我国污泥产生概况、泥质及处理处置方法.doc

文献综述

题 目： 我国污泥产生概况、泥质及处理处置方法

姓 名： 康国栋
学 号： 2014103021
专 业： 生态学
导 师： 蔡天明
任 课 老 师： 顾向阳
课 程 名 称： 环境微生物与环境工程
成 绩：

2015年1月5日

我国污泥产生概况、泥质及处理处置方法

康国栋

(南京农业大学资源与环境科学学院生态学系，江苏南京210095)

摘要：随着我国城镇化的不断加快、经济不断发展、工业园区快速建立，城镇生活污水与工业废水的产量节节攀升，大量的生活污水处理厂和工业污水处理站如雨后春笋般投入建设，由此产生的剩余污泥量也水涨船高。据环保部数据，2013 年，我国城镇生活污水排水量为495.4 亿吨，污泥产量2300—3700 万吨（按污泥的含水率80%计算）。本文介绍了国内污泥产生现状，分析了城市污泥中养分、重金属、有机污染物及病原茵的研究状况并对国内外的污泥处置工艺做了综述评价。
关键字：剩余污泥；污泥产生；污泥性质；污泥处置

Sludge production, properties and treatment of China: A review
Kang Guodong

(Department of Environmental Engineering，College of Resources and Environmental Sciences，
Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China)

Abstract：With China's urbanization continues to accelerate economic development, the rapid establishment of industrial parks, production of urban sewage and industrial waste water is climbing, a large number of sewage treatment plants and industrial wastewater treatment station mushroomed into the building, resulting the remaining amount of sludge have gone up. According to the ministry data, in 2013, China's urban sewage displacement of 49.54 billion tons, sludge production 2300-3700 tonnes (according to 80 percent moisture content of the sludge is calculated). This article describes the current situation of domestic sludge, municipal sludge analyzed nutrients, heavy metals, organic pollutants and pathogens research status Yin and sludge treatment process at home and abroad was summarized evaluation.
Key words：sewage sludge；sludge production；sludge properties；sludge treatment and disposal

截至2014年3月底，全国各县市累计建成污水处理厂3622座，污水处理能力约1.53亿立方米/日，较2010年底新增约2800万立方米/日。1 随着污水处理的快速发展，污泥产量也水涨船高，2013 年，我国城镇生活污水排水量为495.4 亿吨，污泥产量2300-3700 万吨（按污泥的含水率80%计算）。长期以来，国家主导的环保政策都是重水轻泥，近年来，污泥带来的环境安全风险在增大，国家也将加大污泥整治力度。

1 我国污泥产生概况
1.1 城镇生活污水污泥
2013年末，中国大陆总人口136072万人，城镇常住人口73111万人，城镇化率为53.73%，比上年提高1.16个百分点，同年，全国废水排放量695.4亿吨，居世界第一位。[1]污水的增多必然导致污泥的增长，污泥处理和处置在我国还刚刚起步, 在我国现有污水处理设施中有污泥稳定处理设施的还不到1/4, 处理工艺和配套设备较为完善的还不到1/10。有资料显示[2]，60%以上污泥未经处理直接农用, 不符合污泥农用的卫生标准, 将造成重金属污染等严重环境问题。如何妥善处置污泥, 使其无害化、资源化、资源化已成为全球关注的课题。与城镇污泥相比，我国众多的工业企业如制革、电镀、洗毛、印染、造纸、化工、石化等所产生的污泥，成分更复杂，某些污泥有害成分含量更高，监管更难到位。污泥的不规范处置已成为我国土壤和水环境中一个新的环境污染源，部分抵消了污水处理厂净化环境的功效，严重制约了污水处理事业健康发展，污泥处理处置与资源化已成为我国急需重点解决的问题。“十二五”期间我国将投资347亿元专门用于城镇污泥处理和处置设施建设[3]。
1.2 工业污水污泥
中国是世界上制造业最为庞大的国家，同时，多年的政府主导投资建设造成的大量的产能过剩，大量落后产能依然在消耗着巨量资源并产生大量废水、废气。据环保部统计，2013年全国产生的695.4亿吨污水中，30.2%是工业废水。[4]工业污泥随着工厂产品的不同，含有大量的Cr、Cd、Cu，Pb，As等重金属，以及农药中间体、挥发酚等有机污染物。工业污泥作为危险废弃物，需经过有资质的单位处理并填埋。对于工业污泥，减量化与降低含水率是极为重要的两个环节。
2 我国污泥泥质
2.1 有机质含量
据戴晓虎等调查，我国南方某城市的7座污水处理厂的有机质含量（VS/TS）最高仅为52.15%，平均为46.64%，含砂率平均33.87%，属于典型的低有机质污泥，调查得出7座污水处理厂2012～2013年沉砂池平均沉砂效率平均不到13%。污水处理厂进水含砂量高、砂粒度小、沉砂池效率低、二级处理污泥有机负荷低是污泥有机质含量低、含砂量高的主要原因 。[5]李艳霞等调查了全国29个城市污水处理厂污泥，得出中国城市污泥(不包括工业污泥)的有机质平均含量仅38.49%，全氯、全磷和全钾分别为27、14.3和79g/kg。[6]国外污泥的有机质含量为60%-70%，而我国污泥有机质含量仅为30%-50%。戴晓虎认为这是由于我国污水厂普遍采用圆形沉砂池，脱砂效率低，加上大量的基建施工，导致泥砂水排入污水管网系统而导致的。[5]
2.2 重金属含量
污泥中的重金属是阻碍污泥土地利用的最主要因素。中国环科院的姚金玲等研究了我国16家城市污水处理厂污泥中重金属( Cu，Cr，Pb，As和Cd)的污染状况及特征，发现其中14个污水处理厂的污泥重金属质量分数均低于我国农用泥质(CJ/T309-2009)A级污泥标准以及美国、德国和欧盟农用污泥标准的重金属控制限值。[7]杨军等于2006年从全国范围内选取107个城市污泥样品，发现污泥中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn含量分别为20.2、2.01、93.1、219、2.13、48.7、72.3和1058mg/kg，较2001年前的调查结果平均低了30%，只有不到10%的污泥Cd、Cu、Ni和Zn超过《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）[8]。郑翔翔等统计了江苏省43个污泥样品的重金属含量，发现Cu的超标率最高，为18.6%，而Pb的超标率为0%。[9]郭广慧等对2006—2013 年发表的46篇刊物中报道的我国城市污泥重金属进行了分析，得出污泥重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr和Ni的几何均值分别为182.5、65.3、729.6、2.1、1.4、11.5、97.5 和44.9 mg/kg，Cd、Hg、Ni的超标率较2006年有所增加，而其余均较2006年的水平低[10]。
污水处理厂污泥中重金属质量分数随重金属种类的不同而不同，各污水处理厂污泥中重金属总量差别显著，这与污水处理厂进水水源、工业污水比例和污水处理工艺等因素有关。[11]
2.3 污泥热值
污泥的焚烧处理是西方发达国家最主要的污泥处理方式。[12]在德国，53.2%的剩余污泥是通过焚烧来最终处置的。瑞士、丹麦、奥地利、法国、比利时等西欧国家的污泥焚烧比例均超过30%。[13]污泥的热值决定了污泥焚烧处理的成本，蔡璐等对我国37座城市污水处理厂的脱水污泥进行取样调查，发现污泥干基热值为5844～19303kJ/kg，均值为11850 kJ/kg，比欧美等发达国家的低22.4%～37.7%。[14]杨翠等对武汉市3座城市生活污水处理厂脱水污泥进行了热值测定，平均值为3300kJ/kg。蔡璐等认为，对于含水率80%的污泥，其干基热值必须大于14680 kJ/kg才能达到自持燃烧。[15]陈萌等认为，污水水质、排水体制、污水及污泥处理工艺通过影响污泥挥发分的含量而影响污泥热值，消化污泥和合流制区域污水处理厂污泥由于热值低而不宜采用焚烧处理，并提出，为保证我国污水处理厂污泥具有自持燃烧特性，污泥的最高含水率应不超过68%。[16]
3 污泥处理处置
3.1 污泥的前处理
污泥的前处理是为了实现污泥的减量化与稳定化。减量化的方式主要通过生物捕食了来减少污泥量。通过发展高级生物形成较长的食物链，使能量从低级生物(细菌)传递到高级生物(原生动物和后生动物)，通过生物间的不完全转化，微生物数量、能量得以减少，使得产生的污泥量减少。[17]蚯蚓生物滤池是近年来应用较为成功的一种污泥减量化技术。吴敏等报道，在232～28℃时，蚯蚓生物滤池系统的污泥减量率可达38. 20 %～48. 20 %。[18]楼菊青等通过调节水蚯蚓的生长环境，在生物接触氧化池中形成“污染物—微生物—水蚯蚓”循环食物链，剩余污泥产率仅为0.051kg /m3，污泥排出量仅为常规系统的 25% 左右，污泥减量显著。[19]
污泥的稳定化通常是通过消化作为来处理的。消化分好氧消化与厌氧消化，由于城镇污泥产量大，通常使用厌氧消化。蛋形消化器(egg-shaped digester，ESD)最早出现在德国建成[20],很快便在在全世界许多国家出现。Li等对ESD的运行效率做出的研究表明,在中温ESD中,HRT 30d的情况下，污泥中VSS的去除率可达到61.9%。1m3含固率5%的浓缩污泥能够在ESD中产生21m3含甲烷61%的沼气。该装置已连续运行长达10 年以上,并没有明显的浮渣和起泡问题。[21]
3.2 污泥的调质与脱水
污泥脱水对污泥的处理处置意义重大，污泥含水率从80%降低到60%可使体积与质量减少一半，极大的减少了填埋的成本，且含水率的下降提高了湿污泥的热值，使污泥焚烧不再需要添加助燃剂，大大降低了污泥焚烧的成本。含水率较低的污泥也有利于堆肥，使需要加入的用于调理的秸秆等用量降低，简化了工艺流程，减少了堆肥的成本。
污泥的调质是与脱水方式相关的，传统的污泥脱水主要是使用PAM絮凝[22]，采用带式压滤机压滤达到脱水的目的，但这样脱水后的污泥含水率高（80～90%），易腐败发臭且难以运输，已渐渐被淘汰。板框压滤技术是近年来大力发展的一种污泥脱水技术[23]，污泥进入板框后，靠水泵提供的水压将污泥中的水分挤出，压榨压力可达1.6MPa。板框压滤后的污泥含水率可达50～60%。配合板框压滤，目前开发了多种污泥调质技术，污泥调质主要分为物理化学调质和生物调质两种。
物理化学调质法靠投加调质药剂或提供高温高压环境，改变污泥菌胶团结构，使污泥比阻降低，达到降低压榨后污泥含水率的目的。[24]常用的污泥物理化学调质法有：（1）三氯化铁+生石灰调质法，通过按一定比例投加三氯化铁和生石灰，可将污泥汗水率降低至60%，是最常用的污泥调质方法。（2）Fenton试剂调质法。通过投加硫酸亚铁和双氧水，生成羟基自由基，可以极大的改善污泥脱水性能，但成本较高。（3）水热法。通过高温高压处理污泥，将污泥中部分有机质溶解进入水相，不但大大提高了污泥脱水性能，还降低了污泥产率，成本较高。
生物调质法是今年来新兴的污泥调质方法，主要通过硫细菌将亚铁和硫磺氧化，形成酸性环境， 溶解污泥的EPS，氧化后的亚铁生成三价的铁盐，作为絮凝剂提高污泥脱水性能。据周立祥等人报道，采用氧化亚铁硫杆菌进行生物沥浸污泥调质，含水率可降低至60%以下，同时，污泥中的重金属也大部分被溶出。[25]
3.3 污泥的后处理
3.3.1 堆肥
污泥因其含有大量有机质和氮磷钾等营养成分，是非常值得利用的肥源。经过堆肥化处理的污泥质地疏松，容重减小，可被植物利用的营养成分增加，病原菌和寄生虫卵几乎全被杀死[26]。污泥堆肥中含有的有机质、腐殖质可改善士壤结构，增加土壤的孔隙度，减少土壤地面冲刷，从而减少田间径流引起的植物养分流失。目前有许多国家将污泥堆肥应用于粮食作物生产[27]。
堆肥过程分为3个阶段：中温阶段，高温阶段和腐熟阶段。中温阶段结束的标志是堆温升至45℃，高温阶段耗氧速率高、温度高、挥发性有机物降解速率高、臭味很浓；腐熟阶段则温度低、耗氧速率低、空隙率增大、腐殖质增多且稳定化。好氧堆肥无害化要保证堆层温度在55℃以上保持5～7天，以达到杀灭蛔虫卵和大肠杆菌的要求。污泥堆肥主要包括下列6 个步骤：(1)预处理，脱水污泥与调理剂和膨胀剂混合；(2)高速率分解，用机械翻堆使堆内通气；(3)熟化阶段；(4)进一步翻堆和贮存，使堆内物进一步稳定和冷却；(5)后处理，用筛分去除不能生物降解的物料；(6)装袋运输。
3.3.2 焚烧
污泥中重金属对植物和土壤的潜在危害是阻碍污泥资源化特别是阻碍污泥农用的主要障碍。为降低施用污泥对土壤造成的环境风险，欧美等发达国家更多的采用污泥焚烧的处理工艺。[28]
污泥焚烧是将脱水污泥直接送入焚烧炉焚烧。污泥焚烧技术是“最彻底”的污泥处理方法，它能使有机物全部氧化分解，完全杀死病原体，最大限度地减少污泥体积。而且焚化装置占地面积小，自动化程度高,不受外界条件影响。主流的焚烧技术采用循环流化床焚烧技术[29]。
污泥焚烧烟气净化技术已很成熟，但目前消除部分有机物燃烧产生的二恶英等剧毒物质的方法主要采用加设二燃室、控制燃烧温度等，无法真正确保二次污染问题得到有效控制，这是限制焚烧技术的最大因素。[30]
3.3.3 填埋
污泥填埋是一种工艺简单、投资较少、操作经济、容量大的污泥处置方式。由于脱水污泥颗粒细小，容易堵塞垃圾填埋场渗滤液收集和排水管道，清理疏通费用昂贵；脱水污泥具有流变性，使得场内垃圾填埋体容易变形、滑坡，给场区带来安全隐患；脱水污泥的高含水率和高粘度，大大增强了填埋渗滤液产生量；同时，由于污泥的吸水特性，造成填埋垃圾难以压实，直接影响填埋场的使用年限。[31]GB/T 23485-2009要求垃圾填埋中污泥混合比例不高于8%，且污泥含水率不高于60%。[32]通过固化剂对污泥进行固化处理再填埋是一种较好的处理方式，但是增加了填埋成本并造成填埋厂使用年限的进一步缩短。[33]
4 展望
综上，我国污泥产量大，城镇生活污泥中重金属含量相对较低，然而城镇污泥中有机质含量低，含沙量高，限制了污泥的堆肥农用。我国的污泥处理技术较低，污泥含水率高，直接填埋会造成大量土地的浪费。降低污泥含水率，争取污泥的无害化、减量化、资源化是目前污泥处置的重点。对于大量的城镇污泥，应加大监管力度，完善监管程序，实现合理农用。对于含有大量重金属与机污染物的工业污泥，应尽量降低其含水率，严格控制焚烧条件，减少有毒废气产生，并将残渣进行安全有效的填埋。

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