城市污泥性质和处理处置方法概览

王艺凯

(山东省潍坊第四中学,山东潍坊 261206)

我国污泥处理处理起步较晚,与国外发达相比,处理技术不成熟,污泥处理配套的污水处理厂并不多,并且随着我国城市发展速度加快和环境质量标准的提高,污水处理量和处理程度逐年提高,污泥产生量也随之上升,污泥的处理处置成为一个亟待解决的环境问题。一方面,污泥中含有丰富的有机物、无机盐,可用作燃料、肥料等,具有很大的利用价值;而另一方面,污泥中也含有较多的重金属、致病微生物和其他有毒有害物质,若处理不妥当,易造成二次污染。所以,如何完善污泥处理处置工艺,使得污泥处理本着循环利用、节能降耗、安全环保、稳妥可靠、因地制宜的原则实现减量化、无害化、资源化的目标是一个很重要的问题。

1 城市污泥性质

1.1 城市污泥基本性质

在生活污水和工业废水处理过程中,会产生相当多的沉淀物和漂浮物。首先进入污水处理厂的悬浮物,在一沉池形成初沉污泥;随后,在活性污泥法处理污水的过程中,微生物利用其中的养分生长增殖,污泥量增加,产生了剩余污泥;最后在一些利用沉淀法去除污染物的过程中必定会产生大量污泥。污泥的成分比较复杂,除含有大量水分、多种微生物与其吸附的有机物和无机物外,还含有难降解的有机物、挥发性物质、重金属和盐类,以及病原体和寄生虫等。污泥的主要成分如表1所示。

1.2 城市污泥的肥分

城市污泥中富含很多植物所需的营养素、有机物和腐殖质等,富含农作物必须的氮、磷、钾等肥料成分,使得污泥回用土地成为可行的处理处置方法。我国部分城市污泥中养分的含量如表2所示。

1.3 城市污泥的毒性和环境危害性

城市污泥中除了上述成分外,还含有重金属、有毒有机物、致病微生物等有毒有害物质,这是污泥处理无害化的关键部分。

1.3.1 重金属

城市污泥中的重金属包括Cr、Cu、Mn、Hg、Cd、Pb、Sb等。重金属性质较稳定,溶解度很小,难去除,容易在土壤、动植物中积累,对动植物造成危害,改变土壤微生物种群结构以及影响土壤酶的活性,造成长期危害。

1.3.2 有毒有害有机物

随着公众环境意识的增强和污泥成分的深入研究,污泥中一些新型微量有毒有害有机物如苯、氯酚,多氯代二苯并二英(PCDDs)和多氯代二苯并呋喃(PCDFs)(统称二恶英)成为热点,这些有机物具有不易被生物降解、致癌性、生殖毒性、免疫毒性和内分泌毒性、潜在危害性大的特点。

1.3.3 致病微生物

未经消毒处理的城市污水处理厂污泥中含有大量的细菌、病毒、寄生虫卵等,且这些微生物也会对水体、土壤等造成污染,使得相应传染病发生。污泥中存在的有毒有害物质不容忽视,在污泥处置时要经过无害化处理,防止其进入食物链,对人类和动物健康造成危害。

2 我国污泥产生和处理情况

根据《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》数据,目前全国污水处理设备的平均运行负荷率84%左右。截至2015年末,我国脱水污泥年产量已经超过2.6×107t。25%～65%的污水厂运营投资费用都用于污泥的处理与处置,这对污水处理厂是一种不小的开支。

表1 城市污泥成分

表2 我国部分城市污泥的养分含量

3 城市污泥处理处置工艺

污泥的最终处理处置方法有很多种,各国各地区之间也有较大差异,一般常见的处理处置方法为以下几种：卫生填埋、焚烧处理、回田利用、资源化利用和厌氧消化产氢产甲烷等。污泥的最终处理应朝着减量化、无害化、资源化的方向发展,避免二次污染的同时实现污泥利用价值的最大化。

3.1 卫生填埋

针对我国污泥量大且经济实力不发达的现状,卫生填埋是一种折中的选择,它投资少、容量大、见效快,通过将污泥与周围环境的隔绝,可以最大限度地避免污泥对公众健康和环境安全造成威胁,但随着时间的推移也暴露出许多问题。

3.1.1 填埋方式

污泥填埋总体来讲可分为单独填埋和混合填埋两种类型。

单独填埋是指填埋过程中不添加任何改性剂而只填埋污泥的一种填埋过程。污泥单独填埋的方式主要是沟填(将污泥挖沟填埋),在进行沟填操作时每天填入污泥后都要进行覆盖,以控制臭气,该方法更适于填埋一些不稳定的或稳定性较差的污泥。

混合填埋是指城镇污水处理厂出厂污泥进入垃圾卫生填埋场与生活垃圾、泥土等物质一起进行卫生填埋的污泥处置过程。污水厂脱水污泥的含水率在80%左右,不能满足填埋作业的机械强度。混合填埋提升污泥的机械强度,添加改性剂。或者降低污泥的含水率,脱水干化后与其他物质混合填埋。

3.1.2 填埋的优缺点

卫生填埋对于我国这样一个污泥量大且经济仍处于发展中的国家来说表现出一些很好的优势。其建设周期短,投资相对低廉,污泥降解速度快,管理方便,可以有效杀灭病原菌。且其中的重金属总量会大大降低,提高稳定性腐殖化程度提升。

而随着环境质量标准的加强、大众环境意识的增强和对污泥处理处置的深入研究,污泥填埋也暴露出一些缺点。

(1)对生污泥进行单独填埋时,卫生条件较差,臭味大,蚊蝇多,令操作人员难以忍受。

(2)污泥填埋的主要问题是强度不足,脱水污泥通过进一步降低含水率和添加适当的添加剂,污泥的强度可以提高,从而可以保证填埋体的稳定和填埋操作的顺利进行,而各种添加剂对环境的影响仍需要进行比对研究。

(3)污泥填埋需要以牺牲土地为代价,大面积选址困难、运输距离增大,以及可能污染地下水等。

3.2 污泥焚烧

3.2.1 污泥焚烧方式

污泥焚烧工艺已经有几十年的发展历史,受到经济、技术、环境情况的多方面影响分化出了许多不同的工艺过程。但是总的来说有两大类：一是直接焚烧,二是混合焚烧。

干化焚烧实际上是一种节能型处理工艺。目前城市污水厂产生的污泥直接入炉焚烧需要消耗大量的辅助燃料,运行成本太高。需要采取相应手段,降低污泥的含水率。例如可采用机械脱水后,再进行焚烧。这样就无需辅助燃料,即干化焚烧。污泥混合焚烧主要包括污泥和固体废弃物混合焚烧、污泥和水泥联合焚烧两种方式。分别燃烧污泥和固体废弃物的成本较高,而污泥与固体废弃物混合燃烧可以降低成本。水泥与污泥联合生产工艺是城镇污水处理厂污泥处理近几年兴起的环保型处理方式,主要利用在生产水泥时的高温效应分解处理污泥。是一种较为清洁高效的处理技术。

3.2.2 污泥焚烧的优缺点

采用焚烧法处理污泥主要有以下优点。即无需远距离运输,经济可靠;大大降低污泥体积与质量,灰渣可以多方向利用。污泥大多可以无害化和稳定化,减少了污泥中有害物质对于土壤与水环境的二次污染。流程短、占地小,无需长期堆放,产生热能,一定程度上“自产自销”,用于焚烧厂本身的发电与供暖。

污泥焚烧也存在一些问题。即设备复杂,运行成本较高。重金属成分随飞灰扩散,对大气环境造成污染。前面所讲,污泥焚烧前需要预处理降低含水率,有前处理费用。且当污泥重金属及有毒物质含量高时是不能作为农业用途的。大城市卫生要求高,用地紧缺,污泥自身的燃烧热值高时,有条件与城市垃圾混合焚烧,或与城市热电厂混合焚烧时都可考虑采用污泥焚烧处理,但要做好相应的防护措施。

3.3 土地利用

3.3.1 污泥的土地利用

污泥的土地利用是指污泥经过无害化处理后用于园林绿化、农田、盐碱地改良等。近年来利用污泥制成肥料并施用农田作物或花卉植物等,取得了显著效果。

3.3.2 土地利用的优缺点

污泥的土地利用操作简便、投资低。污泥中含有氮、磷、钾及大量的有机物,对土壤的生物、化学及物理性质具有一定的改良作用。污泥部分替代化肥,减少温室气体的排放量。

污泥土地回用的主要问题是污泥中含有较多的有毒有害物质,一般的无害化处理很难将其除去,一旦进入土壤会对环境造成二次污染。重金属慢慢渗透扩散进入土壤,随之为作物、植物或者土生微生物吸收,进入生物链。污泥制肥加工成本较高、溢价能力有限,以及管理部门的谨慎态度,使得城市污泥农用产品出路上受到一定的限制。

3.4 材料化

污泥建材利用是污泥资源化方式的一种,其技术简单,产品可销往市场。污泥材料化主要是用于制砖、制轻质材料和水泥等。目前所应用的污泥制砖方法主要有两种,即焚烧灰制砖和直接制砖。污泥还可用于制陶粒等轻质材料。应用比较广泛的是污泥制水泥。

3.5 污泥厌氧消化

3.5.1 污泥厌氧消化过程

厌氧消化是利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应,分解污泥中有机物质的一种污泥处理工艺。该过程是由多种微生物参与的复杂过程,目前对厌氧消化的原理较为全面的阐述为Bryant提出的三阶段理论和Zeikus提出的四种群理论。

根据厌氧消化的工艺运行形式,分为两相消化和两级消化。目前国内外仍以两级厌氧消化运行为主。

3.5.2 污泥厌氧消化的优缺点

在众多的污泥处理方法中,厌氧消化由于其高效的能量回收和较低的环境影响,是目前国际上应用最为广泛的污泥稳定化和资源化的处理方法。其通过创造厌氧环境,分解污泥中的有机质,稳定化污泥,打破大分子,有利于后续脱水。厌氧消化后,污泥中有机质更有利于土壤的吸收,且可用于电厂的辅助燃料提供能量,回收利用。更值得一提的是,厌氧消化产生较多的沼气,可作为清洁能源燃烧发电。因此,污泥厌氧消化技术提升了污泥的回收价值,产生清洁能源,在能源日益紧张的中国具有较强的运用前景。

污泥厌氧消化在减量化、资源化等方面发挥着很好的效果,但在我国的应用并不广泛,主要存在进泥含砂渣量大、污泥中有机质含量偏低和产气量不高的问题。

4 结语

近年来,污泥量随着经济的快速发展和环境质量要求的提高不断上升。污泥主要成分是有机物、无机盐和微生物,这使得污泥燃烧和回用到土地成为很好的途径,但是其中的有毒有害有机物和致病微生物也是污泥处理处置中的一个瓶颈。我国现阶段主要的污泥处置方法有卫生填埋、污泥焚烧、土地回用、材料化和厌氧消化等,这些方法各有其优缺点,在选择工艺时要充分考虑其技术经济可行性,努力实现减量化、无害化、资源化的目的。

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