浙江省城市污泥的处置对策与资源化利用研究.docx

浙江大学硕士学位论文 浙江省城市污泥的处置对策与资源化利用研究 姓名：甘海军申请学位级别：硕士 专业：结构工程 指导教师：钱晓倩;詹树林20060601摘要城市污泥是污水处理厂污水处理的必然产物，这种废弃物的处理处置是污水 处理后不可回避的问题。随着污水处理率的不断提高，污水处理厂的数目成倍增 长，城市污泥的产量也急剧增加，城市污泥处置的矛盾变得日益突出。由于城市 污泥具有容量大、不稳定、易腐败、有恶臭、有毒有害等特点，因此必须对其进 行适当的处理处置。污泥的任意堆弃或直接进行利用，势必对环境造成二次污染， 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。本文对国内外城市污泥的处置方法、技术水平、经济性以及环境和社会发展 进行了比较分析和综合评价，提出了资源化利用将是未来城市污泥处置的发展方 向。浙江省日前有污水处理厂近40家，每年约产生湿污泥100万吨。填埋是目 前浙江省城市污泥处置的主要方法，但是该方法存在着一定的社会及环境问题， 不能实现对污泥的综合利用，不是污泥的最佳出路。通过对浙江省污水处理厂进 行实地考察和问卷调查，分析了浙江省城市污泥的产生情况、特点和处置现状， 指出了目前浙江省城市污泥处置存在的问题，对未来污泥的处鼍提出了对策和建 议，并探索了利用水泥生产处置城市污泥的可行性。为了实现城市污泥在水泥生产过程中的顺利处置，本文提出了一种新的干化 工艺。对干化工艺的流程和主要设备进行了设计，并对投资和运行成本进行了估 算。试验表明该工艺是可行的，能够解决污泥的干化问题，满足进一步处置的要 求。本文还在实验室内对利用水泥生产处置污泥进行了试验模拟。初步研究结果 表明，污泥能够改善水泥生料的易烧性，对水泥熟料的性能基本没有影响，而且 污泥中的重金属大部分能够固化在水泥熟料中，水泥水化产物中的重金属浸出量 也远小于相关标准的要求。最后分析了二恶英的产生机理和防治方法，这些工作 为后继的研究工作提供了经验借鉴。关键词：城市污泥；处置；浙江省；现状；对策；资源化利用；干化；水泥生产；重金属；稳定化；二恶英AbstractSewage sludge is the main solid waSte foml sewage treamlentWitll廿1e raising of rate for waste water treatmem，t11e wastewater treatment p18ms will be doubled a11d redoubled a11d produce more aIld more sewage sludgeProperly treatlcnt，disposal orusage fbr se、张ge sludge is needed because i“s huge，veniginous，p嘣d，ni行a11dtoxicAbaIldon or direct usage晰n not only rcduce也e abili哆of water trea恤em for wastewater treannent plants，but also haVe an urgent t11rea把n to tlle env的ment a11d h哪蛆activi吼The memods of disposaI for se、vage sludge趴d their techllique level，economic，en“ro舢ent and society developmem are comparcd and e砌uate in廿le paperIt als0 indicated that resource utilization is t11e direction of developrnent for s唧忸ge sludge disposal in tlle矗】tI】resince now there are about 40、vaste咖tre釉ent pl龇ts ill zhejiallg Provincewhich produce about one million tons of wet sludge each yeaL At presem也e main仃ea恤ent me也od is burying which may cause sodal or environIn嘲l problems andcall Ilot acllieve a comprehensive utilizationSo也ey are not me best memods for sewage sludge treanentBased on the detailed research of the wastewater trea衄ent plants in zhejiallg Province，the present sitllation of productio珥perfom蛐ce anddisposal of sludge are introduced in this papcr，as weH as some advices aIldcoumemeasures for diSposing are put forwardF叫hemlore，tlle fe踮ibility for using cement producing process to dispose sewage sludge is stlldied in tlle papeLA new drying tecllIlique is put forv删for廿le打ea恤em of sewage sludge incemem productionThe now and eqllipments of dIying tecllIlique are designed InVesnnem髓d mnning cost are also estimatcdA11 this indicated mat tIlis metlod is fcasibleAt 1ast，some experiments about sewage sludge n抛ent in cement pmductionare done in the labThc rcsults indicated mat sludge can improvc t11e b啪ability ofcement raw meal and dont influence the abili移of cementMe鲫【while，heavy metal can be solidified in me cement and the lixivium is below me standardAt lastthe mechallism ofproduction a11d prevention a11d cure measures fbr dioxins are discussedinmepapeLKeywords：se、vage sludge；disposal；status；suggestions；resource utiIization；hea、，ymetal：Stabilization：dioxins浙江大学硕士学位论文第1章绪论第1章绪论11引言随着我国城市化进程的加快，城市污水处理率逐年提高，城市污水处理厂的 数目和污泥产量也急剧增加。2003年我国已经建成并运转的城市污水处理厂427 座，年污水处理能力为1136108m3【。到2010年的目标是新建城市污水处理厂1000余座，污水处理能力增加56107m3，d【2】。据估算，目前我国城市污水处理 厂每年排放的污泥量(干重)大约为130万吨，并以年增长率10的速率增长。如 果城市污水全部得到处理，则将会产生污泥840万吨(干重)，占我国总固体废弃 物的32【31。但是，在我国现有的污水处理设施中，有污泥稳定处理设施的还不 到25，处理工艺和配套设备完善的不到1096【4】。近年来，由于公众环境保护意识的加强和国家对环境污染治理力度的逐渐加 大，大量的污水处理设施己经或将要投入使用，污水处理中污泥处理、处置技术 和方法的研究己经被提到议事日程。但在这方面我国尚属起步阶段，与国外的污 泥处理处置技术相比有一定的差距。大量未经稳定处理的污泥由于没有安全出 路，已成为污水处理厂的严重负担，影响了污水处理厂的正常运行。没有经过恰 当处理处置的污泥进入环境后，直接给水体和大气带来二次污染，对生态环境和 人类活动构成了严重的威胁，从而使已经建成的污水处理厂不能充分发挥其消除 环境污染的作用，因此治理污泥成为保证污水厂正常安全生产和真正实现环境保 护的需要。2003年7月1日， 城镇污水处理厂污染物排放标准(GBl89182002)正 式实施，新标准提出了针对城镇城市污泥和废气污染物的排放标准。但是，受城 市污水处理建设发展水平和认识程度的限制，我国对污泥的处理处置始终没有引 起足够的重视。面对污泥处理处置实际工程需要的冲击和国际诸多技术产品片面 促销的局面，管理体系及技术支撑等领域已经呈现出混乱的趋势。而且，管理体 系的欠缺、系统研究的缺乏和技术体系的紊乱等，已经给工程建设和运行管理造 成了诸多难以解决的问题。如何安全、经济、合理地处理处置城市污泥已经成为 政府部门和不少研究学者十分关注的课题。浙江大学硕士学位论文第l章绪论12城市污泥的产生和性质城市污泥是污水处理厂污水处理的副产品，其成分极其复杂，通常是由有机 残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的非均质体。其基本成分及含量主要取 决于污水来源及处理工艺。从外观上看，城市污泥呈黑色或黑褐色的流体状或泥 饼状物质，含水量高、易腐败、有恶臭。城市污水厂剩余污泥中的有机质含量为 城市污水的10倍，污水厂脱水污泥饼中的致病微生物含量也比城市垃圾高几个数 量级。由于它具有容量大、不稳定、易腐败、有恶臭、有毒有害的特点，如果不 加处理，任意地排放，将会引起严重的二次污染。121城市污泥的产生与分类城市污泥(简称污泥)是各种污水处理过程中产生的泥状物质。由于污水本身 的性质多变，相应的污水处理工艺也有较大的差异，我们可以区分污泥的产生环 节，见表卜15】。表卜1 污泥的来源来源 污泥类型 备注格栅 栅渣 来自格栅或滤网，组成与生活垃圾类似，但是浸水饱和 沉沙池 无机固体颗粒 沉沙池沉渣一般是密度较大的较稳定的无机固体颗粒初次沉淀池 初次沉淀污泥和浮渣进厂污水中所含有的可沉降睦物质，污泥处置的主要对象暴气池 悬浮活性污泥 产生于BOD的去除过程，常使用浓缩法将其浓缩 二次沉淀池 剩余活性污泥和浮渣 暴气池活性污泥的沉降物，污泥处置的主要对象 化学沉淀池 化学污泥 混凝沉淀工艺过程中形成的污泥城市污泥按照不同的分类标准可以分为以下几类： (1)按照污水的来源特征，可以分为生活污水污泥和工业废水污泥； (2)按照污水的成分和某些性质，可以分为有机质污泥和无机质污泥、亲水污泥和疏水污泥； (3)按照污泥处理的不同阶段，可以分为生污泥、浓缩污泥、消化污泥、脱水污泥和干化污泥； (4)按照污泥来源，可以分为栅渣、沉沙池沉渣(无机固体颗粒)、浮渣、初浙江大学硕士学位论文 第1章绪论次沉淀污泥、剩余活性污泥、腐殖污泥和化学污泥。122城市污泥的组成城市污泥的性质是污泥处理处置与利用技术措施选择的依据之一，污泥的组 成则是其性质表现的基础。城市污泥主要组成相的组成特点如下；元素组成C、H、o、S、Cl有机官能化合物组成：醇、酸、酯、醛、醚、烃 芳香化舍物、腐殖质等有机相化学组成有机生物质组成： 可溶性糖类；纤维素、木质素；脂肪；蛋白质等固相 毒害性有机物组成：毒害性有机物含量f致病菌1污泥的组成 微生物组成寄生虫卵指示性生物含量l昆虫卵毒害有机物组成：As、cd、cr、H窟、Pb、Cu、zn、Ni无机相 植物养分组成嚣予善差妻言溶态无机矿物组成：Fe、Al、ca、si等氧化物、氢氧化物自由水分 间隙水分水分流 动相 表面(附着)水分结合水分 水溶性组分图卜1污泥的基本组成体系l、污泥的有机物组成 污泥的有机物组成首先是它的元素组成，一般按碳(C)、氢(H)、氧(0)、氮(N)、硫(s)、氯(c1)六种元素的构成关系(如质量分数)来考察污泥的有机元素组 成。污泥有机物另一种组成描述方式是化学组成(或化合物组成、分子结构组 成)，由于污泥有机物分子结构组成状况十分复杂，因此应按其与污染控制与利 用有关的各个方面来描述其化学组成。其中包含：毒害性有机物组成；有机 生物质组成；有机官能化合物组成；微生物组成。2、污泥的无机物组成浙江大学硕士学位论文 第l章绪论污泥的无机物组成也是按其与污染控制与利用有关的各个方面来进行描述 的，其中包含：毒害性无机物组成；植物养分组成；无机矿物组成等三个 方面。污泥毒害性无机物组成，通常根据其毒害性元素的含量对污泥进行组成描 述，无机毒害性元素主要包含：砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、汞(Hg)、铅(Pb)、铜 (Cu)、锌(zn)和镍国i)8种元素。考虑到无机元素的生物可利用性，除了按固相 总含量进行组成分析外，还可按各毒害元素的生物水溶态、酸性水溶态和络合可 交换态的比例进行相关元素含量的描述。污泥植物养分组成，通常按氮(N)、磷(P)、钾(K)3种植物生长需求的微量元 素含量对污泥组成进行的描述，既是污泥肥料利用价值的分析，也是对污泥进入 水体的富营养化影响的分析。污泥无机矿物组成，主要是铁(Fe)、铝(A1)、钙(Ca)、硅(Si)元素的氧化物 和氢氧化物。这些污泥中的无机矿物通常对环境而言是惰性的，但它们对污泥中 重金属的存在形态(影响可溶性比例)以及污泥制建材的适用性有较大影响。3、污泥的流动相组成污泥流动相主要由水及溶于水中的各种有机和无机物质组成，污泥中的水溶 性污染物组成与城市污水中的相似，但一般浓度稍高，如污泥机械脱水上清液的 溶解性cOD在数百至数千的范围，比城市污水高数倍。值得注意的是，污泥中水 的存在状态组成。污泥中的水有自由水分、间隙水分、表面水分和结合水分4种 存在状态。自由水分是污泥中流动不受限制的水分；间隙水分以毛细管力受污泥 固体限制；表面水分以吸附力与固体结合；结合水则是固体的一部分。污泥中的 水存在状态是污泥可脱水性的依据，利用机械应力脱除污泥水分的极限部分是全 部自由水分和一部分间隙水分，其他存在状态的水分只能以热力干燥等方式才能 除掉。13城市污泥对环境的影响污泥中含有覆盖面很广的各类污染物，其中包括各种重金属、微量的高毒性 有机物多氯联苯(PCBs)、含氯芳香化合物(AOx)等和大量的各种致病微生物(致病浙江大学硕士学位论文 第l章绪论细菌、病毒体、寄生虫卵、有害昆虫卵等)。这些物质对环境和人类以及动物的 健康可能造成较大的危害，表现为下面几个方面：(1)污泥盐分污染：污泥含盐量较高，会明显提高土壤的导电率、破坏植物 养分平衡、抑制植物对养分的吸收。(2)病原微生物：污水中的病原体经过处理后进入污泥。生活污泥中的病原 体的数量每克以亿计，这些微生物包括：大肠菌、大肠粪菌、粪链球菌、沙门氏 菌、痢疾菌属、寄生虫卵幼虫、蛔虫、鞭虫、群体鞭虫、弓蛔虫、膜翅目幼虫 等。污泥中的病原体对人类或动物的污染途径大致有四条：直接与污泥接触；通过食物链与污泥直接接触而感染；水源被病原体污染；病原体首先污染土壤，然后污染水体。 (3)氮、磷等养分的污染：在降雨量较大的地区和土质疏松的土地上大量使用富含N、P等的污泥后，有机物分解的速度大于植物对N、P的吸收速度时，N、 P等养分就可能随水流失进入地表水体造成水体的富营养化；进入地下造成地下 水的污染。(4)有机物高聚物污染：污泥中主要含有苯、氯酚等。 (5)重金属污染：在污水处理过程中，7090的重金属元素通过吸附或沉淀转移到污泥中，一些重金属主要来自于工业排放的废水，如镉、铬等；一些重 金属主要来自于家庭生活的管理系统，如铜、锌等重金属。重金属是限制污泥大 规模土地使用的重要因素，因为重金属一般溶解度很小，性质较稳定、难以去除， 从而造成在地表层的积聚。我国城市污染重金属以zn和cu为主，其他较低。大 量使用镀锌管道是生活污水污泥中zn含量较高的原因之一。一些城市的生活污 水与工业污水混合处理，导致Cr(皮革污水)、Cd(电镀污水)、Pb(冶炼污水)、 Hg(塑料行业污水)的含量较高。因此污泥具有巨大的污染潜力(来自其产生量和复杂的污染物组分)，如果 不加以妥善的处理和处置必将后患无穷。14城市污泥的处置目的城市污泥的处理处置与其他的固体废弃物一样，其处理与处置要达到以下浙江大学硕士学位论文 第l章绪论目的【6： (1)稳定化：使之消除恶臭，最终处置后不再产生污泥的进一步降解，从而避免产生二次污染； (2)无害化(卫生化)：使之杀死虫卵和病菌： (3)减量化：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，使之易于运输处置； (4)资源化：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，实现污泥资源化。 城市污泥的处理处置时应将各种因子结合起来，综合考虑，要具有安全性和可持续性。15本文的研究背景和主要内容1。51本文研究的背景和意义浙江省是我国重要的经济大省和旅游胜地，是全国重点旅游地区。境内山 岳、江湖、海岛、溶洞、名刹、温泉、古迹，景观各异。“上有天堂， 下有苏 杭”，杭州在古代就有“东南第一州”之称。全省国家级风景名胜区有杭州西湖、 两江一湖(富春江、新安江、千岛湖)、普陀山、雁荡山、天台山、楠溪江、嵊 泗列岛等，还有数十个省级风景区、省级自然保护区及国家级森林保护区等，国 务院公布的历史文化名城有杭州、绍兴、宁波等，国家级和省级重点文物保护单 位共二百多处。浙江省正以崭新的姿态迎接世界各国的友人，环境更是迫切需要 解决的问题。“九五”以来，浙江省环境保护事业进入了一个崭新的时期，可持 续发展作为一项重大战略，贯穿于经济和社会发展的各个领域。经过几年的努力， 全省环境污染和生态破坏加剧的趋势得到基本控制，部分城市和地区的环境质量 有所改善，环境保护工作取得较大进展，已胜利实现“九五”计划所确定的主要 目标。浙江省还积极争取国家支持，加大城市环境基础设施投入，环境保护已经 为浙江省经济的持续、快速、健康发展做出了积极的贡献。6浙江大学硕士学位论文第1章绪论目前尽管浙江省的污水处理厂在污水处理上采用了当时最先进的处理工艺 和技术，但是污泥的处理处置方面问题不少。污泥的处置问题严重影响了我省城 市污水处理厂的正常运行，并且给我省的环境带来越来越大的压力。老厂几十年 生产积累下来的污泥有待尽快处置，新厂污泥处置的技术方案和工艺有待尽快明 确，有关部门的领导已经将此问题提到了重要的议事日程上，要求通过深入研究 尽快提出技术方案，为浙江省污泥处理处置寻找出路。因此，研究浙江省城市污 泥的分布、成分，寻找合理处理、处置污泥的有效途径是当前城市发展需要解决 的一个十分紧迫的问题，具有极为重要的现实意义。152本文的研究内容和目标本文主要的研究内容和目标包括：1、对国内外城市污泥的处置方法、技术水平、经济性以及环境和社会发展进行比较分析和综合评价；2、对浙江省城市污泥的成分、分布、特性等基本资料进行收集整理和分析：3、对浙江省城市污泥生产现状、处置方法和技术水平进行调查分析和综合 评价；4、提出浙江省城市污泥处理处置的对策和建议；5、探索城市污泥无害化、资源化利用的有效途径，对城市污泥的资源化利 用的相关关键性问题进行试验研究，为下一步工业化生产提供理论依据和应用基 础。16关于几个术语的说明我国对污泥处理和污泥处置还没有准确的解释，存在概念不清的问题。目前 有两个主导性观点：一是以污泥稳定化为界限，稳定化前为污泥处理，稳定化后 为污泥处置；另一观点则认为以污水处理厂厂界为准，厂内为污泥处理，厂外为 污泥处置。处理、处置概念的混乱，导致污泥处理、污泥处置目标不明，进而 影响到管理定位、技术路线选取和技术标准的制定7】a因此为了便于研讨，本文 对污泥处理和处置作如下定义：浙江大学硕士学位论文第1章绪论(1)污泥处理(sludge halldling or sludge treatlllent)：污泥经单元工艺组合处理， 达到“减量化、稳定化、无害化”目的的全过程。主要包括污泥浓缩、脱水、消 化、堆肥、干化等工艺。(2)污泥处置(sludge disposal)：是指以自然或人工或方式使处理后的污泥或 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消纳方式。污泥处置 主要包括土地利用、填埋、焚烧以及综合利用等。根据上面的定义，本论文中讨论的是污泥的处置问题，当然作为处置的必不 可少的步骤和前提，污泥的处理问题在本文中也会相应地涉及到一些。另外，对于将在下面章节提到的污泥堆肥、污泥农业利用、污泥绿化、污泥 土地利用等概念，在不同的文献中也所指的内容和范围也存在混淆。有的将污泥 堆肥作为一种污泥处理手段，有的将其作为污泥的处置途径；有的文献认为污泥 堆肥属于污泥农业利用的范畴，有的认为堆肥与农业利用是不同的概念；还有的 对土地利用和农业利用难以区分。为了论述的方便并避免引起混淆，在本文我们 也对这些概念进行统一。堆肥虽然是一种污泥处理工艺，但最终污泥还是要靠土 地进行消纳，因此认为它属于土地利用的范畴。同样，农业利用、绿化等也应该 属于土地利用的范畴，它们之间的关系如下图所示：农业利用c污泥用于农作物，蠢蔷施用土地利用绿化利用土地恢复 图卜2几个概念之间的关系浙江大学硕士学位论文 第2章国内外城市污泥的处置状况和发展趋势第2章国内外城市污泥的处置状况和发展趋势21城市污泥的处置方法211填埋城市污泥可以单独填埋，也可以与生活垃圾混合填埋。污泥单独填埋可以分 为填沟法，平面填埋法和筑堤法。填沟法分窄沟法和宽沟法，平面填埋法有土墩填 埋和分层填埋。污泥填埋方法的选择取决于填埋场地的特性及污泥含水量。窄沟填埋的宽度3 m，适用于含水率85的污泥，挖沟得到的土可以作为 最终覆盖层(厚度为O912 m)，窄沟填埋一般适用于地势较陡的地方，由于填 埋设备必需在未经扰动的原状土上工作，因此窄沟填埋的土地利用率不高。宽沟 填埋的宽度一般为312皿适用于含水率80的污泥，尤其是含水率75的污泥， 因为填埋设备必需在污泥上行走才能压实污泥。当污泥含水率较高时，填埋设备 必需装垫板，挖沟得到的土可以作为最终覆盖层用土，覆盖层厚度为O915m。 平面填埋法最适用于含水率80的污泥，污泥可被填埋成单个的土墩，也可分层填埋，这两种填埋方式中间覆盖层的厚度为O3045m，为使填埋设备能够操作， 必须用土和污泥混合，所用土的比例取决于土的类型、污泥的含水率、污泥与土 混合物的工作性能。为使操作设备能在污泥上操作，设备上必须配备宽履带。筑 堤填埋是平面填埋法的改进，在填埋场的周围筑坝，在坝的里面填埋污泥与的 混合物，该方式要求污泥含水率25 kNm2；单轴压强50 kNm2干固体中的有机物比例：灼烧减量3 I类填埋场(惰性废物填埋场)； 灼烧减量5 II类填埋场(生活垃圾填埋场)。这几种填埋方法各有各的优缺点和应用范围。填沟法不需要外运土，但是只 适用于地面坡度不大，地下水埋深较深，基岩埋深也较深的情况，其他方式(除污 泥与垃圾混合填埋外)均需要外运土，但对地下水和基岩埋深、地形坡度的要求相浙江大学硕士学位论文第2章国内外城市污泥的处置状况和发展趋势对较低；从单位面积的填埋量来看，平面填埋法、筑堤封闭填埋、宽沟填埋的填埋量较大，污泥与土混合体的填埋量较小凹。 表21污泥的填埋方法比较含水率填埋方式 污泥特性 水文地质学 地面坡度()()适用于地下水较深及基窄沟填埋 7285 稳定或非稳定 20岩埋深较大的地场适用于地下水较深及基宽沟填埋 )80稳定或非稳定 80 稳定岩较浅的场地 坦的地方适用于地下水较浅及基地形坡度适中，最 平面分层填埋 85 稳定或非稳定岩较浅的场地 好是平坦地区适用于较陡地形， 适用于地下水较浅及基筑堤填埋 80稳定 但是有平坦区域用 岩较浅的场地于填埋污泥与垃圾混97稳定或非稳定 80稳定5填埋212焚烧焚烧是使污泥中的可燃成分在高温下充分燃烧，最终成为稳定的灰渣。污泥 焚烧后，大大减量化，1吨干污泥焚烧后仅产出036吨灰渣。污泥焚烧可以分为 两类，一类是将脱水污泥直接送焚烧炉焚烧，另一类是将脱水污泥干化后再焚烧， 后者比较普遍，同时污泥也可以与垃圾混合后再进行焚烧。典型的污泥焚烧设备 主要有立式多膛焚烧炉、流化床焚烧炉、电动红外焚烧炉等【101。立式多膛焚烧炉如图21所示可分为三段，顶部几层起污泥干燥的作用， 为干燥段，温度为425760，污泥的大部分水分在这层中被蒸发掉。中间几 层主要起焚烧作用，称焚烧段，温度升到约925。下部几层主要起冷却灰渣并 预热空气的作用，称冷却段，温度为260350。浙江大学硕士学位论文第2章国内外城市污泥的处置状况和发展趋势图21立式多膛焚烧炉 流化床焚烧炉如图22，污泥在流化床焚烧炉中的焚烧在两个区中完成。第一区为硅砂流化区，污泥在这个区中发生水分蒸发和有机物的分解。第二区为 硅砂层上部的自由空旷区，污泥在这个区中进行燃烧。流化床焚烧炉的优点是燃 料量远小于多膛炉，节约能源。缺点是操作复杂，运行效果不及其他焚烧炉稳定。图22流化床焚烧炉浙江大学硕士学位论文 第2章国内外城市污泥的处置状况和发展趋势魔气出口进气口图23电动红外焚烧炉 还有一种是电动红外焚烧炉(如图23)。脱水污泥饼从一端进入电动红外焚烧炉后，被滚筒压制成薄层，先被烘干，然后在红外加热段焚烧。红外焚烧 炉的特点是投资小，适合小型的污泥焚烧系统，但运行耗电量大，能耗高【11】。213土地利用污泥中丰富的有机物和N、P、K等营养元素及植物所必须的各种微量元素 ca、Mg、cu、zn、Fe等能够改良土壤结构，增加土壤肥力，促进作物的生长。 污泥土地利用被认为是最有发展潜力的一种处置方式。这种处置方式是把污泥应 用于农田、菜地、果园、林地、草地、市政绿化、育苗基质及严重扰动的土地修 复与重建等。污泥土地利用不仅可利用土壤的自净能力对污泥进行无害化处理， 而且污泥中的有机质、腐殖质还可以改善土壤结构，是良好的土壤改良剂，也可回 收利用有机质，促迸植物生长【l 21。因此，污泥的土地利用是一种积极、有效的污 泥处置方式。科学合理的土地利用，可减少污泥带来的负面效应。林地和市政绿 化的利用是一条很有发展前途的利用方式，因为它不易造成食物链的污染。污泥 还可以用于严重扰动的土地，如矿场土地、建筑排废深坑、森林采伐场、垃圾填 埋场、地表严重破坏区等需要复垦的土地。这些污泥利用方式减少了污泥对人类 生活的潜在威胁，既处置了污泥、又恢复了生态环境【l 。堆肥化技术是国际上从60年代迅速发展起来的一项新兴生物处理技术。70 年代以后由于污泥产生的环境问题和填埋技术的缺点日益突出，污泥堆肥技术引 起了世界各国的广泛重视，并成为环保领域的一个研究热点，这时人们开始考虑12浙江大学硕士学位论文 第2章国内外城市污泥的处置状况和发展趋势矛用堆肥化技术取代部分传统的物理化学方法。目前，堆肥工艺有多种分类方式。 根据物料的状态，可分为静态和动态两种。根据微生物的生长环境，堆肥化可分 为好氧和厌氧两种。根据堆肥过程的机械化程度，可分为露天堆肥法和快速堆肥 法两种。根据堆肥化技术的复杂程度，堆肥系统又可分为条垛式、强制通风静态 垛式和反应器系统。由于城市污水厂污泥性质特殊，含水率较高，有机物含量不 高，空隙率较小，粘度大等等，因此用污泥为原料堆肥化时，通常需加树叶、锯 末、木屑、秸秆、腐熟堆肥等调理剂，或与城市生活垃圾混合堆肥【l41。根据以 往的研究，污泥好氧堆肥过程的主要控制因素有：堆料的含水率，通风系统，温 度，pH值，cN，调理剂。堆肥污泥混合原料要求为：含水率5060，pH 值59，cN为2536：l，有机物含量2080，粒度1260姗15】。214海洋倾倒海洋倾倒即是利用海洋的环境容量和稀释、自净的能力来处置污泥。但是污 泥投海会污染海洋，对海洋生态系统和人类食物链造成威胁。因此，污泥海洋倾 倒已受到越来越多环保人士的反对，国际公约也已明令禁止。1988年美国已禁止 向海洋倾倒污泥，并于1991年全面加以禁止。日本对污泥的海洋倾倒作了严格的 规定。中国政府于1994年初接受3项国际协议，承诺于1994年2月20日起不在 海上处置工业废弃物和污水污泥。欧共体在1991年5月颁布Directive Conceming UrbaIl wastewater Treatmem中指出：在1998年12月31日起，不得 在水体中处置污泥【16】。215其他资源化利用方法新的探索性的污泥资源化技术，包括合成燃料技术、低温热解制燃料油、作为建筑材料的附加原料等。1、污泥低温热解制燃料油：美、英、日等国研究用热化学液化法，即在300、100个大气压左右将脱水污泥反应成油状物。德国和加拿大以热分解油化法 为主。污泥低温热解制油技术是通过无氧加热污泥干燥至一定温度(500)，由 于馏和热分解作用使污泥转化为油、反应水、不凝性气体(NGG)和炭等4种可燃产 物。在此工艺中，干污泥在无氧环境下被加热至300350保持约30 min，然浙江大学硕士学位论文 第2章国内外城市污泥的处置状况和发展趋势后由冷却器收集油、水混合物，在反应釜内没有压力情况下，继续加热到450 左右，由冷却器收集轻油、焦油和气体。产油的热值高，收集起来后可以作为能 源储存。油在热解过程中以蒸气相存在，可被明火点燃，性质稳定。同时，热解 也产生污泥炭，其性质稳定，可以用于掺煤或直接作为热解补充能源。该技术首先由Bayer等提出，c砌pbelle评价了该方法的经济性，Bridle等研 究了该过程的二次污染控制，Frost等评价了热解油的市场应用前景。从设备构成 看，低温热解比直接焚烧增加了一套干燥器和一个结构相类似的热解反应器(体 积小得多)，但燃烧系统容量缩小了。KOkazawa和MHiraoka比较了直接焚烧和 预干燥焚烧的投资费用。发现增设一套干燥设备将使总投资增加15但可由燃烧 器的缩小抵偿，因此可推论低温热解的投资不会高于直接焚烧的30。由于焚烧 总成本中投资部分(折旧和利息)费用占3035，故低温热解设备增加造成的 处理费用提高是此总成本的15以下；而占焚烧成本35的辅助燃料费用将因为采用低温热解而节省；二项抵扣，低温热解处理成本应为直接焚烧的80以下， 如考虑油回收收益，成本将更低。这种技术正逐步经过实验室走向实际应用阶段， 应该具有很好的发展前景【”)。2、污泥合成燃料技术：污泥中含大量有机物，热值较高，将污泥按一定比 例与煤粉和其他添加剂混合制成污泥型煤，既可以作为型煤的粘结剂，又可以充 分发挥污泥的热值。美国一研究机构为解决污泥处置问题及发挥污泥的最大热能，开发出了一种 污泥合成燃料。用50以上的污泥圆体掺加一定量的石灰及水溶性有机粘结剂(例 如糖浆)制成成型燃料，可以在固定床或移动床气化炉中燃烧。为提高合成燃料 的热值，还可以加入一定量的粉煤。其燃烧产生的烟气可以通过常规的气体净化 装置去除其中的酸性气体及其它大气污染物18l。德国汉堡贝伦化学公司从2002 年开始，将工厂下水道排放的废水(其中含lO的普通生活污水)进行处理，所 得活性污泥作为燃料。他们在下水道污泥中加入有机凝集剂，再用电力脱水机脱 去部分水分，加入一定比例的粉煤，最后利用压滤机榨干水分，用这种方法制成 的燃料发热量大约是920010000千焦千克，并且将其干燥、粉碎后不影响燃烧性能【I 9】。加拿大从1991年起在国内5家电厂推广污泥燃料，目前处理每吨污泥的 成本已有初期的34美元降至15美元，每吨污泥可以发电800千瓦时。加拿大多伦浙江大学硕士学位论文 第2章国内外城市污泥的处置状况和发展趋势多的一家公司1996年利用污泥开发出粒状、块状燃料，主要供居民野炊、野外考 古勘察人员和军方使用，这种燃料使该公司2001年获利1500万美元，2002年增至1700万美元。3、作为建筑材料的附加原料：污泥中除了有机物往往还含有2030的 无机物，主要是硅、铝、铁、钙等化合物，与建筑材料常用的原料成分接近，因 此可以利用污泥作为生产建筑材料的原料。目前污泥在建筑材料方面可以用来制 砖、烧制轻质陶粒、生产水泥等【201。(1)制砖：利用污泥制砖有两种工艺方式，一种是污泥焚烧灰制砖；另一 种是干化污泥直接制砖。将污泥焚烧后收集的灰与粘土混合制砖，其中污泥灰的 掺量可高达50，砖的综合性能好，但没有利用污泥的热值。这两种制砖方式都 存在空气污染问题，因污泥中含有大量的有机物，焚烧或烧砖时都有有害气体放 出。日本Nagaharu 0kuno曾报道过用100的下水道污泥燃烧灰制成砖，在日本 已有8家这样的公司。污泥燃烧灰制砖的成型压力都很高，100的灰粒的最佳成 型压力为98MPa，在1020左右烧成。但也存在一些问题，因表面湿气的作用， 表面会生长苔藓或是泛白。要解决这些弊端，可以提高烧成温度与进行表面化学 处理。干化污泥制砖，缺点是污泥中有机质在高温下燃烧导致砖的表面不平整、 掺量低和抗压强度低等口11。美国马里兰大学的詹姆斯阿里门研究出了如何处置那些被重金属污染的污 泥。他先在污泥中掺入一定量的粘土，经挤压加工制成污泥砖，再将之放入一只 高温窑中烧制。在烧制过程中，砖中的残渣燃烧，释放出热量，减少了烧砖所需 的燃料消耗。此外，污泥砖中的有机物被烧掉，在砖内形成微小的气孑L，使其具有良好的绝热性。这种砖的强度达到了美国材料试验学会(AsTlll)所规定的强度标 准，最近，某研究小组发现，可以利用下水道污泥压制成普通的建筑用“生态 砖”。这种污泥生态砖是在黏土砖中混入1030的污泥，并在900条件下 烧制而成。这种方法的优点是在烧制过程中将有毒重金属都封存在污泥中，同时杀死了所有有害细菌，并且这种砖完全没有异味【22】。(2)制轻质陶粒：污泥制轻质陶粒的方法按原料不同分为两种：一是用生 污泥或厌氧发酵污泥的焚烧灰制粒后烧结。但利用焚烧灰制轻质陶粒需要单独建浙江大学硕士学位论文 第2章国内外城市污泥的处置状况和发展趋势焚烧炉，污泥中的有机成分没有得到有效利用。二是直接利用脱水污泥制陶粒的 新技术。在美国，Nakouzi s等人通过研究发现回收或再利用染料污泥，将其转变成 制陶粒的制陶成分，代替了原有的土地填埋的处理方法，取得了一定经济效益， 并同时解决了污泥处置问题。1994年，美国威斯康辛(wisconsin)公司建成世界上第一家利用污泥(主原料为粉煤灰)生产陶粒的工厂，年产量约10万m。由于产 品质量好，得到政府和污水处理厂补贴(每吨污泥补贴612美元)，企业经济效益和社会综合效益很好【231。到2002年底，美国已建成同类工厂6家，欧洲部分国 家也正在建设利用污泥生产陶粒的工厂。在日本，以燃烧过的污泥粉为主要原料， 与污泥干粉或者粉煤等可燃性粉末，按需要的发热量调配成混合料，加水造粒， 在链式烧结机上烧成轻骨料。轻骨料的烧结温度为10001loo，烧结时间为2530min。轻骨料的筒压强度为34 MPa，吸水率为1618。(3)生产生态水泥：所谓生态水泥，是指利用城市垃圾焚烧灰和下水道污 泥等作为主要原料，经过一定的生产工艺制成的无公害水泥。1996年4月瑞士的 HcB Rekingen水泥厂成为世界上第一家具有利用废料的环境管理系统的水泥厂， 并得到ISO 1400l国际标准的认证，它为规划、实施和评价环境保护措施提供了 可靠的框架【24】。美国、欧盟、日本等发达国家也纷纷采用高新技术，利用工业 废弃物替代天然的原料和燃料，生产出达到质量标准并符合环保要求的生态水 泥，对于资源的优化配置、环境的保护和社会的可持续发展起到了重要的作用。 日本有关研究人员将城市垃圾焚烧灰和下水道污泥一起作为原料来生产生态水 泥，不仅减小了废弃物处理的负荷，还有效利用了资源和能源。据资料报道，日 本的一条日产50t生态水泥的干法回转窑生产线，垃圾焚烧灰和污泥及含铝的工 业废料占原料的60，烧成温度只在10001200，节省大量原料、燃料消耗。 由于原料含氯量很高，在水泥生产中容易造成窑、鼓风机上挥发份的沉积，所以 该厂采用了生料成球工艺，并安装了一种新型预热器以免料球爆裂，还可提高热 交换率，尾气经过急冷后用熟石灰中和、活性炭吸收后毒性组分几乎完全被袋式 收尘器收集，不会造成尾气污染。日本已建成的另一座设计年产量为11万t的生 态水泥厂，用06万t垃圾焚烧灰和O8t石灰石可制造1t水泥。日本的日立水泥公 司在水泥制造过程中，把下水污泥作为原料及燃料进行资源再生利用，每天处理16浙江大学硕士学位论文 第2章国内外城市污泥的处置状况和发展趋势下水污泥能力为72t。据说，这家公司从几年前已开始，将下水道处理的焚烧灰， 作为水泥的副料使用，2001年已使用6500t【251。216几种处置方法的比较分析填埋、焚烧和土地利用是污泥的三种最主要的处置方式，根据以上所叙我们 可以总结出它们各自的优缺点和应用范围，如表22所示。了解它们的这些区 别，可以更好地为污泥的处置选择合适的途径。表22三种主要污泥处置方法比较处置方法 项目填埋焚烧 土地利用可靠，有一些工 可靠，有较长的应用实践 技术可靠性 可靠，有一定的实际经验程实例 和实例操作安全性 较好 较好一般，需注意防火、防爆 较难，需要考虑一定的地理使容易，可靠近市选址 大面积选址较困难 用条件，一般远离市区 区建设占地面积 较大 小大 容易，如果就近运输情况及费 较复杂，要考虑气候等多 运输距离较长，费用高焚烧可节约运输用种因素的影响，费用高费用对热值有一定要 对重金属、病原菌有一定 使