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污泥处理处置的现状和发展趋势分析
RSS 打印 复制链接 发布时间:2016-09-01 10:23:53
摘要:指出了在未来几年,我国将建成上千座污水处理厂,每座污水处理厂每天要排放含水率约99.2%的剩余污泥达数百乃至上万t,这些剩余污泥的安全处理处置将成为未来急需处理的难题。对污泥的各种处理处置方式及其优缺点和发展现状进行了综述,并针对性地提出了解决问题的几点建议。 
关键词:污泥;处理处置;节能减排;研究现状 
  1污泥现状 
  近年来,随着国家经济的快速发展和节能减排政策的作用,我国城镇污水处理行业得到迅速发展,水环境治理取得显著成效。生物法是污水处理最常用的方法,而剩余污泥是其过程中的必然产物。剩余污泥易腐烂,有恶臭,并含有大量病原微生物、寄生虫卵或重金属等有害物质,如果不能得到有效的处理处置,很容易对地下水、土壤等造成二次污染,威胁环境安全和公众健康,影响国家节能减排战略实施的积极效果[1~4]。随着近年来我国环境保护的要求越来越高,污水处理率的增加,污泥产生量也不断地增加。2009 年,全国投入运行的城镇污水处理厂1992 座,处理污水量共计280 亿m3,产生污泥约2005 万t(含水率约80%)[5]。住建部发布《关于全国城镇污水处理设施2011年第4季度建设和运行情况的通报》显示,截至2011年年底,全国各市、县累计建成城镇污水处理厂3135座,污水日处理能力达1.36亿m3。全国正在建设的城镇污水处理项目达1360个,总设计能力约2900万m3/d,城市污水处理率达82.6% 。我国的剩余污泥处理处置压力十分巨大。另据不完全统计,全国城镇污水处理厂污泥只有小部分进行卫生填埋、土地利用、焚烧和建材利用等,大部分未进行规范化的处理处置。上海市的污泥处理处置只约占总污泥产生量的25%。因此,我国污水处理厂的污泥处理处置问题日趋严峻,研究污水污泥的处理处置对策迫在眉睫。 
  污泥处理处置的最终目标是实现污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化[6]。从技术和操作层面上,污泥处理处置可以分为两个阶段:第一阶段是在污水处理厂区内对生污泥进行减量化、稳定化处理,其目的是为了降低污泥外运处置造成二次污染的风险;第二阶段是对处理后的污泥进行合理的安全处置,实现污泥无害化和资源化的的最终目的。 
  针对我国目前的污泥现状,本文对污泥的处理处置技术发展现状、污泥预处理技术的研究进展及存在的问题进行了综述,并提出几点建议,对于我国城市污水处理厂产生的剩余污泥的有效处理处置,具有重大的实际意义和参考价值。 
  2污泥处理处置技术的发展现状 
  2.1污泥处理技术 
  污泥处理就是对污泥进行浓缩、调理、脱水、稳定、干化等的加工过程[7]。随着我国污泥产生量的不断提高,污泥处理处置逐渐成为国内外关注的焦点。有效适当的污泥处理可以使污泥在处置中减少对环境造成的有害影响。 
  2.1.1污泥浓缩/脱水 
  目前,城市污水处理厂最常用的污泥浓缩方法主要为重力浓缩池和浮选浓缩池,其中重力浓缩池应用最多[8]。我国水处理工艺技术发展较快,与国际先进水平差距不大,其中污泥脱水技术也有了较大的提高,但污泥浓缩技术较为落后,相对工业发达国家普遍采用的专用污泥浓缩机,“两池”占地大、效率低、投资高、建造工期长、管理控制难,差距显著。 
  污泥脱水的传统方法主要是利用污泥干化场,使其自然干化,其主要缺点为占地面积大、环境卫生条件恶劣、适用地区范围小。目前在大型、开放性城市,已很少使用。由于环保要求,在我国污泥脱水技术研究已得到各方面的逐步重视,各种型式的脱水机械也在逐步开发制造,但仍不成熟,需要进一步提高脱水机械设计、制造和管理水平。目前常用的污泥脱水设备主要有真空过滤机、带式压滤机、离心脱水机、板框压滤机和回转脱水机等[9]。对于污泥脱水型式选择的条件,主要根据污泥的理化性质、进泥含水率、脱水后泥饼含水率、占地、一次性投资和运行费用等,进行综合比较考虑确定。 
  为便于污泥进一步处理处置,目前,我国有关部门要求将城市污水处理厂产生的污泥的含水率控制在60%以内。然而,目前尚缺少能耗较低、添加剂用量少、产能大且能对污泥连续进行处理的深度脱水设备。当前市场上出现的板框式深度脱水处理机在脱水方面能满足相关的要求,但其压榨时间较长(一个循环周期时间约3h45min)、不能连续出料、单台设备处理能力小、设备使用寿命较短、技术有待完善等缺点限制了其进一步的推广使用。 
  上海市城市排水有限公司与上海交通大学结合目前污泥深度脱水压滤机存在的问题,开发了一套可使污泥易于脱水的预处理技术(添加相当于脱水污泥总量为5%~6%的污泥改性剂)和一套可连续对污泥进行脱水的新型带式压滤试验机(处理能力为20~30t/d)。污泥通过改性剂预处理并经过连续带式压滤后,含水率可从80%~85%降低到50%~55%左右,能满足与后续污泥处置衔接的要求。该设备是在原有带式压滤设备基础上发展而来的,其构成具有如下特点。 
  (1) 滤带。要求其具有较高的抗拉强度、耐曲折、耐酸碱、耐温度变化等特点,同时还应考虑污泥的具体性质,选择国外进口的适合的编织纹理,具有良好的透气性能及对污泥颗粒的拦截性能的污泥滤带。 
  (2)辊压筒的调偏系统。通过气动装置自动纠偏。 
  (3)滤带的张紧系统:由气动系统来控制,滤带张力一般控制在0.3~0.7MPa,常用值为0.4MPa。 
  (4)带速控制。不同性质的污泥对带速的要求各不相同,即对任何一种特定的污泥都存在一个最佳的带速控制范围,在该范围内,脱水系统既能保证一定的处理能力,又能得到高质量的泥饼。 
  (5)连续带式压滤脱水机受污泥负荷波动的影响较小,并具有出泥含水率较低、运行稳定、管理控制相对简单、对运转人员的素质要求不高等特点。   (6)运行电耗。该设备能耗较小,每吨脱水污泥从含水率80%降到55%以下时,电耗约为9~12kW·h。 
  2.1.2污泥消化稳定技术 
  在我国,存在着“重水轻泥”的现象,所以与国外相比,我国污水处理厂污泥稳定化程度低,据调查,2600多座污水处理厂中只有近60座配有污泥厌氧消化设施,而其中正常运行的不到20座[10]。 
  污泥消化稳定技术主要有好氧消化和厌氧消化两种,在设备方面,厌氧消化主要依靠国外进口设备,污泥好氧堆肥技术和设备主要为自主开发,并且已经实现产业化。厌氧消化是目前国际上最为常用的污泥生物处理方法,适用于大型污水厂,通常可使污泥减量30%以上,使污泥稳定易于脱水,具有良好的有机物降解率(40%~60%),回收能源,运行成本低,总污泥量减少, 净能量消耗低,病原体活性低,消化后产品适合农用,应用性广;但也存在操作难度高、初次投资高、安全问题等缺点。 
  2.2污泥处置方式 
  污泥处置是指污泥以某种形态在环境中消纳的方式。常见的污泥处置方式主要有:卫生填埋、焚烧、土地利用、建材利用等[11,12]。在我国,污泥的土地填埋占了较大比例,且最终出路是进入垃圾填埋场,也有填海,有的进入水塘堆放,对环境造成严重的二次污染[12]。最适合我国的污泥处理方式是土地利用。 
  2.2.1卫生填埋 
  卫生填埋是目前我国普遍采用的污泥处置方法,但由于脱水污泥的含水率较高及填埋场对污泥剪切力的要求,污泥进填埋场的含水率必须小于40%,有机质含量低于30%[11],并且现在很多垃圾填埋场拒收污泥入场。近年来很多处置污泥的填埋场增设了深度脱水/固化或石灰稳定设施,来实现污泥有效卫生填埋。 
  污泥卫生填埋始于20世纪60年代,到目前为止已经发展成为一项比较成熟的污泥处置技术。按 2004 年我国的污水处理能力统计,我国各个污水厂每天产生约7000 t 的污泥饼,70%以上是弃置,20%是填埋,不到10%的是通过堆肥等技术处理后回用于土地[13]。该种污泥处置方法的主要优点有:操作简单、投资费用小、处理费用低、适应性强;但是也存在占地面积大、潜在地污染土壤和地下水等缺点。随着我国城镇化建设带来的对土地的大量需求和污泥产生量的剧增,造成目前剩余污泥填埋难以找到适宜的场所。此外,远距离运输成本越来越高。种种不利因素都限制了污泥填埋,致使其不会成为污泥最终处置的发展方向。 
  2.2.2污泥干化 
  近年来污泥干化系统设备的国产化发展很快,但投产主要干化项目如北京、上海、重庆、深圳、苏州等地均采用进口设备。干化焚烧现在采用的主要工艺有流化床工艺(如上海石洞口污水处理厂)[14]和污泥喷雾干化焚烧(如浙江绍兴和萧山)[15]。污泥协同焚烧是污泥热处理的发展趋势之一,国内已在北京、嘉兴、广州等地的水泥厂和发电厂实现了规模化工程示范应用[15]。 
  污泥的常见热干化系统主要有直接干化(流化床干化、转鼓干化)、间接干化(薄层干化、浆式干化)和辐射干化(带式干化、螺旋式干化)等[16]。污泥通过焚烧(鼓泡流化床)实现污泥稳定燃烧,使有机物全部碳化,杀死病原体,使污泥彻底实现无害化,但其系统复杂,专业技术要求高。污泥干化焚烧与其他方法相比具有的突出优点是:污染物最终处理效果好,污泥体积最小化,不存在重金属和合成有机物污染问题,处理速度快,干化后可就地焚烧,减少长距离运输,污泥焚烧炉渣制砖比干化污泥制砖更安全。但是也存在一些缺点:工艺复杂,牵涉多个行业,设备不成熟,成本高,可能产生二噁英等有毒气体,焚烧烟气处理成本较大。目前,国内工程实例主要有上海石洞口污水厂、浙江富阳市污泥焚烧厂、深圳宝安污泥干化焚烧厂、重庆市污泥干化焚烧厂(与水泥混烧)、北京市污泥干化焚烧厂(与水泥混烧)、成都市污泥干化焚烧厂。 
  2.2.3土地利用 
  污泥的土地利用主要是指将经过脱水和无害化处理的污泥用于农田、林地和园林绿化,还可以用于土地的复垦以及沙化或荒漠化土地的改良等,是污泥资源化的一种处置方式。 
  污泥土地直接利用因投资少、能耗低、运行费用低、有机部分可转化成土壤改良剂成分等优点,被认为是最有发展潜力的一种处置方式。科学合理的土地利用,可减少污泥带来的负面效应。一方面,污泥的肥效可以有效改善土壤的肥力,促进植物生长。我国是农业大国,将处理后的污泥作为肥料或土壤改良剂,不但可以节省大量的污泥终端处置费用,而且可以为肥力低下的农田增添有机质,实现农业生态环境的良性循环。因此,污泥的土地利用是一种符合我国国情的污泥处置方法,在我国污泥农用应具有比较好的前景[17]。另一方面,林地和市政绿化的利用因不易造成食物链的污染而成为污泥土地利用的有效方式。污泥用于严重扰动的土地(如矿场土地、森林采伐场、垃圾填埋场、地表严重破坏区等需要复垦的土地)的修复与重建,减少了污泥对人类生活的潜在威胁,既处置了污泥又恢复了生态环境,也是污泥土地利用的一个重要方面。 
  但由于污泥中含有的有害物质,如不经严格的无害化处理,容易对人体以及环境造成较大的影响。如污泥中的一些难降解有机污染物,且毒性很强,一旦进入土壤,势必对土体造成危害。另外,污泥中的重金属,随着污泥施加次数的增加逐渐会在土壤中累积,我国几个较大污水厂的污泥都存在个别重金属含量超出农用标准的问题[18],废水污泥中的病原体存活时间一般不超过一年,而重金属( 如镉、铅、砷) 将可能在环境中长期存在。因此,如果要实现污泥农用,需要经过严格无害化处理才可以大面积推广。 
  由于我国关于污泥土地利用的政策法规还不明确,真正意义上的土地安全利用比例还十分有限。 
  2.2.4建材利用 
  污泥建材利用是提高污泥利用附加值和物理处置利用率的最佳方式之一,可以有效减少污泥中的有害物质对环境的危害,具有极大的发展潜力和极高的研究价值,是未来污泥资源化利用的重要方式。污泥中除了有机物外还含有20%~30%的无机物,主要是含Ca、Si、Al、Fe 等元素的矿物质[19],与许多建筑材料原材料的成分非常相近,因此可以分别利用污泥中的无机成分和有机成分制造建筑材料。目前污泥建材利用主要有污泥制沥青、制砖、制陶粒、制混凝土、制生态水泥、制生化纤维板等[18,19]。在重庆、上海等地已经建设了利用污泥制备陶粒和烧结砖的生产线,有力地推动了污泥建材资源化。   从可持续发展和循环经济发展的角度来看,污泥建材资源化是污泥利用的重要甚至是根本方向,因为污泥的建材资源化不仅利用污泥量大,而且污泥建材生产和利用过程对环境影响最小。如果能在排污末端将污泥的处理工艺与建筑材料生产前端的原材料制备工艺结合起来,使经过处理的污泥能够直接用于烧制建筑材料,将会极大地降低污水污泥的利用成本并促进污水污泥的建材资源化利用。根据国内外研究发现,污泥烧成制品将是污泥建材资源化非常重要的方向。 
  3污泥预处理技术的研究进展 
  从20世纪70年代起,包括物理、化学、生物以及其联用的方法对污泥进行预处理的研究报道开始相继出现[20]:物理法主要有高温水解[21]、冻融处理 [22]、超声波[23]、电子束[24]、高压射流及球磨[20]等;化学法主要有Fenton[25]、湿式氧化法[25]、酸碱处理[26,27]、臭氧氧化法[20]、双氧水氧化法[28]等;生物法主要有高温微好氧消化[29]、高温好氧消化[30]等。其中,物理、化学法及其联用措施大多能大幅提高污泥消化性能,但从目前情况看,其处理成本较高,操作难度大,离实际应用尚有较大距离,而生物法预处理尽管也具有类似作用且运行费用较低,但存在处理时间较长、效率较低等缺点[20]。因此,在如何大幅提高污泥处理处置效率的前提下,选择合适的预处理方式对污泥进行预处理,是当今研究的热点之一。 
  4污泥处理处置存在的问题和原因 
  从目前污泥处理处置的情况来看,主要存在着以下几个方面的问题:(1)污泥处理率及污泥设施配套率低。仅从上海市来看,污泥处理设施的规模仅占目前污泥量的25%左右[31], 且大部分设施因为年久失修、老化及标准低下等原因已经停止运行; 
  (2)现今城市污水厂的污泥多采用简单的浓缩、脱水技术处理,且大都未进行无害化处理; 
  (3)我国农村,农民更加习惯于施用化学肥料,致使污泥土地农用等具有较好前景的处置方式得不到推广和应用。因此,如何更好地处理处置剩余污泥已成为城市管理部门提高管理水平的重要研究内容之一。 
  另一方面,由于我国污水处理厂的污泥最终处置技术路线不明确、投资和运行资金不到位、法规监管体系不完善等原因,导致污泥处理处置未真正实现稳定发展。且由于长期的“重水轻泥”认知错误,使污泥处置问题被长期搁置,发展相当滞后,污泥造成的二次污染问题日显突出,污泥的问题已到了不容忽视的地步。 
  5对污泥处理处置发展的几点建议 
  污泥处理处置方法的选择,需要综合考虑环境生态效益与处理处置成本经济效益之间的均衡。从发达国家污泥处理处置的发展趋势分析,今后污泥处理处置的方向将以土地利用和能源利用为主,污泥填埋的比例将大幅度降低。我国的污泥处理处置可以在参考国外发达国家经验的基础上,逐步实现污泥处理处置的稳定减量化和资源化,并做到以集约化处理为主,分散处理为辅,处置以填埋、焚烧、资源化利用为主,近远期相结合,分期、分步实施。我国是一个农业大国,污泥的农田林地利用可以作为主要的有效利用途径,同时,也要发展研究其他的资源化途径,如直接或间接作为燃料、热分解制油等能源化利用途径。污泥焚烧作为最彻底的处理处置方式,在国外,特别是西欧和日本已得到了广泛的应用,欧洲将来有30%的污泥土地利用、70%热能利用。在国内,由于其一次性投资和处理成本大、焚烧烟气需进一步处理等问题而一直未得到应用。 
  在我国, 污水厂污泥传统的处置方式是将污泥适当浓缩或脱水处理后直接进行农用等处置,这种处理处置方式的弊端是显而易见的,目前正面临着往安全、可靠、可持续的方向转变。因此,借鉴国外目前有关经验十分必要。 
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