（市政工程专业论文）城市污泥处理及资源化利用技术.pdf

摘要 捅斐 城市污泥的处置与利用是全球各大城市面临的重大环境问题之一。污泥的 堆肥化与土地利用是实现其无害化与资源化的重要方式。高温好氧堆肥技术利 用好氧菌和氧气，使污泥高温发酵，它是将固体有机废弃物转化为高质量有机 肥的重要无害化和资源化途径，它不仅可以解决城市污泥环境污染问题，而且 对于发展有机肥、保持和提高土壤肥力，促进农业持续发展有着重要的意义。 目前传统堆肥化过程中，堆肥周期较长，通常在6 0 天左右，氮素损失比较 严重，一般达到3 0 ，- - - 5 0 ，是臭气最主要的组成成分。如何在堆肥过程中缩 短堆肥时间，提高发酵速度，减少氮素损失，提高有机肥的养分价值，具有重 要意义。 基于城市污水厂污泥富含作物生长所需的营养成分和有机质，有害重金属 元素低，其它元素符合国家农用标准这一事实，本文提出了利用污水厂污泥进 行堆肥化后生产有机复混肥的观点。通过生产优质有机复混肥来保证污泥的有 效、持续利用。 关键词城市污泥；污泥处理；高温好氧堆肥；有机复混肥 a b s t r a c t t h ed i s p o s i t i o na n du t i l i z i t i o no fu r b a ns e w a g es l u d g ei so n eo ft h es e n o u s e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m si nb i gc i t y sa l lo v e rt h ew o r l d t h ec o m p o s ta n dl a n d u t i l i z i t i o no fu r b a ns e w a g es l u d g ew a sau s e f u lm e t h o dt om a k ei t i n n o x i o u sa n d r e s o u r c e f u l f e r m e n t i n gs e w a g es l u d g ea th i g ht e m p e r a t u r e1 5 ya e r o b i c b a c t e r i u ma n d o x y g e n ( h i g ht e m p e r a t u r i n gs e w a g ec o m p o s tt e c h n o l o g y ) i sa ni m p o r t a n ta p p r o a c h t oc h a n g es o l i do r g a n i cw a s t ei n t oo r g a n i cf e r t i l i z e ro fh i g h - q u a l i t yi n n o x i o u s l ya n d r e s o u r c e f u l l y i tn o to n l ys o l v e dt h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m c a u s e db ys e w a g es l u d g e ， b u ta l s oi so fg r e a ts i g n i f i c a n c et od e v e l o po r g a n i cf e r t i l i z e r , p r e s e r v ea n di m p r o v e s o i lf e r t i l i t ya sw e l la se n h a n c ea g r i c u l t u r a ld e v e l o p m e n ts u s t a i n a b l y a tp r e s e n t ，t r a d i t i o n a lc o m p o s tp r o c e s ss u f f e r e dl o n g e rt i m ew h i c hi su s u a l l y a r o u n d6 0d a y s m e a n w h i l e ，n i t r o g e nl o s sw h i c hi st h eu p p e r m o s tp a r tt oc o m p o s e e m u v i u mw a sm o r es e r i o u sw h i c hc a nr e a c hn o r m a l l y3 0 5 0 t h u si ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c et os h o r t e nt i m ef o rc o m p o s t ，i n c r e a s ef e r m e n ts p e e d ，r e d u c en i t r o g e n l o s sa n dn u t r i e n tv a l u eo fo r g a n i cf e r t i l i z e r b a s e do nt h ef a e tt h a tt h e r ei sa b u n d a n tn o u r i s hc o m p o n e n ta n do r g a n i cm a t t e r i nt h es l u d g eo fu r b a ns e w a g ed i s p o s a lp l a n tf o rc r o p st og r o wa n dt h e r ei s l o w e r c o n t e n to fh e a v ym e t a l s ，w h i c hc a nm e e tt h en a t i o n a la g r i c u l t u r a ls t a n d a r d s ，t h e a u r t h o rp u tf o r w a r dt h ev i e w p o i n tu s i n gt h es l u d g eo fu r b a ns e w a g ed i s p o s a lp l a n tt o p r o d u c eo r g a n i cc o m b i n e d f e r t i l i z e r k e yw o r d s u r b a ns e w a g es l u d g e ；s l u d g et r e a t m e n t ；t h e r m o p h i l i ca e r o b ic o m p o s t ； o r g a n i cc o m p o u n df e r t i l i z e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 d 9 6 牛 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：业 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 城市污泥概述 1 1 1 城市污泥的定义 城市污泥是城市污水处理厂处理污水过程中产生的沉淀物质，污水经过处理 后，其体积的0 5 1 将转化为固态的凝聚体沉降下来，它包括混入生活污水 中的泥沙、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、各种胶体、有机质 及吸附的金属元素、微生物、病菌、虫卵等物质组成的综合固体物质。1 9 9 5 年， 世界水环境组织( w w o ) 为了准确地反映绝大多数污水污泥具有重新利用的价 值，将污泥( s l u d g e ) 更名为“生物固体( b i o s o l i d s ) ，其确切含义是： “一 种能够有效利用的富含有机质的城市污染产生物n 协。 “生物固体”概念的提出，准确反映了绝大多数城市污水污泥具有重新利用 的价值，强调了其可资源化的特性，使其更容易被公众接受，以便更好地参与生 态系统物质循环，走上人类社会与生态系统的和谐共处与可持续发展轨道，这在 一定程度上标志着人们对城市污水污泥处理与处置观念的转变和成熟。 1 1 2 城市污泥的分类 ( 1 ) 城市污泥按照物质成分的不同可分为有机污泥和无机物泥。 有机污泥又称污泥，是以有机物为主要成分，其主要性质是易于腐化发臭、 颗粒较细、比重较小( 一般约为1 0 2 左右) 、含水率高且不易脱水，属于胶状结 构的亲水性物质。以城市污水处理厂初沉池和二沉池的沉淀物为主。 无机物泥又称沉渣( 浮渣) ，是以无机物为主要成分，其主要性质是颗粒较 粗、比重较大( 一般约为2 左右) 、含水率较低且易于脱水、流动性差。以城市污 水处理厂沉砂池与某些工业废水处理沉淀物为主啦! 。 ( 2 ) 城市污泥按照来源的不同大致可分为初沉污泥、剩余活性污泥、腐殖 污泥、消化污泥、化学污泥等。 初沉污泥来源于初沉池排出的污泥。其中含有许多大颗粒物质，如粪便、蔬 菜、水果、纺织物、纸类残渣等。通常是灰色糊状物，多数情况下具有难闻的气 味。含水率较低通常为9 2 , - - - 9 8 。 剩余活性污泥来源于活性污泥法系统二沉池的污泥。由二沉池排出至曝气池 ( 生化池) 等生化处理单元的活性污泥被称为回流污泥；由二沉池( 或生化池) 排出 至污泥处理设施( 浓缩池) 的活性污泥称为剩余活性污泥。其主要由好氧微生物 组成，外观为褐色絮状物，不含大颗粒物质，含水率较高一般为9 9 - - - - 9 9 9 。 腐殖污泥来源于生物膜法后冲刷下来的生物膜，其组成和活性污泥类似，为 北京工业大学t 学硕十学位论文 褐色絮状物，“新鲜”时无令人讨厌的气味，有时会含有许多蠕虫，含水率较高为 9 7 - - 9 9 。 消化污泥是生污泥经厌氧消化或好氧消化处理后的污泥，也称熟污泥或稳定 污泥。如果在好氧条件下消化( 如在曝气池中) 的污泥称为好氧消化污泥，其为褐 色至深褐色的絮状物，消化后的污泥易于脱水，好氧消化的污泥含水率一般为 9 6 - - 9 8 。如果生污泥在厌氧条件下进行消化( 如在封闭的厌氧消化池中) ，则 称为厌氧消化污泥，其为深褐色至黑色，消化良好的污泥气味较轻，否则会有硫 化氢和其它一些气体的气味，厌氧消化后的污泥含水率为9 0 一- 9 7 。 化学污泥是用化学沉淀法处理污水后产生的沉淀物。在城市污水处理厂中采 用化学除磷系统时，由于药剂投加的位置不同，化学污泥可能为用混凝沉淀法去 除污水中的磷所产生的、也可为投加硫化物去除污水中的重金属离子所产生的、 也可为投加石灰于酸性污水所产生的、或者为酸、碱中和处理产生的沉淀等，其 含水率在9 5 , - - - 9 8 左右。 1 1 3 城市污泥的主要成分 污泥成分很复杂，它包括混入生活污水或工业废水中的泥砂、纤维、动植物 残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机 物、重金属元素和盐类、少量的病原微生物、寄生虫卵等综合固体物质。表1 1 为城市污水污泥的一般组成和性质。 表1 1 污泥的组成和性质 t a b l el 一1 s l u d g e si n g r e d i e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c s 2 第1 章绪论 指标初沉池污泥活性污泥消化污泥 感官特征灰色、粘性、有恶臭褐色、星絮狄、无鬈黑褐色、完全消化时 奥无恶臭 比重 1 0 21 0 0 5 翊 5 0 - - - , 5 8 6 5 - 8 0 6 5 7 5 宰率总i 舂l 体( ) 2 0 - 8 0 6 0 一1 2 0 璀发性固体( ) 6 0 o 8 0 06 1 o 7 5 o 3 0 0 6 0 0 木总灰分( ) 2 0 0 一- 4 0 02 5 0 3 9 04 0 0 7 0 o 车油胎( 乙醚溶解物) ( ) 6 o 一3 0 o5 0 1 2 00 0 2 0 0 宰蛋白质( 劝 2 0 0 - 3 0 。03 2 0 - 4 1 01 5 o 2 0 。o 燎( ) 2 0 。o 3 0 03 2 0 4 1 o 1 5 0 - 2 0 0 木磷( p 舡) ( ) 0 1 8 3 02 8 - 1 1 0 1 5 4 0 车钾( k 劫( ) o o 1 00 5 - - 0 70 0 3 o 木纤维索( 9 6 ) 8 。o 1 5 07 o 8 o 1 5 0 幸本质素( 钧 5 8 8 4 枣半纤维素( ) 3 2 1 6 钛论 v s s1 2 一1 6 2 1 7 b o d d v s s o 5 一l 。l 有机酸( h a c ) ( 弭g 乙) 2 0 0 一2 0 0 0 1 0 0 6 0 0 碱度( c a t 0 3 ) 5 0 0 一1 5 0 0 2 5 a 0 3 5 0 0 注：i c 枷表示占污泥的百分数；木“表示占污泥干吲体的百分数 ( 1 ) 污泥中的养分污泥中含有植物生长所需要的氮、磷、钾等营养元素 以及维持植物正常生长发育的多种微量元素和能改良土壤结构的有机物及腐殖 质；所含的有机物和腐殖质也是一种有价值的有机肥料啊1 。同时也含有多种病原 菌、寄生虫卵、重金属及某些难降解的有机物。由于污水来源、污水处理工艺及 季节的不同，污泥的成分差异较大。污泥中有机质含量随季节变化，夏低冬高。 表1 2 为采用传统活性污泥法、氧化沟和0 处理方法产生的污泥中营养物质的含 量引。 表l - 2 不同处理方法产生的污泥中营养物质的含量( g k g 干污泥) t a b l e1 - 2c o n t e n to fn u t r i t i o ni ns l u d g eo fb yd i f f e r e n td i s p o s a lm e t h o dp r o d u c i n g ( g k gd s ) 处理方法有机质( )氮 磷( 以p 2 0 5 计) 钾( 以k 2 0 计) 活性污泥法 5 5 7 6 l l8 氧化沟3 93 81 66 k | o3 74 32 41 4 ( 2 ) 污泥中的重金属城市污泥中的重金属种类繁多，主要有c u 、p b 、z n 、 n i 、c r 、h g 、c d 等。污泥中的重金属由于其易迁移、易富集、危害大等特 3 北京一 业大学丁学硕士学位论文 点一直是制约污泥农业利用的最主要因素。 重金属在污泥各组分( 城市污泥是由颗粒物、生物团、胶体态和可溶态等组 分构成的多相混合物) 之间的分配比例不同，通过对污泥组分的实验分析得出， 污泥中8 5 - - - - 9 5 的重金属附着于生物团上，5 - - 1 5 的重金属附着在矿物颗粒 和有机碎屑颗粒物上，其余不到3 的重金属存在于可溶态和胶状的有机物质中， 虽然颗粒物仅占污泥总重量的2 ，但其中的硫化物颗粒高度富集重金属强1 。我国 北京、上海、天津、西安、兰州、沈阳、黄石等城市的污水处理厂污泥中重金属 离子含量的范围见表1 3 。 表1 - 3 中国城市污泥中的重金属含量( m g k g ) t a b l ei 一3h e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o n si ns e w a g es l u d g e0 1 5c h i n a ( m g k g ) 重金属变化范围 平均值重金属变化范围平均值 h g 0 9 32 8 4n i10 4 3 7 4 07 7 5 c d0 0 5 1 6 8 02 9 7p b 0 6 6 6 9 0 1 3 l a s0 ，2 9 4 7 0 01 6 1c ro 4 7 2 8 01 8 5 c u2 8 4 3 0 6 8 o4 8 6z n 16 8 7 3 8 4 o 1 4 5 0 ( 3 ) 污泥中的有机污染物 城市污泥中的有机有害成分主要包括聚氯二苯 基( p c b s ) 币i j 聚氯二苯氧化物氧菊( p c d d p c d f ) 、多环芳烃和有机氯杀虫剂等品。 据调查结果表明，在其污泥中含有稻瘟酞、甲苯、氯苯，并且在每个样品中都发 现了至少有4 2 种杀虫剂中的2 种。由于许多这类有机化合物对人体及动物有毒负 作用，它们的存在也是影响污泥农田利用的重要因素。 ( 4 ) 污泥中的病原体污水在净化处理过程中，其中的病原体大部分被颗 粒物吸附而富集到污泥中，新鲜的城市污泥中有大量的病原体，甚至多达上千种， 主要是寄生虫卵、细菌、真菌和病毒四大类哺1 。不同的病原体在城市污泥及其施 肥的土壤中的存活时间相差很大，有的仅存活数小时或数天，而有的可存活数年 之久。它们可通过各种途径传播，人、畜与城市污泥( 或施用城市污泥的土壤) 直 接接触或食用被污泥污染的食物、饮用水均可能受到感染【7 】o 1 2 城市污泥的处理与处置 随着我国城市发展水平的提高，污水处理设施将逐步完善，至l j 2 0 世纪9 0 年代 末，全国已建成污水处理厂3 0 0 多座，污水处理能力约为1 3 x l o7 m 3 d 。从现在到 2 0 1 0 年新建城市污水处理厂1 0 0 0 余座，污水处理能力增 j i l ( 5 6 ) x 1 07 m 3 d 哺1 ，污泥 的产生量将会快速增长。预计未来五年内，每年将产生干污泥5 4 0 万吨( 含水率 为8 0 污泥为2 7 0 0 万吨) 。 1 2 1 城市污泥的危害及处理的意义 一4 。 第1 章绪论 目前大量未经稳定处理的污泥没有合理处置，不但成为污水处理厂的沉重负 担，而且污泥的任意排放和堆放对周围环境又造成新的污染，越来越多的城市污 泥，若不能对其进行妥善处理必将严重阻碍我国经济的可持续发展。城市污泥的 危害主要包括：( 1 ) 侵占土地；( 2 ) 污染土壤：污泥堆置的有害成分聚集，风吹雨淋， 产生高温或者其他化学反应，能杀灭土壤微生物，破坏土壤结构，使其丧失腐解 能力；( 3 ) 淤泥河床，污染水体；( 4 ) 污染大气：污泥有机物被微生物分解释放出 有害气体、尘埃，加重大气污染；( 5 ) 含有大量的病原菌：主要有肠道细菌、寄 生虫及病毒三大类，大部分被结合在污泥颗粒物上浓缩，其数量比污水中的要高 得多9 。 因此研究对污泥进行减量化、稳定化、无害化，资源化的处理处置，探寻科 学合理的污泥综合利用途径，对环境保护和社会可持续发展都具有重要意义。城 市污泥的处理处置与资源化利用相结合，必将成为解决城市污泥的最终出路瞄j 。 1 2 2 城市污泥的处理方法 污泥处理与处置的目的主要有以下四个方面：一是减量化，即减少污泥最终 处置前的体积，以降低污泥处理及最终处置的费用；二是稳定化，通过处理使污 泥最终处置后不再产生进一步降解，使污泥稳定化，从而避免二次污染；三是无 害化，即达到污泥的无害化与卫生化，如去除重金属或灭菌等；四是资源化，即 在处理污泥的同时达到变害为利、综合利用、保护环境的目的。 污泥处理是指污水处理厂在污水处理单元操作过程中产生的污泥通过减容、 减量、稳定以及无害化的过程。污泥处理工艺单元主要包括污泥浓缩、脱水、消 化、发酵、干化等工艺过程，其流程图如图1 1 。 图l - l 污泥处理流程图 f i g 1 1f l o wc h a r to fs l u d g et r e a t m e n t ( 1 ) 浓缩：为了使能够沉淀的大块污泥迅速沉淀，在将污泥缓慢搅拌以后 使之进行长时间的沉淀。结果污泥被浓缩，含水率降低，包括重力浓缩、离心浓 缩、气浮浓缩和其它浓缩； ( 2 ) 厌氧消化t 是较普遍采用的污泥稳定化技术。厌氧消化一般是在密闭 的消化槽内，在3 0 c 贮停3 0 天左右，主要是通过兼性厌氧细菌的作用使有机物分 解，最终生成以甲烷为主的沼气。沼气热量可达5 0 0 0 6 0 0 0 千卡立方米，可作 为燃料，又可作为动力资源，还可作为重要的化工原料。包括化粪池、双层沉淀 - 5 一 北京工业大学t 学硕士学位论文 池、消化池等； ( 3 ) 好氧消化：有时也称为好氧分解，是通过好氧氧化作用使污泥中以胶 体或溶解状态存在的有机污染物矿化的过程，其间大部分活性污泥处于内源呼吸 的状态下： ( 4 ) 机械脱水：采用真空过滤机、压滤机、离心分离机、筛滤机等进行污 泥脱水，包括真空过滤、压滤、滚压脱水、微孔挤压、离心脱水、造粒； ( 5 ) 人工加热干化：利用高温蒸气加热污泥，蒸发掉污泥中的水分，使之 几乎完全干化； ( 6 ) 自然干化：分为晒砂厂与干化场两种，前者用于沉砂池沉渣的脱水， 后者用于初次沉淀污泥、腐殖污泥、消化污泥、化学污泥及混合污泥的脱水： 1 2 3 城市污泥的处置方法 污泥处置是指以自然或人工方式使经处理后的污泥或污泥产品能够达到长 期稳定并对生态环境无不良影响的最终污泥消纳方式。污泥处置主要包括作为肥 料和土壤改良剂用于农业、林业、园林绿化或进行填埋、焚烧、排海等方法的处 置以及综合利用( 建材利用) 等。 ( 1 ) 卫生填埋污泥的卫生填埋始于2 0 世纪6 0 年代，到目前为止己发展成 为一项比较成熟的污泥处置技术。许多发达国家都采用土地填埋的方法来处理污 泥，且占有很大的比例( 约4 0 左右) 。在我国，土地填埋也是主要的方法。该法 的处理过程非常简单，特别适于质量较差的污泥。污泥填埋分为单独填埋和脱水 污泥与城市垃圾混合填埋。 填埋并不能最终避免和消除污染，只是减缓了污染产生的时间而己。此外， 填埋需要占用大量土地，随着人口的增加，土地资源匾乏，可供填埋的场地己十 分有限。因此，近年来，在发达国家污泥填埋处置所占比例越来越小。但是综合 考虑各种处置方法的成本、对环境可能产生的影响及目前我国的实际情况，对污 泥实行填埋处置可能是未来一段时间内我国处置污泥的主要方法。 卫生填埋的优点是投资少、容量大、见效快。但同时，城市污泥卫生填埋也 存在许多问题：一方面，填埋的污泥中含有各种有毒有害物质，会通过雨水的侵 蚀和渗漏作用污染地表水和地下水；另一方面，污泥中含有大量有机物，在适宜 的条件下会发生消化反应产生污泥气( 沼气) ，一旦污泥气的压力释放不出去，或 遇上火种随时都可能发生爆炸，造成人员伤亡和财产损失。因此，建设污泥卫生 填埋场如同生活垃圾卫生填埋场一样，地址须选择在底基渗透系数低且地下水位 不高的区域，填坑铺设防渗性能好的材料，卫生填埋场还应配设渗滤液收集装置 和气体导排设施，并对收集的渗滤液进行处理，以防新污染的产生。 ( 2 ) 排放水体利用江河湖海消纳城市污泥一般不需进行严格的无毒无害 化处理，也不需要脱水就直接排入水体，而且容量大。这种处理方法比较简单， 6 第1 章绪论 费用也较低。污泥排海是利用海洋的环境容量来处理污泥，一是投海，二是造地。 投海区距海岸的距离不应小于1 0 k m ；造地一般在浅水海滩或海湾处，用污泥填 海造地。这种未加处理而只是空间转移的处置方法，污泥中的有害物质会恶化水 体生态环境，危害水生生物，破坏生态平衡，威胁人类的食物链。随着人们生态 环境意识的提高，各国己越来越关注污泥投海的生态环境效应。因此，1 9 8 8 年美 国已禁止向海洋倾倒污泥，并于1 9 9 1 年全面加以禁止“们；欧供体在1 9 9 1 年5 月颁 布( ( d i r e c t i ec o n c e r n i n gu r b a nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ) ) 中指出：从1 9 9 8 年1 2 月3 1 日起，不得在水体中处置污泥。中国政府在1 9 9 4 年初接受三项国际协议，承诺自 1 9 9 4 年2 月2 0 日起不在海上处置工业废物和城市污泥n 。这必然会引起污泥处理 方式的重大转变，特别是对于排海量较大的国家，不得不将污泥排海转为陆地处 理。 ( 3 ) 污泥焚烧当污泥中重金属或其它有毒物质含量高而不适于农业利用 时，可将消化前的剩余活性污泥或消化污泥预先进行人工干化，由于城市污泥中 含有大量的有机物和一定量的纤维素、木质素，掺入适量的引燃剂、催化剂、疏 松剂和固硫剂等添加物即可进行焚烧处理。污泥焚烧是一种高温热处理技术，它 是以过量的空气与被处理的污泥在焚烧炉内进行氧化燃烧反应，使污泥中的全部 有机质、病原体在8 0 0 1 2 0 0 的高温下发生氧化热解而被破坏。 污泥焚烧的主要优点是：所有病原体被杀灭，有毒有害污染物被氧化，产生 无菌、无臭的无机残渣；污泥经焚烧后体积大幅度减少；。处理效率高，占地面积 小，是一种可靠而有效的污泥处置方法。但焚烧设备及运行费用昂贵，易造成大 气污染，仍存在有1 3 左右固体重量的废弃物，以灰分的形式留残下来n 纠。污泥 焚烧还存在以下的问题：高昂的基建和运行费用：焚烧产生的气体会产生二次污 染；污泥中的有用成分未得到有效利用。 ( 4 ) 土地利用土地利用主要是将污泥用于农田、草地、垦荒地、贫瘠地 等受损土壤的修复及改良、园林绿化、森林土地施用等。用于土地利用的污泥通 常是剩余活性污泥，并且大多数情况下污泥需经过堆肥化处理后才能进行土地利 用。堆肥是利用污泥的微生物进行发酵的过程。在污泥中加入一定比例的秸秆、 稻草、木屑或生活垃圾等膨松剂和调理剂，利用微生物群落在潮湿环境下对多种 有机物进行氧化分解并转化为类腐殖质。类腐殖质是一种品质优良的有机复合肥 或可生产有机菌肥。 污泥连续发酵工艺不仅消除了恶臭对环境的污染，还因高温发酵几乎杀灭了 病原菌、寄生虫卵、有效降解有毒有害物质；经过堆肥的污泥质地疏松，容量减 小，使污泥的肥效提高并易于被农作物吸收，含有多种植物生长促进剂，这样即 可充分利用污泥又可将污泥作最终处置3 | 。 污泥中含有丰富的有机物、n 、p 、k 等营养元素以及植物生长必需的各种微 7 一 北京t _ q k 大学工学硕士学位论文 量元素，施用于农田能够改良土壤结构、增加土壤肥力、促进作物的生长污泥； 同时污泥中也会含有如各种病原茵、寄生虫卵，以及铜、铝、锌、铬、砷、汞等 重金属和多氯联苯、二恶英等难降解的有毒有害物质。因此，污泥土地利用的一 个原则是施用污泥中的有害成分不能超过受施土壤的环境容量。 我国是一个发展中国家，又是一个农业大国，相对其它污泥处置方式而言， 城市污泥的土地利用使生产费用降低同时可大量处置污泥，适合我国目前的经济 发展状，因而被认为是一种积极、有效、有前途的污泥处置方式。 ( 5 ) 建材利用污泥可用于制砖和纤维板以及铺路等。可直接用干化污泥 制砖，或用污泥焚烧灰制砖。污泥制造纤维板是由污泥中的蛋白质经变性作用和 一系列物化性质的改变后，与预处理过的废纤维一起压制而成。污泥中含有大量 的灰分、铝、铁等成份，可作为生产建筑材料的添加剂。将污泥与石灰按l ：l 质量 比混合，控制在一定的温度( 约1 0 0 0 ( 2 ) 下焚烧4 d x 时，可制得一种具有潜在价值 的建筑材料m 1 。随着应用的推广，需要重视其产品的质量和管理，以及对其安全 性加以确认。 1 2 4 城市污泥各种处置方法的比较 综上所述污泥的处理处置方法很多，各种污泥的处理处置方法也各有优缺 点，详见表1 4 。 表l - 4 各种污泥处置方法对照表 t a b l e1 - 4c o m p a r i s o no f t h es l u d g et r e a t m e n tm e t h o d s 处置方法特点 卫生填埋 方法简单，运行成本低。但侵占土地，可能污染地下水。 排放水体 方法简单，运行成本低。但污染海洋，正在受到严格限制，并将终止使用。 使污泥矿物化并减至最小量，可部分利用能量。但运行费用高，废气处理 焚烧 复杂。 运行成本低，可资源化利用污泥。但污泥含有重金属和病原体等有害物质， 土地利用 存在二次污染的可能性。 污泥制动物饲料，可利用污泥中的蛋白质资源，但潜在危害和长远影响不 其它利用清。污泥热解产油，改性制活性炭和污泥制水泥材料均试验了污泥资源化， 但均投入大、运行成本过高，不够经济，工艺技术水平仍需提高。 对城市污泥的处理、利用，必须对各种途径进行可行性分析，再确定适合我 国国情，高效，低能耗经济实用的污泥处置方法。 1 3 我国城市污泥处理处置研究 1 3 1我国城市污泥处置研究进展 8 一 第1 苹绪论 我国城市污泥处理事业起步较晚，经过近二十多年的研究、探索，积累了中 温厌氧消化技术的丰富经验，但在污泥处置和最终出路方面尚属试验研究阶段。 目前全国己经建成的污水处理厂超过4 0 0 多座，污泥年产量己超过l 亿吨而有污泥 处理工艺的只占3 0 ，有污泥稳定处理设施的约为2 5 ；建有污水处理厂的大中 城市中，9 0 以上的污泥处理设旌不配套，一些中小城市基本没有污泥处理设施。 许多城市的污泥仍采取购地露天堆放的方法，造成了城市周围垃圾成山、蚊蝇孽 生、环境质量下降的状况。这些随意排放的污泥，不仅带来严重的环境污染，并 已威胁到人类的健康，使污水处理工作变得毫无意义。也有一些地方，由于资金、 人员及技术等多方面的原因，一期工程完成并运行许多年后，二期工程还得不到 落目前，在我国污泥处理处置的主要方法中，污泥的土地利用约占4 4 8 、陆地 填埋约占3 1 0 、其它处置约占1 0 5 、未经处置约占1 3 ：7 。据统计，我国用于 污泥处理处置的投资约占污水处理总投资的2 0 5 0 。从以上数据可以看出， 我目前污泥的处理处置处于严重滞后状态。 在污泥处置方面，我国大约有4 5 的污泥用作土地利用，3 4 4 的污泥进行 土地填埋，污泥绿化和焚烧各约占3 5 ，污泥用于农业和绿化所占比例总和接近 污泥处置的一半。其中，上地利用和卫生填埋仍是污泥处置的主要途径。经济发 展最快、最具活力的上海，其污水处理厂的污泥处置方法是经适当浓缩后运至市 郊或邻近省份的农村作农肥。但是，我国既没有系统、科学的管理办法，也没有 配套的污泥标准体系，故污泥土地利用的安全性正在受到质疑。在土地利用时， 由于施用处理不到位的污泥，使得污泥中有效成分不能被充分有效地利用，有的 导致土地盐害、烧苗和病虫害等问题，污泥在很多地区反而成为了一种污染源。 污泥填埋也占了相当大的比例( 大约占3 4 4 ) ，在今后较长的一段时间内污 泥填埋仍将是主要处置方法之一。处在改革开放前沿的深圳市至j 2 0 0 3 年，平均污 泥产量为7 0 t d ，污泥处理工艺为直接脱水后卫生填埋。但是，污泥填埋不仅严重 危害了填埋场的安全( 尤其是对污泥和城市垃圾混合填堙) ，而且严重污染了周围 的生态环境。填埋的污泥造成了填埋场渗滤系统的严重堵塞，大大缩短了垃圾填 埋场的寿命，严重污染了附近的地下水。此外，我国约1 4 的污泥没有得到任何 处置，给环境质量带来了巨大的危害副。 目前，污泥焚烧处理在国内展现出一定的前景。浙江大学热能所在用异重流 化床燃用洗煤泥的基础上，从1 9 9 2 年起就在国内首先系统的开展了污泥流化床焚 烧技术的研究，并己取得很大成功。清华大学的硕士研究生奉华在2 0 0 1 年首次对 北京地区的城市市政污泥的焚烧处理进行了研究。他以高碑店污水厂的污泥为主 要研究对象分析了污泥的成分特点和燃烧特性，并在预防二次污染方面，通过分 析重金属元素在污泥中的存在形式及对污泥焚烧前后重金属含量的变化进行检 测。研究了重金属在焚烧过程中的迁移特性，并提出污泥灰渣处理的建议u 4 。1 7 1 。 9 北京t 业大学t 学硕士学位论文 在我国的城市污水厂中，只有深圳特区污水处理厂采用焚法处置污泥，对工 业废水污泥的焚烧，国内应用的也很少。由化工部第三设计院设计的齐鲁2 0 万吨 乙烯污水处理厂，污泥量为2 1 0 0 k g h ，采用二段串联的卧式灰砖焚烧炉焚烧圳。 北京燕山石油化工总厂自行设计的活性污泥沸腾焚烧炉，热载体采用粉状砂针， 污泥用压力式喷嘴喷入炉内，燃烧燃料要与空气混合造成热风，但此炉现未能连 续运行。 1 3 2 我国城市污泥的资源化研究现状 加强城市污泥资源化利用的研究与实践，解决污泥处置中的难题，避免城市 生态环境污染，节约处置费用，变废为宝，使之具有良好的生态效益、环境效益、 经济效益和社会效益，是城市可持续发展的必然要求和发展趋势。污泥的资源化 处理和处置，就是通过适当的技术措施，使污泥得到再利用或以某种不损害环境 的形式而重新返回到自然环境中引。 城市污泥含有大量的有机质、养分，能为作物提供营养成分、改良和培肥土 壤，故从经济的发展、资源的开发利用、城市生态环境的保护等方面来看，污泥 土地利用被看成是污泥处理的最佳途径。 污泥的土地利用包括污泥直接或堆肥后施用于农田、牧场、园林绿地。城市 污泥迫切需要寻求一种处理容量大、环境安全和经济可行的处置方法。实践证明， 农用资源化正是这样一种具有广阔前景的污泥处置方法，一直深受世界各国重视 污泥的土地利用资源化有利于维持和提高土壤肥力，有利于土壤资源的可持续利 用和农业的可持续发展。研究表明，施用污泥或污泥堆肥栽种水稻、玉米、小麦、 棉花、蔬菜等作物，植株的生长状况、产量和品质明显比不施肥好，与施用化肥 或优质农家肥相当，甚至更好。施用污泥或污泥堆肥能明显改善土壤的物理性质， 如有利于团粒的形成和提高团粒的水稳定性；可增加土壤的孔隙度，提高土城的 持水能力和保水能力等。施用污泥或污泥堆肥，还能明显改善土壤的化学性质， 如能显著地提高土壤氛、磷、钾( 全量和有效态) 和有机质的含量等啪。 通过对污泥堆肥作为园林绿地肥源的研究表明，污泥是一种有发展f j 途的园 林绿地肥源，将污泥与生活垃圾以l ：l 进行堆肥发酵处理后既提高了有效养分的 含量，又消除了污泥的臭味，降低了有害物质的含量，适用于城市园林绿化，并 且污泥堆肥用于城市园林绿化，一是比污泥直接利用干净卫生，二是减少费用为 城市园林绿化提供了可观的有机肥。 一般来说，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、适合当地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，近年来污泥填理处置所占比例越来越小： 1 0 第1 章绪论 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一海洋生态系统和人类食物链 己造成威胁，中国政府已于1 9 9 4 年初接受三项国际协议。承诺于1 9 9 4 年2 月2 0 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都受到 限制：而污泥堆肥化处理由于花钱少收益高，己成为最受欢迎的污泥处理方式， 被越来越多的污水厂采用口u 。 1 3 3 我国城市污泥处理处置中存在的问题 我国城市污泥处理处置工程起步较晚，并且长期以来，受污水处理界“重水 轻泥”认识的影响，污泥的卫生化、无害化处理处置问题一直未受到重视与合理 解决。目前我国城市污泥绝大部分是被弃置、简单填埋或被附近农民滥用在农田 上，有些甚至被倾倒在河流附近瞳引。由于未经稳定处理的污泥，有机物含量高， 极易腐败并产生恶臭，尤其是初沉池的污泥，含有大量病菌、寄生虫卵及病毒， 易造成传染病的传播。而这样处理后的污泥不仅占用大量土地，还造成严重的二 次污染和新的环境问题。 我国城市污泥处理处置中存在许多问题，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 污泥处理处置率低、工艺不完善污泥处理和处置技术在我国还刚刚 起步，在全国现有污水处理设施中有污泥定处理设施的还不到1 4 ，处理工艺和 配套设备较为完善的还不蛩j l l o ，能够正常运行的更少。很多城市未把污泥的处 理处置作为污水处理厂的必要组成部分，往往是污水处理厂建成后，相当长的时 间后才建污泥处理处置系统，造成我国城市污水污泥处理处置率很低。 ( 2 ) 污泥处理处置技术设备落后、投资低当前我国有些污水处理厂所采 用的污泥处理处置技术已经是发达国家所摒弃的技术，其水平还停留在发达国家 的2 0 世纪8 0 年代的水平，有的甚至是国外的2 0 世纪6 0 年代的水平；而且有些污泥 处理处置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。污泥处理处置投资低，我国污泥处理处置投资只占污水处理厂总投资的 2 0 5 0 ，而发达国家污泥处理处置投资要占总投资的5 0 7 0 。 ( 3 ) 污泥处理处置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才。但在污泥处理处置方面，我国 还缺乏实践经验和设计经验，尤其是污泥处理处置技术的整体水平还比较低。从 已建成的污水处理厂的污泥处理处置装置看，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。 ( 4 ) 污泥处理处置管理体系缺乏污泥得不到妥善的处置，除技术水平外， 管理体系的缺乏也是重要因素。首先，污泥处置责任不分明，导致污泥处理处置 北京t q k 大学t 学硕十学位论文 管理体制上的混乱。随着污水领域政企分离逐步到位、污水收费逐渐实施及技术 路线逐步明确，应在政策上明确污泥处理处置的直接承担主体是污水处理企业。 其次，污泥处置缺乏有效的监管。许多地区的环境保护部门忽视污泥处理处置的 重要性和对环境影响的安全性，没有将污泥处理处置纳入环境管理监管的序列， 更没有将污泥防治问题纳入城市总体规划。如目前我国绝大部分城市尚未开展污 泥处理处置的规划工作。 1 4 本文研究目的、内容 1 4 1本文研究目的 城市污泥经过适当处理可以成为很好的有机肥料，利用城市污水厂污泥制复 混肥具有积极的经济效益和环境生态效益。一方面，污泥中含有丰富的n 、p 、k 等营养元素及难降解有机物、病原体等有害物质，如果处置不当则可能造成二次 污染，诸如造成水体富营养化及疾病传播等，而利用城市污水厂污泥制复混肥则 可以避免二次污染的发生。另一方面，将污泥制成复混肥，并纳入市场，污水厂 不仅可以解决污泥出路压力的问题，同时还可以通过出售复混肥取得一定的经济 回报。同时，我国中低产土壤面积又相当大，据第二次土壤普查，全国缺乏有机 质的耕地为3 2 9 0 0 万h m 2 ，缺氮的耕地3 3 0 5 万h m 2 ，均大约占耕地面积的3 5 ，缺 磷耕地6 7 2 6 6 万h m 2 占耕地面积的7 0 7 ，部分耕地缺锌、硼、铝等微量元素，相 当面积的土壤急需培肥。而长期以来，我国农田施肥主要以化肥为主，从而进一 步导致了土壤板结和肥力下降。 该课题的研究目标是利用堆肥化技术，对城市污水污泥进行高温好氧发酵处 理，堆制出合格的堆肥产品，使污泥达到减量化、无害化和稳定化，并实现污泥 资源化利用的目的，探索一套适合我国中、小型污水处理厂污泥处理的高效低耗 污泥堆制复合肥工艺技术。本文主要以唐山市西郊污水处理厂污泥处理系统为研 究条件，利用建成的生产实验设备进行堆肥操作条件的优化工作，为污泥堆肥技 术的开发与实际应用提供依据。研究唐山市城市污泥堆肥过程中的控制因素变化 情况，提出最佳控制参数和指标以及能有利于指导生产实践的腐熟度参数及指 标，以指导堆肥工艺和堆肥操作条件的选择及控制堆肥的产品质量。 1 4 2 本文研究的主要内容 本课题着重研究城市污水厂污泥制复混肥的可行性，研究的内容主要包括三 个部分； ( 1 ) 了解城市污水厂污泥的基本特性，并对其进行预处理，使之适合于后 续的好氧发酵处理。分别向原污泥中回流堆肥及添加不同的膨胀剂，使污泥的含 水率调整到适当值，并确定添加比及回流比：向原污泥中添加调理剂，以提高其 挥发份的含量及c n e k ；对膨胀剂和调理剂进行粒径筛分，以确定堆肥物料的粒 1 2 第1 章绪论 径。 ( 2 ) 进行高温好氧堆肥试验。确定一次发酵及二次发酵的通风方式，并确 定供气量；研究不同初始含水率对堆肥过程的影响：研究堆肥过程中氮素转化与 循环规律；研究堆肥过程中磷素的转变规律；研究不同环境温度对堆肥过程是影 响；研究堆肥过程中含水率、有机质及p h 值随时间的变化规律。 ( 3 ) 向堆肥产品中添加营养元素，制作复混肥。根据有关标准确定复混肥 的配方：确定所需添加的无机化肥的种类和各自的添加量。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。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，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n8 i 。污泥中丰富的各种养分，明显地增加了土壤氮、磷养分， 并能有效地向植物提供养分，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 的污泥处置方法引。 1 3 第2 章城市污泥堆肥化处理技术 2 1引言 第2 章城市污泥堆肥化处理技术 随着工业生产的发展、城市人口的增加和人们对环境要求的提高，污水的处 理量将越来越大，伴随污水处理而产生的污泥其数量也将随之而急剧上升，大量 的城市污泥如不进行及时处理与合理利用，必然造成环境污染，成为新的环境问 题。 污泥是一种十分有效的生物资源，污泥施用于农田可以促成团粒形成，使 土壤孔隙