城市污水污泥处理与处置
关键词：污水污泥处理处置 污泥处理工艺 污泥土地利用 污泥堆肥
前言：
城市污水污泥是污水处理过程中产生的固体废弃物。随着国内污水处理事业的发展，污水厂总处理水量和处理程度将不断扩大和提高，产生的污泥量也日益增加，目前在国内一般污水厂中其基建和运行费用约占总基建和运行费用的20%～50%[1]。污水污泥中除了含有大量的有机物和丰富的氮、磷等营养物质，还存在重金属、致病菌和寄生虫等有毒有害成分。为防止污泥造成的二次污染及保证污水处理厂的正常运行和处理效果，污水污泥的处理处置问题在城市污水处理中占有的位置已日益突出。
中国现有人口13亿多，城市640多个，城市人口2.7亿。据中国国家环保总局提供的数字，目前中国每年大约排放污水401亿ｍ３，已建成运转的城市污水处理厂有400余座，日处理能力2534万ｍ３。按污泥产量占处理水量的0.3%~0.5%（以含水率97%计）[2]计算，中国城市污水厂污泥的产量在7.602万ｍ３/d和12.67万ｍ３/d (以含水率97%计)之间。因此，中国在污水处理事业不断取得进步的同时，将面临巨大的污泥处理处置压力。
1 国内城市污水污泥处理处置现状
1.1 国内城市污水污泥处理的状况
1.1.1 现有污水污泥处理工艺
国内已建成运行的城市污水厂来看，污水污泥处理工艺大体可归纳为18种工艺流程，见表1。
1.1.2 污泥浓缩
污泥浓缩主要是降低污泥中的空隙水，通常采用的是物理处理方法，主要包括重力浓缩法、气浮浓缩法、离心浓缩法等，它们的处理性能如表2所示[3]：
表1 国内已建城市污水处理厂污水污泥处理工艺
注：表中未注明的污泥均为活性污泥。
表2 几种浓缩方法的比能耗和含固浓度
从表中可以看出，初沉污泥用重力浓缩法处理最为经济。对于剩余污泥来说，由于剩余活性污泥浓度低，有机物含量高，浓缩困难，采用重力浓缩法效果不好，而采用气浮浓缩、离心浓缩则设备复杂，费用高，也不适合中国国情。所以，目前国内推行将剩余活性污泥送回初沉池与初沉污泥共同沉淀的重力浓缩工艺，利用活性污泥的絮凝性能，提高初沉池的沉淀效果，同时使剩余污泥得到浓缩。国内污水厂对此进行了试验研究，表明这种工艺的初沉池出水水质好于传统工艺[4]。因此，国内当前将重力浓缩法作为主要的污泥浓缩方法，图1为国内污水厂所采用的污泥浓缩方法情况。
由于国内经济状态和资金短缺，且污泥中有机物含量低，所以重力浓缩法仍然将是国内今后主要污泥减容手段。
1.1.3 污泥稳定
国内目前常用的污泥稳定方法是厌氧消化，好氧消化和污泥堆肥也有部分被采用，并且污泥堆肥正处于不断研究阶段，而热解和化学稳定方法或者是由于技术的原因或者是由于经济、能耗的原因而很少被采用[5]。图2为上述几种污泥稳定方法在国内所占的比例。
1.1.4 污泥脱水
国内现有的污泥脱水措施主要是机械脱水，而干化场由于受到地区、气候条件的限制很少被采用。图3为几种污泥脱水技术在国内所占的比例。
1.2 国内城市污水污泥处理中存在的问题
国内城市污水污泥的处理起步较晚，其中也存在许多问题，主要表现在以下几个方面：
1.2.1 污泥处理率低、工艺不完善
我国存在着重废水处理，轻污泥处理的倾向。很多城市未把污泥的处理作为污水厂的必要组成部分，往往是污水处理厂建成后，相当长的时间后才建污泥处理系统，造成我国城市污水污泥处理率很低。从表1的工艺中也可以看出，国内城市污水厂的污泥处理工艺是很不完善的。污泥经过浓缩、消化稳定和干化脱水处理的污水厂仅占上述城市污水厂的25.68%。这说明我国70%以上的污水厂中不具有完整的污泥处理工艺。不具有污泥稳定处理的污水厂占55.70%，大量未经过稳定处理的污水污泥将对环境产生严重的二次污染。不具有污泥干化脱水处理的污水厂约占48.65%。污泥经浓缩、消化后，尚有约95%~97%含水率，体积仍然很大。这样庞大体积的污泥如果不经过污泥的干化脱水处理，将为运输及后续处置带来许多不便。
1.2.2 污泥处理技术设备落后
当前我国有些污水处理厂所采用的污泥处理技术已经是发达国家所摈弃的技术，其水平还停留在发达国家的70、80年代的水平，有的甚至是国外的60年代的水平。而且有些污泥处理技术根本不合乎国内的污水污泥特性，对所采用的技术缺乏必要的调查研究。污泥处理设备也比较落后，性能差、效率低、能耗高，专用设备少，未能形成标准化和系列化。因此，限制了我国污泥处理技术的提高和发展。
1.2.3 污泥处理管理水平低
很多已建成的污泥处理设施不能正常运行，除技术水平外，管理水平低也是重要因素。大部分污水厂的管理人员和操作人员的素质较差，缺乏管理经验，不能有效地组织生产，加上技术人员少，各个专业不配套，所以一旦生产上出现问题，不知如何处理，有的污水处理厂的污泥处理系统只好长期停止运行。提高污水厂的管理水平，早日实现科学管理是保证污水厂污泥系统长期运转的关键所在。
1.2.4 污泥处理设计水平低
我国排水事业有很大发展，积累了较为丰富的污水处理设计经验，并培养了大批设计人材。但在污泥处理方面，我国还缺乏实践经验和设计经验，尤其是污泥处理系统的整体水平还比较低，从已建成的污水处理厂的污泥处理装置看，运行工况不佳，不能保证长期运行，很多厂的装置建成后，又进行较大的技术改造，造成人力、物力和财力的极大浪费。
1.2.5 污泥处理投资低
国内污泥处理投资只占污水处理厂总投资的20%～50%，而发达国家污泥处理投资要占总投资的50%～70%。
1.3 我国城市污水污泥处置的状况及分析
城市污水污泥的处置途径包括土地利用、卫生填埋、焚烧处理和水体消纳等方法，这些方法都能够容纳大量的城市污水污泥，但因国家的不同而应用情况有所不同。我国自80年代初第一座污水处理厂天津纪庄子污水处理厂建成投产后，污泥即由附近郊区农民用于农田。其后北京高碑店等污水处理厂的污泥也均用于农田。随着城市污水污泥产生量和污水处理厂的逐渐增多，目前我国已开始将污水处理厂污泥用于土地填埋和城市绿化，并将污泥作基质，制作复合肥用于农业等。但在国内，总的状况还是以污泥土地利用的形式为主，将污泥用于农业。可由于国内在污泥管理方面对污泥所含病原菌、重金属和有毒有机物等理化指标及臭气等感官指标控制的重视程度还不够高，因此限制了对污泥的进一步处置利用，图4为几种污泥处置技术在国内所占的比例。
国内的污泥处置，即最终出路存在严重问题，从上图可以看到仍有13.79%的污泥没有任何处置，这将为环境污染带来巨大危害。污泥散发的臭气污染空气，病原菌对人类健康产生潜在威胁，重金属和有毒有害有机物污染地表和地下水系统。造成这种现象的原因可以归纳如下：由于国内污泥处理处置的起步较晚，许多城市没有将污泥处置场所纳入城市总体规划。造成很多处理厂难以找到合适的污泥处置方法和污泥弃置场所；我国污泥利用的基础薄弱，人们对污泥利用的认识存在严重不足，对污泥的最终处置问题缺乏关注，给一些有害污泥的最终处置留下了隐患；污泥的利用率不是很高，仍有一部分的污水厂污泥只经贮存即由环卫部门外运市郊直接堆放，尤其是国内一些南方城市很多采用这种方式。这样的处置方式既影响了污水厂的正常运行，同时污泥的随意堆放又可能产生二次污染，也造成污泥资源的浪费。因此，我国当前面临的问题是尽快发展污泥处置技术来解决不断增长的污水污泥。
2 我国城市污水污泥处理处置对策
2.1 我国城市污水污泥处理途径
从国内今后的发展趋势来看，其城市污水处理将形成以国家投资的大型污水处理厂为主，各地区根据经济发展状况投资兴建的不同规模污水处理厂并存的局面，因此对污水厂污泥的处理应根据污水厂所处的环境位置、处理规模、资金来源、经济技术水平来确定适合中国国情的工艺方法和技术设备等。
污泥处理的目的是使污泥减容化、稳定化、无害化及综合利用。对于国内城市的各类污水处理厂来说，应该不断完善其污水污泥处理工艺，选择包括污泥浓缩、厌氧消化、脱水等较完善的污泥处理工艺，并积极开发性能良好的、国产的污泥浓缩、稳定和脱水的装置和机械，以提高污泥的含固率，使后续的污泥处置和综合利用能顺利进行。就选择污水污泥浓缩技术来说，由于国内城市污水污泥中有机物含量低，所以采用重力浓缩仍然是一种经济、有效的污泥减容方法。污泥脱水的方法主要包括自然干化和机械脱水，而自然干化由于受到气候、地区的限制而很少被采用。污泥的机械脱水能有效降低污泥体积，为污泥的后续处置打下良好基础。现在常用的机械脱水技术有板框压滤脱水、带式压滤脱水和离心脱水等，在实际运行中各有其优缺点，同时污泥的性质对脱水效果影响很大，因此对机械脱水方法的选择应根据污水厂工艺、运行的特点和污泥处理处置的要求而定。污泥处理时采用不同的稳定方法对整个污水处理的工艺选择和技术经济比较有举足轻重的影响，典型的稳定方法有厌氧消化、好氧消化和堆肥等的生物稳定法及投加石灰的化学稳定法。对目前国内现有的情况来说，应考虑采用基建投资少、运行管理费用低、简易高效的污泥稳定方法。污泥的中温厌氧消化法为国内的部分污水处理厂所采用，它不仅能将污泥中的有机物降解，同时杀死部分病原菌和寄生虫（卵），从而使污泥达到稳定化以及部分无害化，而且消化产生的沼气还可作能源回收。不过该法投资大，操作管理严格，对工艺技术及安全运行的要求也较高，这对国内大型的污水处理厂来说是可行的，而对于国家缺乏技术经济优势的小型污水处理厂，采用污泥厌氧消化作为污泥稳定、无害化措施是不可行的。笔者认为，对于小型污水处理厂，一是在选择污水处理工艺时，可选择延时曝气法(如采用氧化沟)，由于该工艺产生的污泥随着泥龄的增长，有机物分解趋于完善，挥发分含量随之减少，其能量也逐渐降低，污泥趋于稳定。当污泥龄足够长时，其好氧稳定的结果与厌氧消化稳定的结果很接近[6]。二是采用生污泥直接脱水后进行好氧堆肥的方法，好氧堆肥是利用微生物的作用，将污泥转化为类腐殖质的过程，可消除污泥恶臭，堆肥后污泥稳定化、无害化程度高，是经济简便，高效低能耗的污泥稳定化无害化替代技术。
2.2 污泥堆肥是符合中国国情的污泥稳定技术
污泥农用前最好进行堆肥化处理，目的是经过生物降解作用，使植物养分形态更有利于植物的吸收，另一方面还可消除臭味、杀死病原菌和寄生虫。
目前世界各国普遍采用的堆肥方法有静态和动态堆肥两种，如自然堆肥法、圆柱形分格封闭堆肥法、滚筒堆肥法、竖式多层反应堆肥法以及条形静态通风等堆肥工艺，这些方法都在不断发展和完善。
近年来，国内先后建成了一些机械化程度较高的堆肥厂，如无锡、杭州、武汉、上海等地的机械化堆肥技术包括较完整的前处理、发酵、后处理工艺和设备，其堆肥技术在产品质量、运行操作可控性、环境质量等方面的指标都达到了较高水平。天津市污水处理研究所在纪庄子污水处理厂进行的污泥高温堆肥的试验和研究中，探索出了一套少加甚至不加调节剂、简单而便于操作管理的污泥堆肥工艺，同时提出了工艺流程和技术参数，为生产线的设计与建设提供了技术依据。以堆肥处理前、后消化污泥的提取液为试验液，以草履虫为试验对象所进行的综合毒性研究表明，两者的半致死浓度相差近10倍，说明堆肥对毒性有机物的降解效果是显著的[7]。
1997年北京市环境保护科学研究院总结多年研究成果，吸取国内外各类机械堆肥装置的优点设计、研制了污泥动态发酵器，该装置效率高、能耗低，便于操作管理和设备化。根据所研制的设备，提出以污泥动态发酵器为核心的污泥制复合肥新工艺路线，建成了１条年产5000ｔ复合肥生产的装置。生产线包括污泥动态发酵器、混合搅拌器、圆盘造粒机、烘干机、筛分机等组成，运行以后设备稳定可靠、经济效益明显。该研究提出的污泥动态发酵无害化及污泥制肥工艺，将在北京市高碑店等污水处理厂的污泥处理处置中得到应用，对于解决北京市的污水污泥处置问题，会起到很好的作用。可以说，该项技术的成果转化和推广应用已经有了良好的开端[8]。
2.3 污泥土地利用是符合中国国情的处置方法
一般来说，各国家对于污泥处置方式的选择应兼顾到环境生态效益与处置成本、经济效益之间的平衡。一种有效的、适合本国具体情况的污泥处置方法应该是在环境上卫生、社会上被接受及经济上有效的方法。污泥土地填埋对污泥的土力学性质要求较高，需要大面积的场地和大量的运输费用，地基需作防渗处理以免污染地下水，填埋场的废气可能污染环境等，近年来污泥填埋处置所占比例越来越小；焚烧法的技术和设备复杂、耗能大、费用较高，并且有大气污染问题；污泥投海受到地理位置和国际海洋有关公约的限制以及对海洋生态系统和人类食物链已造成威胁，中国政府已于1994年初接受三项国际协议，承诺于1994年2月20日起不在海上处置工业废物和污水污泥；污水污泥用作建材是近年处于研究阶段的新课题，尚有许多技术难题需要解决。因此，上述几种方法的使用在我国受到限制。
从污泥的成分看，其中有机物、氮、磷等的含量均高于一般农家厩肥，还含有钾及其它微量元素[9]。若施用于土地中，对土壤物理、化学及生物学性状有一定的改良作用。污泥中的有机物质可明显改善土壤的结构性，使土壤的容重下降，孔隙增多，土壤的通气透水性和田间持水量提高[10 11]，从而改善土壤的物理性质。施用污泥也可提高土壤的阳离子交换量，改善土壤对酸碱的缓冲能力，提供养分交换和吸附的活性位点，从而提高土壤保肥性[12]。污泥中丰富的各种养分，明显地增加土壤氮、磷养分，并能有效地向植物提供养分[11]，减少化学肥料的施用量，从而可降低农业生产的成本。此外，污泥可以使土壤中微生物量增加和代谢强度提高而改变土壤的生物学性状，所以污泥土地利用是适合我国目前的经济发展状况是一种积极的、生产性的污泥处置方法[13 14]。同时，我国是一个发展中的国家，又是一个农业大国，其广阔的土地资源是发展污水污泥土地利用的天然优势。因此，无论从经济因素还是从肥效利用因素出发，污泥的土地利用特别是污泥的农用都是一种符合中国国情的处置方法。这种处置方法一方面可以为国内污水厂污泥找到一条根本出路，另一方面还可缓解我国农村资源的短缺。
2.4 污泥土地利用应注意的问题
2.4.1 加强病原菌和寄生虫的控制
城市污水处理厂污泥中含有大量的病原微生物和寄生虫，如不加以控制，则污泥在土地利用或使用过程中会对人畜的健康造成危害。因此污泥在处置或利用前进行高、中温好氧法或厌氧法处理或采用辐射处理是不可或缺的环节。
2.4.2 重视对污泥中重金属及有毒有机物的控制
污水污泥中的重金属和有机污染物含量已成为污泥土地利用的重要限制因素，污泥中往往含有大量的铜、镍、镉、铅、锌、汞等重金属和许多种有毒有机物，若农田中长期施用会导致土壤污染，它们被农作物吸收后又通过食物链进入人体，从而影响人体健康。尽管国内城市污水厂的污水以生活污水为主，但国内城市污水污泥中重金属含量还是有部分超过农用标准[2 15]。因此，将污泥作土地利用时，应特别注意污水污泥中重金属超标问题。污泥中有机污染物的研究工作已经在发达国家开展了很多年，但我们在这方面的研究工作还不是很多。然而，很少研究工作并不意味着我国的污水污泥中不含或少含有机污染物。北京高碑店污水处理厂的污泥中已经检测到35种含氮芳香族化合物，并有7种已经定量化[16]。因此，在污水污泥中有机污染物与重金属这两个领域的研究工作还有很多要做，包括污泥中有机污染物和重金属的表现形式以及污泥处理过程中它们的变化及对土壤-污泥系统的影响。这样才可以很好地解决污泥中污染物对环境及人类健康造成的影响。然而，污泥质量根源于污水厂处理的污水的质量，因此也要从污染源着手，降低进入城市污水的重金属及其它有毒物质的浓度，即必须使排入城市污水管道的工业废水水质符合《污水排入城市下水道水质标准》(CJ18－86)。
2.4.3 污泥的施用量
污水污泥的农业利用，不仅可以消除污泥对环境的污染，也可使其资源化而提高作物产量。但是，不合理的施用污泥，很可能导致土壤中重金属元素的积累，造成土壤资源的污染和危害人类的健康。一般来说某块农田适用污泥数量有一定限度，当达到这一限度时，污泥的农用就应停止一段时间后再继续进行。具体的污泥施用量应在调查研究的基础上，根据气候条件、地理环境、作物种类及土壤同化能力制定适合本地区特点的污泥施用额定负荷量，以确保污泥的农田施用安全。
2.4.4 制定完善标准和法律法规，推广与普及环境知识
许多发达国家已对污泥的处置利用制定了法律法规，对污泥的标准、施用地点的选择、水源的保护、病原菌的控制、重金属的允许施入量、运输等都作了相应的规定。目前，我国关于污泥施用的标准和法律法规还不健全，比如污泥农业利用中关于重金属的控制标准只是在研究小麦的基础上建立起来的，很明显这样会存在片面性，因此这样的标准有待于在科学研究的基础上进一步完善。另一方面是要向社会各界大力传播环保知识。污泥土地中的一个重要问题是，要让广大的污泥用户了解科学施用污泥的利益和盲目施用污泥的危害，自觉地遵守污泥土地利用的环境法律法规和科学施用技术规范。
3 结语
随着我国工业和城市的发展，污水处理率的提高，其产生量必然越来越大。从目前情况来看，国内污泥处理利用技术还比较落后，污泥处理率还比较低，人们对污泥处理处置必要性认识还不够，污泥的处理处置存在严重的不足，许多问题亟待解决。同时，我国是一个农业大国，将经过堆肥稳定化后的污泥进行土地循环利用，应该是国内污泥处置利用较有发展前景的一种途径。为了解决国内污泥处理处置中存在的问题，充分利用污泥这种资源，减少环境公害，我国必须大力发展污泥处理处置和利用的各种技术。
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延伸阅读
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