城市污水廠污泥處理處置技術(shù)評估及工藝選擇

摘要:概述當(dāng)前國內(nèi)外污泥處理處置技術(shù)研究現(xiàn)狀,根據(jù)污泥處理處置技術(shù)的處理效果、適用性、經(jīng)濟性、環(huán)境影響等方面對污泥處理處置技術(shù)和工藝流程進行了比較和評估;同時指出了我國污泥處理處置技術(shù)評估工作中存在的問題,并提出相應(yīng)建議。

關(guān)鍵詞:污泥,技術(shù)評估,工藝選擇

0引言

城市污水廠污泥(以下簡稱污泥)由于含有各種病原體、重金屬等有毒有害物質(zhì),必須要進行處理處置。同時,隨著我國城市污水處理率的不斷增加,污泥的產(chǎn)量呈急劇上升趨勢,污泥的處理處置已成為制約許多城市發(fā)展的主要因素。目前污泥處理處置技術(shù)方法很多,但由于對各技術(shù)的特點和適用條件了解較少,導(dǎo)致許多工程未能正常運轉(zhuǎn)。因此,本文對常用污泥處理處置技術(shù)進行評估和篩選,以便對今后污泥處理處置工程技術(shù)的選擇提供參考依據(jù)。

1污泥處理處置技術(shù)研究現(xiàn)狀

發(fā)達國家早在20世紀(jì)六七十年代就開始對污泥處理處置技術(shù)進行研究。美國農(nóng)業(yè)部門在19世紀(jì)70年代就對污泥農(nóng)用堆肥工藝展開研究,并發(fā)展了Beltsville Aerated Pile法用于污泥堆肥。這種方法既可以處理生污泥,也可以處理消化后的污泥,得到的產(chǎn)品無臭、滅菌、便于保存和運輸并可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]。德國在19世紀(jì)80年代致力于污泥焚燒體系的開發(fā)和完善,并為該系統(tǒng)配備了能量的回收利用設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計,德國固體廢棄物焚燒而回收利用的能量可為全國30%的人口服務(wù)[2]。隨著污水處理技術(shù)的更新和發(fā)展,污泥處理處置技術(shù)也在不斷地改進。經(jīng)過近30年的發(fā)展,一些發(fā)達國家陸陸續(xù)提出了污泥處理處置新方法。西班牙科學(xué)家提出利用微波能量來水解消化污泥, 取得了很好的效果[ 3]。美國和智利的科學(xué)家提出使用火山爆發(fā)遺留的熔巖地來處理污泥及污泥焚燒灰。這種方法可以有效控制污泥及污泥焚燒灰中的礦物質(zhì)元素以及磷元素和鋅元素, 從而改善熔巖地的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)并提高其生產(chǎn)力[ 4]。愛爾蘭利用過熱蒸汽流干化工藝與污泥消化工藝相結(jié)合, 不但實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定, 更實現(xiàn)了能量的回收利用[ 5 ]。日本的污泥處理處置技術(shù)主要集中在污泥的再生利用方面, 占到污泥處置比例的56%, 包括污泥制磚、制骨料、制燃料和熔渣4種[ 6]。

目前, 中國的污泥處理處置技術(shù)得到了很大的改善, 但還存在技術(shù)單一、設(shè)備落后和處理率低等問題。中國污泥處理處置工作主要面臨著兩大技術(shù)難題: 污泥含水率高和有機質(zhì)利用率低。污泥含水率是制約污泥處理處置的關(guān)鍵問題。含水率過高限制堆肥、焚燒等高效處置技術(shù)的應(yīng)用, 同時也不利于污泥的再生利用。而有機質(zhì)利用率低不僅浪費了可回收利用的資源, 也造成污泥易腐、有異味等不良特性。

濕污泥中包含4種水分: 毛細水、間隙水、吸附水和內(nèi)部水。存在于微生物細胞內(nèi)的內(nèi)部水是導(dǎo)致上述2個難點的主要原因。不但水分難以除去, 有機質(zhì)物質(zhì)也被包裹在細胞中難以釋放。因此, 要除去內(nèi)部水, 釋放胞內(nèi)有機物必須采取高溫干燥或細胞破碎的處理方法。事實上, 中國針對上述難點開展了一系列的研究工作) ) ) 發(fā)展了超聲波預(yù)處理法、濕式氧化法、水熱解法和水泥窯共處理等新技術(shù)。這些技術(shù)已應(yīng)用于一些污水廠并取得了顯著的處理效果。但要實現(xiàn)規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化, 還需要對新技術(shù)進行進一步的改進和完善。

2 污泥處理處置技術(shù)評估

正確評估污泥處理處置技術(shù)是污水廠選擇合理的污泥處理處置方法的前提。本文針對國內(nèi)外污泥處理處置技術(shù)的現(xiàn)狀, 從經(jīng)濟性、適用性、處理效果以及環(huán)境影響等方面對污泥處理處置技術(shù)進行比較和評估。

2. 1 污泥的濃縮和脫水技術(shù)

常見的污泥濃縮和脫水技術(shù)有以下幾種: 重力濃縮法、機械濃縮法、板框壓濾脫水、帶式壓濾脫水、離心脫水以及濃縮脫水一體機濃縮脫水。各濃縮脫水技術(shù)的比較見表1

若僅考慮減少投資, 可以選擇重力濃縮+ 帶式壓濾脫水/板框壓濾脫水。重力濃縮只需一次性構(gòu)筑物的建造和基本維護費用, 投資和成本低。帶式壓濾和板框壓濾脫水機的設(shè)備投資較少, 但處理效率低、噪聲大。

為了提高處理效率和減少環(huán)境影響, 可以選擇機械濃縮+ 離心脫水或使用濃縮脫水一體機。機械濃縮和離心脫水會增加污水廠的電耗和購買調(diào)理藥劑的費用, 但是他們的處理效果好、處理效率高。機械濃縮和離心脫水機封閉性好、臭味不易擴散、噪聲小,因而對操作間和周邊環(huán)境的影響較小; 同時自動化程度高, 無需人工操作[ 8]。對于污水廠新建工程或改造工程, 濃縮脫水一體機是很好的選擇。它集濃縮和脫水為一體, 無需建造濃縮池構(gòu)筑物。不但處理效率高, 而且節(jié)省投資。

2. 2 污泥干化

污泥干化工藝按原理可分為自然干化、直接加熱干燥和間接加熱干燥。由于利用外加熱源進行污泥干化的能耗高, 其運行費用也很高。若僅考慮干化技術(shù)的經(jīng)濟性, 自然干化是非常理想的方法。自然干化方法簡單、易于管理; 但此法受氣候影響大, 衛(wèi)生條件差; 并且僅適用于干燥少雨且土地資源較寬裕的地區(qū)。

若選擇處理效果好且環(huán)境影響小的技術(shù), 可以使用加熱干燥法。直接加熱干化具有流程簡單、熱交換率損失少等優(yōu)點; 但干燥煙氣具有惡臭, 因而對工作間和周邊環(huán)境有不良影響。間接加熱干燥是利用一定介質(zhì)在封閉回路中循環(huán), 因此不僅干化效果好, 而且無惡臭氣體。但介質(zhì)會帶走一部分熱量, 熱能利用率不如直接加熱干燥技術(shù)效率高。

上海石洞口污水廠采用流化床低溫干化系統(tǒng)對污泥進行干化。該系統(tǒng)的干化溫度為85e , 系統(tǒng)內(nèi)控制含氧量< 4% (防止爆炸)。干化系統(tǒng)每蒸發(fā)1 t水分, 消耗熱能為2 800kJ。經(jīng)干化后的污泥含水率能夠降至5% ~ 10%。

2. 3 污泥消化

污泥消化按原理可分為厭氧消化和好氧消化。厭氧消化又可分為中溫厭氧消化、高溫厭氧消化和兩相厭氧消化。污泥消化技術(shù)的初期投資和運行費用都很高。但由于消化工藝可進一步穩(wěn)定污泥, 因而污水廠應(yīng)根據(jù)規(guī)模的大小、污泥的性質(zhì)及財政狀況選擇合適的消化工藝。

對于處理能力在10萬t/d以上的大型二級污水處理設(shè)施產(chǎn)生的污泥, 應(yīng)采用中溫厭氧消化或高溫厭氧消化; 對于中小型污水處理廠, 應(yīng)選擇工藝成熟、機械設(shè)備簡單、運行管理方便的好氧消化工藝; 而對于高濃度有機廢水、懸浮物濃度很高的污水以及含有毒物質(zhì)、難降解物質(zhì)的污泥宜采用兩相厭氧消化方法處理。

2. 4 污泥最終處置技術(shù)

常見的污泥最終處置技術(shù)主要包括衛(wèi)生填埋、堆肥、焚燒和土地利用等。4種常見污泥處置技術(shù)比較見表2。近年, 污泥制建材、污泥制肥和污泥發(fā)電等新興技術(shù)也有所發(fā)展和應(yīng)用。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

 衛(wèi)生填埋和污泥土地利用是經(jīng)濟性最好的污泥終處置技術(shù), 投資約3 萬~ 515 萬元/ t (含水率80% ), 運行成本約15 ~ 30元/t(含水率80% ) [ 10]。但污泥填埋工作仍存在很多問題, 如滲濾液產(chǎn)生量大、滲濾液收集系統(tǒng)易堵塞、填埋操作困難等; 土地利用也存在惡臭污染的問題。另外, 近年修訂的污泥處置標(biāo)準(zhǔn)CJ /T 249 - 20075城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋泥質(zhì)6中規(guī)定: 混合填埋泥質(zhì)的含水率應(yīng)不大于60% , 污水廠目前的脫水技術(shù)很難實現(xiàn)這一要求。因此, 衛(wèi)生填埋和土地利用的發(fā)展前景不容樂觀。

焚燒技術(shù)的處理效率最高, 可以大幅減少污泥體積和含水率。但是焚燒法所需投資較高, 設(shè)備投資約35萬~ 45萬元/ t(以干污泥計), 運行成本約771 ~1 000元/t(以干污泥計)。同時, 我國焚燒設(shè)備主要依賴于進口, 設(shè)備投資費用和維護修理費用較高。焚燒法僅適合于大型污水處理廠污泥或有毒有害物質(zhì)含量高的污泥的處置。上海石洞口干化焚燒工程選用了德國進口流化床焚燒系統(tǒng)。該廠投資8 000萬元(含干化和焚燒設(shè)備、土建、自控及輔助設(shè)施), 運行費用約250 元/ t(含水率為82% , 包含電費、藥劑費、人工費、維修費等)。我國也自主設(shè)計了焚燒爐,運行效果良好。齊魯石化乙烯污水處理廠污泥采用二段串聯(lián)的臥式回轉(zhuǎn)焚燒爐焚燒, 處理量為2 100 kg /h含水率不大于80% 的濕污泥。

堆肥工藝對環(huán)境的影響最小。堆肥可利用污泥中的大部分營養(yǎng)元素和有機質(zhì), 實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。同時污泥堆肥基建費用低、容易管理、設(shè)備簡單;產(chǎn)品無味無臭、質(zhì)地疏松、含水率低、密度小, 便于運輸施用和后續(xù)加工成商品肥。但堆肥過程中惡臭氣體的控制以及污泥中的重金屬含量仍制約著堆肥技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。此外, 產(chǎn)品的銷路也是影響堆肥技術(shù)的關(guān)鍵因素。一般堆肥周期較長, 適用于小型污水廠使用。山東省晨鳴集團污泥堆肥工程采用北京中科博聯(lián)環(huán)保高新技術(shù)有限公司自行研發(fā)的CTB高溫好氧快速堆肥技術(shù)進行污泥堆肥, 處理效果很好。該工程總投資2 600萬元, 其中基建費1 300萬元, 設(shè)備費900萬元。另外, 太倉市巨龍農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖技術(shù)有限公司引進日本大平二號蚯蚓原種, 開發(fā)/蚯蚓生物轉(zhuǎn)化污泥、生產(chǎn)生物有機肥0項目。該公司現(xiàn)已成功利用蚯蚓處理造紙污泥, 蚯蚓處理污水廠污泥正在研發(fā)中。

污泥制建材、污泥制肥和污泥發(fā)電等新興技術(shù)也是今后污泥處理處置發(fā)展的方向, 但目前技術(shù)還不完善、規(guī)�；�和產(chǎn)業(yè)化程度較低, 短期內(nèi)較難實現(xiàn)大規(guī)模工程化應(yīng)用。

3 污泥處理處置工藝流程的選擇評估污泥處理處置技術(shù)是為了更合理地選擇污泥處理處置工藝流程, 以便污水廠污泥處理處置工作正常、高效運轉(zhuǎn)。中國城市污水廠污泥處理處置工藝流程及其應(yīng)用比例見表3。 樣化的。污水廠應(yīng)根據(jù)自身的規(guī)模、污水污泥性質(zhì)以及經(jīng)濟實力合理選擇。

大中型污水廠(處理量在5萬t/d以上)產(chǎn)泥量大, 污泥產(chǎn)率高, 因此適于選擇處理量大、處理效率高的污泥處理處置工藝。在資金充裕的情況下, 污水廠宜選擇帶有污泥消化的工藝, 如濃縮池) 消化池) 機械脫水) 最終處置。該工藝是比較完備的污泥處理處置工藝流程。污泥消化可以明顯改善污泥的理化性質(zhì), 降低污泥的生物活性, 實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化, 但這種工藝基建投資和運行成本都很高。濃縮池) 機械脫水) 最終處置是我國最常見的污泥處理處置工藝流程, 但該流程缺少了消化工藝, 污泥有機物含量高,脫水后仍有較大異味且疏水性差。污水廠應(yīng)盡量根據(jù)實際情況配備適合的消化工藝。

中小型污水廠(處理量在5萬t/d以下)產(chǎn)泥量和污泥產(chǎn)率帶來的壓力小, 可適當(dāng)選擇一些經(jīng)濟性好的工藝。濃縮池) 最終處置工藝構(gòu)成相對簡單, 投資和運行成本較低, 因而經(jīng)濟性好。但污泥經(jīng)濃縮后含水率仍在93% ~ 96%, 最終處置方法的選用受到了極大的限制。濃縮池) 機械脫水) 最終處置更適合小型污水廠應(yīng)用。對于有資源優(yōu)勢和工藝上有特殊需要的污水廠, 可以根據(jù)實際情況選擇其他工藝。如廠區(qū)周邊有大量空地的污水廠可以選擇帶有干化場的工藝來處理處置污泥; 以生活污水為主的污水廠可以選擇帶有濕污泥池的工藝。

4 討論

1)我國污泥處理處置技術(shù)評估方法體系尚不完善。目前我國污泥處理處置技術(shù)評估工作中, 對研究對象的界定、評價指標(biāo)、評價方法和步驟等評估細則尚沒有統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

2)我國污泥處理處置技術(shù)及應(yīng)用信息還不全面。目前關(guān)于我國污泥處理處置技術(shù)及應(yīng)用情況的信息平臺或數(shù)據(jù)庫較少, 獲取相關(guān)資料和信息的渠道也不夠暢通, 數(shù)據(jù)搜集難度大, 影響了評估的效率和準(zhǔn)確性。為此, 提出以下建議: a. 借鑒和引用國外成熟的污泥處理處置技術(shù)評估體系, 緊密結(jié)合我國污泥處理處置工作的現(xiàn)狀, 盡快建立起適合我國污泥處理處置技術(shù)評估的技術(shù)框架和實施方法。b. 完善我國污泥處理處置技術(shù)評估工作的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn), 使評估工作時有據(jù)可依。同時規(guī)范評估結(jié)果。c. 建立污泥處理處置技術(shù)數(shù)據(jù)庫, 并促進信息共享, 加強我國污泥處理處置技術(shù)現(xiàn)狀和應(yīng)用情況的信息交流, 使評估工作的資料來源更翔實可靠。（中國環(huán)境科學(xué)研究院）