上海城市污水處理廠的污泥處置途徑
城市污水廠的污泥是指處理污水所產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)及液態(tài)的廢棄物，含有大量的有機(jī)物、豐富的氮磷等營養(yǎng)物、重金屬以及致病菌和病原菌等，不加處理的任意排放會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。上海市1997年排放的污水量約為578×104 m3/d，其中經(jīng)20余家城市污水處理廠處理的污水量約為60×104 m3/d，年產(chǎn)生污泥量約為120×104 t(含水率約為97.5%)。為了改善城市水環(huán)境，上海市擬新建石洞口、竹園、白龍港、新和等污水排放系統(tǒng)和大型污水處理廠。隨著污水處理設(shè)施的普及、處理率的提高和處理程度的深化，污泥的產(chǎn)生量必將有較大的增長，如何合理地處置污水廠污泥，已成為城市污水廠和相關(guān)部門提高管理水平的重要方面。
1 上海城市污泥處置現(xiàn)狀及存在問題
1.1 污泥處置現(xiàn)狀
污泥經(jīng)適當(dāng)濃縮后運(yùn)至市郊或鄰近省份農(nóng)村作農(nóng)肥，是上海城市污水處理廠一般采用的污泥處置方法。由于運(yùn)行經(jīng)費(fèi)、設(shè)備等問題，20余家污水廠中僅南橋污水廠的污泥消化運(yùn)行正常。為了探索污水廠污泥處置的合理方式，桃浦污水廠采用流化床焚燒工藝焚燒污泥，目前尚處于試運(yùn)行階段。
1.2 存在問題
① 污泥僅經(jīng)濃縮處理的體積仍然較大，運(yùn)輸不方便。
② 由于城市污水中工業(yè)廢水比重較大，重金屬含量較多，經(jīng)處理后相當(dāng)一部分重金屬轉(zhuǎn)移到污泥中，致使污水廠的污泥重金屬含量較高；污泥未進(jìn)行穩(wěn)定和滅蟲卵等必要的無害化處理，直接施用于農(nóng)田后，污泥中的大量病原菌和寄生蟲卵等有害物質(zhì)轉(zhuǎn)移到農(nóng)田和作物上，不僅可能對土壤造成污染、影響作物生長以及人類的健康，而且也可能因蚊蠅聚集而造成環(huán)境衛(wèi)生方面的危害。
③ 近年來，由于郊縣農(nóng)民更加習(xí)慣于施用化學(xué)肥料，以及受現(xiàn)行施肥方法的限制，導(dǎo)致污泥作為農(nóng)肥的出路不暢；并且上海地區(qū)雨量充沛，一到多雨季節(jié)，由于農(nóng)田對含水率較高的污泥的需求量銳減，也造成污泥外運(yùn)困難，污水廠經(jīng)常出現(xiàn)泥滿為患的現(xiàn)狀。因此，這就可能產(chǎn)生兩種不良后果，其一是污水廠只能減少正常的污泥排放量或?qū)⒉糠治勰嘣倩亓鞯教幚硐到y(tǒng)，從而影響了污水廠的正常運(yùn)行；其二是部分污泥可能溢流入水體，造成對水體的二次污染。
④ 由于蘇州河及其支流綜合整治工程的展開，許多污泥碼頭將被廢除，目前采用污泥船外運(yùn)的方法面臨極大的困難。
2 國內(nèi)外污泥處置的現(xiàn)狀及發(fā)展方向
國內(nèi)外污泥處理與處置的方法很多，一般采用濃縮、消化、脫水、干化、有效利用(主要為農(nóng)用)、填埋及焚燒等不同的處理、處置方法，或用其中某幾個(gè)方法組合處置。不同的處置方法有不同的前處理要求，并且實(shí)際上一些前處理要求是這種處置方法的組成部分。污泥的最終出路不外是部分或全部資源化利用或以某種形式回到環(huán)境中去，以下介紹目前世界各國廣泛采用的污泥處置方法。
2.1 污泥的土地利用
污泥的土地利用已有多年歷史，主要包括污泥農(nóng)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(jī)物和N、P、K等營養(yǎng)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(nóng)田能夠改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤肥力、促進(jìn)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，在美國約有40%左右的污泥采用土地利用的方式進(jìn)行處置。盡管污泥的土地利用有能耗低、可回收利用污泥中養(yǎng)分等優(yōu)點(diǎn)，但也存在病原菌擴(kuò)散和重金屬污染的危險(xiǎn)，為此各國政府先后頒布了農(nóng)用污泥重金屬濃度標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)格的無害化要求，并對單位面積土地污泥的應(yīng)用量有嚴(yán)格的限制［1］。
2.2 污泥的填埋
污泥的衛(wèi)生填埋始于60年代，是在傳統(tǒng)填埋的基礎(chǔ)上從保護(hù)環(huán)境角度出發(fā)，經(jīng)過科學(xué)選址和必要的場地防護(hù)處理，具有嚴(yán)格管理制度的科學(xué)的工程操作方法。到目前為止，已發(fā)展成為一項(xiàng)比較成熟的污泥處置技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是投資較少、容量大、見效快，1992年歐盟大約40%的污泥采用了填埋處置［1］。由于污泥填埋對污泥的土力學(xué)性質(zhì)要求較高，需要大面積的場地和大量的運(yùn)輸費(fèi)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(huán)保局估計(jì)，今后幾十年內(nèi)，美國6 500個(gè)填埋場將有5 000個(gè)被關(guān)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%［1］。
2.3 污泥的熱處置
污泥熱處置的優(yōu)勢在于可以迅速和較大程度地使污泥達(dá)到減量化，近年來焚燒法由于采用了合適的預(yù)處理工藝和焚燒手段，達(dá)到了污泥熱能的自持，并能滿足越來越嚴(yán)格的環(huán)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(chǔ)設(shè)備，對于大城市因遠(yuǎn)離填埋場造成運(yùn)輸費(fèi)用高的場合，使用焚燒法處置可能是經(jīng)濟(jì)有效的［1、2］。在歐盟，1992年污泥焚燒的比例為11%，比1984年增加了38%［1］；在日本采用焚燒處置的污泥已占60%以上。其他的污泥熱處理方法如污泥的熱解及濕式氧化，近年也取得了較大的進(jìn)展，但目前仍處在研究階段。
2.4 其他處置方法
國外對污泥制動(dòng)物飼料、包埋處理以及焚燒灰制磚等處置方法均有一定的研究，也有成功的報(bào)道，但要將這些方法作為一種主要的污泥處置方式被采用尚需進(jìn)一步研究。
歐盟、美國及日本近年來采用及預(yù)測的污泥主要處置方法及比例見表1。
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3 上海城市污泥處置途徑的選擇
3.1 污泥特性
上海東區(qū)污水廠的污泥性質(zhì)和曹楊等7個(gè)污水廠的污泥中重金屬含量見表2和表3。
由上表可以看出，上海市污水廠污泥的有機(jī)物含量較高，達(dá)60%～70%，略低于國外發(fā)達(dá)國家的城市污泥(有機(jī)組分含量70%～80%)；污水廠污泥的氮、磷、鉀以及有機(jī)質(zhì)含量都比較高，并且從長遠(yuǎn)看，隨著脫氮除磷工藝的運(yùn)用，氮、磷含量將會(huì)有所增長；污泥含有較高的熱值，控制一定的含水率，具有自持燃燒(＞4 000 kJ)及干污泥用作能源的可能性；由于污水中工業(yè)廢水比例較大，重金屬含量較高，廢水經(jīng)處理后有相當(dāng)一部分重金屬轉(zhuǎn)移到污泥中，致使污泥中重金屬的含量較高，部分含量接近或者超過我國《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284—88)。
3.2 污泥處置途徑的選擇
選擇有效的污泥處置方法，應(yīng)兼顧到環(huán)境生態(tài)效益與處置成本、經(jīng)濟(jì)效益之間的均衡。一種有效的、適合本地具體情況的污泥處置方法應(yīng)該是在環(huán)境上衛(wèi)生、社會(huì)上被接受及經(jīng)濟(jì)上有效的方法。無論從經(jīng)濟(jì)因素還是從肥效利用因素出發(fā)，污泥的土地利用特別是污泥的農(nóng)用都是一種符合我國國情的處置方法，但上海市污水廠污泥中部分重金屬含量接近或者超過了農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)，這就部分限制了污水廠污泥的農(nóng)業(yè)應(yīng)用。
根據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)施用符合標(biāo)準(zhǔn)的污泥時(shí)，一般用量不超過3 kg/(m2．a(chǎn))(以干污泥計(jì))，而美國的相似標(biāo)準(zhǔn)為0.2～7 kg/(m2．a(chǎn))。當(dāng)污泥中任何一項(xiàng)無機(jī)化合物含量接近標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，連續(xù)在同一塊土壤上施用不得超過20年。上海市預(yù)計(jì)在2010年污水處理量將會(huì)達(dá)到550×104 m3/d，以上海市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)1×104 m3污水二級處理產(chǎn)生污泥干固體量為2.0 t計(jì)，日產(chǎn)污泥量為1 100 t，如全部考慮農(nóng)用，則每年所需土地面積為13 383 hm2。
因此，考慮到污泥的性質(zhì)、污泥農(nóng)用所需的土地面積、污水廠與農(nóng)用場地的距離、天氣的變化對農(nóng)用的影響、污泥量的增加趨勢以及污水廠處理的廢水組分趨向復(fù)雜等因素，在以農(nóng)用為首選處置途徑的同時(shí)，必須尋找其他合適的污泥處置方法。
3.3 經(jīng)濟(jì)分析
結(jié)合國內(nèi)外污水廠污泥的主要處置方式及處理流程，污泥衛(wèi)生填埋及焚燒處置的主要工藝流程為：
原污泥——濃縮——消化——脫水——衛(wèi)生填埋
原污泥——濃縮——消化——脫水——焚燒——焚燒灰衛(wèi)生填埋
對于衛(wèi)生填埋處置工藝，污泥經(jīng)過消化處理，可以使之穩(wěn)定化和無害化，減小污泥填埋對環(huán)境造成危害的風(fēng)險(xiǎn)，并且污泥經(jīng)消化處理后也達(dá)到了部分減量化，可以大大減少其運(yùn)輸、脫水及填埋費(fèi)用，甚至總運(yùn)行費(fèi)用也低于無消化處理的直接填埋工藝［5］；對于焚燒處置工藝，為了避免消化后污泥熱值減少，因此可以不作消化處理。
計(jì)算投資及運(yùn)行費(fèi)用的依據(jù)為：混合污泥量10 000 m3/d，含水率為99%，經(jīng)離心濃縮機(jī)濃縮(加絮凝劑量約為1 kg/tDS，絮凝劑價(jià)格約為55 000 元/t)投加后含水率降為95%；污泥經(jīng)過厭氧消化后固體去除率假定為1/3［1］。由于含水率低于80%的污泥適合于填埋，但含水率高于68%的污泥在填埋時(shí)須摻入填充料，則填埋工藝考慮兩種脫水方案，即：①污泥經(jīng)離心脫水后含水率降至80%，絮凝劑投加量約為2.5 kg/tDS；②污泥經(jīng)高干度離心脫水后的含水率約為65%，絮凝劑投加量約為5 kg/tDS。用焚燒工藝時(shí)，污泥經(jīng)離心脫水后含水率降為80%，加絮凝劑量約為2.5 kg/tDS,污泥經(jīng)焚燒后殘余灰分量約為污泥干重的1/3［5］；焚燒煙氣處理消耗NaOH量約為37 kg/tDS,NaOH價(jià)格約為3 450元/t。污泥運(yùn)輸費(fèi)用約為0.75元/(t．km)，以運(yùn)輸距離為40 km計(jì)，運(yùn)輸費(fèi)用為30元/t。填埋費(fèi)用參照城市垃圾填埋運(yùn)行費(fèi)用(約15元/t)。各處理流程的耗電量約為：濃縮25 kW．h/tDS，脫水75 kW．h/tDS，消化150 kW．h/tDS，焚燒200 kW．h/tDS，電費(fèi)約為0.7元/(kW．h)。
兩種工藝污泥處理、處置工程建設(shè)費(fèi)用比較見表4。
假定均采用國產(chǎn)設(shè)備，其運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算見表5。
將投資費(fèi)用按每年折舊5%及人工福利、利率等5%計(jì)入成本，上述工藝1t污泥干固體處理總成本見表6。
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根據(jù)上述計(jì)算，污泥干固體處理總成本約為800元/t，以1×104 t污水產(chǎn)生2.0 tDS計(jì)，1 t污水的污泥處理成本約為0.16元，與國內(nèi)大型污水處理廠污水處理部分成本0.3～0.45元/t相比，約占成本的35%～50%，與發(fā)達(dá)國家的測算大致相當(dāng)。
4 結(jié)論與建議
① 污泥經(jīng)濃縮后體積仍然較大，為便于運(yùn)輸及后續(xù)處理與處置，建議污泥應(yīng)脫水處理。
② 在今后較長的一段時(shí)期內(nèi)，上海城市污水廠污泥的出路建議以農(nóng)用為主，但對于擬建的大型污水處理廠因污水量大，產(chǎn)泥量大，若考慮農(nóng)用則在運(yùn)輸、施用計(jì)劃以及所需土地面積等方面有一定困難，并且也受天氣等因素的影響。由上述計(jì)算比較可以看出，采用高干度脫水機(jī)填埋工藝的運(yùn)行費(fèi)用要大于采用普通脫水填埋工藝，但對于同樣體積的污泥而言，普通脫水工藝(含水率為80%)的污泥填埋因須摻入填充料而使其所需的填埋場面積遠(yuǎn)大于高干度脫水(含水率為65%)的污泥填埋工藝，因此在填埋土地有限的情況下應(yīng)考慮采用高干度脫水方案；對于填埋土地難以尋找的情況可適當(dāng)考慮用焚燒法處置污泥，污泥焚燒灰可考慮用作填埋摻混料或用作制磚及其他建材。
③ 要積極探索污泥處理與處置的新方法與方式，上海龍華污水廠采用轉(zhuǎn)窯焚燒污泥，已初步取得成功，對于其能否大規(guī)模用于處置城市污泥可視進(jìn)一步研究的效果而定。
④ 未來的污泥處理策略是使污泥的產(chǎn)生、處置與環(huán)境保護(hù)之間達(dá)到一個(gè)良好的平衡，要達(dá)到這種平衡的最佳途徑是污泥的資源化利用；在污泥的管理中也應(yīng)采用多樣化策略，應(yīng)首先考慮通過改進(jìn)污水廠的處理工藝等減少污泥的產(chǎn)量，其次應(yīng)該通過嚴(yán)格控制工業(yè)廢水的排放來控制污泥的性質(zhì)，不應(yīng)再走工業(yè)發(fā)達(dá)國家先污染再治理的老路，應(yīng)從一開始控制工業(yè)廢水的排放，為以后的污泥利用帶來方便。
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