的比選，明確每種技術(shù)的優(yōu)缺點，為其他污水處理廠污泥減量工作提供可借鑒意義。

關(guān)? 鍵? 詞：污泥減量;污泥干化;污泥消化;污泥焚燒

中圖分類號：TU 992.3? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）11-2570-05

Discussion on Sludge Reduction Technology for Sewage Treatment Plants

SONG Yan-hui， LI Bing， YANG Pen-jun， LI Yuan-ming， LI Jia-le， WEI Zhi-gang

（Olefin Factory of petroChina Fushun Petrochemical Company， Fushun 113008， China）

Abstract： The main sources and properties of sludge in sewage treatment plants were introduced， and it was pointed out that the reduction and harmlessness of sludge in sewage treatment plants urgently required a complete treatment system， whether in the water treatment link or the sludge treatment link. The research and implementation of sludge reduction technology should be increased. In the sewage treatment process， adding enzymatic hydrolysis technology， mechanical treatment technology， heat treatment technology， thermochemical hydrolysis technology， electric treatment technology and other technical means should be used to make the cell rupture， release the intracellular substance， and then return to the activated sludge tank to further degrade the cell rupture dissolved products to achieve sludge reduction. Post-sludge reduction technology is to further reduce the amount of produced sludge and the cost of disposal through treatment processes such as sludge anaerobic digestion， sludge thickening and dewatering， sludge drying， and sludge incineration. Through the comparison and selection of various sludge reduction technologies， the advantages and disadvantages of each technology have been clarified， which can provide reference for other sewage treatment plants' sludge reduction work.

Key words： Sludge reduction;Sludge drying;Sludge digestion;Sludge incineration

隨著我國城市污水處理率逐步提高和新污水處理廠數(shù)量的增加，污泥產(chǎn)生量也逐漸增大，與此同時，污泥處理的難題也逐漸凸顯出來。我國污泥處理起步較晚，早期的污水處理廠存在“重水輕泥”現(xiàn)象，污泥處理單元不夠完善，污泥的安全處理、處置是我國水污染控制領(lǐng)域的薄弱環(huán)節(jié)。生物處理是目前污水處理廠采用較多的污水處理方式，該方式會產(chǎn)生大量剩余污泥，這些污泥必須及時有效地進行處理，做到減量化、無害化和綜合利用，從而保證污水處理廠的正常運行和處理效果，防止污泥造成二次污染[1]。

1? 污水處理廠污泥來源及性質(zhì)

在污水的處理過程中產(chǎn)生大量沉淀物質(zhì)，包括固體物質(zhì)、懸浮物、微生物菌體、膠體物質(zhì)等，這些物質(zhì)統(tǒng)稱為污泥，因為污泥的不斷產(chǎn)生促進了污染物與水的分離、凈化[2]。通常污泥產(chǎn)生量很大，一般占處理水量的0.3%～0.5%。污泥產(chǎn)生途徑主要有：一是初沉污泥，來源于初沉池，是可沉降固體的物理分離，總固體質(zhì)量分數(shù)一般為2%～7%。二是二沉污泥，是泥水分離后的濃縮污泥，是微生物生長和惰性有機難降解物質(zhì)積累的產(chǎn)物，總固體質(zhì)量分數(shù)一般為0.5%～1.5%。三是化學(xué)污泥，由特殊物質(zhì)（例如磷）或懸浮固體沉降產(chǎn)生。以化學(xué)除磷為例，這一過程須要投加一些鹽類，額外產(chǎn)生15%左右的污泥，化學(xué)污泥的性質(zhì)取決于投加的混凝劑類型。四是“三泥”，主要是石油石化企業(yè)污水處理場產(chǎn)生的含油污泥、氣浮浮渣以及剩余活性污泥。含油污泥以及氣浮浮渣因含有一定量的油、黏度大，不容易進行自然沉淀濃縮、脫水;而剩余活性污泥因其含有大量鮮活的微生物，沉降性能較好，易濃縮脫水。

污泥因其含有一定的毒性物質(zhì)，也被視為危險廢物。衡量污泥的性能指標主要有：含水率、有毒物質(zhì)、燃燒值、可消化程度、灰分含量等。一般剛產(chǎn)生的污泥含水率在98%～99%左右，體積巨大，難以直接處置，需要先進行污泥濃縮、消化、脫水等初步處理，可使污泥體積大為減少。如含水率在99%的污泥，經(jīng)濃縮脫水處理后含水率可降到80%，其體積會降到原來體積的二十分之一。通常情況下，含水率在85%以上時，污泥呈流動狀態(tài);含水率在65%～85%之間時，污泥呈塑態(tài);含水率低于60%時，污泥呈固體狀態(tài);含水率低于40%時，污泥呈粉末狀。

2? 污水處理廠污泥減量概述

污泥減量是指采用物理方法、化學(xué)方法以及微生物法，降低污水處理廠產(chǎn)生的污泥量。污泥減量可在不同污水處理階段進行，在污水處理過程中通過調(diào)整生化系統(tǒng)工藝運行參數(shù)以及對部分回流污泥采取減量措施，可稱為原位污泥減量。對污水處理工藝產(chǎn)生的排出系統(tǒng)之外的污泥，可通過污泥濃縮、污泥消化、污泥脫水、污泥干化、污泥焚燒等系統(tǒng)裝置進行污泥減量，此過程稱為后污泥減量[3]。污泥減量技術(shù)按照反應(yīng)原理的不同大致可分為：胞溶和隱性增長、解偶聯(lián)代謝、內(nèi)源代謝、微生物捕食等。解偶聯(lián)代謝主要是指，在污泥中投加化學(xué)解偶聯(lián)劑如氯代苯等物質(zhì)，這些解偶聯(lián)劑可以穿過細胞的磷脂層，促進細胞的分解代謝，降低細胞的合成代謝，從而降低污泥產(chǎn)量。內(nèi)源代謝主要是指，利用較長時間的曝氣或較小的有機物負荷，使細胞分解，產(chǎn)率降低。微生物捕食主要是指，固態(tài)污泥被微生物捕食、消耗，污泥為微生物生長繁殖提供能量，實現(xiàn)污泥減量。胞溶和隱性增長是指，通過外加一定的技術(shù)手段，使得細胞壁破裂，細胞內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)被釋放，用于相同數(shù)量微生物生長的過程。胞溶和隱性增長是污泥減量使用最廣泛的機理，其中迫使細胞壁破裂的技術(shù)手段包括：添加或不添加酶制劑的酶水解技術(shù)，球磨攪拌、高溫均質(zhì)等機械處理技術(shù)，超聲波處理技術(shù)，40～220 ℃熱處理技術(shù)，酸、堿或伴隨升溫的化學(xué)、熱化學(xué)水解技術(shù)，臭氧、H2O2或加氯氧化技術(shù)，電處理技術(shù)等[4]。污泥減量化的效果主要取決于胞溶的效率。

2.1? 原位污泥減量

原位污泥減量就是在污水處理工藝中減少污泥產(chǎn)生量，而不是污泥產(chǎn)生后進行末端處理。一般工藝是沉淀池產(chǎn)生的活性污泥，一部分回流至活性污泥曝氣池繼續(xù)參與生化反應(yīng)，另一部分活性污泥通過外加酶水解、機械處理、熱處理、熱化學(xué)水解、電處理等污泥減量技術(shù)手段使得細胞破裂，釋放細胞內(nèi)物質(zhì)，然后回流至活性污泥曝氣池，進一步降解細胞破裂產(chǎn)生的溶解產(chǎn)物，從而實現(xiàn)污泥減量。主要工藝流程如圖1所示。

其中外加酶水解技術(shù)、機械處理技術(shù)、熱處理技術(shù)、熱化學(xué)水解技術(shù)、電處理技術(shù)等污泥減量技術(shù)手段各有其不同的優(yōu)點及缺陷，具體情況見表1。

2.2? 污泥濃縮

污泥濃縮是指降低污泥的含水率，使污泥濃稠，縮小污泥體積，是污泥脫水前的必要過程。污泥濃縮主要是去除污泥中的間隙水，含水率99.8%的剩余活性污泥，經(jīng)過濃縮后污泥含水率可降到96%左右，可大大降低污泥的體積和后續(xù)污泥處理難度及費用。污泥濃縮的常用方法有重力濃縮、氣浮濃縮和離心濃縮。

重力濃縮主要依靠水與污泥間的密度差，污泥下沉至罐（池）底部排出，水分從泥中分離出來由罐（池）上部排出。重力濃縮是污泥自然壓縮沉淀過程，一般需要較長時間，特別是黏度大污泥濃縮效果較差。對此，一般污水處理廠經(jīng)常采用污泥加溫的方式，可加速污泥沉淀過程及效果，實現(xiàn)泥水的良好分層。常見的重力濃縮池有二沉池、污泥濃縮罐等。對于密度與水密度接近的污泥，不易實現(xiàn)重力濃縮，可選用氣浮濃縮。氣浮濃縮主要依靠加壓空氣釋放微小氣泡與污泥作用，在混凝劑的作用下，污泥與氣泡黏附形成較大顆粒，懸浮于池體表面，通過刮渣機去除。對于難于脫水的污泥，可采用離心濃縮法。離心濃縮是利用污泥中固體物質(zhì)與水的比重不同，利用離心力使泥水分離。離心濃縮處理效率遠遠高于重力濃縮，重力濃縮池內(nèi)十幾個小時達到的濃縮效果，離心濃縮幾分鐘即可達到，且離心濃縮出泥含水率可達94%以下。為提高離心濃縮效果，一般須要加入聚丙烯酰胺等絮凝劑。

2.3? 污泥消化

污泥消化其原理主要依靠好氧或厭氧消化的內(nèi)源代謝作用。內(nèi)源代謝主要是指當外部可利用的基質(zhì)消耗殆盡時，一部分細胞出現(xiàn)死亡和溶解，其細胞內(nèi)存儲的有機物被活細胞利用來維持生命的現(xiàn)象。好氧消化是在有氧的條件下，通過細胞的內(nèi)源代謝作用，將污泥轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，以實現(xiàn)污泥減量。厭氧消化是在無氧條件下，通過細胞的內(nèi)源代謝作用，將污泥轉(zhuǎn)化為甲烷，以實現(xiàn)污泥減量。一般厭氧消化應(yīng)用比較普遍[5]。厭氧消化的水解過程非常緩慢，為此須要提高初始階段的污泥水解作用，加快反應(yīng)進度，需要在厭氧消化前設(shè)置預(yù)處理工藝來克服。主要的預(yù)處理工藝有：酶水解技術(shù)、機械破解、超聲波破解技術(shù)、熱解處理、臭氧氧化技術(shù)、化學(xué)和熱化學(xué)水解、強氧化劑氧化技術(shù)、電處理技術(shù)等。厭氧消化污泥減量的主要工藝流程為，剩余污泥先經(jīng)過污泥濃縮池，進行泥水分離濃縮，提升污泥濃度，再經(jīng)過預(yù)處理工藝提高初始階段污泥的水解作用和污泥降解速率，然后再進入?yún)捬跸?，通過內(nèi)源代謝作用降低污泥產(chǎn)量，最后經(jīng)過污泥脫水機脫水，降低污泥含水率。主要工藝流程如圖2所示。

厭氧消化不僅可以減少剩余污泥的污泥量，還可以產(chǎn)生沼氣來回收能源，具有一定的經(jīng)濟效益。厭氧消化可在中溫條件（33～35 ℃）或高溫（53～55 ℃）條件下進行，通過預(yù)處理工藝提高污泥的水解率后，促進了污泥的減量和沼氣的產(chǎn)生。在中溫厭氧消化中可降解約40%～45%的有機質(zhì)，TSS的降解率約為30%。

2.4? 污泥脫水

污泥經(jīng)濃縮、消化處理后其污泥含水率仍然在95%以上，體積很大，須要對污泥進行進一步脫水操作。脫水主要是去除污泥中的吸附水和毛細水，脫水后污泥含水率可達到60%～85%，形成泥餅，失去流動性。

污泥脫水的方法有自然干化法和機械脫水法。自然干化既是將污泥平鋪于地面，依靠滲透和蒸發(fā)使污泥干化的方法。根據(jù)污泥的性質(zhì)和氣候條件的不同，污泥經(jīng)過一周到幾周的自然干化后，含水率可降到70%。自然干化法能耗較低，但因占地面積大、存在大氣污染、受氣候條件影響較大等問題，使自然干化法的推廣受到限制。目前采用較多是機械脫水法，如選用真空過濾脫水、壓濾脫水、離心脫水。機械脫水法須要對污泥進行脫水前的預(yù)處理。預(yù)處理的方法有很多，其中應(yīng)用最廣泛的是加藥調(diào)理。加藥調(diào)理是指向污泥中投加化學(xué)藥劑，使污泥改變膠體結(jié)構(gòu)，減少污泥與水的親和力，提高污泥的脫水性能。機械脫水法占地面積小，脫水效果穩(wěn)定，可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)運行。實際生產(chǎn)中，常將污泥濃縮與機械脫水組合使用，可大大提高污泥脫水效果，降低后續(xù)污泥處理難度。

2.5? 污泥干化

經(jīng)機械脫水后的污泥含水率一般在60%～85%，若直接外運處理則需要很高的處置費用，因此須要對脫水后的污泥進行干化處理，使其污泥含水率降低到40%以下，以提高污泥熱值，降低污泥總質(zhì)量，為下一步污泥外運或污泥焚燒奠定基礎(chǔ)[6]。

污泥干化是污泥深度脫水的一種形式，是污泥焚燒的預(yù)處理裝置。污泥干化主要是去除污泥中的間隙水、毛細結(jié)合水、表面黏附水和內(nèi)部水，采用的能源主要是熱能。根據(jù)熱介質(zhì)的不同可分為，電能污泥干化法、熱水干化法、蒸汽干化法、太陽能干化法、天然氣干化法、爐窯煙氣余熱污泥干化法。實際生產(chǎn)中蒸汽干化法應(yīng)用比較廣泛。蒸汽干化法是利用蒸汽作為能源，使污泥中的水分蒸發(fā)，降低污泥含水率，實現(xiàn)污泥減量目的[7]。下面是經(jīng)過考察、調(diào)研幾種不同污泥干化技術(shù)比選情況，詳細見表2。

通過表2可以看出，不同污泥干化技術(shù)，均有其不同的特點，但普遍存在的是現(xiàn)場異味問題，須進行氣味回收處理。某化工廠選用傘式蒸汽干化技術(shù)，處理污水處理場60%～85%脫水后污泥，污泥處理量2 t·h-1。經(jīng)過近兩年來的運行，污泥干化后含水率可達到30%左右，基本實現(xiàn)了最初的設(shè)計目的。但現(xiàn)場運行中仍存在以下問題，值得借鑒：①蒸汽采用低壓蒸汽，溫度低，換熱效率低，特別是對于含水率高的污泥處理效果不理想;②干料污泥螺旋輸送機故障率高，主要是污泥堵塞螺旋軸，造成軸彎曲、故障停機;③現(xiàn)場及周邊環(huán)境臭味污染嚴重，須進行VOCS處理;④干污泥裝卸袋、車粉塵污染嚴重，須考慮密閉的機械化裝車方式。

2.6? 污泥焚燒

污泥焚燒是使污泥在高溫下燃燒，將污泥中的水分、有機物全部去除的方法[8]。焚燒后，污泥本身變?yōu)榛覡a，S、N、金屬和其他元素完全被轉(zhuǎn)變成各種最終產(chǎn)物，污泥含水率為零。該方法不但大大減少了污泥的體積和質(zhì)量，而且殺死一切病原體，使污泥不再具有污染能力，實現(xiàn)了污泥的無害化。爐內(nèi)停留時間、燃燒溫度、氧含量以及污泥水分和污泥熱值是污泥焚燒的主要控制因素，對污泥焚燒的效果有很大影響。

1）停留時間。為保證污泥的完全燃燒，必須使污泥在燃燒室中有足夠的停留時間，具體可根據(jù)污泥的含碳組分、熱值等情況確定。

2）溫度。燃料只有達到著火溫度，才能與氧氣反應(yīng)燃燒，因此燃燒室溫度必須保持在燃料起燃溫度以上。

3）氧氣。氧氣是污泥燃燒的助燃物質(zhì)，氧氣含量越高，污泥越易燃燒。

4）污泥水分。污泥焚燒時水分受熱蒸發(fā)，水分不斷置換，能量消耗增多。

5）污泥熱值。污泥熱值的高低由可燃質(zhì)的含量決定。污泥的可燃成分越多，熱值越高，燃燒效果越好[9]。

目前，污泥的焚燒方式有單獨焚燒、混合焚燒兩大類。單獨焚燒須要對含水率高的污泥進行熱干化處理，否則污泥焚燒困難，需要在爐內(nèi)停留較長時間?；旌戏贌m用于污泥熱值較低污泥，可通過摻雜富氧空氣、富余的干氣等輔助燃料，提高焚燒效率。

污泥焚燒設(shè)備主要是焚燒爐，主要有流化床爐、回轉(zhuǎn)爐、立式爐及立式多段爐等多種爐型。國內(nèi)現(xiàn)已運行的污泥焚燒爐多為流化床焚燒爐，其能夠滿足物料充分混合，提供充足熱量，實現(xiàn)徹底燃燒。嚴格控制焚燒時間及焚燒溫度，可以有效控制有毒氣體的產(chǎn)生[10]。灰渣是污泥焚燒后的最終產(chǎn)物，可以再次利用制成建筑用磚等，從而實現(xiàn)了污泥這一危險廢物的零污染、零排放，完成了污泥處置的良性閉環(huán)管理。

3? 結(jié)束語

污泥處理是保證污水處理廠良好運行的重要環(huán)節(jié)，降低污泥產(chǎn)量，使污泥能夠穩(wěn)定化、無害化及綜合利用是企業(yè)追求的最終目標。但在中國無害化及綜合利用缺乏最終的處置手段，研究發(fā)現(xiàn)污泥農(nóng)用、污泥堆肥等方法因土地板結(jié)、肥效低下等問題，在國內(nèi)并沒有得到推廣，中國目前最主要的污泥處置方式為污泥填埋（占90%），而隨著污泥產(chǎn)量的增加，填埋場地問題也越來越突出，大多城市已經(jīng)出現(xiàn)無地填埋的尷尬處境，導(dǎo)致污泥處置的費用越來越高，所以污水處理廠污泥減量化急需一套完整的處理體系，無論是在水處理環(huán)節(jié)，還是污泥處理環(huán)節(jié)，均應(yīng)加大對污泥減量化技術(shù)的研究和落實，推動污泥最終資源化進程。污泥焚燒可以作為污泥最大減量化、資源化的一種技術(shù)手段，可根據(jù)污泥熱值情況，進行單獨焚燒或者混合摻燒。但污泥焚燒還存在一些弊端，需要市場反復(fù)的驗證，以及更深一步的研究與探討[11]。

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