關于天津市城市污水污泥處理與處置的技術研究與探索1概況

天津市是我國四大直轄市之一，是北方重要的工商業城市和內外經濟貿易中心。改革開放以來，我市經濟發展迅速，城市基礎設施日臻完善。市政府十分重視城市環境建設和保護，尤其是對水環境的治理與改善，近十多年來先后建成兩座大型城市污水處理廠（紀莊子、東郊），日處理規模達66萬m3污水，幾乎將市區1/2城市污水凈化處理，使天津市的城市污水處理，無論是處理率還是技術水平均列全國之首。從1984年至今兩座污水廠為天津市提供了19億m3的二級凈化水，取得了可觀的社會和環境效益，對減輕渤海灣的污染作出了重要的貢獻。

但是，在城市污水處理過程中必然會產生大量的污水污泥，它容量大，不穩定，易腐敗，有惡臭，如不加以妥善處理和處置，將造成堆放和排放區周圍環境嚴重的二次污染，更有甚者，將污水污泥任意施于農業，導致農作物污染，土壤受到不可逆轉的中毒受害。城市污水污泥既會造成污染，又可進行綜合利用。污泥中所含的有機物是有效的生物能源，污泥中的有機物分解產生的腐殖質可以改良土壤，避免板結，而污泥中豐富的氮、磷、鉀等則是植物和農作物生長不可缺少的營養物。干燥的污泥可產生16.65～20.93兆焦/t的熱能,是一種低熱值的燃料.當今世界上,越來越多的人對“地球上的一切資源都是有限的”這一客觀存在的事實有了越來越深刻的認識，因此，污水污泥的處理處置與污泥資源化的相結合，必將成為城市污水污泥唯一的最終出路。一個城市污水處理廠、污泥處理處置不當就不能夠充分發揮它消除污染保護環境的作用，也就明顯地削弱了污水處理廠的凈化功能。

2污泥處置國內外發展動態

污泥處理與處置的目的主要有以下四個方面：

（1）減少污泥最終處置前的體積，以降低污泥處理及最終處置的費用；

（2）通過處理使污泥穩定化，最終處置后不再產生污泥的進一步降解，從而避免產生二次污染；

（3）達到污泥的無害化與衛生化；

（4）在處理污泥的同時達到變害為利、綜合利用、保護環境的目的，如產生沼氣等。

污泥穩定化處置以厭氧消化為主，發達國家廣泛采用，歐美、日本、獨聯體等國家，用厭氧消化處理污泥占污泥量的一半以上。表1示出歐洲各個國家污泥處理方式所占比例，厭氧平均占58％，發達國家六十年代，對污水處理廠污泥處理處置系統的裝備已達到先進的成套產業化水平，如污泥消化系統設備、污泥濃縮脫水設備、污泥干燥焚化設備、沼氣綜合利用設備、污泥高溫堆肥系統裝備以及污泥固化工業利用技術與設備，八十年代末又應用濕式氧化技術處置污泥。我國城市污水處理廠污泥處理起步較晚，八十年代中期建設城市大型污水廠，污泥處理也采用中溫厭氧消化，引進先進技術的同時也引進了設備，尤其是借助國外貸款建設項目中，污泥處理系統裝備幾乎全部需要進口。近十多年來，我國城市污水廠污泥處理技術和某些單項專用設備有較大發展，積累了中溫厭氧消化技術的豐富經驗，而在污泥處置和最終出路方面尚屬試驗研究階段。

污泥無害化主要包括殺死蟲卵，減少病菌和消除重金屬的污染，后者只能從上游污染源的嚴格控制來解決，污泥處置和綜合利用方法有填埋、焚燒、排海、制造建筑材料等途徑。表2列出歐洲各國污泥產量及處置方式所占比例。

據美國環保署估計，美國15300個城市污水處理廠中，年產干固體污泥769萬噸，45%的污泥用于農林業，21%進行填埋，30%用于投棄海洋。焚燒法由于能耗高，所以只占3%。原西德年產干污泥約200萬噸，農田利用占32%，填埋占59%，焚燒占8%。日本55%的污泥進行焚燒，35%的污泥進行填埋，約9%的污泥進行農田利用。污泥排海處置，由于對海洋越來越高的要求，許多國家已停止使用。污泥焚燒以日本、德國、奧地利等國占比例高，一般大型污水廠污泥通過焚燒無害化，產生的熱能可回收利用，污泥減容減量化程度很高，但焚燒投資巨大，操作管理復雜，能耗和運行費均很高，近期內我國還不能全面推廣采用。據報導，日本擬研究污泥焚燒后殘渣融鑄成塊石堆砌的處置方法?？傊?，在大多數國家中，特別是發展中國家土地利用和填埋仍是污泥處置的主要途徑，而隨著可填埋范圍的日益減少，土地利用將是一個主要的發展方向。我國是一個發展中的國家，又是一個農業大國，城市污水污泥的土地利用應是一項重要的途徑。

污泥的最終處置途徑：污泥的土地利用已有多年歷史，主要包括污泥農用，污泥用于森林與園藝、廢棄礦場等場地的改良等。污泥中含有豐富的有機物和N、P、K等營養元素以及植物生長必需的各種微量元素Ca、Mg、Zn、Cu、Fe等，施用于農田能夠改良土壤結構、增加土壤肥力、促進作物的生長。污泥的土地利用是一種安全積極的污泥處置方式。

盡管污泥的土地利用有能耗低、可回收利用污泥中養分等優點，但是，污泥中也含大量病原菌、寄生蟲（卵），以及銅、鋁、鋅、鉻、汞等重金屬和多氯聯苯、二惡英、放射性元素等難降解的有毒有害物。一般來說，污泥要作土地處置必須經無毒無害化處理后（污水處理過程的凈化和污泥高溫堆肥），才能作土地利用，否則，污泥中的有毒有害物會導致土壤或水體污染。為此，歐美國家根據各自具體情況制定城市污泥土地利用技術標準。英國的標準內容主要有污泥中各項有毒有害物、pH指標的測定，污泥無害化、衛生化、穩定化處理后各項指標值，土地類型及其性質的測定，處理后的污泥土地適用范圍。美國聯邦政府對城市污泥的土地利用有嚴格的規定，在《有機固體廢棄物（污泥部分）處置規定》中，將污泥分為A和B兩大類：經脫水、高溫堆肥無菌化處理后，各項有毒有害物指標達到環境允許標準的為A類，可作肥料、園林植土、生活垃圾填埋坑覆蓋土等所有土地類型；經脫水或部分脫水簡單處理的為B類污泥，只能林業用土，不能直接用于改良糧食作物耕地。

污泥農用從我國具體情況來說是最為可行、最為現實的處置方式。其特點為：

（1）可大量處置污泥，原則上只要污泥達到國家有關標準就可用于農田；

（2）污泥參與農田的物質循環過程，污泥中的氮、磷、鉀、有機質及微量元素是良好的農用肥料，對農作物有增產作用；

（3）污泥中有機質、腐殖質可改善土壤結構，是良好的土壤改良劑；

（4）污泥農業利用使生產費用降低，適合我國目前的經濟發展狀況。

污泥農用必須注意：

（1）嚴格控制污水廠污泥的有毒、有害物質及病原微生物達到國家標準；

（2）應該特別注意污泥中重金屬的含量，根據其土壤背景值等情況，嚴格按照計算得到的污泥施用量進行施用；

（3）一般來說某塊農田使用污泥數量有一定限度，當達到這一限度時，污泥的農用就應停止一段時間后再繼續進行；

（4）農業利用應在安全施用量之下控制使用，同時整個利用區應該建立嚴密的使用、管理、監測和監控體系。關注區域內的土壤、地下水、地表水、作物等等相關因子的狀態和變化，并根據發生的變化作出相應的調整，使得污泥的農用更加安全有效，促進農業的可持續發展。

污泥高溫堆肥技術，其特點為：（1）自身產生一定的熱量，并且高溫持續時間長，不需外加熱源，即可達到無害化；

（2）使纖維素這種難于降解的物質分解，使堆肥物料有了較高程度的腐殖化，提高有效養分；

（3）基建費用低、容易管理、設備簡單；

（4）產品無味無臭、質地疏松、含水率低、容重小、便于運輸施用和后續加工復混肥（商品肥）。

目前世界各國采用的方法有靜態和動態堆肥兩種，如自然堆肥法，圓柱形分格封閉堆肥法，滾筒堆肥法，豎立式多層反應堆肥法以及條形靜態通風等堆肥工藝，這些方法都在不斷發展和完善。美國八十年代初開發了比較完善的貝爾茨維爾好氧堆肥法，主要采用堆底穿孔管道通入空氣的方法，防止臭氣擴散，比較安全衛生。美國、德國、荷蘭等發達國家大多由污水廠出資，國家政府資助交專業公司承包產業化經營，堆肥產品作為商品出售。污泥連續發酵工藝利用快速發酵回轉倉完成中溫、高溫發酵工藝是目前國際上較為先進也是較為普遍使用的處理方法。它具有高效、防臭、成品質量高的特點。在美國、日本、歐洲廣為采用。例如：日本在1954年建成第一座污泥堆肥中心，到90年代末已建了35座。目前日本最大的堆肥廠在北海道的札幌市，發酵倉和生產線及袋裝產品很具規模，而且機械化、自動化程度很高。丹諾（DANO）發酵器，是一種古老而現代的好氧發酵設備，開始用于城市垃圾的處理，后來這種方法被引用到污泥處理施用農田。丹麥DANO公司的發酵器轉筒直徑3.5m，長度36m，德國Reinstal公司的發酵器，直徑3.75m，長度40m，還有直長達4～5m，長度60m以上的，如KM-102A型、KM-101型等。丹諾發酵倉污泥腐熟周期能達到3個晝夜以內，污泥的干燥技術常用于污泥焚燒的預處理，這在發達國家已較普遍。英國萬歷普廠引用了DANO公司的機械堆肥技術年產粉狀4萬噸。美國洛杉磯、佛羅里達、賓夕伐尼亞等地都建有同類的工廠。

我國近幾年在北京、天津、唐山、太原、深圳、大連、石家莊、淄博、秦皇島及俆州等城市，進行污泥高溫堆肥、干燥制肥等方面的研究，取得了工藝技術方面的初步成果。天津市污水處理研究所在紀莊子污水處理廠污泥高溫堆肥的試驗和研究在我國也是進行的大量的工作，探索出一套少加甚至不加調節劑、工藝簡單、便于操作管理的污泥堆肥工藝，同時提出了工藝流程和技術參數，為生產線的設計與建設提供技術依據。將消化污泥或生污泥均勻混合，調至試驗所要求的含水率，裝入堆肥試驗反應器。在反應器內的中間位置設置濕度計或熱電偶溫度巡檢儀，適當位置設置取氣測氧裝置，以便隨時測定堆肥物料中濕度變化及O2、CO2含量變化。由轉子流量計控制通風量，使用氣體分析儀測定堆肥層中瞬時氧含量。每天測定溫度3－5次，測定O2、CO2含量2－3次。定時取堆肥物料混合泥樣測定污泥含水率和有機分，待堆肥過程結束時進行堆肥產品全分析，并測定大腸菌值和蛔蟲卵等衛生學指標。試驗中主要控制參數和測定項目如下：進泥含水率的控制。調節進泥含水率為50％－65％左右，研究不同的污泥干燥方式對堆肥工藝的影響。經風干含水率為20％－30％的污泥和脫水泥餅混合堆肥；經風干含水率為50％－60％的污泥直接堆肥；經堆肥熟化后的產品與脫水污泥混合堆肥。污泥堆肥供氣量的控制。考察供氣量在10－50m3氣／(t·h)范圍內對污泥堆肥工藝的影響，研究堆肥工藝的最佳供氣量，根據堆層溫度確定倒垛頻率和倒垛周期。

在發酵的過程中，適當倒垛可以使堆肥物料混合得更為均勻，堆層表面和死區中未得到充分分解的有機物得到充分降解，同時倒垛還可以提高堆肥物料的孔隙率，有利于通風供氧。堆肥的周期即堆肥物料在發酵裝置內的停留時間取決于堆肥產品達到穩定化無害化要求所需要的時間，可以用腐熟度的指標確定堆肥周期。通過試驗研究，堆層中的溫度經50℃以上高溫持續5-7d以后，逐步下降40℃以下，堆層中的O2濃度可恢復到20％以上，CO2濃度在1.0％－2.0％以下，耗氧速率顯著降低，達到以上指標后可以認為污泥中可降解的有機物質基本分解完全。

生污泥經高溫堆肥處理，各種微生物的數量都有下降，其中以細菌、放線菌尤為顯著。由此可以認為，隨著毒性有機物濃度的降低，微生物的數量也隨之下降，即微生物類群的數量變化與毒性有機物的含量呈正相關關系。消化污泥高溫堆肥整個過程中，發酵池內微生物的數量變化均呈現一定的規律性，即前期（5－15d）較少，中期（0－5d）波動，后期（15－20d）增多；發酵條件下，細菌、放線菌和霉菌不僅都能生長，而且其數量變化的規律也同前述比較趨于一致。因此可以證明，毒性有機物的降解效果是以細菌、放線菌為主的微生物綜合作用結果。另外，還對高溫堆肥處理前后污泥中有機物的毒性進行了研究。

以堆肥處理前、后消化污泥的提取液為試驗液，以草履蟲為試驗對象，進行了綜合毒性研究。結果表明，兩者的半致死濃度相差近10倍，說明對毒性有機物的降解效果是顯著的。

北京密云污水處理廠，采用動態污泥高溫發酵倉，已取得生產性試驗初步成果。與化肥復混的商品有機肥已作為商品出售。深圳市沃綠肥料公司利用深圳浜河污水處理廠脫水泥餅，并輔以其他添加劑，生產出有機復合肥、菌肥，以散裝的顆粒肥投放市場，產品質量符合國家和廣東省有關標準。另售價600～800元／t；唐山市西郊污水廠靜態高溫堆肥已進行了5～6年在生產設備方面近幾年有很大提高，并申報專利產品；大連市開發區第一污水處理廠富磷污泥脫水后經干燥處理，大大減少了污泥容積（干燥設備采用DKRC型干燥機），便于堆放、填埋、貯存和進一步利用，每噸干燥污泥生產成本約380元，其他城市如石家莊、太原、西安市等均作過污泥有機肥的試生產試驗正在進一步研究開拓市場，降低成本。達到規模、經濟，以取得合理的經濟效益。

污泥填埋處置的基本方式是城市污泥經過簡單的滅菌處理，直接傾倒于低地或谷地制造人工平原。它的好處一是污泥無毒無害化處理成本低，不需要高度脫水（自然干化），二是既解決了污泥出路問題，又可以增加城市建設用地。污泥的衛生填埋始于60年代，是在傳統填埋的基礎上從保護環境角度出發，經過科學選址和必要的場地防護處理，具有嚴格管理制度的科學的工程操作方法。到目前為止，已發展成為一項比較成熟的污泥處置技術，其優點是投資少、容量大、見效快。

然而，城市污泥衛生填埋也存在許多問題，如填坑中含有各種有毒有害物經雨水的浸蝕和滲漏作用污染地下水環境，這對以下下水為生活水源的地區來說是不安全衛生問題。此外，適宜污泥填埋的場所因城市污泥大量的產出而顯得越來越有限。據一份關于污水污泥情況調查報告預測，到2005年，歐盟國家的污泥衛生填埋場所僅能容納污泥總產量的17％。

所以說，污泥作衛生填埋處理時，除了要考慮城市周圍是否有適合填埋的低地或谷地之外，理應考慮到環境衛生問題。建設污泥衛生填埋場如同生活垃圾衛生填埋場一樣，地址須選擇在底基滲透系數低且地下水位不高的區域，填坑鋪設防滲性能好的材料，衛生填埋場還應配設滲濾液收集裝置及凈化設施。目前我國修建的衛生填埋場中，都用高密度聚乙烯為防滲層，避免了對地下水源及土壤的二次污染。1992年歐盟大約40%的污泥采用了填埋處置，由于污泥填埋對污泥的土力學性質要求較高，需要大面積的場地和大量的運輸費用，地基需作防滲處理以免污染地下水等，近年來污泥填埋處置所占比例越來越小。美國環保局估計，今后幾十年內美國6500個填埋場將有5000個被關閉。與1984年相比，歐盟國家污泥填埋量增加了4％，但同期污泥總量卻增加了16%]。這意味著填埋并最終不能避免環境污染，而只是延緩了產生時間。

在污泥不能被農用的情況下，污泥必須被填埋或焚燒。污泥填埋是歐洲，特別是希臘、德國、法國在前幾年中應用得最廣的處置工藝。在將來的發展中填埋仍然是垃圾和污泥處置中不可避免的方法。對于不能資源化而須從使用循環中排出的廢物，填埋是目前唯一的最終處置途徑。污泥可與城市垃圾一起填埋或單一填埋。在現有的填埋場中填埋大量污泥在目前美國及德國中受到愈來愈大的阻力，這便增大了填理這一方法的可能性。因為對于污泥的填埋在部分發達國家的城鎮垃圾技術規范中有相應的規定值。其中對污泥填埋能力規定了兩類重要參數：強度參數：橫向剪切強度＞25kN/m2

單軸壓強＞50kN/m2

干固體中的有機物比例：

灼燒減量＜3％Ⅰ類填埋場（惰性廢物填埋場）

灼燒減量＜5％Ⅱ類填埋場（生活垃圾填埋場）

上述以灼燒減量規定的有機物的百分比含量意味著，污泥不經過熱處理（焚燒）是不滿足填埋要求。污泥焚燒處置的優勢在于可以迅速和較大程度地使污泥達到減量化，近年來焚燒法由于采用了合適的,預處理工藝和焚燒手段，達到了污泥熱能的自持，并能滿足越來越嚴格的環境要求和充分地處理不適宜于資源化利用的部分污泥。由于其在惡劣的天氣條件下不需存儲設備。對于大城市因遠離填埋場造成運輸費用高的場合，使用焚燒法處置可能是經濟有效的。城市污泥中含有大量的有機物和一定量的纖維素木質素。脫水后的污泥發熱量約836KJ／kg，摻入適量的引燃劑、催化劑、疏松劑和固硫劑等添加物配制成"合成燃料"，可作工作爐窯或生活鍋爐的輔助燃料。這種處置方法有利也有弊，既解決了污泥的出路問題又充分地利用污泥中的能源，而且污泥不需要作滅病原菌的處理。但是，污泥中的重金屬卻隨著煙塵的擴散而污染空氣。另一方面，污泥必須保證在比較低的含水率才能制作\"合成燃料\"，因此污泥需要脫水。從目前的技術水平看，機械脫水成本比較高，自然脫水雖然成本低，但時間長占地大，而且涼曬期間，污泥中的腐臭氣污染空氣。

在歐盟，1992年污泥焚燒的比例為11％，美國為15％。1962年，德國建議并開始運行了歐洲第一座污泥焚燒廠。過去20年中焚燒的污泥量大幅增加。需要焚燒的污泥中65％以上的污泥在流化床的焚燒爐中焚燒。

在所有的污泥處理中，焚燒方法產生的剩余物最少，焚燒的另一個優越性在于無異味。其缺點是高成本和可能產生的污染（廢氣、噪聲、震動、熱和輻射）。焚燒的成本是其他工藝的2－4倍。

因此焚燒主要在如下兩種情況中應用：由于污泥的性質或量大不能農用；現有的填埋體積不足。

單一污泥焚燒時，待處理的新鮮和消化的污泥在流化床焚燒爐、多層焚燒爐和多層流化床焚燒爐中焚燒，其中用得最多的是流化床焚燒爐。多年的經驗表明，與多層焚燒爐和多層流化床焚燒爐相比，流化床焚燒爐有突出的優點。最大的優越性在于：流化床焚燒的過程中無活動部件，持續和間歇運行中結構穩定，爐中的加熱和冷卻時間比多層流化床焚燒爐中短得多。此外流化床焚燒爐的耐火墻也簡單得多，無需金屬部件（例如多層床焚燒爐和多層流化床焚燒爐的中心軸）的冷卻。污泥和垃圾混合焚燒是一種合理的處置途徑。在垃圾焚燒廠待焚燒的污泥應預先脫水或先干燥?；旌戏贌闹饕獌烖c在于：

（1）用費用合理的工藝如離心機適度地預脫水即可；

（2）垃圾中蘊藏的多余熱量可用于蒸發污泥水分，由此節約原能的消耗，在較大量的污泥處理中也是如此；

（3）蒸汽鍋爐、燃燒室及廢氣凈化設備同時使用于垃圾和污泥焚燒，可降低投資和運行成本。

由于污泥含有不同性質的物質，必須使污泥在垃圾中盡可能均勻分配。如果在焚燒前將污泥和垃圾在一個大滾筒中幾小時均相比，就可達到這個要求。脫水的污泥也可在振蕩干燥器中用垃圾燃燒的高溫煙氣干燥，然后直接鼓進燃燒室焚燒。燃燒溫度為800℃－1000℃。

由于焚燒工藝能較大幅度地減少重要的有害物質和縮小廢物體積，將會具有愈來愈重要的意義。但其價格昂貴，也嚴重影響了在我國的處置使用。

污泥工業化利用有以下幾件：（1）干污泥顆粒：發電廠燃料摻合料，污泥干餾提取焦油焦炭、燃料油和燃氣等

（2）污泥燃燒灰：水泥添加劑，污泥磚、污泥陶粒等建筑材料。

（3）污泥細菌蛋白：制造蛋白塑料，膠合生化纖維板等。

（4）污泥氣：燃料，動力燃料，制造四氯化碳、氫氰酴、有機玻璃樹脂、甲醛等化工產品。

3天津市各污水處理處理廠污泥泥質評價

3.1污泥有機物質含量和營養成分

污泥有機物含量對污泥處理和處置有很重要的決定意義。莫開伯（Mocobe），?？细柕?Echenfelder)研究證明，污泥的可消化程度與污泥中有機物含量呈正比關系，新鮮污泥中的有機物含量越高，有機物分解程度也越高，關系曲線表明，當有機物含量為70％時，分解率可達70％，而有機物含量在35％時，其分解度不足20％。這種關系表明，評價污泥可消化度要依賴于污泥有機物含量的多少，污泥消化處理產氣量除了污泥有機物含量的影響外還要特別關注污泥的組份，表4是有機組份與氣體發生量的關系；紀莊子；東郊污水處理廠污泥有機物組份見表5所示，說明我國城市污水處理廠污泥組份以碳水化合物為主（約占50％以上）。一般中溫消化每立方米污泥（97％含水率）產沼氣約7m3左右，國外如日本10m3/m3.泥,0.7～0.8m3氣/kgvss，兩相消化0.9～1.1m3/kgvss。所以以單方污泥產氣量作比較是不科學的，它隱去了有機物分解率的決定性的效果。

污水污泥施用于農田的土地利用之所以受到人們的密切關注和重視，除了污泥中含有大量有機物成份外，更重要的是污泥中含有比較豐富的氮、磷、鉀等元素。美國16個城市下水污泥泥質分析統計結果，氮占2.88%，磷占1.61%，鉀占1.22%。表3表明了天津經濟技術開發區第一污水處理廠、天津市紀莊子污水處理廠、東郊污水處理廠污泥與農家肥的比較。表3說明了各污水廠污水污泥氮、磷、鉀營養成份均比農家肥高。

3.2污泥中的重金屬和有毒物質

評價污泥中的重金屬和有毒物質，主要鑒于污泥的土地利用問題，各個國家均制定了農用污泥的標準和施肥作業的規定。當考慮污水處理廠污泥處置方案時，務必對其所含重金屬和有毒物質進行處置方案，施用目標的評價。我國農用污泥中污染物控制標準值（GB4284－84）中共列出11項指標，歐美等國家和天津地方標準均給出Zn、Cu等8項控制值天津三座污水廠污泥中重金屬含量與國家標準值對比。

3.3污泥的熱值

對污泥的后處置和綜合利用，除了注意到污泥中的有機物含量及有毒有害重金屬之外，污泥中也含有一定的熱值。當考慮污泥焚燒處置時，可以作為參考。表7是城市污泥和其他燃料熱值的對比。污水污泥的發熱量相當煤炭的36.4%，屬低值燃料。

3.4紀莊子污水廠污泥衛生學指標

由檢測結果看出，城市污水污泥，不但生污泥和剩余活性污泥中含有大量的細菌，大腸菌群，蛔蟲卵和腸道致病菌等，就是經過中溫消化后的污泥除腸道致病菌可殺滅外，細菌、大腸菌群和蛔蟲卵殘留數量仍很可觀，因此不少國家和地區主張，城市污水污泥必須經過