一步固化法污泥处理技术及其应用

1、一步固化法污泥处理技术及其应用、生化污泥的组成成份与性质污泥由液体和固体两大部分组成，污泥处理的目的就是如何将污泥中的水份尽量脱除，减少污泥的体积，从而才 能为后续污泥的无害化处理提供经济可行的基础条件。污泥浓缩和脱水的作用是去除污泥中的大量水分，从而得到污泥体积上的减量。污泥经过浓缩和脱水处理，含水 率从99.3%左右降至60 80%,其体积降至原体积的1/10 1/15，有利于运输和后续处理。不同含水率下的污泥相态状态有所不同，以污水污泥为例，如下表所示。污水污泥含水率及其相态含水率污泥相态状态含水率污泥相态状态90%几乎为液体6070%几乎为固体80 90%粥状物50%黏土状70 80%

2、:柔软状虽然不同污泥的含水率、脱水性能、浓缩性能和可压缩性能都不尽相同，但是污泥中水份的存在形式基本一致。根据污泥中所含水份与污泥的结合情况，污泥中所含水份可分为自由水与结合水两大类。自由水(Free water or bulkwater)指的是不直接与污泥结合，也不受污泥颗粒影响的那部分水，这部分水可以通过浓缩去除，污泥中大部分水以 这种形式存在。结合水可以分为间隙水、毛细水、水合水。间隙水(Interstitial water )存在于絮体或有机体的空隙之间，条件变化时(如有絮体破坏时)可变成自由水；毛细水(Vicinal water )指的是结合力大，结合紧的多层水分子，重力浓缩时不能去

3、除这部分水，必需用人工干化、机械脱水或热处理的方法去除；水合水(Water of hydration )存在于细胞内，只有热处理才能去除这部分水。污泥水的特性项目间隙水毛细水水合水(含内部水)含量%70 8010225 8与污泥颗粒的结合力弱较强强与污泥颗粒分离的方法重力浓缩机械脱水干化或焚烧对不同污泥而言，其各种水份的结合能力不同，其结合强度取决于单位水化合力和颗粒的大小。颗粒直径越小， 污泥结构中细小絮体越多或则污泥含有越多的胶体颗粒，污泥则难脱水。污泥在不同状态下去除水的能力可以用污泥的浓缩性能、脱水性能和可压缩性能三个指标来衡量。二、生化污泥的产生量与计算方法当污水处理采用二级生化处理

4、时，污水污泥产生量的主要影响因素为：污水水质和生化处理系统的运行条件。污 水水质对污泥产量的影响主要体现在进水有机物和进水悬浮物固体浓度；运行条件有泥龄、负荷、溶解氧等，起关 键作用的是泥龄，泥龄的长短将影响有机物的生物降解效果和微生物固体的内源衰减量，从而影响污泥的产量。当污水处理采用化学一级强化工艺时，污水污泥产量影响因素除了进水水质外，还有絮凝剂投加量、絮凝剂种类等。计算公式1、美国计算公式：多数污水处理厂采用初沉池，去除污水中可沉淀的固体。初次沉淀提供一种较有效的方法，减低进入二级处理程序的 BOD负荷。初沉去除的固体量一般与表面溢流率或水力停留时间有关。与水力停留时间有关的初沉干污泥

5、量可由式或式所示。式 Sp=QTss n式n =T（a+bT）式中：Sp初沉干污泥产量（kg/d ）Q 污水厂的平均日流量（m3/d ）Tss进水总悬浮颗粒浓度（kg/m3 ）n去除率（% ）T 停留时间（min ）a常数取 0.406 （min ）b 常数取0.0152该公式由美国18个大型污水处理厂的曲线数据求出。2、国内计算公式几种不同的污泥计算方法与污泥量计算的比较项目按照美国污泥产生量的计 算方法按照德国污泥产生量的计 算方法上海排水处统计数据计算初沉池干污泥产率150kg（kg 干泥 /km3 污水）45g/（人。d）水量为200L（人。d）二沉池干污泥产率85kg（kg干泥/km

6、3污水）80g/（人。d）水量为200L（人。d）0.5kg （kg 干泥 /kgBOD 5初沉池的污泥量2.94% Q （含水率 95%）4.5% Q （含水率 95%）3.4% Q （含水率 96%）二沉池的污泥量11.33%Q （含水率 99.25%）/5.63% Q （含水率 99%）污泥总量7.834% Q （含水率 97%）10% Q （含水率96%）6.47% Q （含水率 97%）注：1、进水SS浓度为249.5mg/L，进水BOD5浓度为179.4mg/L，出水BOD5浓度为13mg/L , SS去除率按55%计算，BOD5去除率按70%计算。2、Q为污水厂的平均日流量 m3

7、/d三、污泥处理处置的基本方法当今国内外污泥处理处置所依循的原则均是“减量化、稳定化、无害化和资源化”。处理要求是最终处置时对环境无害。污泥按照最终处置的要求，可经过浓缩、稳定、调理、脱水、灭菌、干化、堆肥、焚烧等一个或者多个处理手段组合的处理，可根据污泥的性质、类型和处置方式的不同，污泥的处理工艺可能有多种不同的选择。各种处理处置工艺的说明如下表所示。污泥调理中增加用水调理，有利于消化污泥农用，降低污泥中的盐分。处理方法目的和作用说明污泥浓缩重力浓缩缩小体积气浮浓缩机械浓缩利用机械设备浓缩污泥，如离心浓缩、转鼓浓缩等污泥稳定加氯稳定稳定利用高剂量的氯气与污泥接触以对其进行化学氧 化石灰稳定将

8、足够量石灰加入到污泥中，使PH值维持在12或则更咼，以此破坏导致污泥腐化的微生物生存条 件厌氧消化稳疋减少质量利用厌氧微生物的作用，在无氧和一定的温度条件 下，使部分有机物进行分解生成沼气等产物，达到稳定的目的好氧消化利用剩余污泥的自身氧化作用，类似于活性污泥 法，采用较长的污泥泥龄。 其初期投资的费用和提 供氧的动力费用较咼污泥调理化学调理改善污泥脱水性质在脱水之前向污泥中投加化学药剂，改善污泥的颗粒结构，使其更易脱水加热调理改善污泥脱水性质及稳定和消毒将污泥在一定压力下加热，使固体凝结，破坏胶体结构，降低污泥固体和水的亲和力，不加化学药剂就可使污泥易于脱水。 同时污泥也被消毒， 臭味几 乎

9、被消除。由于得到的污泥水时高度污染的，可根据请康在预处理后或直接回流至污水处理系统中， 一般直接回流可使污水生物处理的负荷增加25%冷冻调理改善污泥脱水性质在污泥冷冻过程中，所有固体从冰晶网格中分离出 来，因此冰晶是由相对较纯的水组成的，这样污泥水可以有效的分解出来。污泥融化后，脱水性质得 到较好的改善。在寒冷地区冬季采用自然冷冻法， 夏季采用化学调理，干化床脱水较经济。辐射法调理采用发射性物质的辐射，来改善污泥的脱水性质， 实验室证明是有效的，但用于实际上尚需进一步降 低成本污泥消毒消毒消毒火菌当污泥被进行利用时， 从公共卫生的角度出发， 要 求与各种病原体的接触最少。主要方法有加热巴式 灭

10、菌、加石灰调高 PH值（大于12）、长期储存（20C, 60天）、堆肥（55C大于30天）、加氯或 其它化学药品。厌氧和好氧（不包括高温好氧消化） 可以大大减少病原体的数量，但不能使污泥消毒， 厌氧和好氧消化后未脱水的污泥宜采用巴式灭菌 或长期储存方法，脱水后的污泥宜采用长期储存或 堆肥的方法火菌。污泥脱水自然干化缩小体积如污泥干化场机械脱水如板框压滤机、真空脱水机、带式过滤机、离心脱 水机等贮泥池贮存、缩小体积在烝发率咼的地区可代替污泥干化场污泥干化机械加热干化降低重量、缩小体积在机械干化装置中，通过提供补充热量已增加污泥 周围空气的湿含量，并提供蒸发的潜热。干化后的 污泥含水率可降至 10

11、%以下，这对于污泥焚烧和 制造肥料非常有利。主要干化机械有急骤干化器、 转动干化器、多层床干化器等，热源可以是湿污泥 厌氧消化后的沼气污泥堆肥污泥堆肥回收产物、缩小体积、提高污泥用于农业的 适用性堆肥是将干污泥中有机物进行好氧氧化和降解形 成稳定的，类似腐殖质最终产物的过程。堆肥后的污泥可用于土壤的改良剂。 堆肥过程所需的氧气可 以通过定期机械翻动混合堆肥和强制通风的措施 来实现。污泥可以单独堆肥， 也可以喝木屑或城市 垃圾一并堆肥污泥焚烧污泥焚烧缩小体积如果污泥肥效不高， 或则存在有毒的重金属， 不能 保证其用于农业，污泥可以焚烧。用于焚烧的污泥 一般是未经好氧或厌氧消化处理而直接脱水后的

12、污泥，这种污泥热值较高。主要焚烧设备形式有回 转窑炉、多段焚烧炉、硫化床焚烧炉等污泥最终处置卫生填埋接纳处理后的污泥，解决处理后污泥的最终 出路可以和城市垃圾一起在垃圾填埋场进行卫生填埋， 要求处理后的污泥体积尽可能小，且有较高的承载能力农业利用接纳处理后的污泥，充分利用污泥的肥分、 改良土壤，解决处理后污泥的最终出路处理后的污泥应具有较高的肥分，重金属和有毒有 害物质的含量达到农用标准建材利用接纳处理后的污泥，利用污泥的土质成分， 烧制砖瓦等，解决处理后污泥的最终出路烧制砖瓦、制造轻质骨料等需要处理后的土质污 泥，而利用玻璃体骨料技术则可接纳处理后的污水 污泥我国污泥处理与处置尚处于起步阶段

13、，在全国现有污水处理设施中有污泥稳定处理设施的不到1/2，处理工艺和配套设备较为完善的不到1/10，能够正常运行的为数更少，随着我国城市化进程的加快和污水处理率的提高，污泥的处理处置已成为我国环境保护中面临的日益紧迫和严峻的问题。据估算，目前我国城镇污水处理厂每年排放的污泥量（干重）大约为130万吨，而且年增长率大于10%，特别是在我国城市化水平较高的城镇和地区，污泥出路问题已十分突出。如果城镇污水全部得到处理，则将产生污泥量（干重）为840万吨，湿污泥量占我国总固体废弃物的3.2% （以80%含水率计）。从我国已建成的污水处理厂来看，污泥处理工艺大致可归纳为表中所示的18种工艺流程中国已建污

14、水处理厂污泥处理流程编号污泥处理流程应用比例%1浓缩池一最终处置21.632双层沉淀池污泥一最终处置1.353双层沉淀池污泥一干化场一最终处置2.74浓缩池一消化池一湿污泥池一最终处置6.765浓缩池一消化池一机械脱水一最终处置9.466浓缩池一湿污泥池一最终处置14.877浓缩池一两相消化池一湿污泥池一最终处置1.358浓缩池一两相消化池一最终处置2.79浓缩池一两级消化池一机械脱水一最终处置9.4610初沉池污泥一消化池一干化场一最终处置1.3511初沉池污泥一两级消化池一机械脱水一最终处置1.3512接触氧化池污泥一干化场一最终处置1.3513浓缩池一消化池一干化场一最终处置1.3514

15、浓缩池一干化场一最终处置4.0515初沉池污泥一浓缩池一两级消化池一机械脱水一最终处置1.3516浓缩池一机械脱水一最终处置14.8717初沉池污泥一好氧消化一浓缩池一机械脱水一最终处置2.718浓缩池一厌氧消化一浓缩池一机械脱水一最终处置1.35未注明的污泥均为活性污泥污泥浓缩、污泥稳定、污泥脱水是我国应用最为广泛的处置技术。我国污水处理厂所采用的污泥浓缩多采用机械浓缩、气浮浓缩、重力浓缩其比例分别为21.4%、7.1%、71.5%，限于我国的经济状况，且污泥中有机物含量低，所以重力浓缩仍将是今后主要的污泥减容手段。我国现有的污泥脱水措施主要是机械脱水，而自然干化场由于受到 地区条件的限制很

16、少被采用。我国目前常用的污泥稳定方法有厌氧消化、好氧消化和污泥堆肥其比例分别为38.04%、2.81%、3.45%，并且污泥堆肥正处于不断研究阶段，而热解和化学稳定方法由于技术原因和经济、能耗的原因而很少被采用。由此可见，我国城镇污泥中有 55.7%没用经过任何稳定处理，未经稳定处理的污泥将对环境造成严重污染，就我国现有的经济能力和技术条件，厌氧消化后的污泥具有易脱水、性质稳定等特点，所以今后污泥稳定仍将以厌氧消化为主。而污泥好氧堆肥是利用好氧微生物作用进行好氧发酵，将污泥转化为腐殖质的过程，堆肥后污泥稳定性、无害化程度高，是经济简便、高效低耗的污泥稳定化无害技术，在我国拥有广阔的应用前景。我

17、国污泥最终处置方法为农业利用、园林绿化利用、土地填埋、与垃圾混合填埋、焚烧、建筑材料利用等。这些处理与处置的比例都是在特定条件下估算的，剧统计，我国用于污泥处理处置的投资约占污水处理厂总投资的20%50%，可见污泥处理处置仍处于严重滞后状态。随着污泥处理处置问题在大城市中表现的日益突出，我国对污泥问题开始关注，但关注焦点仍停留在技术层次。2003年开始，我国主要大城市，开始进行污泥处理处置规划研究，对其技术方案进行了充分论证，如：广州市采取污泥制砖；深证市已完成污泥专项规划，各污水处理厂拟采取污泥处理工艺如下表所示；上海则根据不同情况，采取处理分散化、处置集约化、技术多元化的方针；天津市计划建

18、设3座污泥处理场，采用污泥消化发电工艺，但尚无污泥最终处置方法；北京市污泥处置专项规划还未经审批，土地利用将是主要发展趋势。深圳剩余污泥处置工艺规划厂名规模 /(x 104m3/d)干污泥量/ (t/d)最终处置工艺2005 年2010 年滨河污水厂3034干化一利用一卫生填埋干化一利用一卫生填埋罗芳污水厂3553干化一利用一卫生填埋南山污水厂73.6100消化一干化一利用一一焚烧一 卫生填埋盐田污水厂2026干化一利用一焚烧一一 卫生填埋福田污水厂5671干化一利用一卫生填埋四、污泥的填埋处置技术污泥填埋的优点是投资量少、处理量大、效果明显，对污泥的卫生学指标和重金属指标要求比较低。但它也存

19、在一些问题，如场地不宜寻找，污泥运输和填埋场建设费用较高，填埋容量有限，有害成分的渗漏可能会造成地下 水污染，填埋场的卫生、臭气会造成二次污染，污泥中含有的营养物质会使大量病原菌繁衍等。由于污泥填埋渗滤液对地下水的污染和城市用地减少等因素，世界各国对污泥填埋处置技术标准要求越来越高。例如，所有欧盟国家在2005年以后，有机物含量大于5%的污泥都将禁止填埋也就意味着，污泥必须进过焚烧处理才能满足填埋要求，而这显然违背了污泥填埋工艺简单、成本低廉的初衷。在这样的形势下，全世界污泥填埋的比 例正在逐步下降，美国和德国的许多地区甚至已经禁止了污泥的土地填埋。从具体数据上来看，据美国环保局估计，今后几十

20、年内美国 6500个填埋场则将有 5000个被关闭；英国污泥填埋比例则已经由1980年的27%下降到1995年的10%，到2005年预计将继续下降到 6%.根据在我国国情和现有的经济条件，在相当一段时间内脱水污泥填埋仍将是一种不可或缺的过渡性处置途径。以前我国有大量污泥堆场采用的是非卫生填埋方式，给环境带来严重污染，这种处置方式正逐渐被摒弃。目前我国的填埋形式一般采用污泥与城市生活垃圾混合卫生填埋，北京高碑店污水厂将脱水污泥运到生活填埋场与垃圾混合填埋，但由于污泥的含水率较高，给填埋作业带来很多困难。污泥单独卫生填埋国内应用不是很多，1991年上海在桃浦地区建成了第一座污泥卫生填埋场，将曹杨污

21、水处理厂脱水后运至填埋场处置，该填埋场占地3500 m2； 2004年上海白龙港污水处理厂建成污泥专用填埋场，占地43k m；天津咸阳路污水厂也拟建污泥专用填埋场，占地13.2k m,日处理规模720m3/d。在污泥与城市生活垃圾混合填埋场中，一般脱水污泥与垃圾的混合比例小于1:10，在该比例下污泥一般不会影响填埋体的稳定。但根据德国的资料，当脱水后的污泥和垃圾混合填埋时，仍然要求污泥的含固量必须大于35%,抗剪切强度必须大于 25kN/ m,为了达到这一强度，必须投加石灰进行后续处理，增加了污泥填埋成本。1、堆放式掩埋掩埋是将污泥直接堆置在地面上，再覆盖一层泥土的处置方法，此方法适合于地下水

22、位较高或土层较薄的场地，其对污泥含固率没有特殊的要求，但由于操作机械在填埋表层作业，因此填埋物料必须具有足够的承载力合稳定性， 污泥单独填埋往往达不到上述要求，通常需要混入一定比例的泥土一并填埋。覆土的时间间隔由污泥的稳定性决定,对于相对稳定的填埋物料，并不一定需要填填覆土。掩埋可分为堆放式掩埋（area fill mound ）和分层式掩埋（area fill layer）。堆放式掩埋要求污泥含固率大于20%，污泥通常现在场内的一个固定地点与泥土混合后再去填埋，泥土与污泥的混合比例一般在（0.5 2 ）:1之间，这由所要求的污泥稳定度和承载力决定。混合堆料的单层填埋高度约为2m，中间覆土层厚

23、度为 0.9m，表面覆土层厚度为1.5m。堆放式掩埋的土地利用率较高， 填埋量通常为570026400m3/ha, 但其操作费用由于泥土用量较大而较贵。2、分层式掩埋分层式掩埋对污泥的含固率要求可低至15%，泥土与污泥的混合比一般在（0.25 1）： 1之间。混合堆料分层掩埋，单层掩埋厚度约0.15 0.9m,中间覆土层厚度0.15 0.3m，表面覆土层厚度为 0.6 1.2m。为防止填埋物料滑坡， 分层式掩埋要求场地必须相对平整。它的最大优点为填埋完成后，终场地面平整，所需后续保养较堆放式掩埋少， 但其掩埋量通常较小，约3800 17000m3/ha。3、堤坝式掩埋堤坝式填埋是指在填埋场地四

24、周建有堤坝，或是利用山谷等天然地形对污泥进行填埋，污泥通常由堤坝上山顶向下卸入，因此堤坝上需具备一定的运输通道。堤坝式填埋对填埋物料的含固率要求与宽沟填埋相类似，地面上操作时，含固率要求为 20 28%，堤坝内操作时，含固率要求为大于28%。对于覆土层厚度的要求，地面上操作时，中间覆土层厚度 0.30.6m，表面覆土层厚度为0.9 1.2m;堤坝内操作时，需将污泥与泥土混合掩埋，泥土和污泥混合比为（0.25 1）： 1，中间覆土层厚度 0.6 0.9m，表面覆土层厚度 1.2 1.5m。它的最大优点是填埋容量大，规 模为1530m,长3060m、深39m的堤坝式填埋场的填埋容积为9100 28

25、400m3/ha ；由于堤坝式填埋的污泥层厚度大，填埋面汇水面积也大，产生渗滤液的量亦大，因此，必须铺设衬层和设置渗滤液收集处理系统。4、污泥专用填埋场填埋工艺流程国内以往的污泥填埋往往采用脱水泥饼直接填埋的形式，但污泥泥饼的特性决定了它不能直接进入填埋场填埋。填埋工艺流程如下：污泥泥饼泥饼含水率较高达到机、运输车辆等对地面的压力；丘同时高黏占度的拌混75 85%,具有类似泥浆的流变特性，污泥铺设的地面不能承受填埋场作业机械，如推土 4每日覆盖卜终场覆盖20KPa，而黏聚力决定不排水剪切时，污泥的内摩擦角接近于零，黏聚力一般小于污泥的抗剪切强度低，在着抗剪切强度的大小40在排水固结后，污泥的抗

26、剪切强度可以得到提高，但由于其透水性差，持水性强，当应力改 变时，孔隙水渗出的速度相对缓慢，抗剪切强度的增长也很缓慢。污泥填埋首先需要考虑的久是减低污泥的含水率，以提高污泥的抗剪切强度，避免发生流变现象。在污泥中掺 入一定比例的含水率较低的改良剂，如黏土、矿化垃圾或生活垃圾等，可以大幅度降低污泥的含水率。相对而言， 矿化垃圾含水率最低，也更容易获得，且符合以废治废的目的。五、污泥作为生活垃圾填埋场覆盖材料1、填埋场覆盖土源的缺乏现状生活垃圾填埋场在按照卫生填埋工艺标准进行作业时，需要大量的覆盖材料对垃圾表面进行及时覆盖，避免垃 圾与环境的直接接触。覆盖的作用表现在减少地表水的渗入，避免填埋气体

27、无控制的向外扩散，减轻感观上的厌恶 感，避免小动物或细菌孽生，便于填埋作业设备和车辆的行驶，同时为植被的生长提供土壤。填埋场覆盖材料的用量与垃圾填埋场量的关系一般为1:4 或 1:3,其中日覆盖一般按填埋场垃圾总体积的12%15%计算，按照这个比例和全国每年生活垃圾的填埋量计算，填埋场覆盖材料的需求量非常巨大。因此，包括上海老港废弃物处置场在内的国内众多垃圾填埋场的现实情况是由于受地理环境等条件限制，周边难以找到可以满足覆盖 层要求的大量土壤表土，或者填埋场所在当地根本不允许开采珍贵的泥土资源，因此，开发替代材料一直为垃圾填 埋场所重视。以上海老港废弃物处置场为例，自 1991 年建成使用以来

28、，曾尝试用海滩淤泥和塘泥堆肥作为替代材料，结果都 不大理想，因而找到合适的符合国家标准的黏土或替代材料是解决覆盖材料问题的关键。实际上，上海并不十分缺 乏黏度资源，例如浦东区就普遍分布着一层表层黏性土，厚度一般为1.03.0m 之间，但上海是一个国际化大都市，土地资源非常珍贵，征地开挖根本不现实。而且就在前不久，上海市政府颁发了一项禁止使用和制造黏土砖的地方 性法规，其宗旨就是为了保护珍贵的土地资源，征地开挖黏土显然违反这一法规。由于泥土供应量的限制，就覆盖 工艺而言，老港填埋场一直以来并没有按照卫生填埋标准进行作业，造成很多环境问题，如渗滤液量大、地表径流 污染、夏季填埋场苍蝇成灾等，这种状

29、况已严重制约了老港填埋场按照卫生填埋工艺标准的实施作业。所以，寻找 既满足环境保护要求，有适合上海实际、投资省、运行维护费用低，而且来源有保证的填埋场覆盖材料以及合理的 工程应用实施方案具有非常重要的现实意义。2、污泥作为填埋场覆盖替代材料的研究现状目前，填埋场覆盖材料的研究尚未呈现系统性的特点，一般的研究方法还停留在某种或几种拟作为替代覆盖的 材料同泥土、土工薄膜等常规覆盖材料在作为日覆盖、中间覆盖或终场覆盖等方面性能的分析与比较，并没用形成 合格的替代覆盖材料标准。国外由于卫生填埋一般比较到位，因此对替代覆盖材料的研究偏重于一些废弃物质的资 源化处理；而国内众多填埋场则往往是由于泥土的缺乏

30、，日覆盖、中间覆盖、终场覆盖等卫生填埋工序很难到位， 对替代覆盖材料的研究倾向于寻找能在部分功能上替代泥土进行覆盖的材料。六、一步固化法污泥处理技术与多种功能材料的规模生产 综上所述，污泥是一种商业收益甚微，处理难度高，传统处理方式投资巨大，能耗较高的一个世界性难题。本部针 对以上问题，经长达三年的反复研究实验，利用硅酸盐、铝酸盐、水合固化原理，将污泥一步固化成具有一定强度、定硬度，并且还具有抑制杀灭垃圾病毒、虫卵，大幅度降低填埋场臭气的块状物质，十分方便、经济的解决了污 泥的干化处理，并为垃圾填埋场的覆盖材料提供了实用、可靠的解决途径。 本工艺按最终成型物要求分为以下两种工艺方案：1、一步固化发泡成型工艺工艺流程:生化污泥（含水50 98预固化发泡料仓硅酸铝、钙复配物、助剂调制搅拌.发泡固化定型箱发泡剂、固化剂动态反应器k切割机每处理生化污泥（含水含水 50 98%）制成型后的块砖抗压强度调制搅拌50 98%