北京市城市污水处理厂污泥处理处置技术研究探讨.doc

北京市城市污水处理厂污泥处理处置技术研究探讨谭国栋 ，李文忠 ，何春利（1.北京林业大学，北京100083，；2北京市水利科学研究所，北京100048)摘要：根据北京市城市污水处理厂污泥化学成分情况，结合国内外污泥处理处置的经验，分析了北京市城市污水处理厂污泥处理处置的现状和发展趋势以及存在的问题，初步探讨了北京市城市污水处理厂污泥处理处置技术，提出了北京市城市污水处理厂污泥处理处置的技术路线，在污泥土地利用、污泥制肥和污泥干化焚烧等方面进行了探讨，并提出了今后的建议。关键词：污泥；焚烧；堆肥；污泥土地利用中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1672-1683(2011)O2-0105-05Prelim inary Discussions on the Sludge Treatm ent and Disposal Technologyin Urban Municipal Sewage Treatment Plants in BeijingTAN Ouo-dong ，LI Wen-zhong，HE Chun-li(1.BeijingForestryUniversity，Beijing 100083，China；2BeijingHydraulicResearch Institute，Beijing 100048，China)Abstract：According to the chemical compositions of sludge from urban waste water treatment plants in Beijing，combining the domestic and in-ternationaI experience of sludge treatment and disposal，this paper analyzed situations，problems and development trends in terms of sludge treat-ment and disposal，discussed sludge treatment and disposal technologies，introduced technical route of sludge treatment and disposal in urbanwastewater treatment plants in Bering.The preliminary discussions were carried out in terms of sludge land application，sludge composting andsludge drying and incineration.Lastly，recommendations for the future were proposed in the paper.Key words：municipal sewage sludge；incineration disposal；sludge compost；sludge land application城市污水处理厂在污水处理过程中产生的污泥是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体、水分等组成的极其复杂的非均质体。污泥中含有大量的氮、磷、钾、有机质等植物性营养成分，同时也含有大量病原菌、寄生虫(卵)、重金属、盐类以及多氯联苯、二恶英等难降解的有毒有害物质(1-4)。随着我国城市化进程的加快，城市污水处理率逐年提高，污泥产量也急剧增加。未经恰当处理处置的污泥进入环境后，直接给土壤、水体和大气带来二次污染，不但降低了污水处理系统的有效处理能力，而且对生态环境和人类活动构成了严重威胁。为此，污泥必须首先经单元工艺组合处理，完成“减量化、稳定化、无害化”过程(即污泥处理)，然后才能弃置于自然环境中或再利用(即污泥处置)，这样才算完成城市污水处理的全过程，避免对生态环境造成二次污染(2-9)。l 北京市污泥处理处置现状与问题2008年，北京市年污水排放量为13.4亿m3 ，污水处理率达78 ，年污水处理量为10.5亿m3。其中，城区年污水排放量9亿m3，污水处理率达93 ，年污水处理量为8.4亿m3；郊区年污水排放量4.4亿m3，污水处理率48 ，年污水处理量为2.1亿m3。预计2020年，北京市年污水排放量18亿m3，污水处理率达90 ，年污水处理量16.2亿m3(10)。随着北京市污水处理设施的增加、处理率的提高和处理程度的深化，污水处理厂的污泥产量急剧增加。2008年，北京市污泥产量达103.5万t(含水率8o )，其中，城区86.6万t，郊区16.9万t。根据北京城市总体规化(2004年-2020年)，预计2020年，北京市全年污泥产量将达200万t(含水率80 )。目前，北京市仅有大兴区庞各庄堆肥厂、昌平区堆肥厂、方庄石灰干化厂、清河热干化厂、北京水泥厂等五座污泥处理厂，其处理规模分别为11.0万ta、2.9万ta、1.1万ta、14.6万ta、18.4万ta，总处理规模为48.0万ta(8O 含水率)，仅占全市污泥总产量(103.5万ta)的46.4 。由于受观念和资金等因素的限制，北京市已建成或在建的大部分污水处理厂均未设计完整的污泥处理系统，普遍采用的是浓缩、脱水等简单的处理方式，只能实现有限的“减量化”，而无法有效实现“稳定化、无害化”。在污泥处置方面大部分采取的是堆置，基本上未考虑“资源化”问题。北京市排水集团、北京市水利科学研究所对jE京市污水处理厂的脱水污泥进行了采样化验分析(表1)，数据表明：北京市城市污泥中含有重金属、致病菌、寄生虫卵等危害人类健康的物质，如处理不当将污染土壤和水体；同时也反映出这些污泥中N、P、K和有机质含量较高，存在较高的开发利用价值。表1 北京市城市污水处理厂污泥成分Table 1 Compositions of sewage sludge in urban watertreatment plants in Beijing北京市城市污水处理厂污泥处理处置存在的主要问题：一是总体思路不明晰，规划、设计、建设部门没有对污泥处置引起足够高的重视，甚至存在认识误区，造成污泥处理处置严重滞后，与构建生态城市和和谐环境的要求相去甚远。二是未经消化、干燥处理的污泥具有含水率高(80左右)，流变性强，体积大、且不易压缩等特性，大量的污泥堆置后患无穷。根据2008年调查结果， E京市污泥处置方式中堆置占70.1 ，而堆置不符合城镇污水处理厂污泥处置分类(CJT 290-2007)标准要求。同时，不合理的处置污泥，其细菌总数、大肠杆菌、蛔虫卵含量比较高，并且含有一定数量的重金属离子、有毒有害有机污染物及氮磷等元素，这些物质进入土壤，产生新的污染源，并随降水不断迁移、积累，对当地土壤、地表水、地下水及农作物等将产生严重安全影响，存在污染环境及威胁食物安全的风险(11)。随着北京市污水处理程度的提高，污泥将急剧增长，这将使污泥出路问题变得更加迫切。三是近几年国家提出了对城市污泥“减量化、稳定化、无害化、资源化”的要求，截至目前，国家制定和颁布了8项关于污泥的相关标准，但是，北京市还没有相关的地方技术导则、规范或标准，技术保障体系尚未建立，从宏观上缺乏指导原则和技术实施路线。四是现有的5座污泥处理厂处理规模不足污泥产量的5O ，而且根据2008年调查结果，污泥资源化利用主要为土地利用和建筑材料，两项合计仅占污泥总量的17.4 ，造成大量有机质及氮、磷等养分流失和资源浪费。2 城市污泥处理处置的国内外经验21 国外城市污泥的处理处置状况国外的城市污泥处置与利用已有100余年的历史，其进行有效利用、填埋、焚烧等处置处理的目的与其它废弃物的处理一样，都是以减量化、稳定化、无害化和资源化为原则。国外城市对污泥的处理与处置十分重视，多数经济发达国家在建设城市污水处理厂的同时，将污泥处理处置同步设计、同步施工、同步投产，其投资约占污水处理厂总投资的5O 7O 。由于各国具体情况不同，选择污泥处置的技术路线各有侧重。西方发达国家由于工业化进程较早，经济实力雄厚，因此污水处理技术先进，处理程度高。图1为1998年部分发达国家城市污水处理厂污泥处置情况5，由图1可以看出，为了避免污水处理厂污泥对环境产生二次污染，各国根据各自的国情制定污泥处理处置的方法，主要有填埋、焚烧、土地利用等，但由于各国国情不同，选择的处理方法各有侧重(见图1)。日本在污泥处置方面最大的特点是填埋及土地利用所占的比例小，焚烧所占比例高(约占55 %)，这主要是因为日本人口密度较高、多山地，日本政府重视境内地表植被保护，对城市建设用地有严格的控制。英国对污泥最终处置的主要方法是土地利用(约占55% )，其次为污泥排海等其它处理方式(约占30% )，用于填埋所占比例较小，只占污泥处理量的8% 。美国对污泥最终处置的主要方法是土地利用(约占41 %)，其次为焚烧处理(约占22% )，用于填埋所占比例控制在17% 左右。西班牙以土地填埋为主(约占5O% )，其次是污泥排海等其它处理方式(约占3O% )，与英国相近。从欧盟国家对污泥处置的发展趋势进行综合分析，考虑到可使用土地面积、处理成本、越来越严格的环境标准、资源回收政策的普及以及未来1O20年问污泥性质的巨大变化等因素，2005年欧盟各国采用污泥处置方式的比例为：回收利用占45% ，焚烧占38% ，填埋占17% 5。图1 不同国家的污泥处置情况Fig.1 Disposal conditions of sludge in different countries2.2 国内城市污泥处理处置状况我国城市污泥处理和处置技术起步较晚，全国现有污水处理行业中有污泥稳定处理设施的还不到14，处理工艺和配套设备较为完善的还不到110(12) 。在处置方面，我国大部分污泥多为无序堆存或简单填埋(13) ，一些地方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l1 。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。为解决好污泥问题，自2000年以来，国内一些大城市陆续制订出台了污泥处理处置规划并在技术方面进行了多途径的实践探索。但是总体来说，国内的污泥处置目前仍处于起步阶段，还没有十分成熟的技术路线，没有从根本上解决污泥的无害化处置问题。通过对国内外城市污泥处理处置现状的了解分析，得到两点启示：一是污水和污泥是解决城市水污染问题同等重要又密切关联的两个系统，只有将污泥处理处置与污水处理放在同等重要位置，给予巨大投资，才能使水污染治理得到有效控制，这是成熟的污水处理思路；二是不同国情、市情应采取不同的污泥处理处置技术路线，考虑的主要因素有经济状况、产业结构、土地资源、城市化进程等。2.3 城市污泥处理处置技术发展趋势污泥处理与处置二者密不可分，污泥最终处置方式的选择决定着污泥处理工艺的选择。传统的污泥处理方式主要是浓缩、消化、脱水、发酵、干化或焚烧等，其主要目的在于实现减量化、稳定化、尽可能做到无害化。随着经济社会发展，特别是循环经济理论日益被人们重视，大家对污泥的无害化、资源化要求越来越高。从国内外城市污泥处理处置发展趋势分析，目前和今后城市污泥处理处置将主要采取以下几种技术途径(11,14-17)。 土地利用。主要是指农用堆肥、园林绿化介质土和垃圾处理厂覆盖土等。其中，污泥堆肥技术是利用污泥中的微生物菌进行发酵处理，借助混合微生物群落，对多种有机物进行氧化分解，使其转化为植物易吸收的有机肥或有机一无机复合肥，具有广阔的市场前景。 能源利用。污泥的能源利用包括焚烧、热解等方式。污泥焚烧是通过高温氧化将污泥中的有机物转化成无机物的过程，其主要优势在于处理的彻底性，减容率可达90%以上，同时焚烧产生的热能还能重新利用。污泥热解是在无氧或低氧条件下，将有机废物高温加热、裂解为低分子化合物(甲烷、氢气、焦油、甲醇等)的方法，热解能将废物中韵有用物质转化为气态(燃气)或液态(焦油)的形式分别利用，其燃烧效率更高、污染更低。对于土地资源紧张，经济条件好的城市采用能源化利用无疑是解决污泥出路问题的理想途径。 卫生填埋。对污泥进行填埋具有简单易行，费用低的特点，目前各地普遍采用。从我国的国情考虑，今后填埋仍将是污泥处置的主要方式之一。但最大的问题是渗滤液污染地下水，并且造成垃圾无法压实。所以，必须使污泥含水率大大降低(通常应低于40 )才能进场填埋。这就要求对脱水污泥进一步干化处理，才可达到卫生填埋标准。 建材利用。污泥中除含有大量有机物外，通常还含有20%30%的无机物，主要是硅、铁、铝和钙等。充分利用污泥中的无机物和部分有机物，采取干燥、燃烧、造粒、烧结等加工，可以使污泥得到建材利用。目前国内外利用污泥研制的产品主要有：轻质陶砖、生态水泥、混凝土骨料、渗水砖材、微晶玻璃等。3 北京市城市污泥处理处置技术路线选择污泥处理处置技术路线，主要从环境安全、资源投入、资源产出和收益影响比等几个方面考虑，同时兼顾环境生态、社会效益和经济效益三者之间的平衡。北京市作为祖国的首都，从地理环境与经济社会发展状况看，具有人口密度大、经济发达、土地资源相对紧张、能源紧缺、水资源短缺、污水量大等特点。因此，在污泥处理处置方式上应努力探索多种技术路线。3.1 污泥土地利用和污泥制肥技术无论是从经济因素，还是从肥效利用因素出发，污泥土地利用和污泥制肥都是一种适宜的处置方法(18)。污泥制肥可以分为污泥单独堆肥；污泥与城市生活垃圾混合堆肥；污泥与树叶、粉煤灰、动物粪便、秸秆等调理剂进行好氧堆沤成有机肥；污泥添加化肥和营养物混合制成有机复合肥等。北京市是国际化的大都市，污水处理率逐年提高，产生的污泥量显著增加，而北京市的农用地为110.55万hm2，占总面积的67.4o；未利用地为21.25万hm2，占13.0%。农业用地以林地和耕地为主，林地69.1万hm2，占农用地总量的62.5%；耕地2334万hm2，占农用地总量的21.1 %。未利用地以荒草地为主。11055万hm2耕地包括耕地、园地、林地、牧草地等，由于北京市山地面积占总面积的23，大部分土地土壤有机质缺乏，大部分农田有机质含量在1.7 %以下(17)。从目前耕地土壤有机质的缺乏程度分析，按每1 hm2施用3 000 kg有机肥计算，全市约需施用33.165万t，加上近年城市绿化面积大幅度增加，对绿化栽培土的需求量巨增。由此，污泥堆肥在农用、林用及城市园林绿化等土地利用方面具有十分重要的开发价值和广阔的市场需求。污泥中含有大量的有机质和植物所必需的营养元素，利用污泥作肥料，既可以促进土壤团粒结构形成，加速土壤熟化，提高土壤肥力，又能保水、保肥、提高土壤温度。北京市的城市污水处理厂逐步转化以生活污水为主，处理工艺以生物处理为主，污泥中的氮、磷、钾和有机质含量较高，而重金属和有毒有害物质含量较低，非常适合农用堆肥(详见表2、表3)。污泥制肥与土地利用处理处置方式见图2。图2 污泥制肥+土地利用处理处置方式Fig 2 Methods of sludgefertilizertreament and disposal for sludge land application表2 北京市城市污泥有害成分与农用污泥中污染物控制标准值比对(干污泥)Table 2 Comparison between hazardous constituentconcentrations in municipal sewage sludge in Beijing and standardvalues of sludge pollution control for agricultural(dry sludge)表3 北京市城市污泥营养成分与农家肥中营养成分比对(干污泥重量百分比J)Table 3 Comparison of nutrient compositionsbetweenmunidpal sewagesludge in Beijing and manure(percentage of dry sludge weight)32 污泥干化焚烧处理技术根据污泥高热值、轻质地的特点，通过特殊的低温干化技术，成功控制污泥中的有害部分，并保留其热值，干化后呈颗粒状的污泥团粒，可作为黏土砖、水泥压制品的原料，或作为辅助燃料(14).由于污泥填埋占地面积大，同时污泥中的有害物质不易控制，对土壤、地下水、环境会造成污染，因此对城市污泥实行大规模填埋的可能性不大。而污泥焚烧是减量化程度最高的一种污泥处理处置方式。它是通过高温热处理技术，以过量的空气与被处理的污泥在焚烧炉内进行高温氧化燃烧反应，使污泥中的全部有机质、病原体在800 1 200。C的高温下发生氧化、热解而被破坏。同时，焚烧残渣仅为原有体积的10% 左右(相对于含水率75% 的污泥)。因此，尽管污泥焚烧成本较高，但随着经济的发展和对环保要求的日益提高，焚烧必将成为今后大城市污泥处置的主要途径之一。污泥干化焚烧处置流程见图3。4 结论与建议城市污泥问题的彻底解决需要考虑社会观念、管理体制、技术政策和市场机制等各个方面因素。根据北京市实际，主要从技术层面上对污泥处理处置问题进行了初浅研究与探索，但技术路线的实施必须要有配套政策来支撑。 要从坚持科学发展观的高度，充分认识到北京城市污水处理厂污泥处理处置严重滞后状况，充分认识到污水和污泥是解决城市水污染问题同等重要又密切相关的两个系统，尽快组织编制全市的污泥处理处置专业规划，并纳入污水治理的总体规划一同实施 在污泥处理处置技术政策上要坚持近期目标与长远目标相结合的指导原则，做到分散化处理与集约化处置相结合、技术处理与资源化利用相结合，尽快建立市级城市污泥处理处置技术评估体系。 在污泥处理处置上坚持以土地利用为主、其他多种处置方式并重的多元化技术路线，在吸取国内外先进工艺的基础上结合北京市的地位和经济发展水平等实际情况，研究探索出适宜于北京市情的污泥处理处置路子。建议做好北京市城市污水处理厂的污泥总量和污泥成分的科学分析测算，对未来发展趋势做出准确预测，在此基础上优选技术方案，将不同的处理方式(集中与分散)和不同处理处置工艺结合考虑，探讨污泥在生态修复方面的应用，在经济上找到平衡点。 要高度重视污泥处理处置工艺中可能产生的负面因素，如重金属的富集、二恶英的释放等。从源头加强污染物的控制，加强监测排入城市下水道的工业废水，严格控制排放标准，为污泥的处理处置奠定良好的基础。参考文献：1 DAVIS R n The Impact of EU and UK Environmental Pressures on the Future of Sludge Treatment and DisposalJWater Environ Manage，1996，10(2)：65692 TESSIER A，CAMPBELL P G G，BIASON MSequential Extraction Procedure for the Speciation f0r Particulate Trace MetalJAnalytical Chemistry，1979，51(7)：8448503 VESII IND P八Role of Water in Sludge DewateringJWaterEnvironment Research，1994，66(1)：4-l14 CHUNG T HSignificance of Pressure and Recirculation inSludge Thicking by Dissolved Air FloatationJWat SCiTech，1997，36(12)：2232305 王静，卢宗文，田顺，等国内外污泥研究现状及进展J市政技术，2006，24(3)：140142(WANG Jing，I U Zong-wen，TIAN Shun，et 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