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污泥的处理和处置欧洲一些高效工艺的回顾1污泥的挑战 由于城市污水和工业污水截留率的提高和污水处理效率的改进（如化学法除磷可使污泥量增加30%），使得在世界范围内污泥总量戏剧性地增加。土地应用仍是污泥处置中可持续发展的一条出路，主要理由如下：碳和营养物的回用；农业用地的有无和远近；低投入和运行花费；严格的法律规定和控制程序以保证安全和有肥效。然而，根据一些情况或当地规定，污泥生产者在土地应用前不得不进行高级，更昂贵的处理以满足进一步的要求，如堆肥、高温消化处理或高温消毒。但是，很大一部分污泥因为显而易见的原因而不能用于农业，如微污染物、病菌超标或缺乏肥效、距离太远等等。有时可能由于公众的不信任。这样，污泥或者被填埋或者通过高温氧化销毁。2污泥处理和处置的可持续性战略在进行任何技术研究之前，应先对公众是否接受进行估计。即使是从技术，成本和环境影响方面来讲都是最好的处理方法，也可以由于没有向邻居进行很好的解释而遭到否定。不管最终处理方法是什么，应该记住的是将来的处理应是安全，环保（保护人，动物植物）并且应当增值（物质和或能源的回收）。为了这些目的，污泥处理应减小污泥体积，改进污泥质量，减少公害的排放。在这篇文章中，我们将简介一些重要工艺，以满足运行者的需要，并且涉及到其他技术或法规约束问题。2.1土地应用的可持续发展战略作为一个起始条件，污泥应当至少是稳定的，在实际运行上既是要求没有臭味。当地的要求或将来的法律可能会更高：污泥可能被要求消毒巴式除菌。消毒要求一个强制的结果：即根据法国的规定，病源体如肠道病毒，伤寒菌，线虫，寄生虫卵等在处理后的样品中应当检测不到。巴式除菌成为一种趋势：如丹麦实行在70度条件下一小时。根据处理方法（生物、化学或物理方法）和污泥的状况（液体或粘状物），不同的工艺描述如下：表1 稳定（消毒）污泥的工艺处理方法处理目标威望迪的处理工艺液态（浓缩后）粘着态（脱水后）生物处理根据控制的生物工艺处理挥发性污泥厌氧消化（AD）自热好氧消化ATADBioPasteur TMADBiotherm（AD thermophilic）堆肥或共同堆肥IPS化学处理抑制腐败挥发性有机物的降解酸性亚硝酸盐SAPHYR石灰物理处理抑制腐败挥发性有机物的降解 干化通过热氧化去除挥发性污泥湿式空气氧化法ATHOS污泥焚烧PYROFLUID这些工艺大部分都有稳定和消毒，但是消毒的程度取决于一些参数如HRT（水力停留时间）或化学投加量。显然热氧化工艺远远超出了污泥稳定，消毒和巴式消毒的要求。因为有机物被完全或几乎完全消解（这些工艺将在下一节介绍）。下面对一些工艺做专门介绍：2.1.1生物污泥稳定（1）液态（浓缩后） 我们最熟悉和传统的污泥处理方法是消化，它可以减少产泥量。无论好氧或厌氧，它都涉及到很多的能量。考虑到多数较大的处理厂或地区污泥中心，此种工艺还是在数量上领先的。然而，其他一些操作或在消化前或在消化后，提供了增强的处理能力，以满足法律的要求。 厌氧消化厌氧消化是一种有效的减少污泥量的方法，因为它把挥发性固体转换成沼气。它可以在中温范围（一般HRT1520天，35度）或高温范围（一般HRT1012天，55度）。注释：因为它可以减少污泥的量，所以也可以作为热氧化的预处理工艺，以减小这一昂贵的步骤（见2.2和2.3）。中温范围：威望迪水务在世界范围内有几百个业绩。一般用沼气搅拌，但是也有机械搅拌。因为在中温范围“只”有污泥稳定，众所周知，我们不在此过多描述。高温范围：在80年代，在丹麦，水处理工艺的进步增加了污泥的体积。他们通过增加污泥龄和池子的体积来稳定二沉污泥。并且，考虑到二沉污泥的低能量和它不易在重力浓缩池中浓缩，它被排除在厌氧消化池之外。很多消化池被停用，或他们只被用来消化初沉污泥。中温范围运行的系统（停留时间为2030天，在3335摄氏度）可以转成高温消化工艺（1015天，在5355摄氏度）。这意味着用于处理初沉污泥的消化池，只要有足够的容积也可以处理剩余污泥，如果从中温转换成高温。当消化池有足够的容积，改装成高温消化池的费用可以根据污泥处置的费用，在几年内收回。另一个主要的优点是与传统的中温消化相比，较小的占地面积。消化产生的沼气通常用来发电和加热。工艺消耗的热量应尽可能的减小，用热交换器可以保证部分热量回收。图1介绍典型的高温厌氧消耗的流程和热回收系统。50到70的热量在泥泥热交换器中从消化的污泥中回收。排放的污泥量减少35%。在Holbk 污水厂，对污泥中病原体的含量在换成高温消化前后进行测量。结果见表2：表2 Holbk（Denmark）污水处理厂污泥中病原体的含量项目消化前的污泥中温消化后高温消化后丹麦对“控制”污泥的要求伤寒菌数量每100 ml10020001002502（检测极限）不能有粪链球菌数量每 ml30003000025040010100根据其他厂的经验，如布拉格中心污水处理厂的实验表明，由于把消化池从中温消化改高温消化后泡沫的问题得到明显改善。2）粘着态污泥（脱水后）：堆肥 堆肥是现有的唯一可以把污泥从废物变成产品的工艺，并被很多严格规定或标准认可。因为污泥变成一种轻产品，容易操作（可堆积）而无味，消毒良好和较干燥。这种工艺越来越流行。另一方面，由于它不减少最终的体积，需要很大的占地面积，并且需要较多人员。而且，为了满足新规定中（临时EU标准或 EPA A级）关于消毒和气味的要求，需要更先进的工艺如“搅拌式反应廊道”它影响最终的花费，与传统的“粗糙”工艺如曝气静态堆相比。在这个工艺中，一个移动的轮子搅拌并推动混合物，同时鼓风机在曝气。加速的生物降解产生一个均匀的堆。总的停留时间可以减小到2周，消毒效果非常好。2.1.2污泥的化学稳定污泥的化学稳定包括一个投加化学药剂的装置，以防止发酵和气味。大计量投加可使病原体衰减。如此这样的工艺一般投资便宜并且容易操作。另外，固体的减少是不可能的，并且运行费用也是可观的。两个可能的工艺，但他们不是竞争者，因为填埋土地的质量决定了工艺：显然如果土壤是酸性的，则可以选择加石灰，否则SAPHYR工艺可能更适合，因为它实施简单，便宜。（1）液态：亚硝酸盐稳定Nitrite stabilisation SAPHYR 工艺由威望迪公司开发，它基于NOx在酸性条件下的作用（一般pH 23）使污泥稳定和消毒，此外污泥的脱水性能也得到改进。并且，无需投加其它固体。最后，处理后的污泥在不能用于农业用途时可以焚烧，相反，投加石灰的污泥不能焚烧。（2）粘性态污泥：石灰这还是最常用的稳定污泥的方法，特别是在法国，但是农民的要求（提供免费石灰）和消毒的要求使投加量可高达50%或者在有些情况下更多。2.1.3污泥的物理稳定加热干燥 thermal drying 加热干燥包括通过热驱动力除去剩余的自由水和键连接的水。加热的媒介或者是气态（直接加热）在高温和湍流状态下流过干燥器，或者用加热液体（通常是蒸汽或加压的水）传递热量给污泥，通过干燥器的加热壁（间接干燥）。加热干燥的目的是达到下游污泥焚烧的热持续性（一般3035%）或者得到团状物（60%）或干燥的容易处理和储存的污泥。如果要达到长时间的稳定（几个月)，干固体含量应达到90%或更多（最终干燥），而且，一种颗粒的状态是容易操作的（包括农田应用）。另一个终级干燥的优点是它可以方便的等待各种最好的处理方法，如农田应用、焚烧后用于水泥生产、或城市垃圾焚烧。它的缺点：第一是花费，尤其是能源消耗，一般在热干燥中，每蒸发一吨水需要3400MJ的热量。但在脱水步骤中，除去一吨水只要6MJ（电力）；第二需要很多工作人员来清除死角中的粉末以防止火灾。2.2可持续性热氧化战略2.2.1焚烧流化床焚烧炉（FBF）就工艺性能来讲，被证明是焚烧污泥最好的方法（湍流方式，燃烧后高达850度的温度）。而且它运行可靠（在炉内没有转动部分）。因此威望迪已经在世界范围内40年的时间里建了几十座流化床焚烧炉（欧盟、俄罗斯、土耳其）。通常，在稳定状态不需要添加额外的燃料。热平衡的持续性是可以达到的。如果污泥的热值LCV太低（低挥发性固体和/或固体含量），尾气气热交换器应该足够大以增加风室的温度。如果达不到（如延时曝气的污泥含20%DS）则需要在前面加热干燥。注：在图4中粘性污泥直接进入FBF焚烧炉，图5中在沙泥混合器中进行污泥予干燥以适合中等处理能力。因为水在100度的条件下已经除去，热量需求减少，因此在低DS含量时可获得热平衡。如以前提到的，需要有效的尾气处理，包括：（）通过热交换器回收热量用于予热空气或其它目的(预干燥加热、建筑取暖、下游处理)；（）通过除尘器除去灰尘（污泥的矿物部分在这一步除去）；（）通过湿式设备捕获酸性化合物（喷淋洗涤器）；（）后续处理包括 如催化去除NOx和反烟羽加热器。很多污水厂的分析表明，结果很好的符合欧洲标准和规定。关于干灰的处置，对于没有工业污染的纯市政污泥，重金属不是问题。因为灰是以氧化物形式存在，他们渗透性不强，所以可以回用作水泥，用于工业和道路建设。最后的副产物是酸步骤的清除。由于重金属的污染，他们只能填埋在特殊的地方，但数量很小。2.2.2与城市固体废物共同焚烧为了减少投资，城市垃圾和市政污泥通常用一个焚烧炉。通常，一个人口当量每天产生150250克的脱水后粘性污泥和13公斤的垃圾。根据焚烧炉的设计，可以通过1025%（泥垃圾）的粘性污泥来控制炉子的温度。为了达到最优化的燃烧，并且不会由于未燃烧的有机污泥污染熟料, 可以用处理能力为1 m3h的 Pyromix 设备，通过压缩空气把污泥转成滴状污泥。实际上，这种运行方式只有在污水厂离城市垃圾焚烧炉较近时有利，否则处理运输的费用将很高。此时污泥只在系统需要时作为控制流使用。2.2.3湿式空气氧化法威望迪水务系统研发的ATHOS 在“中性”温度（240度）和压力（45巴）条件下被证明是高效的。80%的总COD被氧化，剩下20%是可溶的和高度可生物降解的。不需要后续脱水步骤，废气没有毒性，固体矿物副产品包含重金属是以一种不可渗透形式存在的。他们可以用于道路建设。而且液态部分，含有可生物降解的COD，可以很方便的用作污水厂的反硝化的碳源。污泥中的有机氮先降解成可溶性的氨。这些氨，部分被吹脱后通过催化反应转换成氮气进入大气。 这种工艺可以应用于中等大小的污水厂，由于没有污染物排放，所以容易被公众接受。2.3先进的处理工艺这些工艺融合了传统的和革新的工艺，以正在建设的布鲁塞尔北污水处理厂污泥流程为例（规模1.1M PE）。此流程包含了一座浓缩后污泥（脱水后达16%）的脱水装置，然后经热水解（一般180度半小时）反应以降低粘度，增强潜在可消化性。消化后的污泥含固率为8%（不是传统消化的5%）COD含量为50 gl。COD可以满足湿式氧化单元的热平衡要求而不用添加其它燃料。这样整个处理系统足以自己提供能量，而且即没有烟气，也没有飞灰。它满足客户的特殊要求，即不愿意焚烧，也不用填埋。最后，与传统的布局相比，大大减小了占地面积。3结论激烈的竞争，严格的规范和环境的要求迫使像威望迪这样的公司开发新的工艺或用更为有效的工艺（包括来自美国的工艺）。对每个项目，通过对工艺的适当合理安排可以满足用户的要求。需要考虑的是保护大众和环境，优化物质和能源的回收利用，以达到可持续性的发展。污泥干化的安全意识及危险防范1安全意识的重要性 污泥是所有垃圾中最难处理的一种，其本身的特性决定了我们从一开始就应该抱着极为慎重的态度来对待。1.1安全问题涉及干化的全过程干燥器内以及后续处理工艺的粉尘量取决于不同的干燥工艺。所有干燥工艺中，有部分工艺会产生粉尘。污水污泥产生的粉尘是St1级的爆炸粉尘，其粉尘爆炸常数范围为0200 bar.m.sec-1。根据干化厂的设计，主干燥器中、粉尘收集和处理装置、造粒和最终处理装置均有潜在的粉尘爆炸的危险。干燥后，干燥设施内的干燥产品也可因自热导致燃烧或因另有空气加入导致燃烧的加剧。储料仓的干燥产品也可能自燃。在欧美已经发生了很多起干燥器爆炸/着火和附属设施着火的事件。1.2安全隐患的不可预见性干化的难点一般被认为是开机、停机、紧急停机、尤其是短暂停机后重新启动时。开机时，原有设备中会有一定的干泥留存，此时，温度升高后，干燥器内的氧气水平接近外部环境，极少量的干泥遇到大量的热，将会迅速蒸发掉表面水分，干泥表面形成过热，此时形成的粉尘团就变得极为危险；同样，关机时，由于上料器不再喂料，此时，热量仍然大量存在，干燥器内的总蒸汽浓度下降，热量的撤除需要一定时间，大量的余热可能对残留的物料形成焖燃，此时也将形成危险的环境；然而，危险并不限于此，往往在人们自以为最安全的时候，一些特殊因素的变化常常是意想不到的：（1）因为操作失误如絮凝剂增加，或脱水机器运行异常，导致污泥含水率突然下降；（2）因为天气、停机等原因，一些在空气中部分干化、含水率低的污泥混入；（3）污水进水导致污泥的物理/化学特性发生较大变化。工业废物，如造纸纤维、食物废渣、脂肪、油脂和清洁剂，意外事件的污染物如汽油泄漏等；（4）不同来源的污泥混入，如污水处理工艺添加三氯化铁等；（5）由于储存、搬运等条件的异常，金属或碎石混入污泥。以上诸多原因，都可能严重影响干化工艺的安全性。1.3干化系统的安全余量非常有限众所周知，干化系统是以单位时间内的水蒸发能力来衡量的。蒸发能力一定，热量供给也确定了，之后一般只能根据进料量来调节。假设一个每小时处理1000公斤泥饼的设备，蒸发能力750公斤/小时，泥饼含固率20%，产品含固率80%；此时，正常工况下物料平衡如下（单位：公斤）：蒸发750绝干污泥200水800 = 绝干污泥200水50 （1）如果由于前述某些特殊因素导致泥饼的含固率发生波动，而系统的进料速率未变，此时的含固率不再是20%，而是25%，情形将如何呢？蒸发750绝干污泥250水750 = 绝干污泥250水0 （2）此时，由于水分低于预计，而热能供给未变，系统内温度立即飞升，污泥颗粒严重过热，产生大量粉尘，这种情况仅需数秒钟，即可形成大量危险的粉尘团。正是由于以上的原因，干燥厂运行期间，用户必须确保质量控制程序可以检测到影响安全运行的进厂污泥的变化。如果污泥是来自于其他处理厂，必须另作进一步检测。季节的变化，进料性质的变更如果是出于计划中可见的原因，尚能引起足够重视，然而，污水厂管理方面的波动（因人为过失）而形成的漏洞，却足以导致污泥干化轻易超过其特性安全临界值。当系统因为以上原因所造成的温度骤然升高、湿度急剧下降而做出反应时，已经是紧急状况下的处理。其实，干化系统的真正安全瓶颈在于最终含固率的设定，这是干化工艺最重要的参数。对比举例（1）和（2）时不难看出，系统设定的进料含固率20%，干燥到80%，其进料湿度的最大理论波动范围为5%。假如干燥到90%，这一幅度是多少呢？蒸发750绝干污泥193水771 = 绝干污泥193水21 （3）蒸发750绝干污泥214水750 = 绝干污泥214水0 （4）其进料含固率的最大理论波动范围仅有2.22%。干化的最终含固率越高，系统安全余量越小。而对于大多数采用干泥返混的系统来说，最终含固率高于90%是一种必要性，这就形成了一对不可解的矛盾。1.4控制安全的手段十分有限科技发达的今日，使得我们对复杂的仪器抱有某种幻想，人们希望通过对所处理的物质进行鉴别和测定，以确定某些临界特性，并根据这些特性来决定干燥厂不同设施的基本安全值。但是这种期待的实际可行性不高。以下是四个用来判断粉尘爆炸和燃烧的参数：（1）污泥最低爆炸浓度（MEC）经测量为60gm3。MEC指数只能用于设计者设计干燥厂的保护系统。由于MEC变化范围较大，该值不可能作为干燥厂不同部位的不同的粉尘浓度要求。（2）测量污泥的粒度以确定最小点燃能量（MIE）各个干化厂、厂内不同的部位的粒度也均不同，目前还无法获得应用于干燥厂设计中的数据。而且干燥器内的能量如果远远超过MIE时就没有必要测量MIE。唯一的例外是在装袋装置。（3）最低着火温度（MIT）范围很宽，360550。对于使用高温烟气进行直接干燥的工艺，这个数值成为相关参数。着火时往往超过MIT值，因而MIT不太可能作为控制参数。（4）含氧量最低值（LOC）参考样本间的差距较大，在515%，尚不明确实验室测得的LOC值是否代表工厂高温、高湿度运行工况下的LOC值。由于颗粒粒度和形状也会影响LOC值，因此实际中必须修正。目前较为精确的仪器尚不多见。实际上目前干化厂赖以运行和做出报警事故判断的参数仍然只有两个：温度、湿度。由于一般干化工艺均采用微负压运行，爆炸所形成的压力只能作为系统设计中耐受瞬间增压的一个参照值。氧气的浓度也仅能作为参考值。不难理解，焖烧过程中的氧气含量并不高，真正起作用的可能是物料内部的氧原子，对于污泥这种高有机质物料来说氧含量并不少。因此，至少在目前污泥干化仍然是一种难以依赖分析仪器来完全控制和掌握的复杂工艺。2危险防范的措施2.1预防性措施理论上的预防性措施有以下几个：（1）避免爆炸性气体进入；阻止污染物进入干燥器中，例如：甲烷、汽油和柴油液滴、化工污染源等。鉴于气体的在线分析和控制要求的仪器灵敏度高，反应速度快，实施起来困难较大，成本高昂。（2）全程使用惰性气体系统，降低含氧量。有各种措施来确保惰性气体工况，如全氮气、全蒸汽干燥回路等。仅对有些工艺可行，但可能导致运行成本的增加。（3）避免一切火源；去除诸如含铁物质、金属，石块等会产生火花的潜在火源，这样做无疑也将增加成本，系统管理和操作更为复杂。但仍然难以避免焖烧产生的火源。（4）严密监测进料含固率，杜绝一切非正常混料的可能性；比如因紧急停车导致的各种不同半干产品单独管理，进场污泥的分别储存等。这将增加管理成本和操作的复杂性。由于成本和管理原因，真正可行并可实现的只有第二点。2.2补救性措施理论上的补救性措施有以下几个：（1）爆炸泄压口；这是任何系统都会准备的，但仍然会造成设备的损害。（2）封锁系统；由于爆炸发生的时间非常短，封锁系统的实际意义不大。（3）安全场地；同上。（4）两部分之间的爆炸隔离装置；同上。（5）干泥清空；为了防止焖燃，必须将干燥器内的干泥清空，对于很多系统来说需要较长时间。（6）喷水或混合湿污泥进行稳定、冷却；（7）撤除热量；备用系统庞大，需要较长时间；（8）吹送氮气；以阻止火势蔓延或粉尘团的二次爆炸，效果不甚明显。真正具有实际意义的紧急状况处理手段事实上只有喷水。喷水量的控制、紧急状况后的处理，与干燥器内污泥总量的多少直接相关，并对设备的负荷、寿命产生重要影响。2.3提高设备的安全级别设备的安全性对处理商是显而易见的关注点，鉴于污泥是一种较难预测的物料，其酸碱性、腐蚀性、磨蚀性在高温以及停机环境下，能否耐受环境变化，并最终用的长久，这是非常值得关心的问题。（1）设备的材质鉴于污泥的特性和不可预测变化，甚至没有人敢肯定不锈钢就能解决一切问题。然而，在干化设备领域，铁仍然是某些工艺的主要制作材料。做出这种选择的原因主要在于成本，某些庞大的工艺设备无法承受使用昂贵的金属材料。但是这将大大提高投资的成本和减少使用寿命，投资者必须注意。（2）热源的腐蚀性有些