污泥处置实践中的技术路线思考.doc

污泥处置实践中的技术路线思考一、污水处理的现状与发展近几十年来，随着我们国家城市社会经济的高速发展，我国的城市排水基础设施的建设取得了很大的进步。城市污水处理厂的数量从1977年的35座增加到2004年的667座，城市污水处理能力从过去的每天处理污水100多万吨增长到今天的每天处理污水近3,000多万吨。尽管我们和发达国家相比，在总的能力建设上差距仍然很大（美国有18，000座，英，法，德国各有约8，000座），污水处理率也仅约30%（发达国家约90%以上），国内的水系污染也还未得到有效的控制，污水处理能力和社会经济发展的需求尚不匹配，但可喜的是，在解决江河湖海的水系污染工作中，已建成的这些设施已经开始显现出它是国家控制水污染，保护水环境的最有力的手段和最主要的力量，得到国家和各级地方政府的重视，社会的关注与参与。国家正在调整政策，在建设和谐社会的过程中，集中全社会的资源，加速这一关键环节的能力建设和强化这一环节的科学管理。按照这样一个进程，至2015年，全国城市污水处理厂的数量将达到2000座以上，污水处理能力将达到每天处理污水8，000多万吨，污水处理率将达到70%以上，我国的水污染将得到控制，水环境将明显改观。一个经济发展，社会健全，环境优美，以人为本的和谐社会才会显现。二、污泥问题的出现及其原因但是，在污水处理能力建设的这一快速发展中，一个曾经忽视，而今又必须面对的问题是伴随着污水处理能力的提高，污水处理的中间产物污泥将要得到妥善的处理和处置。按2004年我国的污水处理能力统计，我国每天从各个污水厂产生约7，000吨的污泥饼，现在70%以上是弃置，20%是填埋，不到10%的是通过堆肥等技术处理后回用于土地。由于污泥中往往含有病菌和过量的重金属，没有经过无害化处理的污泥大量的弃置，最终作为资源用于土地，常常造成二次污染，严重影响了环境综合整治的实际成果。造成这种状态有着发展、认识、资金、技术和管理等多方面的原因。在污水处理发展的初期阶段60年代，污水处理厂少，污泥量少，污泥的成分也不像今天这样复杂，污泥土地施用是一种有效的处置方式，上海、北京、天津等城市的污泥还受到农民的欢迎，作为很好的农家肥施用。所以那个时候污泥是资源，污泥处置不是什么问题。上世纪末，我国的现代污水处理开始起步，资金、技术、装备和土地集中在如何多建污水处理厂上，加上很多的污水处理厂还在建设过程中，污泥处置的问题显现得不充分。这一时期，无论是立项、规划、设计、建设和管理部门都没有对污泥处置的设施建设给与足够的重视，往往在污水处理工程的项目文件末尾写着这样一句话污泥处置问题另行考虑，而实际结果是各个部门受认识、资金、技术、土地等条件的制约，没有再展开进一步的工作。进入本世纪后，随着一座座城市污水处理厂的投入运行，特别是一些大中型污水处理厂的投入运行，每天几十吨几百吨的污泥饼，有的污水厂是上千吨的泥浆不论天气好坏需要随时清理和处置，再加上城市化的进程加快，原来消纳污泥的农田变成了城区，污泥处置的难题终于暴露出来。最早建成的天津纪庄子大型污水厂只能把污泥堆在河滩，造成河系的污染；北京高碑店污水处理厂十几辆黄河牌拉泥车每天跑出两百多公里到京津边缘地区进行污泥弃置；上海的农民用船把污水厂的污泥浆拉走，半路上把泥浆从船底放到河里再返回去拉泥；凡此种种反映了这一阶段污泥处置工作中的困难和管理上的无奈。三、污泥处置的国际经验污泥处置的困难不仅仅是我国在环境综合整治工作中出现的问题，也是目前世界各国都面临的挑战，大家集中努力的目标是污泥的无害化和资源化处置，寻求的是经济上可支撑的可持续性发展技术。西方国家的大规模现代化污水处理是从六十年代末开始的，原有的污泥处置方式也是把污泥经过脱水减量化后运往农业区或林地进行土地应用。随着控制污染，保护环境的呼声提高，在大量兴建污水处理设施的同时建设了一批污泥无害化处理设施，改变了原来直接把生污泥应用于农田的状态。这一时期污泥无害化处理的主要技术和设施是污泥的中温厌氧消化和机械脱水。污泥消化可以抑制病菌，改善污泥的卫生状态，但是降解不了重金属。国外在通过大量的生态学研究和总结了实际工程经验的基础上，科学的确定了污泥最终处置标准中的重金属要求（发达国家的污泥土地使用标准对重金属的要求比国内宽松），通过让污水厂监督管网排水户的方式将责任体联在一起，对重金属的排放实施了有效的管理，使消化污泥能够达到法定的初级无害化水平，污泥的最终安全处置可以实践。但是与此同时，他们还开发建设着一些更高水平的污泥无害化和资源化处置的技术及设施，主要有机械堆肥、热裂解、热干化、琉化、焚烧、制成建材等，呈现出多元化的努力，表现出他们也还是在寻求更环保的可持续实施路线。在这些从简单到复杂的技术设施序列中，建设和运行成本也是从低到高顺序增长的。近十来年，发达国家随着污染控制的逐步得手，环境要求的不断提高，已经制定了更高的污泥处置标准，逐步限制污泥的土地直接应用，如欧盟已经确定从2010起禁止再向土地直接施用污泥，在新建和改建的污泥处理项目中，有向热干化等更高端技术设施发展的趋势，以提高污泥无害化和资源化的水平，满足更高的环境要求。发达国家所做的这些努力，最主要的动力是国家对环境越来越高的要求，最主要的条件是经济力量的支撑，除了政府的大量投入以外，到位的污水处理费是一项重要的资金来源。纵观国外近几十年的污水处理和污泥处置的实践，我们看到一条可以借鉴得的基本发展路线。那就是，即便是发达国家，也要根据国情，科学和事实求实的确定他们的环境标准，阶段目标，并切实加强污泥处置工程的落实和管理；在污泥处理和处置的思路上从污泥无害化着手，把它作为满足环境基本要求，社会经济发展的基本条件的主要措施和手段；同时不放弃资源化的努力。正是由于思路实际，加上污泥无害化处置项目，有法规上的依据，有政府和社会资金投入的渠道，有成熟的工程技术的支持，所以在总体上还是稳步发展的，并不断探索和开发兼顾污泥无害化和资源化的新技术。四、污泥处理两种技术路线的实践与困惑我国从上世纪的八十年代开始了大规模的现代化污水处理实践，在二十多年的实践中我们有两个技术倾向值得探讨，它们引导了两种不同的技术方向，并直接影响到后续的污泥处置工作的成效。1、以污泥消化为主导的技术方向我国的污水处理主流是一直在引进国外的先进技术。污泥消化是一项在国外经过几十年实践至今还在应用的综合成本相对较低的污泥无害化技术。但是，由于污泥消化设施设计和管理上的复杂性，我们的早期实践碰到了一些挫折，设计建设的几座污泥消化设施的使用效果都不很理想；加上发展速度快，从事设计和管理的人员总在不断调整和更新，缺少实践的机会和经验的积累；还有沼气利用等环节的部门障碍因素等等，在后续的污水处理项目中，大家都尽可能地躲开污泥消化而采用其他的污水处理工艺，而这些工艺又不能达到国家要求的污泥农用无害化水平。这个现象由于污水处理项目的快速增加，污水处理费的调整，行业改革等新热点的不断出现而掩盖，没有能够从污染控制的角度和污泥无害化处置的环境要求在业界展开认真研究和讨论，一定程度上影响了污泥处置工作的进展。2 、以资源化为主导的技术方向由于没有现成的技术可以直接使用，加上认识和经验上的不足，污泥处置的管理也不够严格，再加上资金上的不足，人们只好展开各种各样的探索。作污泥肥，卖污泥肥污泥资源化一度似乎成了解决污泥问题的有效途径。但几经波折，除了少数几个个例之外，大多数的实践都没有成功，这包括了一些投资几千万元的经营项目。污泥资源化从技术上来说没有太大的问题。我国的工程技术人员早在上个世纪中叶就结合我国农村土法堆肥的技术，研究和开发了将污泥进行机械化堆肥和制砖，烧水泥等各类资源化工艺和技术，尝试在进行污泥无害化处理的同时实现资源化的可行性。进入九十年代，在有空地，装备简单化和使用低价劳工，水电消耗补贴以及有农业需求等特定条件的北方中小型污水处理厂，如唐山污水处理厂，太原污水处理厂，石家庄污水处理厂这些技术得到使用，获得了一些成功。但是在专业化更强的现代化大中型污水处理工程项目中，大量的污泥每天都必须得到及时地妥善处理和处置，因此建设一座稳定运行的污泥处理设施是污水处理持续运营的必要保证。搞正规一些的污泥资源化工程，需要投入很多建设和运行资金，资金难以达到良性循环。举个例子，日本东京都有一座简单的机械化污泥堆肥厂，他们生产的污泥肥售价每袋200日元，但其购入的包装袋每个就已是200日元了，更不要说制砖，制建材等产品了。在国外污泥无害化和资源化的成本是*政府投入和污水处理费用支撑的。再有就是产供销的链条整合困难，北京排水集团自高碑店等几座大型污水处理厂建成后，一直受污泥处置问题的困扰，愿意合作搞资源化的公司很多，污泥肥是生产出来了，但受成本，污泥所含重金属等因素影响，不能持续运营，一个也没有成功，直到我们调整了思路，搞污泥无害化，降低了生产成本，然后把无害化的污泥卖给下端厂家，大量的污泥得到了稳定的处置，保证了污水处理厂的稳定运行。3、以无害化为主导，以资源化为方向目前，除了有独特因素的几个污水处理厂之外，我国新建的中小型污水处理厂，在污泥处置方式上多采用低成本的弃置与填埋，整体上还达不到无害化的水平。深圳、上海、北京、天津、广州等一些建立了大型污水处理厂的城市，迫于污泥处置的压力，正在尝试着引进国外的污泥热干化和焚烧技术及装备，以提高污泥处理和处置水平及改善自身的应变能力。这些尝试还是以污泥无害化为出发点。目前这些设施大部分在设计和建设中。这些现代化的设施投入运行，将大大地提高了污水处理厂运行的稳定性，也将促动污泥处理和处置工作上的认识、政策、价格、环境管理方面的改变。实践证明，国外从无害化着手，从资源化着眼，展开污泥处理和处置工作的方式是合理的，有成效的。 我们在污水处理收费尚不到位，污泥处置还没有认可的资金渠道支撑的情况下，做一些污泥无害化和资源化的尝试是有益的。但以资源化来推动污泥处理和处置工作，并寄希望用这种方式来赢利从而推动整体系统的良性发展是不现实的。五、源于实践的建议措施综上所述，解决我们所面临的污泥处置的难题，我们建议：1）首先是要从环境管理的角度加强污泥安全处置的宣传，加强教育，同时切实加强具体环节的管理，特别是要管好向管网排放污染物的排水户；2）是应该在调整和核拨污水处理费的过程中，将污泥处理和处置的合理成本包括进来，在建设新的污水处理工程中，由国家投入一定的专项资金用于污泥无害化处理设施的建设，以推动污泥处置设施的建设；3）是把污泥处理和处置工作的重点放在污泥的无害化上，大力推行污泥无害化的技术路线，并要求在每一个新建的污水处理工程项目中，从规划、设计到建设各个环节都要落实；4）对于污泥消化这种综合成本较低、较为成熟的污泥无害化技术要展开行业内的研讨，加强吸收，消化和推广。 经过十几年的实践，我们感到只有通过这样的调整和不断的努力，我国的污泥处置能力和水平才能切实提高，面临的污泥处置难题才会逐步有所缓解，污水处理才能以更快的速度发展，国家的环境质量才能得到实质上的改善。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