污泥资源化处理与处置现状及展望

 

当前，随着人们对环境污染控制认识的加深，污水处理厂在各主要城市相继建成并投入运行，与此同时污水处理厂又产生大量的残渣即污泥，目前世界上生产污泥已达1亿吨/年（干污泥），我国已达900万吨/年（合干污泥300~350万吨/年）[1]。国内外污泥处理处置的方法很多，一般采用浓缩、消化、脱水、干化等工艺处理后有效利用（主要为农用）、填埋及焚烧等方法处置，或用其中某几种方法组合处置[2]。污泥的最终出路不外是资源化利用或以某种形式回到环境中去，随着海洋投弃被禁止，污泥弃置的比例正逐渐减小，同时土地填埋也受到越来越严格的限制[3]。欧盟、美国及日本近年及预测的污泥主要处置方法见表1[4~7]，在今后数年里美国的大部分填埋场将关闭，欧盟也将规定填埋必须和焚烧相结合，只有焚烧灰才可以被填埋。人们认识到污泥处理的优先顺序是减容、利用、废弃，污泥减量化、稳定化、无害化处理后作为资源回用已经成为主流。

表1  欧盟、美国及日本近年及预测的污泥主要处置方法

注：*者为预计2005年污泥量和百分比含量

 

污水处理厂的污泥处理、处置系统的装备,发达国家在20世纪60年代就已达到先进的成套化水平，如污泥消化系统设备、污泥浓缩脱水设备、污泥干燥焚化设备、沼气综合利用设备、污泥高温堆肥系统装备以及污泥固化工业利用技术与设备，80年代末又启用湿式氧化技术处置污泥[8]。我国城市污水处理厂污泥处理起步较晚，80年代中期建设城市大型污水厂，污泥处理也采用中温厌氧消化，引进先进技术的同时也引进了设备，尤其是在借助国外贷款建设项目中，污泥处理系统装备几乎全部需要进口。近年来，我国城市污水厂的污泥处理技术和某些单项专用设备有较大发展，积累了中温厌氧消化的经验，而在污泥处置的最终出路方面尚属实验研究阶段。

 

1.1 污泥自然风干

污泥自然风干指脱水污泥厌氧消化后，经浓缩、脱水，然后置于干化场自然风干后直接用于农田。此生产工艺简单，除一台铲车外无需其它设备，该方法一般用于经过中温厌氧消化后的脱水污泥，此工艺由于无法有效控制其中有毒、有害物质及重金属含量，并且干污泥颗粒较大，农用耕作很不方便，因此，在应用上受到很大限制，对于城市污水中工业废水所占比重较小的处理厂，可采用此工艺。乔显亮等[9]采用盆栽实验研究了污泥土地利用过程中重金属对水稻的影响，实验发现施用污泥后增加了水稻茎叶和籽粒中重金属的含量，水稻体内重金属的吸收没有明显变化。郑纪慈等[10]用盆栽实验研究了城市污泥直接肥用对水稻生长及其产量的影响，并测定了污泥中重金属在稻米和土壤中的残留量。结果表明：污泥做水稻基肥使用有明显增产作用和一定改土效果，但污泥中重金属大部分残留在土壤中，少部分被作物带走，而在水稻中的残留量符合国家标准。张学洪等 [11]以桂林污水厂为例，对污泥农用的重金属安全性进行了实验研究，研究表明：污泥施肥肥效显著，稻谷和稻径中的重金属含量无明显差异，符合国家标准。目前此方法已无法满足大部分污水处理厂的污泥处理要求。

 

1.2 污泥直接干燥和造粒

污泥直接干燥工艺指消化后的污泥经浓缩、脱水后，直接（或添加外加剂）进行干燥成为产品或直接造成肥，采用该工艺处理后的污泥臭味较小、农用方便，在干燥过程中杀死了污泥中大部分有毒有害物质，从而降低了污泥中有害物质对农田利用的影响，产品便于运输，投资、运行费用相对较低，但经该方法处理的污泥，肥份较低，在使用过程中秸秆作物容易发生倒伏。覃广海等[12]年开发出了污水厂污泥快速干化焚烧及制肥新工艺，并在深圳龙岗区平湖污水厂进行了工程应用，取得了很好效果。大连水质净化一厂采用此方法，处理污水能力为8万m3/d，该项目投资为65万元，每小时产300kg含水20%的干污泥，耗煤量300kg/h，干燥后的颗粒状有机肥在蔬菜和果木土地上使用效果较好。

 

污泥造粒工艺指污泥在干燥后，又进行破碎造粒处理。通过干燥造粒工艺，并向污泥中添加必要的氮、磷、钾等营养成分，将污泥加工成复合有机肥，大大提高了污泥的肥效和经济价值，是污泥处置的有效途径和发展方向。采用该方法生产的污泥肥中，所添加的营养元素进入土壤后可以迅速释放，而城市污泥中所含的大量有机质，具有改良土壤、培肥地力、抗旱和供肥平稳等特点，肥效比普通化肥时间长，而且对化肥中氮素具有一定的固定作用，使化肥带入的氮素缓慢释放，提高其养份利用效率。

 

秦皇岛东部污水处理厂采用该方法，处理污水能力为4万m3/d，虽有消化系统但未使用，将脱水污泥和粉煤灰掺合烘干，再添加外加剂造粒制肥，工艺流程如下：

此工艺设计日产肥50吨所需设备及资金：设备总计57万。转桶烘干机20万元，破碎搅拌系统1.8万元，圆盘造粒机20万元，二次烘干机10万元，皮带机0.6万元，筛分包装机2.5万元，除尘系统2.0万元。实际每小时可生产700kg肥料，目前生产的有机复合肥试运行阶段每吨可获利50元左右，应用效果较好。

 

1.3 污泥堆肥发酵

堆肥是利用污泥中好氧微生物进行好氧发酵的过程。污泥与调理剂（如锯沫、桔杆、树叶、粪便等）及膨胀剂（如木屑、桔杆短节、花生壳等），在一定条件下（如pH、C/N、通气、水分、温度）进行好氧堆沤，借助于微生物群落，在潮湿环境中对多种有机物进行氧化分解，使有机物转化为类腐殖质。污泥经堆肥处理后，病源菌、寄生虫卵、杂草种子几乎全部被杀死，挥发性成分减少且臭味降低，重金属有效态的含量也会降低，速效养分含量有所增加，成为一种比较干净而性质比较稳定的物质。污泥堆肥过程是个相当复杂的过程，它受到耗氧率、碳氮比、温度、pH值、挥发固体含量、空隙率等诸因素的影响，所涉及的学科相当复杂。魏源送等[13]采用5种调理剂（木片、麦壳、玉米芯、稻壳和回流堆肥）进行了中试规模的污泥堆肥实验研究，对含水率、有机质、总氮、BOD5和比耗氧速率（SOUR）等参数的变化进行了监测。研究结果表明：BOD5和SOUR指标适用于评价采用不同调理剂的堆肥污泥稳定度。田宁宁等 [14]利用自行研制的生产性规模的好氧动态堆肥装置进行了污泥稳定化和无害化处理的应用研究，探讨了影响好氧堆肥的主要因素温度、含水率、供氧量和通风方式之间的关系，确定了污泥动态发酵的最佳参数。李秀艳等[15]年以上海市竹园第一污水预处理厂污泥为例，进行了污泥好氧发酵堆肥技术，并对其主要影响因素进行了测定，取得了一定成果。李艳霞等 [16]试验研究了不同配比的填充料和通气状况对污泥堆肥起始升温的影响。结果表明：填充料含量高的配比升温速度明显比填充料含量低的配比快；高填充料配比的堆体(填充料占堆料的1/2～1/3)在起始升温阶段可以不进行氧气的供给；低填充料的配比和加入回流堆肥的配比(填充料占堆料的1/4～1/9),由于堆体的孔隙少,则必须进行通气量的调节。

脱水污泥经堆肥自然风干后直接用于农田，也可进一步加工造粒，制成成品。唐山西郊污水厂污泥制肥示范工程，天津石化制肥工程等均采用污泥堆肥技术，该技术应用比较成功的是天津纪庄子污水厂，其污泥堆肥工艺流程如下：

1.4 污泥制复合微生物肥

复合微生物肥料是一种很有应用前景的无污染生物肥料。污泥经过烘干、粉碎后加入氮、磷、钾等植物生长所需营养元素和菌粉，然后进行混合造粒，再经低温干燥冷却后，加入复合肥，进一步提高污泥中有机废料的含量。此类肥料在我国主要依赖进口，试验和生产也刚刚起步。张国占等[17]利用城市污水厂污泥进行了复合有机肥中试及产品的田间试验,结果表明污泥复合肥可增加农作物产量且不会引起重金属超标。对污泥制肥中的污泥干燥及相关政策问题进行了探讨。此外，还进行了污泥制造有机肥技术应用实践，并对实验产品进行了田间实验，取得了良好效果。郑玉琪等[18]进行了智能化高效低耗堆肥及其复合肥生产成套技术研究，并取得了一定成果，经过研究,率先开发出堆肥氧气实时、在线自动化监测系统。该系统由气体采集、氧气传感器 变送器、输送线路、采集储存4部分组成。系统可靠性检验结果证明:测量结果精确、稳定,反应灵敏,重复性好。董克虞等[19]年对污泥生产有机肥的配方及增产效果进行了实验研究，结果表明污泥施肥可使作物大幅增产，其中A种配方（发酵污泥53.3%，氯化钾7.5%，磷酸二氨39.2%）尤为显著，已应用于工程实践，并取得了很好经济效益。邹波[20]以石油化工污水处理过程中产生的污泥为样，通过对污泥成份、肥效的分析及对活性污泥制肥工艺的简介，阐明了剩余污泥制肥技术的可行性和广阔前景。张学洪等[21]进行了城市污水污泥有机复合肥水稻施肥试验，结果表明：该有机复合肥对水稻的增产效果显著，肥效与N、P、K三元复合肥相当。陈同斌等 [22] 通过盆栽和大田试验,初步探讨了污泥复合肥种植小麦的肥效及其对小麦重金属吸收的影响。试验结果表明：污泥复合肥对小麦的增产效果和土壤的培肥效果明显优于化肥,等同于市售复合肥。它能促进植株生长发育,提高小麦产量,对土壤速效养分的积累有明显的促进作用。采用污泥制复合微生物肥方法，主要试生产运行的有淄博市污水处理公司，其生物肥生产线工艺流程如下：

该项微生物肥料生产工艺主要是以脱水污泥为基质，制成固氮菌、解钾细菌、解磷细菌三者互不产生拮抗作用的微生物肥料。生产采用微机控制系统进行中心控制，配料工段设有配料仓7组，综合各厂家优点，为了除尘，还设置了除尘器，配料采用电脑自动配料，程序预设。肥料产量为3.2t/h。生产出的肥料中，三种菌的活菌数为2500万个/g，经过实验与大田应用，肥效高于进口生物肥，每吨可获利200元左右。

 

重金属是限制污泥大规模土地利用的最重要因素。重金属不像有机物可以通过降解除去，其溶解度一般很小，在污泥中性质较稳定，较难去除。这些重金属随污泥进入土壤，长时间积累就可能对环境造成一定的危害。因此，应尽可能减少其在污泥中的含量。目前，主要通过化学和生物学两种方法来降低污泥中的重金属含量，生物学方法相对投资费用低，易于操作，具有较为乐观的应用前景。污泥的资源化利用和环境风险受到气候条件、土壤性质、植物种类、污泥性状和用量以及研究对象等多因子的影响，是一个多元系统中的复杂问题，因此污泥使用时应考虑污泥的数量和质量、土地条件及环境监测等。我国缺乏一套较为完善的污泥土地利用技术规范，尤其对污泥及施污泥土壤中有机污染物的研究较少。这种现状不利于污泥土地利用的规范化管理和土壤生态环境的保护。

 

由于我国长期以来农业追求高产，大量使用化肥，已造成土壤沙化、板结，肥力下降，尤其在我区干旱地区，土壤中有机质含量较低。污泥中富含有机质和多种植物所需的养分，可以弥补长期使用无机化肥给土壤带来的缺陷。使用污泥对土壤的物理、化学及生物学性状有一定的改良作用。污泥中的有机质可明显改善土壤的结构特性，使土壤孔隙增多，土壤的通气透水性和田间持水量提高[23,24]，从而促进植物生长和产量的提高。实践证明污泥的农田利用是污泥的最佳出路。目前污泥资源化还存在下面一些问题：

1）污泥仅浓缩处理，体积仍较大，运输不便。

2）泥的性质不稳定，给制造质量稳定的产品带来困难。

3）于污泥中富集了城市污水中的有毒、有害物质，尤其是重金属的富集，严重阻碍了污泥的资源化应用。

4）污泥制肥生产工艺，制造过程复杂，成本较高,难去除臭味。

 

污泥资源化还需注意两点，一是产品的市场性，二是加工过程中是否会产生二次污染。由于工艺复杂、成本昂贵，使污泥的资源化利用目前较难实施，但从环保长远的观点来看，会有广阔的前景。因此，如何将污泥资源化利用过程简单化、实用化、商品化，是一个亟待解决的课题。

 

随着工业和城市的发展，污水处理率的提高，城市污泥产量必然越来越大。污泥是一种很有利用价值的潜在资源，为了充分利用这种资源，减少环境公害，世界上许多国家都在大力发展污泥处置和利用的各种技术。相对于发达国家来讲，我国污泥处理利用技术还比较落后，同时考虑到我国是一个农业大国。因此，将经过稳定化、无害化处理后的污泥进行土地循环利用，应该是我国污泥资源化利用较有前景的一种途径。鉴于污泥土地利用所涉及的研究与利用等方面的种种问题，要想达到安全有效的目标，需要政府有计划地组织环境保护部门同农业部门开展污泥土地利用方面的科学研究，以经济、安全、合理、有效、有益的原则利用污泥，以发挥其巨大的经济效益、社会效益和生态效益。

 

[1] 田宁宁,王凯军.污水处理厂污泥处置及利用途径研究[J].环境保护,2000,(2):18~20.

[2] 薛文源.城市污水污泥处理与处置的途径[J].中国给水排水,1992,8(1):41~46.

[3] 周立祥,胡霭堂,戈乃玢.城市污泥土地利用研究[J].生态学报,1999,19（2）:185~193.

[4] Davis R D.The impact of EU and UK environmental pressures on the future of sludge treatment and disposal[J],Water Environ Manage.1996,10(2):65~69.

[5] Tessier A，Campbell PGG.Biason M.Sequential extraction procedure for the speciation for particulate trace metal [J], Analytical chemistry, 1979,51(7):844-850.

[6]  P. Aarne Vesilind. Role of water in sludge dewatering[J]. Water Environment Research. 1994,66 (1) : 4～11.

[7]  Tai Hak Chung. Significance of Pressure and Recirculation in Sludge Thicking by Dissolved Air Floatation[J]. Wat.Sci.Tech., 1997,36（12）: 223-230.

[8] 朱南文,高廷耀,周增炎.我国城市污水厂污泥处置途径的选择[J].上海环境科学,1998,17（11）:40~42.

[9] 乔显亮,骆永明,吴胜春.污泥的土地利用及其环境影响[J].土壤,2000,(2):79-86.

[10] 郑纪慈,俞林火,景金富等.城市污泥的水稻肥用效果及环境影响的研究[J].环境导报,2000,(4):39-41.

[11] 张学洪,陈志强,吕炳南等.污泥农用的重金属安全性试验研究[J].中国给水排水,2000,16(6):18-21.

[12] 徐 强.污泥处理处置技术及装置[M].北京:化学工业出版社,2003,165-168.

[13] 魏源送,李承强,樊耀波等.采用不同调理剂的污泥堆肥稳定度研究[J].中国给水排水,2002,18(6):5-9.

[14] 田宁宁,柯建明,王凯军等. 卧式旋转型污泥好氧堆肥装置的研制[J].中国给水排水,2001,17(11)19-22.