城市污水污泥處理與處置
前言
城市污水污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的固體廢棄物。隨著國內(nèi)污水處理事業(yè)的發(fā)展，污水廠總處理水量和處理程度將不斷擴大和提高，產(chǎn)生的污泥量也日益增加，目前在國內(nèi)一般污水廠中其基建和運行費用約占總基建和運行費用的20%～50%。污水污泥中除了含有大量的有機物和豐富的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，還存在重金屬、致病菌和寄生蟲等有毒有害成分。為防止污泥造成的二次污染及保證污水處理廠的正常運行和處理效果，污水污泥的處理處置問題在城市污水處理中占有的位置已日益突出。
中國現(xiàn)有人口13億多，城市640多個，城市人口2.7億。據(jù)中國國家環(huán)？偩痔峁┑臄(shù)字，目前中國每年大約排放污水401億m3，已建成運轉(zhuǎn)的城市污水處理廠有400余座，日處理能力2534萬m3。按污泥產(chǎn)量占處理水量的0.3%~0.5%（以含水率97%計）計算，中國城市污水廠污泥的產(chǎn)量在7.602萬m3/d和12.67萬m3/d (以含水率97%計)之間。因此，中國在污水處理事業(yè)不斷取得進步的同時，將面臨巨大的污泥處理處置壓力。
1 國內(nèi)城市污水污泥處理處置現(xiàn)狀
1.1 國內(nèi)城市污水污泥處理的狀況
1.1.1 現(xiàn)有污水污泥處理工藝
國內(nèi)已建成運行的城市污水廠來看，污水污泥處理工藝大體可歸納為18種工藝流程，見表1。
1.1.2 污泥濃縮
污泥濃縮主要是降低污泥中的空隙水，通常采用的是物理處理方法，主要包括重力濃縮法、氣浮濃縮法、離心濃縮法等，它們的處理性能如表2所示[3]：
表1 國內(nèi)已建城市污水處理廠污水污泥處理工藝
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注：表中未注明的污泥均為活性污泥。
表2 幾種濃縮方法的比能耗和含固濃度
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從表中可以看出，初沉污泥用重力濃縮法處理最為經(jīng)濟。對于剩余污泥來說，由于剩余活性污泥濃度低，有機物含量高，濃縮困難，采用重力濃縮法效果不好，而采用氣浮濃縮、離心濃縮則設(shè)備復(fù)雜，費用高，也不適合中國國情。所以，目前國內(nèi)推行將剩余活性污泥送回初沉池與初沉污泥共同沉淀的重力濃縮工藝，利用活性污泥的絮凝性能，提高初沉池的沉淀效果，同時使剩余污泥得到濃縮。國內(nèi)污水廠對此進行了試驗研究，表明這種工藝的初沉池出水水質(zhì)好于傳統(tǒng)工藝[4]。因此，國內(nèi)當前將重力濃縮法作為主要的污泥濃縮方法，圖1為國內(nèi)污水廠所采用的污泥濃縮方法情況。
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由于國內(nèi)經(jīng)濟狀態(tài)和資金短缺，且污泥中有機物含量低，所以重力濃縮法仍然將是國內(nèi)今后主要污泥減容手段。
1.1.3 污泥穩(wěn)定
國內(nèi)目前常用的污泥穩(wěn)定方法是厭氧消化，好氧消化和污泥堆肥也有部分被采用，并且污泥堆肥正處于不斷研究階段，而熱解和化學(xué)穩(wěn)定方法或者是由于技術(shù)的原因或者是由于經(jīng)濟、能耗的原因而很少被采用。圖2為上述幾種污泥穩(wěn)定方法在國內(nèi)所占的比例。
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1.1.4 污泥脫水
國內(nèi)現(xiàn)有的污泥脫水措施主要是機械脫水，而干化場由于受到地區(qū)、氣候條件的限制很少被采用。圖3為幾種污泥脫水技術(shù)在國內(nèi)所占的比例。
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1.2 國內(nèi)城市污水污泥處理中存在的問題
國內(nèi)城市污水污泥的處理起步較晚，其中也存在許多問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
1.2.1 污泥處理率低、工藝不完善
我國存在著重廢水處理，輕污泥處理的傾向。很多城市未把污泥的處理作為污水廠的必要組成部分，往往是污水處理廠建成后，相當長的時間后才建污泥處理系統(tǒng)，造成我國城市污水污泥處理率很低。從表1的工藝中也可以看出，國內(nèi)城市污水廠的污泥處理工藝是很不完善的。污泥經(jīng)過濃縮、消化穩(wěn)定和干化脫水處理的污水廠僅占上述城市污水廠的25.68%。這說明我國70%以上的污水廠中不具有完整的污泥處理工藝。不具有污泥穩(wěn)定處理的污水廠占55.70%，大量未經(jīng)過穩(wěn)定處理的污水污泥將對環(huán)境產(chǎn)生嚴重的二次污染。不具有污泥干化脫水處理的污水廠約占48.65%。污泥經(jīng)濃縮、消化后，尚有約95%~97%含水率，體積仍然很大。這樣龐大體積的污泥如果不經(jīng)過污泥的干化脫水處理，將為運輸及后續(xù)處置帶來許多不便。
1.2.2 污泥處理技術(shù)設(shè)備落后
當前我國有些污水處理廠所采用的污泥處理技術(shù)已經(jīng)是發(fā)達國家所擯棄的技術(shù)，其水平還停留在發(fā)達國家的70、80年代的水平，有的甚至是國外的60年代的水平。而且有些污泥處理技術(shù)根本不合乎國內(nèi)的污水污泥特性，對所采用的技術(shù)缺乏必要的調(diào)查研究。污泥處理設(shè)備也比較落后，性能差、效率低、能耗高，專用設(shè)備少，未能形成標準化和系列化。因此，限制了我國污泥處理技術(shù)的提高和發(fā)展。
1.2.3 污泥處理管理水平低
很多已建成的污泥處理設(shè)施不能正常運行，除技術(shù)水平外，管理水平低也是重要因素。大部分污水廠的管理人員和操作人員的素質(zhì)較差，缺乏管理經(jīng)驗，不能有效地組織生產(chǎn)，加上技術(shù)人員少，各個專業(yè)不配套，所以一旦生產(chǎn)上出現(xiàn)問題，不知如何處理，有的污水處理廠的污泥處理系統(tǒng)只好長期停止運行。提高污水廠的管理水平，早日實現(xiàn)科學(xué)管理是保證污水廠污泥系統(tǒng)長期運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵所在。
1.2.4 污泥處理設(shè)計水平低
我國排水事業(yè)有很大發(fā)展，積累了較為豐富的污水處理設(shè)計經(jīng)驗，并培養(yǎng)了大批設(shè)計人材。但在污泥處理方面，我國還缺乏實踐經(jīng)驗和設(shè)計經(jīng)驗，尤其是污泥處理系統(tǒng)的整體水平還比較低，從已建成的污水處理廠的污泥處理裝置看，運行工況不佳，不能保證長期運行，很多廠的裝置建成后，又進行較大的技術(shù)改造，造成人力、物力和財力的極大浪費。
1.2.5 污泥處理投資低
國內(nèi)污泥處理投資只占污水處理廠總投資的20%～50%，而發(fā)達國家污泥處理投資要占總投資的50%～70%。
1.3 我國城市污水污泥處置的狀況及分析
城市污水污泥的處置途徑包括土地利用、衛(wèi)生填埋、焚燒處理和水體消納等方法，這些方法都能夠容納大量的城市污水污泥，但因國家的不同而應(yīng)用情況有所不同。我國自80年代初第一座污水處理廠天津紀莊子污水處理廠建成投產(chǎn)后，污泥即由附近郊區(qū)農(nóng)民用于農(nóng)田。其后北京高碑店等污水處理廠的污泥也均用于農(nóng)田。隨著城市污水污泥產(chǎn)生量和污水處理廠的逐漸增多，目前我國已開始將污水處理廠污泥用于土地填埋和城市綠化，并將污泥作基質(zhì)，制作復(fù)合肥用于農(nóng)業(yè)等。但在國內(nèi)，總的狀況還是以污泥土地利用的形式為主，將污泥用于農(nóng)業(yè)？捎捎趪鴥(nèi)在污泥管理方面對污泥所含病原菌、重金屬和有毒有機物等理化指標及臭氣等感官指標控制的重視程度還不夠高，因此限制了對污泥的進一步處置利用，圖4為幾種污泥處置技術(shù)在國內(nèi)所占的比例。
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國內(nèi)的污泥處置，即最終出路存在嚴重問題，從上圖可以看到仍有13.79%的污泥沒有任何處置，這將為環(huán)境污染帶來巨大危害。污泥散發(fā)的臭氣污染空氣，病原菌對人類健康產(chǎn)生潛在威脅，重金屬和有毒有害有機物污染地表和地下水系統(tǒng)。造成這種現(xiàn)象的原因可以歸納如下：由于國內(nèi)污泥處理處置的起步較晚，許多城市沒有將污泥處置場所納入城市總體規(guī)劃。造成很多處理廠難以找到合適的污泥處置方法和污泥棄置場所；我國污泥利用的基礎(chǔ)薄弱，人們對污泥利用的認識存在嚴重不足，對污泥的最終處置問題缺乏關(guān)注，給一些有害污泥的最終處置留下了隱患；污泥的利用率不是很高，仍有一部分的污水廠污泥只經(jīng)貯存即由環(huán)衛(wèi)部門外運市郊直接堆放，尤其是國內(nèi)一些南方城市很多采用這種方式。這樣的處置方式既影響了污水廠的正常運行，同時污泥的隨意堆放又可能產(chǎn)生二次污染，也造成污泥資源的浪費。因此，我國當前面臨的問題是盡快發(fā)展污泥處置技術(shù)來解決不斷增長的污水污泥。
2 我國城市污水污泥處理處置對策
2.1 我國城市污水污泥處理途徑
從國內(nèi)今后的發(fā)展趨勢來看，其城市污水處理將形成以國家投資的大型污水處理廠為主，各地區(qū)根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展狀況投資興建的不同規(guī)模污水處理廠并存的局面，因此對污水廠污泥的處理應(yīng)根據(jù)污水廠所處的環(huán)境位置、處理規(guī)模、資金來源、經(jīng)濟技術(shù)水平來確定適合中國國情的工藝方法和技術(shù)設(shè)備等。
污泥處理的目的是使污泥減容化、穩(wěn)定化、無害化及綜合利用。對于國內(nèi)城市的各類污水處理廠來說，應(yīng)該不斷完善其污水污泥處理工藝，選擇包括污泥濃縮、厭氧消化、脫水等較完善的污泥處理工藝，并積極開發(fā)性能良好的、國產(chǎn)的污泥濃縮、穩(wěn)定和脫水的裝置和機械，以提高污泥的含固率，使后續(xù)的污泥處置和綜合利用能順利進行。就選擇污水污泥濃縮技術(shù)來說，由于國內(nèi)城市污水污泥中有機物含量低，所以采用重力濃縮仍然是一種經(jīng)濟、有效的污泥減容方法。污泥脫水的方法主要包括自然干化和機械脫水，而自然干化由于受到氣候、地區(qū)的限制而很少被采用。污泥的機械脫水能有效降低污泥體積，為污泥的后續(xù)處置打下良好基礎(chǔ)，F(xiàn)在常用的機械脫水技術(shù)有板框壓濾脫水、帶式壓濾脫水和離心脫水等，在實際運行中各有其優(yōu)缺點，同時污泥的性質(zhì)對脫水效果影響很大，因此對機械脫水方法的選擇應(yīng)根據(jù)污水廠工藝、運行的特點和污泥處理處置的要求而定。污泥處理時采用不同的穩(wěn)定方法對整個污水處理的工藝選擇和技術(shù)經(jīng)濟比較有舉足輕重的影響，典型的穩(wěn)定方法有厭氧消化、好氧消化和堆肥等的生物穩(wěn)定法及投加石灰的化學(xué)穩(wěn)定法。對目前國內(nèi)現(xiàn)有的情況來說，應(yīng)考慮采用基建投資少、運行管理費用低、簡易高效的污泥穩(wěn)定方法。污泥的中溫厭氧消化法為國內(nèi)的部分污水處理廠所采用，它不僅能將污泥中的有機物降解，同時殺死部分病原菌和寄生蟲（卵），從而使污泥達到穩(wěn)定化以及部分無害化，而且消化產(chǎn)生的沼氣還可作能源回收。不過該法投資大，操作管理嚴格，對工藝技術(shù)及安全運行的要求也較高，這對國內(nèi)大型的污水處理廠來說是可行的，而對于國家缺乏技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢的小型污水處理廠，采用污泥厭氧消化作為污泥穩(wěn)定、無害化措施是不可行的。筆者認為，對于小型污水處理廠，一是在選擇污水處理工藝時，可選擇延時曝氣法(如采用氧化溝)，由于該工藝產(chǎn)生的污泥隨著泥齡的增長，有機物分解趨于完善，揮發(fā)分含量隨之減少，其能量也逐漸降低，污泥趨于穩(wěn)定。當污泥齡足夠長時，其好氧穩(wěn)定的結(jié)果與厭氧消化穩(wěn)定的結(jié)果很接近[6]。二是采用生污泥直接脫水后進行好氧堆肥的方法，好氧堆肥是利用微生物的作用，將污泥轉(zhuǎn)化為類腐殖質(zhì)的過程，可消除污泥惡臭，堆肥后污泥穩(wěn)定化、無害化程度高，是經(jīng)濟簡便，高效低能耗的污泥穩(wěn)定化無害化替代技術(shù)。
2.2 污泥堆肥是符合中國國情的污泥穩(wěn)定技術(shù)
污泥農(nóng)用前最好進行堆肥化處理，目的是經(jīng)過生物降解作用，使植物養(yǎng)分形態(tài)更有利于植物的吸收，另一方面還可消除臭味、殺死病原菌和寄生蟲。
目前世界各國普遍采用的堆肥方法有靜態(tài)和動態(tài)堆肥兩種，如自然堆肥法、圓柱形分格封閉堆肥法、滾筒堆肥法、豎式多層反應(yīng)堆肥法以及條形靜態(tài)通風等堆肥工藝，這些方法都在不斷發(fā)展和完善。
近年來，國內(nèi)先后建成了一些機械化程度較高的堆肥廠，如無錫、杭州、武漢、上海等地的機械化堆肥技術(shù)包括較完整的前處理、發(fā)酵、后處理工藝和設(shè)備，其堆肥技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量、運行操作可控性、環(huán)境質(zhì)量等方面的指標都達到了較高水平。天津市污水處理研究所在紀莊子污水處理廠進行的污泥高溫堆肥的試驗和研究中，探索出了一套少加甚至不加調(diào)節(jié)劑、簡單而便于操作管理的污泥堆肥工藝，同時提出了工藝流程和技術(shù)參數(shù)，為生產(chǎn)線的設(shè)計與建設(shè)提供了技術(shù)依據(jù)。以堆肥處理前、后消化污泥的提取液為試驗液，以草履蟲為試驗對象所進行的綜合毒性研究表明，兩者的半致死濃度相差近10倍，說明堆肥對毒性有機物的降解效果是顯著的[7]。
1997年北京市環(huán)境保護科學(xué)研究院總結(jié)多年研究成果，吸取國內(nèi)外各類機械堆肥裝置的優(yōu)點設(shè)計、研制了污泥動態(tài)發(fā)酵器，該裝置效率高、能耗低，便于操作管理和設(shè)備化。根據(jù)所研制的設(shè)備，提出以污泥動態(tài)發(fā)酵器為核心的污泥制復(fù)合肥新工藝路線，建成了1條年產(chǎn)5000t復(fù)合肥生產(chǎn)的裝置。生產(chǎn)線包括污泥動態(tài)發(fā)酵器、混合攪拌器、圓盤造粒機、烘干機、篩分機等組成，運行以后設(shè)備穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟效益明顯。該研究提出的污泥動態(tài)發(fā)酵無害化及污泥制肥工藝，將在北京市高碑店等污水處理廠的污泥處理處置中得到應(yīng)用，對于解決北京市的污水污泥處置問題，會起到很好的作用。可以說，該項技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化和推廣應(yīng)用已經(jīng)有了良好的開端[8]。
2.3 污泥土地利用是符合中國國情的處置方法
一般來說，各國家對于污泥處置方式的選擇應(yīng)兼顧到環(huán)境生態(tài)效益與處置成本、經(jīng)濟效益之間的平衡。一種有效的、適合本國具體情況的污泥處置方法應(yīng)該是在環(huán)境上衛(wèi)生、社會上被接受及經(jīng)濟上有效的方法。污泥土地填埋對污泥的土力學(xué)性質(zhì)要求較高，需要大面積的場地和大量的運輸費用，地基需作防滲處理以免污染地下水，填埋場的廢氣可能污染環(huán)境等，近年來污泥填埋處置所占比例越來越；焚燒法的技術(shù)和設(shè)備復(fù)雜、耗能大、費用較高，并且有大氣污染問題；污泥投海受到地理位置和國際海洋有關(guān)公約的限制以及對海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類食物鏈已造成威脅，中國政府已于1994年初接受三項國際協(xié)議，承諾于1994年2月20日起不在海上處置工業(yè)廢物和污水污泥；污水污泥用作建材是近年處于研究階段的新課題，尚有許多技術(shù)難題需要解決。因此，上述幾種方法的使用在我國受到限制。
從污泥的成分看，其中有機物、氮、磷等的含量均高于一般農(nóng)家?guī)剩含有鉀及其它微量元素[9]。若施用于土地中，對土壤物理、化學(xué)及生物學(xué)性狀有一定的改良作用。污泥中的有機物質(zhì)可明顯改善土壤的結(jié)構(gòu)性，使土壤的容重下降，孔隙增多，土壤的通氣透水性和田間持水量提高，從而改善土壤的物理性質(zhì)。施用污泥也可提高土壤的陽離子交換量，改善土壤對酸堿的緩沖能力，提供養(yǎng)分交換和吸附的活性位點，從而提高土壤保肥性[12]。污泥中豐富的各種養(yǎng)分，明顯地增加土壤氮、磷養(yǎng)分，并能有效地向植物提供養(yǎng)分，減少化學(xué)肥料的施用量，從而可降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本。此外，污泥可以使土壤中微生物量增加和代謝強度提高而改變土壤的生物學(xué)性狀，所以污泥土地利用是適合我國目前的經(jīng)濟發(fā)展狀況是一種積極的、生產(chǎn)性的污泥處置方法。同時，我國是一個發(fā)展中的國家，又是一個農(nóng)業(yè)大國，其廣闊的土地資源是發(fā)展污水污泥土地利用的天然優(yōu)勢。因此，無論從經(jīng)濟因素還是從肥效利用因素出發(fā)，污泥的土地利用特別是污泥的農(nóng)用都是一種符合中國國情的處置方法。這種處置方法一方面可以為國內(nèi)污水廠污泥找到一條根本出路，另一方面還可緩解我國農(nóng)村資源的短缺。
2.4 污泥土地利用應(yīng)注意的問題
2.4.1 加強病原菌和寄生蟲的控制
城市污水處理廠污泥中含有大量的病原微生物和寄生蟲，如不加以控制，則污泥在土地利用或使用過程中會對人畜的健康造成危害。因此污泥在處置或利用前進行高、中溫好氧法或厭氧法處理或采用輻射處理是不可或缺的環(huán)節(jié)。
2.4.2 重視對污泥中重金屬及有毒有機物的控制
污水污泥中的重金屬和有機污染物含量已成為污泥土地利用的重要限制因素，污泥中往往含有大量的銅、鎳、鎘、鉛、鋅、汞等重金屬和許多種有毒有機物，若農(nóng)田中長期施用會導(dǎo)致土壤污染，它們被農(nóng)作物吸收后又通過食物鏈進入人體，從而影響人體健康。盡管國內(nèi)城市污水廠的污水以生活污水為主，但國內(nèi)城市污水污泥中重金屬含量還是有部分超過農(nóng)用標準。因此，將污泥作土地利用時，應(yīng)特別注意污水污泥中重金屬超標問題。污泥中有機污染物的研究工作已經(jīng)在發(fā)達國家開展了很多年，但我們在這方面的研究工作還不是很多。然而，很少研究工作并不意味著我國的污水污泥中不含或少含有機污染物。北京高碑店污水處理廠的污泥中已經(jīng)檢測到35種含氮芳香族化合物，并有7種已經(jīng)定量化。因此，在污水污泥中有機污染物與重金屬這兩個領(lǐng)域的研究工作還有很多要做，包括污泥中有機污染物和重金屬的表現(xiàn)形式以及污泥處理過程中它們的變化及對土壤-污泥系統(tǒng)的影響。這樣才可以很好地解決污泥中污染物對環(huán)境及人類健康造成的影響。然而，污泥質(zhì)量根源于污水廠處理的污水的質(zhì)量，因此也要從污染源著手，降低進入城市污水的重金屬及其它有毒物質(zhì)的濃度，即必須使排入城市污水管道的工業(yè)廢水水質(zhì)符合《污水排入城市下水道水質(zhì)標準》(CJ18－86)。
2.4.3 污泥的施用量
污水污泥的農(nóng)業(yè)利用，不僅可以消除污泥對環(huán)境的污染，也可使其資源化而提高作物產(chǎn)量。但是，不合理的施用污泥，很可能導(dǎo)致土壤中重金屬元素的積累，造成土壤資源的污染和危害人類的健康。一般來說某塊農(nóng)田適用污泥數(shù)量有一定限度，當達到這一限度時，污泥的農(nóng)用就應(yīng)停止一段時間后再繼續(xù)進行。具體的污泥施用量應(yīng)在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)氣候條件、地理環(huán)境、作物種類及土壤同化能力制定適合本地區(qū)特點的污泥施用額定負荷量，以確保污泥的農(nóng)田施用安全。
2.4.4 制定完善標準和法律法規(guī)，推廣與普及環(huán)境知識
許多發(fā)達國家已對污泥的處置利用制定了法律法規(guī)，對污泥的標準、施用地點的選擇、水源的保護、病原菌的控制、重金屬的允許施入量、運輸?shù)榷甲髁讼鄳?yīng)的規(guī)定。目前，我國關(guān)于污泥施用的標準和法律法規(guī)還不健全，比如污泥農(nóng)業(yè)利用中關(guān)于重金屬的控制標準只是在研究小麥的基礎(chǔ)上建立起來的，很明顯這樣會存在片面性，因此這樣的標準有待于在科學(xué)研究的基礎(chǔ)上進一步完善。另一方面是要向社會各界大力傳播環(huán)保知識。污泥土地中的一個重要問題是，要讓廣大的污泥用戶了解科學(xué)施用污泥的利益和盲目施用污泥的危害，自覺地遵守污泥土地利用的環(huán)境法律法規(guī)和科學(xué)施用技術(shù)規(guī)范。
3 結(jié)語
隨著我國工業(yè)和城市的發(fā)展，污水處理率的提高，其產(chǎn)生量必然越來越大。從目前情況來看，國內(nèi)污泥處理利用技術(shù)還比較落后，污泥處理率還比較低，人們對污泥處理處置必要性認識還不夠，污泥的處理處置存在嚴重的不足，許多問題亟待解決。同時，我國是一個農(nóng)業(yè)大國，將經(jīng)過堆肥穩(wěn)定化后的污泥進行土地循環(huán)利用，應(yīng)該是國內(nèi)污泥處置利用較有發(fā)展前景的一種途徑。為了解決國內(nèi)污泥處理處置中存在的問題，充分利用污泥這種資源，減少環(huán)境公害，我國必須大力發(fā)展污泥處理處置和利用的各種技術(shù)。
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