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我国污泥处理处置问题现状分析

污泥处理处置方法研究进展

摘要随着城市污水生物处理技术的发展，城市污泥产量增加，污泥处理处置问题成为人们关注的热点话题，在减量化、无害化、稳定化的同时达到资源化利用的效果。

对比国内外污泥处之现状可以发现中国的污泥处置技术相对落后，中西部地区因为经济发展水平的差距在污泥处置的政策以及投入的费用方面有很大差异，大部分污泥仍然是采用填埋或堆肥的方式，造成严重的二次污染。

湿式氧化、污泥湿地构筑、超临界水氧化技术等较为先进的技术在国内非常少见，在发达国家已经推广使用。

中国在提高污泥处理处置率的同时，结合自身的情况，向发达国家借鉴经验，使污泥处理处置更符合可持续发展的原则。

关键词污泥处理处置研究进展新兴处理工艺

ResearchProgressofsludgetreatmentanddisposalmethods

AbstractWiththedevelopmentoftheurbanwastewaterbiologicaltreatmenttechnology,theyieldoftheurbansludgeincreased.Andthetreatmentanddisposalofthesludgehasbecomethehottopicsofthesociety,withthereduction,harmless,stabilizationofthesludge,alsowewillachievetheeffectofresourcerecovery.Comparedwiththedevelopedcountries,thetechnologyinChinaisrelativelybackward.EveninChina,thepolicyandinvestmentinsludgetreatmentoftheeastandwestregionisdifferent.Sumup,themostpopulationtechnologyislandfill,thismaybringaboutserioussecondarypollution.Theadvancedtechnologiessuchas,SCWOtechnology,wetoxidationandthebuildingofthesludgewetandsoon,arerareinChina,whiletheyarepopularinEU,USandJapan.Inall,whileimprovementofthedisposalrate,weshouldstudyfromthedevelopedcountriescombinedwithourownsituation,tofulfillthesustainabledevelopment.

Keywordssludgetreatmentanddisposal,researchprogress,newtreatmentprocess

一、污泥处理与处置概述

1.污泥来源及特性

污泥作为污水处理的副产物通常含有大量的有毒、有害或对环境产生负面影响的物质，处置不当容易造成二次污染。

污泥中含有大量的固体物质，包括进水中的固体物质、污水处理过程中转化形成的生物絮体和悬浮物质以及污水处理过程中投加的化学药剂等。

污泥的性质和组成取决与污水的性质和污水处理的工艺流程，根据处理工艺的不同，污泥分为以下几种：

初沉污泥（污水处理过程中初沉池的污泥）、生物或剩余污泥（来自污水生物处理系统的二沉池和生物反应池，污泥结构松散，含水率高，脱水性差）、消化污泥（经过厌氧消化或好氧消化后的污泥）、化学污泥（用混凝、化学沉淀等方法处理污水过程中产生的污泥）[1]。

其中初沉池污泥含有病原体和重金属化合物等，二沉池污泥基本上是微生物机体，含水率高，数量多。

初沉池污泥和二沉池污泥因富含有机物，容易腐化、破坏环境，必须进行妥善的处置。

污泥特性主要包括四点：

（1）污泥中的固体：

包括溶解性固体和悬浮固体。

（2）污泥固体的成分：

组成与污水的来源有关，如来自城市污水处理厂的污泥的固体成分主要是蛋白质、纤维素、油脂、氮磷等，而来自石油化工行业的污水处理厂的污泥中含有大量的油，固体成分决定了后续污泥处理处置的工艺。

（3）含水率：

不同污泥含水率差异很大，但污泥含水率一般都很高。

（4）相对密度：

污泥相对密度取决于含水率和污泥中固体组分的比例，城镇污水处理系统产生的污泥相对密度一般略大于1，工业废水处理系统排除的污泥密度往往较大[2]。

（5）含有复杂的重金属、盐类等成分，如果不加控制地施用，将污染土地，甚至会造成耕地的不可逆退化，造成土壤板结、重金属积累超标[3]。

研究表明城市污泥的热值较高，含有SiO2、P2O5、Al2O3、Fe2O3、CaO等，城市污泥的矿物组分相比其他污泥而言较为复杂，与粘土比较相近[4]。

不同污水处理厂的污泥或者不同行业的污水处理厂的污泥性质不同，这跟污水的组成以及处理工艺之间有十分重要的关系。

2.一般城市污泥处理处置流程

污泥经常被大规模弃置在河湖、堤岸、沟壑、田地中，污泥中的污染物可能被雨水充入水体，通过土壤污染地下水，散发的气味和挥发性有机物会污染周边空气，同时还会造成局部土壤的污染物浓度提高，污泥对环境所产生的危害十分隐蔽，容易被人们忽视[5]。

很多研究发现城市污水处理厂排放的污泥中含有大量的污染物，组成十分复杂，包括重金属、持久性有机污染物、环境持久性制药污染物、多环芳烃、挥发性有机化合物以及大量的病原菌、病毒等，如果不妥善处理，污泥将会给环境健康带来很大的威胁。

污泥处理处置在污水处理过程中非常重要，污泥处理系统的建设投资约占污水处理厂总投资费用的20%－30%，污泥处理的主要目的是减少污泥量并使其稳定，便于污泥的运输和最终处置。

城镇污水二级处理厂污泥处理流程和一般工业废水处理方法不同，典型处理工艺流程如下[2]：

（1）污泥浓缩

污泥浓缩的主要目的是减少污泥体积，以便后续操作。

污泥浓缩的操作方式有间歇式和连续式，浓缩方法有重力浓缩、气浮浓缩和离心浓缩。

重力浓缩适合与固体密度较大的重质污泥，气浮浓缩主要用于相对密度接近1的轻污泥或含有气泡的污泥，离心浓缩是利用离心力达到浓缩的目的。

离心浓缩效率高、时间短、占地少，而且卫生条件好，但费用较高。

（2）污泥稳定

采用适当措施去除或减少污泥中的有机物，抑制或杀灭其中的微生物，或改变污泥的环境条件使之不适宜微生物的生存，以达到消除或减缓微生物对污泥腐化分解作用，从而使污泥稳定下来。

污泥稳定的方法主要有生物法和化学法，生物稳定法即在人工条件下加速微生物对污泥中有机物的分解，使之变成稳定的无机物或不易被微生物降解的有机物的过程，其中包括好氧生物稳定和厌氧生物稳定；化学法即投加某种化学药剂杀死微生物或改变污泥的环境使微生物难以生存，从而使污泥中的有机物在短期内不致腐败的过程，其中包括石灰稳定法、氯稳定法、臭氧稳定法等。

（3）污泥脱水

将污泥含水率降到80%以下即为污泥脱水。

污泥脱水处理之前首先要进行调理，通过物理、化学或物理化学作用，通过改变污泥的组织结构，减小污泥的黏性，降低污泥的比阻，从而改善污水的脱水性能。

化学调理主要是向污泥中投加各种絮凝剂，使污泥中的细小颗粒形成大的絮体，从而提高脱水性能，物理调理有加热、冷冻、添加惰性助滤剂和淘洗等方法。

污泥脱水的方法有自然脱水、机械脱水。

自然脱水主要构筑物是污泥干化场，其中包括上部蒸发、底部渗透和中部放泄等，机械脱水是利用机械力对污泥进行脱水的方法，其中包括过滤脱水和离心脱水等。

目前常用的脱水技术有超声波脱水技术、微波脱水技术、絮凝脱水技术、电渗析脱水技术和热水解脱水技术等[6]。

（4）污泥的最终处置

污泥经过以上几步的预处理后基本上达到稳定的状态，但是污泥中一些有毒有害物质仍然需要处理，即污泥的最终处置，污泥最终处置的方法有综合利用、湿式氧化、焚烧以及和城市垃圾一起填埋。

污泥处理的有效顺序是减容、利用、废弃，污泥处理处置的主要目标是：

减量化、稳定化、无害化、资源化。

二、污泥处理处置现状分析

国家环保部门统计，截止2010年，我国城镇污水处理率将达到60%，届时每年全国污泥产生量将达到3000万吨，污水处理厂将达到1800座，而中国目前污泥70%以上弃置，20%填埋，不到10%的污泥通过堆肥等技术处理后回用于土地[7]。

研究表明，法国、德国、意大利和英国污泥产量较大，而德国污泥的产生量占这四国总产生量的48.9%[8]。

据美国环保署估计，美国15300个城市污水处理厂中，年产干固体污泥约769×104吨，其中45%用于农、林业，21%进行填埋，30%投弃海洋。

在日本，55%的污泥进行焚烧，35%的污泥进行填埋，约9%的污泥进行农田利用[9]。

由于技术以及管理手段的滞后，中国污泥大量污泥直接弃置，发达国家通过合理的处理处置污泥，回收能源的同时减少了环境污染。

大量污泥的无序弃置不只是污染物从污水向陆地转移，还使污染物进一步扩散，并导致营养物质和能源物质的大量流失[10]。

传统污泥处理处置主要方法是直接填埋、堆肥、干化和焚烧、海洋弃置，但是这些处置方法都有环境或经济上的局限性。

从可持续发展的角度来说，污泥焚烧将是最终出路，但不能实现污泥减量的最大化，而且焚烧过程产生的致癌物二恶英、二氧化硫会对空气造成严重二次污染，焚烧的投资费用较高，运行费用高达700－900元/吨干污泥[11]，焚烧过程浪费了大量的能源，这些限制了干化和焚烧工艺的使用。

土地填埋过程中产生渗滤液和气体，如果处理不当渗滤液会进入地下水层污染地下水，填埋气可能会引起爆炸和燃烧等，而且随着城市化进程的加快，土地填埋也收到越来越严格的限制，因为填埋占有大量土地、耗费可观的填埋费用且不能根治污染，这些都制约污泥的土地填埋技术的发展和应用，在欧美等发达国家大部分污泥填埋场陆续关闭。

欧洲国家对含有可生物降解的固体废弃物的填埋处置的管理越来越严格，丹麦、瑞士等国家相继实施了禁止固体废弃物填埋的法令法规，德国将污水厂污泥划分为固体废弃物类，目前填埋比例大幅下降，焚烧比例则明显上升[8]。

海洋弃置不仅污染海洋，危害海洋生态系统，造成海洋环境恶化。

美国EPA于1991年全面禁止污泥的海洋处置，欧盟从1998年12月31日禁止向水体中倾置污泥，同年底国际公约组织通过了禁止向大海排放污泥的决议，我国于1994年起承诺不再海上处置城市污泥[3]。

污水因为来源比较复杂，污泥中含有的重金属超过人类和动物的耐受水平，可能会导致堆肥产品中的重金属沿着食物链富集最终进入人体。

人们在寻找处理处置污泥方法的同时也在寻求资源化利用途径，高效回收污泥中可利用的资源。

20世纪60年代发达国家污泥处理处置系统的装备已经达到成套化水平，如污泥消化系统设备、污泥浓缩脱水设备、沼气综合利用设备、污泥高温堆肥系统装备以及污泥固化工业技术与设备等，80年代末又启用湿式氧化处理技术处置污泥[9]。

德国目前90%以上的污泥经过厌氧消化处理，降低了30－40%的产量，在2005年颁布了污泥禁止填埋的法规条例后，污泥物质利用和能源利用两种处置方式在德国得到广泛的应用[12]。

80年代中期我国的污泥处理才刚刚起步，后来采用中温厌氧消化，引进先进技术和设备，经过几十年的积累中国在厌氧消化处理污泥方式上积累了丰富的经验。

目前国内外常用的污泥处理方法主要有卫生填埋处理、土地利用、热处置等方法[13]。

上世纪六十年代开始使用卫生填埋方法处理污泥，在传统填埋基础上发展起来，建设污泥卫生填埋场地址须选择在底基渗透系数低且地下水位不高的区域，填坑铺设防渗性能好的材料，卫生填埋场还应配设渗滤液收集装置和净化设施。

1992年欧盟大约40%的污泥采用了填埋处置，2005年欧盟国家的污泥卫生填埋场所仅能容纳污泥总量的17%[9]，污泥的卫生填埋对周围环境的影响越来越收到人们的重视，填埋场的选址越来越困难。

土地利用被认为是最有发展潜力的处置方式，把城市污泥应用于农田、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，城市污泥农用比例最高的国家是荷兰，占55%；其次是丹麦、法国和英国，占45%；美国展5%，我国对城市污泥农用资源化的理论研究和实践较少[11]。

城市污泥的土地利用有利于土壤的性质的改善以及土壤中植物的生长，污泥中的有机质可促进土壤团粒结构的形成，提高土壤孔隙度、降低土壤容重、提高土壤持水能力，从而改善土壤结构。

欧阳喜辉调查发现，不施污泥的土壤和施用污泥的土壤中，有机质含量提高了36.8－141%，且施用污泥的实践越长，土壤有机质含量越高[14]。

因为污泥中固有的微生物含量较高，施用城市污泥后的土壤微生物种群结构发生改变，硝化细菌的比例提高，酶的活性增加，同时提高土壤的基础肥力和土壤腐殖质的含量。

城市污泥中含有大量的氮磷等植物生长必须的元素，向土壤中投加城市污泥促进了植物对养分的吸收利用。

但是城市污泥的土地利用仍然存在一定的风险，如果土壤中的重金属超标，会导致重金属沿着食物链富集，最终进入人体；有些城市分污泥中的氮磷过剩，投加污泥的土壤中的氮磷元素可能会随着地表径流进入河流湖泊，造成淡水的富营养化问题。

同时，城市污泥中的有机难降解污染物以及一些病原微生物都会降低土壤的质量，值得一提的是，有些含盐量高的污泥会明显提高土壤的电导率，过高的盐分会破坏氧分之间的平衡，抑制植物对养分的吸收，甚至会对植物根系造成直接的伤害。

所以，选择土地利用来处理处置城市污泥时，必须仔细分析污泥的性质，根据污泥性质来选择处理方式[11]。

三、新兴污泥处理处置工艺介绍

传统的处理处置技术较成熟，技术风险较小，但是具有资源化产品附加值低，如城市污泥和垃圾一起填埋，同时环境污染严重，投资、占地面积大。

随着人们环保意识的提高，传统的处理方式逐渐被淘汰，尤其是在发达国家，污泥处理领域在不断寻找新的出路，根据可持续发展的原则，在处理污泥的同时，最大化地回收城市污泥中的可回用物质和能源，通过人们的不断努力污泥处理的新技术新工艺层出不穷。

1.污泥发电技术

污泥中含有近40%的有机生物质，具有可燃性，所以污泥是一种潜在的生物质资源，污泥发电不但可以实现污泥安全处理，同时可以替代部分化石染料，节约资源和能源。

污泥发电有两种典型的工艺，即污泥燃料燃烧发电、污泥厌氧消化产生沼气发电。

污泥焚烧是在一定温度和氧气存在条件下，使污泥中的有机质发生燃烧反应，生成CO2、H2O、N2等，还有一些灰渣和烟气，污泥需要借助粉煤灰、城市有机垃圾等作为辅助燃料进行燃烧处理。

以污泥燃料焚烧为核心的污泥发电技术，具有减容、减重率高，处理速度快，无害化较彻底，余热可用于发电，焚烧后产生的灰渣可以用于改良土壤、筑路、制砖瓦、陶瓷、混凝土填料等优点。

污水处理厂的污泥厌氧消化产生的沼气主要成分为CH4和CO2，以及H2S、氨等微量有害气体，沼气发电具有低排放、低污染、节约能源、废物资源化等优点而倍受关注，利用污泥消化产生的沼气发电设备主要有两种：

一种是燃气机－发电系统，另一种是污泥厌氧消化产生沼气通过改质器转化为氢气，经燃料电池发电[15]。

焚烧发电技术在减量化的同时回收能源是一种资源化利用技术，目前我国应用最多的污泥资源化技术即为焚烧发电。

天津泰达环保有限公司利用污泥中的糖类、脂肪和蛋白质的黏结性成功开发出污泥衍生燃料技术[16]。

德国斯图加特市中心污水处理厂将初沉污泥和剩余污泥混合后进行浓缩，离心脱水后得到的泥饼进行干化，最后进入流化床焚烧炉，初沉污泥消化产生的沼气作为助燃气注入焚烧炉，焚烧产生的热量回收后作为污泥干化热源，回收的热量供污泥干化后仍然有剩余，该厂三期改建工程加装发电设施[17]。

2.超临界水氧化（SCWO）技术[18]

水的临界温度和压力分别是374摄氏度和22MPa，在超临界条件下，水的密度、介电常数、黏度、扩散系数、电导率等性质发生了极大变化。

SCWO技术即利用超临界水的特性，在温度、压力高于水的临界温度和压力的条件下，超临界水作为反应介质，水中有机物与氧化剂发生强烈的氧化反应，最后彻底氧化成二氧化碳、氮气、水等无毒小分子化合物。

工艺中的氧化剂可以是空气、氧气、双氧水等，城市污泥和氧化剂分别通过高压泵打入预热器，使城市污泥和氧化剂加热到超临界温度，然后进入SCWO反应器，通过氧化反应后，城市污泥被彻底氧化分解。

SCWO技术在国外已经投入商业使用，在中国仍然处于研究状态，2001年4月，在美国的得克萨斯州市建成了世界上最大规模的超临界水氧化处理污泥装置，并将污泥临界水氧化法反应过程中产生的热能回收，提供给附近的工厂[19]。

Svanstrom等[20]研究表明10%含水率的干固体，污泥可以被氧化，可以完全回收污泥热作为热水或高压蒸汽。

排放的高纯度的业态CO2可以回收，过量的O2可以循环使用，投资和操作费用少于焚烧，同时可以使用管状反应器在足够高的流速下解决无机盐沉淀问题。

国内昝元峰等人对超临界的研究较多，研究结果显示反应温度和氧化剂的过氧比对超临界水氧化污泥有显著影响，氧化剂的最合适过氧比为325%，停留时间对污泥氧化有很大影响，而压力的影响则不明显[21]。

在以上研究的基础上又进行了反应动力学研究，以及SCWO法处理污泥过程中能量的平衡以及污泥的有机物含量和含水率对能量平衡的影响。

随着研究的渗入，超临界水氧化技术的优势逐渐被人们发掘，相信在不久的将来，这项技术可以在中国推广使用。

3.湿式氧化法[22]

城市污泥湿式氧化法是基于高浓度难降解有机废水处理的基础上发展起来的，在高温（125～320oC）高压（0.5～10MPa）条件下，用空气或过氧化氢或纯度较高的氧作为氧化剂，按照湿式燃烧原理将污水中的有机物降解处理。

城市污水厂的污泥是一种有机物含量很高的流变体，从物质结构方面与高浓度有机废水十分相似，通过湿式氧化过程，污泥中的大部分有机物可被分解掉，同时污泥颗粒内和颗粒间结合水被脱除，达到污泥稳定和减容的目的。

处理流程：

剩余污泥经过离心机浓缩，经消化池消化，然后污泥被送往Athos混合反应器内，在高温高压条件下不断通入纯氧，通过加热燃烧进行氧化反应，固体残渣经过沉淀池与水分离，并经过压滤机脱水，最后成为饼状的沙粒，这种沙粒可被资源化利用作为建筑材料铺路或陶瓷原料，在湿式氧化的过程中，可以回收热量。

湿式氧化法开始与法国地区，相继在法国图卢兹，米兰，布鲁塞尔等地推广使用，整个工艺过程安全清洁，无金属浸出，有机物氧化分解较完全。

但也存在一定的弊端，如设备复杂，须耐高温高压，防腐蚀要求高，投资费用大，运行成本高等，这些弊端严重限制了这项技术在相对落后的发展中国家的使用与普及。

4.污泥构筑湿地

湿地被人们喻为“地球之肾”，因为它具有直接利用水源或补充地下水的作用，有效控制洪水和防止土壤沙化，还能滞留沉积物从而改善环境污染，能够以有机质的形式储存碳元素，减少温室效应。

构筑湿地即人工湿地，由人工建造和监督控制的、与沼泽地类似的地面[23]。

污泥构筑湿地技术集污泥浓缩、脱水、降解于一体，可以大量节减基建投资和运行费用。

研究表明垂直流湿地对污泥的处理效果要优于水平流湿地，此外，污泥的投配量、投配频率及渗滤液的停留时间也是影响污泥处理效果的主要操作条件。

污泥构筑湿地处理技术对污泥处理起主要作用的成分是人工基质、微生物和植物。

人工基质为微生物的生长提供稳定的依附表面，为湿地植物提供载体和营养物质。

使用的基质主要有细沙、粗砂、砾石、灰渣等。

湿地的植物除了直接吸收利用污泥中的营养物质及吸附、富集一些有毒有害物质的同时，输送氧气到根区和维持水力传输的作用。

人工湿地中的微生物活动将有机质作为丰富的能源，转化为营养物质和能量，人工湿地中微生物的种类丰富，优势菌种为假单胞杆菌、产碱杆菌以及放线菌、真菌等[24]。

但因为有些城市污泥中重金属超标，污泥构筑湿地中存在严重的重金属污染问题。

还有一些无机物的迁移转化需要进一步研究，目前污泥构筑湿地的应用还不是十分广泛，仍然需要不断地探究。

四、总结

污泥处理处置是污水处理得以最终实施的保障，在经济发达的国家，污泥处理处置投资约展污水处理厂总投资的50～70%。

近年来我国污泥资源化处置技术越来越成熟，应用的技术主要为焚烧发电、制肥、水泥利用、沼气利用和其他新兴技术。

东部地区依靠经济优势污泥资源化处置技术应用比例最大，中西部地区的污泥处理技术相对传统，以焚烧和填埋为主。

鉴于发达国家在污泥处理处置的技术比较成熟，中国可在根据自身污泥性质的基础上，借鉴国外先进的技术，值得一提的是德国汉堡污水处理厂污泥循环处理模式，在污泥焚烧发电的同时，利用污泥焚烧的热量干化污泥，实现了外加燃料啊需求量为零的预期效果，并且提供了污水厂所需用电量和用热量的60%～100%，提高了污泥处置的经济性，降低了运行成本[25]。

这一技术相对成熟，而且能源回收率较高，德国的污泥处理技术非常先进，中国在自身投入对污泥处理处置领域研究的同时，还要加强同国外的交流与联系。

随着城市污泥产量的增加，传统的污泥处理处置技术都存在一定程度上的技术或经济上的制约，各国在提高污水处理技术的同时，也要重视污泥处理处置，在选择污泥处理处置技术的时候，要根据相应处理厂污水的性质，如印染废水处理过程中的污泥和石油化工过程中产生的污泥性质差异较大，要结合污泥中的生物质含量以及一些重金属、微生物活性等选择处理处置工艺，尽量做到无害化、减量化、稳定化的同时达到资源化的效果。

就政策上而言，政府应加大管理力度，设立相应的法律法规，同时对一些积极使用新技术新工艺的污泥处置方给予一定的补贴，通过各方努力，使污泥处理处置体系更加完善。

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