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第二十章 污泥处理和处置

污泥处理与处置问题是污水处理过程中产生的新问题。因为首先污泥中含有大量的有毒有害物质，如寄生虫卵、病原微生物、细菌、合成有机物及重金属离子等，它将对周围环境产生不利影响；其次污泥量大，其数量约占处理水量的0.3％～0.5％左右(体积)，如进行深度处理，其污泥量还可能增加0.5～1.0倍。
对一个污水处理厂而言，它的全部基建费用中，用于处理污泥的约占20％～50％，甚至70%，所以污泥处理与处置是污水处理系统的重要组成部分，必须予以充分重视。
只有对这些污泥进行及时处理和处置，才能：
(1) 确保污水处理效果，防止二次污染；
(2) 使容易腐化发臭的有机物得到稳定处理；
(3) 使有毒有害物质得到妥善处理或利用；
(4) 使有用物质得到综合利用，变害为利。
总之，污泥处理与处置的目的是减量、稳定、无害化及综合利用。

图20-1 污泥处理与处置流程

§20-1 概述
一、污泥的分类与性质
1、按污泥所含主要成分不同
分为：有机污泥和无机污泥。
① 有机污泥：常称为污泥，主要成分是有机物，是处理有机废水的产物。
有机污泥中常含有肥料成分，但某些工业废水污泥中可能含有有毒物质，而生活污水、肉类加工等废水污泥中又含有病原微生物和寄生虫卵等。
② 无机污泥
也会含有有毒有害物质和一定量的有机污染物，所以也应进行适当处理。
2、按废水处理工艺的不同，分为：
① 栅渣：格栅或滤网，呈垃圾状，量少，易处理和处置；
② 浮渣：上浮渣和气浮池，可能多含油脂等，量少；
③ 沉砂池沉渣：沉砂池，比重较大的无机颗粒，量少；
④ 初沉污泥：来自初沉池，其性质随废水的成分而异，是污泥处理的主要对象，含水率95％~97%；
⑤ 腐殖污泥和剩余活性污泥：分别来自生物膜法和活性污泥法后的二沉池的污泥，其含水率分别为97％、99.2％~99.6%；
特征：含有机物质，含水率高，易腐化发臭，难脱水，是污泥处理的主要对象；
⑥ 消化污泥：生污泥(初沉池、腐殖污泥、剩余活性污泥)经厌氧消化处理后产生的污泥，含水率97%；
⑦ 化学污泥：用混凝、化学沉淀等化学方法处理废水所产生的污泥。
二、污泥性质参数
1、含水率p
污泥中所含水分的重量与污泥总重量之比为污泥含水率。污泥含水率一般都很高，密度接近于水。污泥含水率对污泥特性有重要影响。
不同污泥，含水率差别很大。
污泥体积、重量及所含固体物浓度之间的关系，可用下式表示：
(20-1)
式中：
V1，W1，p1——污泥含水率为p1％时的污泥体积、重量与固体物浓度；
V2，W2，p2——污泥含水率为p2％时的污泥体积、重量与固体物浓度。
由式(20-1)可知，当污泥含水率由99％降到98％时，或由98％降到96％，或由97％降到94％，污泥体积均能减少一半。也即：污泥含水率越高，降低污泥的含水率对减容的作用则越大。
式(20-1)适用于含水率大于65％的污泥。(因含水率低于65%以后，污泥内出现很多气泡，体积与重量不再符合式(20-1)关系)。
不同含水率下的污泥状态如表20-1所示。
表20-1 污泥含水率及其状态
含水率
污泥状态
90%以上
几乎为液体
80%~90%
粥状物
70%~80%
柔软状
60%~70%
几乎为固体
50%
黏土状

2、挥发性固体和灰分
挥发性固体又称灼烧减重，近似地等于有机物含量；灰分又称灼烧残渣，表示无机物含量。
3、污泥的相对密度/湿污泥比重
污泥的相对密度等于污泥重量与同体积的水重量之比值。由于水的相对密度为1，所以污泥的相对密度γ可用下式表示：
(20-2)
式中：γ——污泥的相对密度；
p——污泥含水率，%；
γs——污泥中干固体平均相对密度。
干固体包括有机物(即挥发性固体)和无机物(即灰分)2种成分，其中有机物所占百分比及其相对密度分别用pv、γv表示，无机物的相对密度用γa表示，则污泥中干固体平均相对密度γs可用下式计算：
(20-3)
即 (20-4)
有机物相对密度一般等于1，无机物相对密度约为2.5～2.65，若以2.5计，则式(20-4)可简化为：
(20-5)
将式(20-5)代入式(20-2)得污泥相对密度的最终计算式：
(20-6)
确定污泥相对密度和污泥中干固体相对密度，对于浓缩池的设计、污泥运输及后续处理，都有实用价值。
城市污水厂的污泥量、污泥含水率p和相对密度γ的经验数据列于表20-2。
表20-2 城市污水厂的污泥量、污泥含水率和相对密度
污泥种类
污泥量/(L/m3)
含水率/%
相对密度/(kg/L)
沉砂池的沉砂
0.03
60
1.5
初沉池污泥
14～25
95～97.5
1.015～1.02
二沉池污泥
生物膜法
7～19
96～98
1.02
活性污泥法
10～21
99.2～99.6
1.005～1.008

4、污泥的脱水性能
污泥的脱水性能常用2个指标来评价。
(1) 污泥过滤比阻r（m/kg），其物理意义是：在一定压力下过滤时，单位干重的污泥滤饼，在单位过滤面积上的阻力。
比阻越大的污泥，越难过滤，其脱水性能越差。
(2) 污泥毛细吸水时间CST (Capillary Suction Time)
由Baskerville和Gale于1968年提出。其值等于污泥与滤纸接触时，在毛细管作用下，水分在滤纸上渗透1cm长度的时间，以秒计。
CST越大，污泥的脱水性能越差。
三、污泥流动的水力特征
污泥在输送管道中流动的情况与水流大不相同，在层流状态时，由于污泥粘滞性大，悬浮固体更易于在管道中沉淀，因此，污泥流动的阻力比水流大；当流速高处于紊流时，由于污泥的粘滞性能够消除边界层产生的旋涡，使管壁的粗糙度减小，污泥流动的阻力反而比水流阻力小。
含水率越低，污泥的粘滞性越大，上述现象越明显，含水率越高，污泥粘滞性越小，当含水率为99％～99.5％时，其流动接近于水流。
设计输泥管时，应用较大的流速，使污泥处于紊流状态。一般重力流坡度采用0.01～0.02，压力输送管设计最小流速与含水率和管径有关。
§20-2 污泥浓缩
图20-2 污泥水分示意图
污泥浓缩的作用是去除污泥中大量的水分，从而缩小其体积，减轻其重量，对于减少后续处理过程如消化、脱水、干化和焚烧等的负担都是非常有利的。

污泥中所含水分大致分为4类：
颗粒间的空隙水(游离水)：约占总水分的70％；
毛细水：即颗粒间毛细管内的水，约占20％；
污泥颗粒表面吸附水：粘附于颗粒或细胞表面的水；
颗粒内部水(包括细胞内部水)：约占10％。

降低含水率的方法有：
浓缩法：用于降低污泥中的空隙水，因空隙水所占比例最大，故浓缩是减容的主要方法；
自然干化法和机械脱水法：主要脱除毛细水；
干燥与焚烧法：主要解除吸附水与内部水。
表20-3 不同脱水方法及脱水效果
脱水方法
脱水装置
脱水后含水率/%
脱水后状态
浓缩法
重力浓缩、气浮浓缩、离心浓缩
95～97
近似糊状
自然干化法
自然干化场
70～80
泥饼状
机械脱水
真空过滤法
真空转鼓，真空转盘等
60～80
泥饼状
压滤法
板框压滤机
45～80
泥饼状
滚压带法
滚压带式压滤机
78～86
泥饼状
离心法
离心机
80～85
泥饼状
干燥法
各种干燥设备
10～40
粉状、粒状
焚烧法
各种焚烧设备
0～10
灰状

污泥浓缩的技术界限大致为：活性污泥含水率可降至97％～98％，初沉池污泥可降至85％～90％。
污泥浓缩可分为重力浓缩、气浮浓缩和离心浓缩。三种方法各有优缺点。
表20-4 各种浓缩方法的优缺点
方 法
优 点
缺 点
重力浓缩法
贮存污泥的能力高，操作要求不高，运行费用低(尤其是耗电少)
占地大，且会产生臭气，对于某些污泥工作不稳定，经浓缩后的污泥非常稀薄
气浮浓缩法
比重力浓缩的泥水分离效果好，所需土地面积少，臭气问题小，污泥含水率低，可使沙砾不混于浓缩污泥中，能去除油脂
运行费用较重力法高，占地比离心法多，污泥贮存能力小
离心浓缩法
占地少，处理能力高，没有或者几乎没有臭气问题
要求专用的离心机，耗电大，对操作人员要求高

§20-3 污泥稳定
一、概述
1、概念
污泥稳定就是采取人工处理措施，降低其有机物含量或杀死病原微生物的过程。
2、污泥稳定的必要性
(1) 污泥中含有大量有机物和病原菌，如直接排放到自然界中，有机物将会受到微生物的作用而腐化、发臭，对环境造成严重危害，病原体将直接或间接接触人体造成污染。
(2) 腐化污泥粘性大，不易脱水，不易为植物吸收。
3、污泥稳定的方法
生物法、化学法和热处理方法
二、污泥的生物稳定
1、污泥生物稳定的目的
降解有机物，使之成为稳定的无机物或不易被微生物作用的有机物。
一般认为当污泥中的挥发性固体的量降低40％左右，即可认为已达到污泥的稳定。
2、分类
污泥的生物稳定可分为厌氧消化和好氧消化2种。
3、厌氧消化
厌氧消化是对有机污泥进行稳定处理的最常用方法。包括水解、酸化、产乙酸、产甲烷等过程。
根据操作温度，污泥厌氧消化分为中温消化(Mesophilic Digestion)和高温消化(Thermophilic Digestion)等。
4、好氧消化
类似于活性污泥法，在曝气池中进行，曝气时间长达10～20d左右，依靠有机物的好氧代谢和微生物的内源代谢稳定污泥中的有机组成。
与厌氧消化处理比较，优点：
(1) 消化温度相同时，所需消化时间较短；
(2) 出水的BOD5浓度较低；
(3) 无臭气；
(4) 污泥的脱水性能较好；
(5) 运行较方便；
(6) 设备费用少。
缺点：
(1) 需要供氧，动力费用一般较高；
(2) 无沼气产生；
(3) 去除寄生虫卵和病原微生物的效果较差。
好氧消化法一般仅适用于中小型污水处理厂，最常用于处理来自初沉池的剩余活性污泥。目前正在研究开发阶段，我国目前尚无污水厂采用此法进行污泥消化。
三、污泥的化学稳定
1、概念
向污泥投加化学药剂，抑制或杀死微生物，投加的化学药剂有石灰和氯。
2、石灰稳定法
石灰稳定法是一种非常简单的方法，其主要作用是抑制污泥臭气和杀灭病原菌。该过程中，实际上并没有有机物被直接降解，该法不仅不能使固体物量减少，而且使固体物增加。
石灰稳定法要求使污泥保持在pH＝12以上，接触2小时，为此，应当使污泥处于液体状态。
3、氯化稳定法
在密闭容器中向污泥投加大剂量氯气，接触时间不长，实质上主要是消毒，杀灭微生物以稳定污泥。
由于pH值低，污泥的过滤性能差，且氯化过程常产生有毒的氯胺，会给后续处理带来一定困难，因此，氯化处理法应用较少。
四、热稳定
污泥热稳定有热处理和湿式氧化法。
1、热处理
热处理既是稳定过程，也是调理过程，即在较高温度(160~200℃)和较大压力(1~2MPa)下处理污泥，促使污泥进行过热反应，从而杀灭微生物，消除臭气以稳定污泥，且污泥易于脱水。
热处理最适于生物污泥。
2、湿式氧化法
又称湿烧法，无火焰燃烧和浸没燃烧。
基本原理：在液相的水中，溶解的或悬浮的可燃物质在有氧或其他氧化剂存在下进行氧化的一种化学反应。
如把水、氧(一般用空气)和可燃物质混合在一起压入密闭容器，加压（0.8Mpa）加温（200℃）使之发生氧化反应，反应的最终产物为CO2、H2O、氮和灰分以及残存的有机物。
优点：
(1) 在液态水存在的情况下进行氧化，可处理未经脱水的湿污泥。
(2) 处理后的污泥残渣脱水性能好，滤渣含水率仅50%左右。
(3) 耗能很低，甚至可回收一部分能量。
(4) 因处理系统密闭，基本上不产生臭味、粉尘和煤烟，处理后的病原微生物全部被杀灭。
缺点：
技术设备复杂，要在高压下操作，一次性投资大。

§20-4 污泥调理(脱水前)
影响污泥的浓缩和脱水性能的因素主要是颗粒的大小、表面电荷、水合的程度以及颗粒间的相互作用。其中污泥颗粒的大小是影响污泥脱水性能的最重要的因素，因为污泥颗粒越小，颗粒的比表面积将越大(按指数规律增大)，这意味着更高的水合程度和对过滤(脱水)的更大阻力及改变污泥脱水性能要更多的化学药剂。
污泥中颗粒大多数是相互排斥而不是相互吸引的，首先是由于水合作用，有一层或几层水附于颗粒表面而阻碍了颗粒相互结合。其次，污泥颗粒一般都带负电荷，相互之间表现为排斥，造成了稳定的分散状态。
污泥调理就是要克服水合作用和电性排斥作用。增大污泥颗粒的尺寸，使污泥易于过滤或浓缩，其途径有2：第一是脱稳、凝聚，脱稳依靠在污泥中加入合成有机聚合物、无机盐等混凝剂，使颗粒的表面性质改变并凝聚起来，由于要投加化学药剂，从而增加了运行费用；第二是改善污泥颗粒间的结构，减少过滤阻力，使不堵塞过滤介质(滤布)。无机沉淀物或一定的填充料可以起到这方面的作用。
污泥调理作用：
(1) 能增大颗粒的尺寸，中和电性，能使吸附水释放出来，这些都有助于污泥浓缩和改善脱水性能。
(2) 经调理后的污泥，在浓缩时污泥颗粒流失减少，并可以使固体负荷率提高。
最常用的调理方法有化学调理和热处理。此外还有冷冻法和辐射法等。为减少调理的化学药品用量，还可采用物理洗涤——淘洗法。
一、化学调理
化学调理实质是向污泥中投加各种混凝剂，使污泥形成颗粒大、孔隙多和结构强的滤饼。所用的调理剂有FeCl3、AlCl3、硫酸铝、聚合铝、聚丙烯酰胺、石灰等。
无机调理剂价廉易得，但渣量大，受pH值的影响大。经无机调理剂处理污泥量增加，污泥中无机成分的比例提高，污泥的燃烧价值降低；而有机调理剂则相反。综合应用2～3种混凝剂，混合投配或依次投配，能提高效能。
二、热调理
热调理使污泥在一定压力(1～1.5MPa)下短时间加热(160～200℃)。这种调理方法使固体凝结，破坏凝胶体结构，降低污泥固体和水的亲和力。而且污泥也被消毒，臭味几乎被消除，并易于在真空或压力过滤机中过滤。
热调理法可用以调节各种混合的有机废水污泥，包括难以处置的剩余活性污泥。最适宜于生物污泥，未曾发现工业废物对污泥热调理有影响。
热调理的缺点是能耗较高，操作技术水平要求高，有臭气放出，且调理后的污泥在过滤后所得滤液有机物浓度很高。
三、淘洗
淘洗是—项单元操作，在操作过程中将固体或固-液混合物与液体完全混合。使某些组分转移到液体中。典型的例子是将消化污泥在化学调理以前进行洗涤，以去除可能消耗大量化学药品的某些可溶性有机和无机组分。陶洗液中的BOD和COD值都很高，需回流到废水处理装置去处理。淘洗能降低碱度，从而降低调理化学药品的投加量，但通常洗涤污泥的费用超过由于降低调理化学药品所节省的费用。而且由于从污泥中洗出来的细小的固体在主要的废水处理装置中可能不能完全被截留，因而，虽然过去采用的这种操作比较普遍，现在不提倡采用这种方法。
§20-5 污泥脱水
目的：对浓缩后的污泥进一步减少含水率(去除污泥中的毛细水和表面附着水)。
污泥脱水的主要方法有：真空过滤法、压滤法、离心法和自然干化法。
多数国家普遍采用的脱水机械为板框压滤机、带式压滤机和离心机，也有采用干化床的。
一、污泥的自然干化
自然干化法有污泥干化场和污泥塘2种类型，是利用天然的蒸发、渗滤、重力分离等作用，使泥水分离，达到脱水的目的，是污泥脱水最经济的一种方法。
适用于气候比较干燥、用地不紧张以及环境卫生条件允许的地区。
这种方法需要大量的场地和劳动力，但仍有不少中小规模的污水处理厂采用。一般认为该法用于50000以下服务人口的城镇还是经济的。
二、污泥的机械脱水
机械脱水是污泥脱水的主要方向。主要的脱水机械有转筒离心机、板框压滤机、带式压滤机和真空过滤机。
80年代在西欧国家这4种机械所占比例为8.7∶6.3∶4.6∶1，说明真空过滤机已逐步被淘汰；在美国，真空过滤机虽然曾盛行，目前也处于被淘汰之列。近年来，转筒离心机和带式压滤机由于其优点显著发展迅速，在很多国家普遍采用。

§20-6 污泥最终处置
污泥最终处置方法有综合利用、弃置和焚烧。
一、综合利用
1、在农业上应用
污泥中含有植物所需要的营养成分和有机物，因此污泥应用在农业上是上佳的最终处置办法。
污泥的肥效主要取决于污泥的组成和性质。
以生活污水为例，含氮量为2％～6％，含磷量(以P2O5)为1％～4％，含钾量为0.2％～0.4％。从废料的三要素来分析污泥的肥效，主要是利用其氮肥，其次是磷肥，钾肥的利用价值较小。
污泥的氮、磷含量都比一般农家肥高，而且污泥中含有的硼、锰、锌等微量元素，对农业增产有重要作用。
但污泥中含有的病菌。寄生虫、病原体及重金属离子，如直接作肥料，会对植物有危害作用并进入食物链影响其他生物，而且不利于土壤吸收养分。因此在把污泥作农田肥料前，应首先进行稳定化处理。其中含有的重金属离子也必须符合《农用污泥中污染物控制标准》（GB4284-84）的要求。
较常用的处理方法是堆肥。
2、建筑材料利用
污泥可用于制砖与制纤维板2种建筑材料，此外还可用于铺路。
污泥制砖可采用干化污泥直接制砖，也可采用污泥焚烧灰制砖。制成的污泥砖强度与红砖基本相同。
污泥制纤维板材，主要是利用蛋白质的变性作用，也即活性污泥中所含粗蛋白(有机物)与球蛋白(酶)，在碱性条件下，加热、干燥，加压后，会发生一系列物理、化学性质的改变，从而制成活性污泥树脂(又称蛋白胶)，再与经过漂白、脱脂处理的废纤维(可利用棉、毛纺厂的下脚料)一起压制呈板材，即生化纤维板。
3、污泥气利用
污泥发酵产生的污泥气既可用作燃料，又可作为化工原料，因此是污泥综合利用中十分重要的方面。其成分随污泥的性质而异，一般含CH4在50％～60％以上。
消化池所产生污泥气能完全燃烧，保存运输方便，无二次污染，因此是一种理想的燃料。
污泥气的主要成分是CO2和CH4，将污泥气净化，除去CO2，即可得到CH4，以CH4为原料可制成多种化学品。
二、弃置法
1、填埋
污泥可单独填埋或与其他废弃固体物一起填埋，填埋地应符合一定的设计规范。
2、投海
沿海地区，可考虑把污泥投海，投海污泥最好是经过消化处理的污泥，而且投海距离必须远离海岸。
投海方法可用管道输送或船运，前者比较经济。
污泥投海在国外有成功经验也有造成严重污染的教训，因此必须十分谨慎。
按英国的经验，污泥(包括生污泥、消化污泥)投海区应离海岸10km以外，深25m，潮流水量为污泥量的500～1000倍。这样由于海水的自净与稀释作用，可使海区不受污染。
三、焚烧法
当污泥中含有大量的有害污染物质，如含有大量重金属或有毒有机物，不能作为农肥利用，而任意堆放或填埋均可对自然环境造成很大的危害，这时往往考虑焚烧法处理。
污泥焚烧前，凡是能够进行脱水干化的，必须首先进行污泥的脱水和干化。这样可以节省所需的热量。常用的污泥焚烧炉有回转焚烧炉、立式焚烧炉和流化床焚烧炉等。