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城市污水污泥的处理和处置方法问题研究

 1前言
        随着我国城市污水处理厂的建设,传统的污泥处理工艺处理费用昂贵,污泥处理费用约占污水处理厂总运行费用的20~50%。投资占污水处理厂总投资的30~40%。而污水处理中的污泥处理和处置技术在我国还刚刚起步,污水污泥的处置问题已日益突出。在全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。在我国仅有的十几座污泥消化池中,能够正常运行的为数不多。污泥直接排放造成了二次污染。所以对污泥的处理必须予以充分的重视。
        2污泥问题的产生
        1956年建成投产的北京酒仙桥污水处理厂是国内最早建立的污水处理厂,处理程度为一级,处理污水量为0.9万m3/d。六十年代初北京又建立了处理规模为20万m3/d的高碑店一级处理污水厂。目前,北京已建有北小河(4万m3/d))、方庄(4万m3/d)、清河(30万m3/d)、酒仙桥(20万m3/d)、芦沟桥(20万m3/d)和北京高碑店100万m3/d等城市污水处理厂。已经形成180万m3/d的处理能力,产生干污泥量约为600T/d。
        国内城市也相继兴建了大量城市污水处理厂。这固然对于解决我国的水污染问题有着积极的作用,但是一个潜在的问题也会随之产生,即污水污泥的处理和处置问题。这些污水厂全部投产后,在处理污水的同时会产生大量的污泥,这些大量未经无害化处理的污泥,如果不妥善处理,其危害是不言而喻的。
        3国外城市污水污泥的处置与利用情况
        为避免处理厂污泥对环境的二次污染,各国政府及研究机构对污泥的最终处置问题十分重视并根据各国的国情制定出污泥处置的法规和具体方案。据调查资料统计(图1),国外污水厂污泥或用于农林绿化,或焚烧处置,或投海疏散,另有很少部分以其它方式处置或利用。
        由此可见农用和陆地填埋是大多数国家污泥处置的两种最主要方法。农用和陆地填埋方案的选择很大程度上取决于各国政府有关的法律、法规和污染源控制状况,同时也与国家的大小和农业发展情况有关。近年来,随着污泥农用标准(如合成有机物和重金属含量)日益严格的趋势,许多国家,如德国、意大利、丹麦等,污泥农用的比例不断降低,而污泥填埋的比例有增加的趋势。但也有一些国家,如美国、英国和日本等污泥农用的比例呈增加趋势,填埋呈减少趋势。
        4我国及北京市污泥处理和处置的出路
        城市污水污泥中有机质、氮、磷、钾含量较高,从养分含量上来看,它是一种优质有机肥源。因此,从城市污水污泥的情况来看,一方面大量的有机污泥污染环境,同时造成潜在污染,另一方面北京市郊区的农田缺乏有机肥料,土壤质量下降。根据《北京国土资源》记载,北京几个近郊区的农田总面积为60117公顷,根据我国农业种植的特点和需要,每公顷农田需要45吨有机肥料,四个近郊区需有机肥270万吨,而农民自己能够供给的有机肥仅70万吨,短缺200万吨,因此,有机质的还田十分重要。所以有机污泥的根本出路和基本方向应该是资源化和能源化。充分利用土壤的自然净化能力,使有机质还田,纳入良性农业生态循环。
        由于有机质在土壤肥力中有其它营养元素不可替代的作用,常以它作为划分土壤肥力高低的指标。一般认为≥1.7%为高肥力,≤1.2%为低肥力。北京市农田中有机质含量普遍偏低,除近郊朝阳、海淀、丰台部分地区农田有机质含量在2%左右外,其余都在1.7%以下属于中底肥农田。制成有机肥施用于农田正可以弥补北京市农田土壤中有机质含量偏低的缺陷。为了防止偏施无机肥导致的必然后患,有些国家已开始限制偏施纯无机肥。长期单独施用无机肥肥分不完全,掺合增施则造成溶度积剧增,肥分容易流失,不利于作物生长和利用;且连续施用,易使土壤盐化板结,污染饮用水源,破坏生态环境。
        建国以来,我国化肥工业迅猛发展,农作物施肥结构也已发生很大变化。七十年代以前,农家肥料与化学肥料的比例是7:3,到了七十年代末期,由于化学肥料用量猛增,其比例已改变为3:7。这样随着岁月的增长导致土壤有机质不断减少,土壤肥力下降。
5污泥处理目的和手段 
        (1)污泥堆肥的机理
        堆肥技术是在有控制的条件下,利用微生物对污泥中易腐有机物进行生物降解,使之成为具有良好稳定性的腐植土状肥料的工艺过程。适用于高温堆肥的微生物种类很多,主要有细菌、放线菌、真菌、酵母菌等,它们对不同的化合物分解能力不同。它们在转换和利用有机物中化学能的过程中,有一部分转变成热能,使堆温迅速上升,达到60~70℃。此时,除了易腐有机物继续分解外,一些较难分解的有机物(如纤维素、木质素等)也逐渐被分解,一般来讲堆肥温度在60℃以上保持三天以上,就能杀死垃圾中的寄生虫卵、病原微生物和杂草种子,达到无害化的目的。污泥堆肥具有下述特点:
        ①自身产生一定的热量,并且高温持续时间长,不需外加热源,即可达到无害化;
        ②可使纤维素分解,使堆肥物料有了较高程度的腐植化,提高有效养分;
        ③基建费用低、容易管理、设备简单;
        ④产品无味无臭、质地疏松、含水率低、容重小、便于运输施用和后续加工复合肥。
        但是,污泥堆肥同时存在一定的限制性的因素或缺点:
        ①必须严格控制污水厂污泥的有毒、有害物质及病原微生物达到国家标准;
        ②一般来说某块农田使用污泥数量有一定限度,当达到这一限度时,污泥的农用就应停止一段时间后再继续进行;
        ③需要污泥运输的车辆和机械设备;
        ④需要花费一定精力寻找污泥农业的用户。
        (2)传统污泥处理方法的利弊
        二级污水处理厂产生的污泥一般是由比较松散的小块物质组成,含水率较高,污泥容积可达其所含固体容积的数十倍。污泥中含大量有机物和有害物,而且可能含有危险的病原微生物、寄生虫卵。污泥的性质很不稳定,极易腐化,造成污染。故需及时处理,使含有病原微生物、散发出恶臭的腐化物质数量减少并使其分解。
        其中污泥浓缩和脱水是通过物理方法,提高污泥中固体含量。污泥厌氧消化是利用生物手段来使污泥有机物分解,从而降低污泥总量,并达到污泥稳定化的目的,这是处理工艺中的关键环节。具有以下优点:
        ①与消化前污泥相比可减少30%的体积;
        ②生成的沼气是可以利用的能源;
        ③厌氧菌有一定的抗菌作用,在一定程度上改善了污泥的卫生性能;
        ④增加了污泥作为肥料的可利用性。
        污泥处理工序的每一步都是以减少污泥体积为主要目的。但是传统的污泥处理工艺处理费用也很高。污泥厌氧消化还存在着运转复杂、停留时间长,投资大的缺点,在实际应用中难度较大。并且即使厌氧消化后的污泥仍然存在处置问题。
        (3)污泥问题解决的办法
        污泥农用从我国具体情况来说是最为可行、最为现实的处置方案。堆肥后制成肥料农业利用具有经济、简便、可资源化等优点,引起各国的重视,并进行了大量的研究。对于污水厂来讲要注意以下问题:
        ①必须严格控制污水厂污泥的有毒、有害物质及病原微生物达到国家标准;
        ②对于某些重金属超标的污泥如高碑店污泥,农田使用污泥数量有一定限度,需要在有科学指导的前提下施用,否则会造成不可逆转的生态影响;
        ③建立完备的政策,鼓励农民施用有机肥,并建立通畅的销售网络。
        (4)最新研究进展
        ①污泥施用率的提出
        针对重金属等问题吸收国内外有益经验,以高碑店污水处理厂的污泥作为研究对象,北京市环科院在“八五”期间,进行了“污水污泥农业利用设计技术”的研究。按限定溶解性养分和重金属输入量来确定农田的污泥施用率,以达到既能充分利用污泥中的养分,又能防止养分和重金属污染环境。科学论证提出了污泥施用率的概念,提出了污泥施用的三种不同的污泥施用率,即一次性最大施用率(S1)、安全施用率(S2)和控制性安全施用率(S3)。采用S3,针对高碑店污水污泥在20年的施用期内,施用土壤的重金属累积量不会超标;32年后出现锌超标,36、46和67年后,相继出现铜、镉、铬超标。值得说明的是北京高碑店污泥由于近年北京工业污染源的控制和一些工厂的搬迁,污水中超标重金属的含量呈逐减的趋势。
        ②规模化的工业制肥技术
        近两年,我们根据市场的需要研究了城市污水污泥生产复合肥的技术,已通过了北京市科委的技术鉴定。建成了年产5000T的生产线,通过对城市污水处理厂所产生的脱水污泥进行动态发酵,使污泥得到熟化,然后根据使用目的和用户要求生产有机复合肥和复混肥。使污泥通过无害化和减量化达到资源化的目的。
        污泥的发酵过程采用卧式滚筒,污泥从上端加入,通过间歇性旋转和强制通风,污泥从下端流出。发酵周期为5天。经过在发酵槽中高温好氧发酵,污泥成为性状良好的腐植颗粒。然后可按照不同农肥的含量标准添加一定比例的氮、磷、钾等化学原料,通过粉碎、搅拌后进行造粒,成型后经干燥、筛分,成品包装后入库或出售。整个工艺流程如图3所示。
        在制作复混肥的过程中,充分考虑了N、P等肥份和重金属的问题,复合肥中污泥的添加量在25%以下,其它成份为各种化肥。即使按肥料正常使用,据测算在长达100年长期使用也不会出现重金属污染,相反使土壤的有机质含量有显著的提高。对于复合肥,由于污泥的比例可以在50%~100%之间,只要根据污泥中重金属的含量,确定合适的使用量,也不会出现重金属超标问题。并且由于商品化的制肥工艺,使得污泥制肥的产品便于运输和施用,其应用地域可以大为扩大,所以重金属超标的污泥的应用限制也可以大为放宽。
        6结论
        (1)北京市可日产污泥360t/d,折合含水率80%的湿污泥1800t/d,其出路问题若不很好地规划,所引起的后续问题会相当严重;因此找出一条污泥利用的路子很有必要。结合北京市的实际情况,污泥农用是目前北京市比较有前途的方向;
        (2)在污泥农用前,由于污泥中组成复杂,污泥要进行检验,并根据检验结果做适当的预处理;对于无重金属污染的污泥,可以按需要或尽可能放宽使用;
        (3)含有重金属的污泥则要根据重金属含量来确定农田的使用量,不过,若生产成复混肥,则可以忽略重金属的影响。


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