污泥的處理處置與資源化
摘要：城市污泥處理處置是污水處理事業的重要組成部分。分析污水污泥處理處置應該采取的對策，同時介紹新興的污泥處理技術，并指出了污水污泥土地利用時應該注意的問題。城市污泥既是污染物又是一種資源，污泥的處理、處置與資源化利用相結合才是其最好的出路。
關鍵詞：城市污泥處理資源化
前言：
城市污泥是污水處理過程中產生的固體廢棄物。中國現有人口13億多，城市640多個，城市人口2.7億，每年大約排放污水401億ｍ３，已建成運轉的城市污水處理廠有400余座，日處理能力2534萬ｍ３，污水廠在凈化污水的同時，產生的污泥量約占污水總處理的0.3%-5%（含水率為97%計），目前我國年產干污泥近30萬噸，折合濕污泥含量約為750萬噸（96%的含水率）。目前在國內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%。污泥中除了含有大量的有機物和豐富的氮、磷等營養物質，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。因此，尋求經濟有效的減量化、無害化和資源化的污泥處理技術具有重要意義。
1污泥的處理處置方法
(G7T(I9T5d0隨著海洋投棄被禁止，污泥棄置的比例正逐漸減少，同時土地填埋也受到越來越嚴格的限制，因為填埋需占用大量土地、耗費可觀的填埋費用且不能根治污染。在今后數年里美國的大部分污泥填埋場將關閉，歐盟也將規定填埋必須和焚燒相結合，只有焚燒灰才可以被填埋。人們已認識到污泥處理的優先順序是減容、利用、廢棄，污泥減量化、穩定化、無害化處理后作為資源回用已經成為主流。污泥利用可分為土地利用和熱能利用，具體方法包括堆肥、堿性穩定化、熱干化、焚燒等。
1.1堆肥
堆肥是利用污泥中的微生物進行發酵的過程。在污泥中加入一定比例的膨松劑和調理劑(如秸桿、稻草、木屑或生活垃圾等)，利用微生物群落在潮濕環境下對多種有機物進行氧化分解并轉化為類腐殖質。研究表明，經過堆肥的污泥質地疏松，陽離子交換量(CEC)顯著增加、容重減小、可被植物利用的營養成分增加、病原菌和寄生蟲卵幾乎全被殺滅。
目前采用的方法有靜態和動態堆肥兩種。有些地方仍沿用傳統的條形靜態通風垛，一些發達國家則多采用現代工業化的發酵倉工藝，如日本至20世紀90年代末已建了35座污泥堆肥廠，其中最大的堆肥廠在北海道的札幌市，其發酵倉和生產線很具規模且機械化自動化程度高［2］。國內的唐山、常州等地也采用發酵倉處理污泥。
1.2堿性穩定化
堿性穩定化是在污泥中加入石灰或水泥窯灰等堿性物質，使污泥pH＞12并保持一段時間，利用強堿性和石灰放出的大量熱能殺滅病原體、降低惡臭和鈍化重金屬，處理后污泥可直接施用于農田。
堿性穩定化的兩個主要處理方法是N-ViroSoil和Agri-Soil方法。前者是在堿性穩定后通過機械翻堆或其他方法使污泥快速干燥，后者則是在混合堿性物料后進行堆肥。美國愛森技術公司開發了成套N-Viro設備并在美國、澳大利亞等地使用，其自動化程度高，處理濕污泥量可達50～240t/d。
熱干化是利用熱能將污泥烘干。干化后的污泥呈顆粒或粉末狀，體積僅為原來的1/5～1/4，而且由于含水率在10%以下微生物活性完全受到抑制而避免了產品發霉發臭，利于儲藏和運輸。熱干化過程的高溫滅菌作用很徹底，產品可完全達到衛生指標并使污泥性能全面改善，產品可作替代能源也可土地利用。20世紀90年代熱干化技術得到迅速發展，2000年世界干污泥產量已是1990年的10倍［5］。目前在設備市場技術領先的有奧地利的Andritz公司、比利時的Seghers公司和美國的Bio-Gro等，其設備可蒸發水量為0.5～10t/h(相當于處理含水率為20%的濕污泥15～300t/d)，而且設備自動化程度高、安全性能好。
熱干化按加熱方式可分為直接加熱和間接加熱，其中有代表性的是歐洲最大的直接加熱污泥干化廠——英國的Bransands(可蒸發水量為7×5000kg/h)以及世界最大的間接加熱干化廠——西班牙的巴塞羅那(可蒸發水量為4×5000kg/h)。國內的大連、秦皇島和徐州等地也開展了污泥熱干化生產的研究，都采用直接加熱方式。
通過焚燒可利用污泥中豐富的生物能來發電并使污泥達到最大程度的減容。焚燒過程中所有的病菌、病原體均被徹底殺滅、有毒有害的有機殘余物被氧化分解。焚燒灰可用作生產水泥的原料，使重金屬被固定在混凝土中而避免其重新進入環境，不足之處在于焚燒過程中會產生二英等空氣污染物。目前應用最廣的焚燒設備是流化床焚燒爐，當污泥的含水率達到38%以上時就可不需要輔助燃料直接燃燒，污泥焚燒在日本和歐美較為普遍，日本有61%的污泥采用焚燒處理。
1.5新興的污泥處理技術—超臨界水氧化
超臨界水氧化（SupercriticalWaterOxidatian，簡稱SCWO）技術是在水的溫度和壓力均高于其臨界溫度T（374.3℃）和臨界壓力P（22.05MPA）時，以超臨界水作為反應介質與溶解于其中的有機物發生強烈的氧化反應，使有機物最后被氧化成無毒小分子化合物的過程。
超臨界水能與空氣，氧氣和有機物以任意比混溶形成均一相，即氣液的相界消失，也就消除了相間的傳質阻力，反映速度不再受氧的傳質控制，因此加快了反應速度而縮短了反應時間，大多數有機物在幾分鐘之內去除率可達99.99%，有些有機物在不到1分鐘的時間內去除率就可達到99.999%。
由于超臨界水氧化充分利用了超臨界水所具有的特性，所以具有其他有機廢水處理技術無可比擬的優越性：效率高，處理徹底，反應速度快，反應容器小，無二次污染，且當有機物含量〉2%時就可以完全自熱，不需要外加熱量。另外，城市污泥中所含有機物是以油脂、蛋白質、纖維素和糖類等碳水化合物為主，重力濃縮之后的污泥含水率在95%左右，它的成分與濕生物質相似。以C6H12O6作為濕生物質的分子式模型，研究了其超臨界水汽化（600、34.5Mpa）汽化與生物甲烷化的對比試驗，結果濕生物質在超臨界水汽化工藝中，產生的氣體組分及含量（體積分數）分別是：H2為46%，CH4為39%，CO2為10%，N2為4%，CO為1%，能量的有效利用率為64.8%，而生物甲烷化的能量有效利用率為49.3%。由于城市污泥與濕物質類似，因此污泥的超臨界水汽化成為可能，鹽類等無機物在超臨界水中的溶解度很小，在反應器及管路中沉積下來的無機鹽易于分離，這樣就能有效地去除污泥中的重金屬。
2、污泥資源化利用
2.1污泥農用
這種利用和處置方式使污泥最終剩余物問題得到真正解決，因為其中的有機物得以重新進入自然環境。污泥含有豐富的微量元素，將其施用于農田能夠改良土壤結構，增加土壤肥力，促進農作物的生長。
污泥農用必須注意：嚴格控制污水廠污泥的有毒有害物質及病原微生物，使其達到國家標準；注意污泥中重金屬含量，按照計算得出污泥施用量進行施用；農田利用在安全施用量之下控制使用，同時整個利用區應該建立嚴密的使用，管理，監測，監控體系，關注區域內土壤，地下水，地表水，作物等相關因子的狀態和變化。
2.2污泥用于園林綠化地和林地的建設
將污泥施用于花卉、草坪等，既可遠離食物連，又可就近消化污泥，還能減少化學肥料的用量，同時污泥還被用在森林土地的施用上，污泥中的營養成分和微量元素可促進樹木生長。
2.3能量利用
污泥發孝產生的污泥氣體可作燃料，也可作化工原料，消化池產生的污泥氣能完全燃燒，保存運輸方便，是一種清潔燃料，污泥氣發熱量為20850-25020KJ/m3，1m3氣體約相當于1Kg煤。污泥氣的主要成分為CH4和CO2，將污泥氣凈化，除去CO2，可得到CH4，其可以制成多種化工產品。
2.4污泥作建材
利用污泥可以制磚，制纖維板，也可用于鋪路等。制磚時，可直接用干化污泥制磚，或用污泥焚燒灰制磚。污泥中含有大量的灰分，鋁，鐵等成分，可作為生產建筑材料的添加劑。
2.5新的熱能利用技術——熱解制油
即在300～500℃、常壓（或高壓）和缺氧條件下，借助污泥中所含的硅酸鋁和重金屬(尤其是銅)的催化作用將污泥中的脂類和蛋白質轉變成碳氫化合物，最終產物為油、碳、非冷凝氣體和反應水。英，美等國主要研究的是熱化學液化法，即在300℃、10MP左右的條件下對脫水污泥進行化學液化，使污泥反應成油狀物。德國和加拿大以熱分解油化法為主，把干燥的污泥在無氧條件下加熱到300-500℃，使之干餾氣化，再將氣體冷卻轉化成油狀物。
該技術的環境效益和資源化效益均是很可觀的，主要表現在：能有效控制重金屬排放，特別是Hg,Ti,在灰燼和炭中來自污泥的重金屬被鈍化，可回收利用，易儲藏的液體燃油，回收的液體燃油可提供700kw/t的凈能量，可破壞有機氯化物的生成，反應器中燃燒溫度應維持盡可能低（〈800℃〉，可減少水蒸汽中金屬的排放，氣體凈化簡單而廉價，占地面積小，運輸費用減少，運行成本較低。第一座工業規模的污泥煉油廠在澳大利亞柏斯，處理干污泥量可達25t/d。
此外，還有污泥直接油化和微波高壓油化技術，直接油化技術是污泥不經過干燥處理，在250-350℃，5.0-15MP和催化作用下，使污泥中的大部分有機物轉化成低分子油狀物。
2.6污泥制活性炭技術
污泥中含有許多的碳，具備了制備活性碳的客觀條件。制備活性碳的路徑是先對污泥炭化，然后活化，所以污泥制活性碳的主要研究問題是最佳炭化，活化條件以及提高質量，降低成本等，目前，污泥炭化方式除了傳統的高溫炭化外，也有用工業廢棄的硫酸來催化炭化，污泥活化方式以高溫水蒸汽物理活化氯化鋅化學活化為主。
由于污泥的含碳量比其他制活性碳的原料含碳量低，所以污泥活性碳的質量不及商品活性碳，其碘值為177-700mg/g,但在處理有機廢水時，COD吸附容量和吸附平衡時間優于商品活性碳。由于污泥活性碳中的重金屬可能丟失，所以這些活性碳僅限于簡單的廢水處理和氣體凈化，其應用場合有限，但在一些消耗碳氣體凈化場合，其應用比傳統的活性碳更經濟。而且，污泥活性碳如果不在再生，可以考慮燒掉，同時可固化其中的重金屬，因此有一定的應用前景。
3污泥利用方案的選擇
面對眾多的污泥利用方案，Bridle等提出用生命周期評價法即從“環境衛生安全、資源回收、資源投入產出比和收益影響比”四個方面評估污泥利用方案的可持續性。因各地區的發展狀況有差別，所得出的結論也不同，所以應根據本地實際情況選擇適合的污泥利用方案。
3.1污泥利用的潛在風險
污泥利用需滿足嚴格的環境衛生標準，不能造成新的環境危害。污泥利用的環境問題是重金屬和氮對土壤、作物、水體的影響以及病原物污染，所以具有潛在風險。污泥的熱能利用無疑是風險最小的，而土地利用則需嚴格管理，只有重金屬含量低于農用污泥標準才可用于農作物，而且污泥肥的施用也需嚴格定量以控制重金屬的積累和減少氮、磷淋失對水體的污染。至于病原物污染，熱干化的安全性較佳，因其高溫滅菌作用很徹底，產品可完全抑制微生物的活性；堿性穩定化基本上也能達到安全標準；堆肥則不足以保證安全性［8、9］，因病原物仍有少量存活且產品的高含水率(一般為30%～40%)可使病原物復活，故采用堆肥方案時需加強對堆肥質量、場所和施用場地的管理。
3.2利用方法的比較
污泥土地利用可回收植物生長所需養分并且改善土壤的物理性質(降低容重、提高滲透性和保濕性)，其收益是顯著的，但前提是污泥必須安全。焚燒既可回收熱能又可通過干餾提取油、氣等，不但可做燃料也可用于制造四氯化碳等化工產品，具有工業化利用前景，因此當污泥不能農用或者污泥量大于農用需求量時，焚燒也是一種選擇。歐洲將來有30%的污泥土地利用、70%熱能利用。而在所有方案中，無疑熱干化最具靈活性，對可農用的污泥進行熱干化處理后可形成高質量的顆粒肥，易撒播且適宜包裝上市銷售，對不可農用的污泥無論直接焚燒或者干餾制油都需先熱干化處理，因此，熱干化適用于所有污泥，其產品用途也最廣泛。
3.3其他因素
運行成本及經濟承受能力是方案選擇的重要因素之一。總體來說焚燒的成本最高(是其他工藝的2～4倍)，而其他方案的綜合成本差異不顯著。堆肥化若采用靜態條垛工藝則成本最低，但其生產周期長、占用土地多且對周圍環境的影響比較嚴重；若采用發酵倉則設備投資和運行費用將增加，而且若要制成復合肥還需烘干造粒設備，這樣其成本優勢就大大削弱了。因此，考察污泥利用的成本時應在統一產品質量標準和環境影響標準的基礎上，從設備投資、運行費用、地價、人力價格等多方面進行綜合評估。
污泥處理設施的選址是方案選擇的決定因素之一。一般而言，污泥宜就近處理以節省運輸費用和減少濕污泥運輸對沿途造成的污染。由于污泥處理過程中可能會帶來臭味、有毒有害氣體及病原體等環境問題，所以選址會對方案選擇產生決定性影響。如果污水處理廠遠離城區并有閑置土地，則堆肥不失為一種合理選擇。在生產用地緊張的情況下，熱干化顯得較有優勢，它不僅占地面積很小，而且可以滿足嚴格的環保標準(其尾氣經嚴格除塵除臭后才排放，廠房內的氣體也進行除臭處理)，即使在德國、瑞士等地也有污泥熱干化廠建在市區或旅游區內的情形。
各地區的實際情況決定了污泥產品的使用目的和要求不同，從而也導致了污泥處理利用方法的迥異。例如歐洲僅有1%的污泥用于堆肥，美國也只有4%～5%，但在澳大利亞堆肥卻很受歡迎(尤其是堿性穩定后堆肥)，如悉尼水處理集團污泥的25%用于堆肥、54%用于堿性穩定化，原因是澳大利亞許多土壤呈酸性。在美國東海岸污泥熱干化處理發展迅速，這是因為那里的污泥無法直接就近農用，必須將其制成易于儲存和運輸的顆粒肥上市銷售或運往西部佛羅里達州的柑橘農場。可見污泥處理后的性狀和用途會制約污泥利用方案的選擇，所以應先作詳盡的市場調查，根據污泥利用的市場及容量確定了污泥的最終出路之后才能選出最佳的污泥處理方案。
4結論
隨著我國經濟和城市化的迅速發展，城市污水處理廠的規模不斷擴大，處理程度將不斷提高，難度也不斷加大，同時，我國在城市污泥處理，處置及有效利用方面的技術剛起步，因此在污泥處理處置方面，應將傳統技術與新技術相結合，逐步改進，以提高處理效益，增強處理效果，而且在污泥利用方面，應兼顧到生態效益和經濟成本的均衡。
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