污泥处理处置技术创新现状、趋势和挑战

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1 污泥处理处置技术创新现状趋势和挑战文 / 戴晓虎 ( 同济大学环境科学与工程学院院长国家城市污染控制工程研究中心主任国家 863 计划资源环境领域专家, 污染控制课题组组长 ) 一污泥的来源和组成 1 污泥的来源污泥是污水处理厂的污水在脱水后的副产物, 污泥主要有三种类型 : 初沉污泥生物污泥和混合污泥初沉污泥主要是原污水中未降解的固体物质 ; 生物污泥主要是微生物与原污水中未降解的固体物质 ; 混合污泥是初沉污泥与生物污泥的结合 2 污泥的性质污水处理厂剩余污泥量的多少可根据有无设置初沉池进行计算 : 如果污水处理厂没有设置初沉池, 生物处理污泥主要是微生物与原污水中部分固体物质, 其剩余污泥量的计算公式为 : X YQ( S0 Se ) k dvx v ( SS0 SSe) * fq 如果污水处理厂设有初沉池, 则初沉池对 SS 的去除率约为 40%-60%, 即假设进水 SS=200mg/L, 则原水中约有 mg/L 的固体物质转化为初沉污泥其中 : X 剩余污泥量 kgss/d; V 生物反应池容积 (m 3 ); X 生物反应池内混合液悬浮固体平均浓度 g MLSS/L; Y 污泥产率 (kgvss/kg BOD 5),20 时为 ; S 0 生物反应池进水五日生化需氧量 (kg/m 3 ); S e 生物反应池出水五日生化需氧量 (kg/m 3 ); K d 衰减系数 (d-1); F SS 的污泥转换率, 宜根据试验资料确定, 无试验资料, 可取 gMLSS/gSS 该系数根据各国污泥性质的不同而不同, 德国为 0.6 左右, 法国为 0.4 左右, 美国为 , 即生物污泥含有的原污水固体物质约占

2 30%-50%, 约合原水 COD 的 40%; 混合污泥含有的原污水固体物质约占 50%-70%, 约合进水 COD 的 50% 由此可见, 虽然我国在十一五期间, 污水处理厂完成了 900 万吨 COD 减排的工作任务, 但是对剩余污泥却没有进行任何处理, 如果将这些未经处理的污泥擅自堆放, 污泥中将有 30% 左右的 COD 会通过各种途径再回到环境中去, 严重影响我国节能减排的工作进展, 因此污泥的处理处置非常重要二污泥处理处置原则很多人都认为污泥是一个微生物的群体, 是污水处理后的产物, 其实并不尽然其实污泥中含有的人畜粪便餐厨垃圾等都属于非稳定物质, 不能通过简易的脱水处理后就随意丢弃目前, 污泥处理处置的目标主要是稳定化减量化无害化和资源化污泥通过减量化稳定化无害化可以避免污泥的二次污染, 通过资源化可以进一步实现对污泥中富含的有机质氮磷钾等营养元素的资源利用 1 稳定化: 是指将污泥中的腐臭物质及容易造成二次污染的物质去除 2 减量化: 该处置原则有两层含义 : 一是将污泥中的水分去除, 二是通过好氧或厌氧等手段将污泥中的有机物去除, 但在我国对污泥的减量化最多只做到污泥减容化 3 无害化: 是指根据各国的法律规定, 对污泥的处理处置过程中和污泥的最终利用中, 不能造成环境危害 4 资源化: 这是世界各国对污泥处理处置重点的研究课题, 被列入城市矿产的范畴 5 低碳化: 随着地球环境变暖, 国际上将对温室气体的排放进行评估, 对污泥的处理处置也将考虑温室气体排放的因素目前我国污水处理厂的污泥处理设施基本实现了污泥减容, 但由于污泥最终处置技术路线不明确投资和运行资金不到位法规监管体系不完善等原因, 污泥处理处置还没有真正实现稳定化无害化资源化, 存在着严重的二次污染风险三现有的技术手段 1 污泥减量化的技术手段

3 (1) 污泥浓缩常用的有带式浓缩机滚筒式浓缩机筒式螺旋浓缩机及离心机等技术路线和设备性能已和国际接轨, 由于我国污泥的性质特点, 与国外污水处理厂相比, 在浓缩效率及加药量方面还存在一定的差异 (2) 污泥脱水常用的污泥脱水设备有带式脱水机筒式螺旋脱水机离心机和板框脱水机浓缩脱水一体机等技术路线和设备已和国际接轨, 由于我国污泥的特性以及污泥没有得到稳定化处理的现状, 与国外污水处理厂相比, 在脱水效率和加药量方面还存在一定的差异针对我国目前污泥处置以填埋方式为主的需求, 国内近年来开发了多种高干度污泥脱水 / 固化系统, 并已得到了工程化应用 (3) 污泥干化近年来污泥干化系统设备的国产化发展很快, 但目前大型化投产的干化项目如北京上海重庆深圳苏州等地均采用进口设备污泥单独干化焚烧工程案例不多, 主要有国外进口的流化床工艺 ( 如上海石洞口污水处理厂 ) 以及国内自主开发的污泥喷雾干化焚烧 ( 如浙江绍兴和萧山 ) 2 污泥稳定化的技术手段 (1) 生物方法主要包括厌氧消化和好氧稳定方法 (2) 化学方法化学方法是需要在污泥中投加石灰, 但是从专业的角度来看, 投加石灰只能起到杀菌消毒的作用, 只是对污泥中部分病原菌处理实现了稳定化, 但要做到真正意义上的污泥稳定化 ( 即将容易分解的有机物去除 ), 这种方法的效果还十分有限, 在德国, 投加石灰只是在上世纪年代作为一种应急处理的手段, 此外, 还有将污泥加热到 70 进行杀菌的热处理技术, 也具有一定的稳定化功能, 但都不是长远稳定化处理污泥的方法 3 污泥无害化的技术手段主要有污泥稳定化技术 + 热化学处理, 即使污泥在处理处置过程中, 包括污泥的最终堆放, 都达到不对环境产生二次污染的目的

4 4 污泥资源化的技术手段 (1) 回收能源 : 主要有厌氧消化技术热化学焚烧技术热解技术碳化技术等 (2) 回收有机质 : 主要有厌氧消化技术好氧稳定技术及土地利用如果从循环经济角度来看, 污泥若没有重金属成分, 回用土地是最好的处置手段, 美国每年大约有 60% 的污泥, 英国法国每年大约有 40%-50% 的污泥回用到土地 (3) 回收磷资源 : 主要有磷回收 (MAP 技术 ) 及土地利用由于磷资源的短缺, 据估计, 在未来的年间, 全球的磷矿资源将面临枯竭, 而人类所吃的食物中含有丰富的磷, 除了身体必需外, 均随着粪便进入到污水处理厂经检测, 我国污水处理厂的进水磷含量约为 6-10mg/L, 如果这部分磷能够回用到土地中去, 我国的粮食种植将大幅度减少磷肥的使用量因此, 从上世纪 90 年代开始, 欧盟就在这方面进行了大量的研究投入, 现在正等待磷的价格上升到合理的价位德国则在考虑把污泥堆放到闲置的矿井内, 等到需要磷的时候, 再把污泥拿出来作二次处理而在我国, 等磷的价格到了一定的价位, 国家会从战略上有所考量, 磷的回收也会成为污泥资源化利用的一个选择 (4) 回收有机酸补充污水处理厂碳源四几种污泥处理处置新技术的介绍 1 污泥高含固厌氧消化技术污泥高含固厌氧消化技术是国内外研究的热点, 通过污泥的厌氧消化技术回收沼气能源, 但是目前遇到的技术瓶颈是如何通过现有技术提高厌氧消化的效率, 其中有一种方法即提高污泥的含固率传统的厌氧消化技术的含固率仅 3%-5%, 效率低 ; 高效厌氧消化技术的含固率大于 10%, 效率提高一倍污泥高含固厌氧消化与传统消化系统的比较见表 1 高含固厌氧消化是未来污泥处理的一个方向, 我国正在积极进行这方面的探索, 努力提高污泥厌氧消化后的含固率与产气比, 如大连夏家河污泥处理项目宁波宁海污泥处理项目以及长沙在建的污泥处理工程等项目, 都在进行这方面的应用

5 表 1 比较参数高含固消化工艺传统厌氧消化工艺有机负荷 (kg VS m -3 d -1 ) 体积产气率 (m 3 biogas m -3 d -1 ) 单位体积产能 50294(KJ m -3 d -1 ) 14(KWh m -3 d -1 ) 12574(KJ m -3 d -1 ) 3.5(KWh m -3 d -1 ) 2 基于污泥改性预处理的高级厌氧消化技术该技术是将脱水污泥先进行预处理, 得到改性污泥后再进行厌氧消化, 可以实现污泥的消毒, 提高一定的产气率其中的预处理阶段主要采用水热反应, 解决污泥的流动性, 改善传统技术稳定化及脱水性低的缺点, 提高消化产气率和容积利用率, 降低沼气的含硫量和浮渣的产生量原污泥粘滞度见图 1, 不同含固率与消化温度对污泥粘滞度的影响变化见图 2 图 1 原污泥粘滞度

图 2 消化污泥粘滞度 3 污泥/ 有机质高效联合厌氧消化技术污泥资源化利用的另一重要方向是生产沼气不过, 污泥中有机物含量并不高, 因此目前国际上更多采取的是高效联合厌氧发酵的方法, 即把污泥和超级市场菜市场产生的有机质一起进行处理, 这是一种比较合理的选择一方面有利于污泥的处理, 另一方面, 污泥的酸碱度较高, 在餐厨垃圾和有机质的厌氧消化过程中, 如果有污泥作为介质, 效率会更高,

6 图 2 消化污泥粘滞度 3 污泥/ 有机质高效联合厌氧消化技术污泥资源化利用的另一重要方向是生产沼气不过, 污泥中有机物含量并不高, 因此目前国际上更多采取的是高效联合厌氧发酵的方法, 即把污泥和超级市场菜市场产生的有机质一起进行处理, 这是一种比较合理的选择一方面有利于污泥的处理, 另一方面, 污泥的酸碱度较高, 在餐厨垃圾和有机质的厌氧消化过程中, 如果有污泥作为介质, 效率会更高, 运行也更为稳定比如德国法兰克福工业园区的厌氧消化项目, 污泥投加量是 70%, 其他有机质是 30%, 虽然污泥对于产气率的贡献只有 30%, 但在其中却起到了非常重要的作用如果污泥处理采用 BOT 运行模式, 这一处理方式会有更好的前景, 尤其是对于一些大型污水处理厂而言, 联合厌氧消化技术是未来的一个发展方向污泥与餐厨垃圾联合厌氧消化技术的优势主要有 : (1) 提高系统稳定性, 降低抑制物浓度 ; (2) 提高产气效益, 产气率提高 3 倍以上, 产气率 0.9m 3 /kgvs( 去除 ); (3) 提高 VS 降解率, 非污泥有机质降解 80%; (4) 设施利用率高, 在不增加体积的情况下, 可同时消纳厨余垃圾等城市有机质 4 沼液处理厌氧氨氧化技术污泥厌氧消化处理后的会剩余大量的沼液, 其成分及含量主要是 :NH 4-N: ppm COD: ppm BOD: ppm P:10-200ppm 对于这

类污泥产生的渗滤液处理有一定的困难, 目前在国际上对于这部分渗滤液的处理是采用厌氧氨氧化技术, 在国外该技术已经比较成熟, 德国的赫尔辛基有几十座采用污泥厌氧氨化技术的污水处理厂, 但在我国尚处于起步阶段 5 污泥热解气化技术在我国, 大部分污泥处理处置的途径是焚烧, 但是焚烧会产生二次污染, 随着国家对环境的重视及人们对环境意识的提高, 污泥焚烧的发展会受到一定的限制在这种情况下,

7 类污泥产生的渗滤液处理有一定的困难, 目前在国际上对于这部分渗滤液的处理是采用厌氧氨氧化技术, 在国外该技术已经比较成熟, 德国的赫尔辛基有几十座采用污泥厌氧氨化技术的污水处理厂, 但在我国尚处于起步阶段 5 污泥热解气化技术在我国, 大部分污泥处理处置的途径是焚烧, 但是焚烧会产生二次污染, 随着国家对环境的重视及人们对环境意识的提高, 污泥焚烧的发展会受到一定的限制在这种情况下, 污泥热解气化技术有一定应用前景, 在日本已经广泛运用, 在我国的武汉张家港也有中试设备, 相信将来污泥热解气化技术会逐渐取代污泥焚烧技术 6 污泥亚临界水反应技术一般认为水处于 MPa 时的状态, 称为水的亚临界状态, 污泥在该种环境下会实现碳化, 其中的有机物在这种亚临界状态可直接与 O 2 或空气进行燃烧反应流程图见图 3 图 3 7 污泥协同焚烧技术污泥协同焚烧是污泥热处理的发展趋势之一, 国内已在北京嘉兴广州等地的水泥厂和发电厂实现了规模化工程示范应用主要包括与火力发电厂或垃圾焚烧厂协同焚烧和污泥的水泥窑焚烧

8 五技术创新未来的发展趋势我国对于污泥处理处置新技术的创新主要有三方面的考量 : 温室气体的排放, 能源资源短缺及水土流失粮食安全总体而言, 污泥处理处置仍然是一个世界难题, 对于污泥处理技术的发展趋势主要有 : 能源资源回收效率提升, 系统效率提升, 污泥重金属无害化技术开发, 污泥中持久性有机物的处理主要的研究方向在于新材料开发利用生物科技 ( 优势菌种 ) 及先进装备的开发六面临的挑战和瓶颈我国在污泥处理处置上主要面临着我国污泥泥质特点和政策的瓶颈, 阻碍着我过污泥处理处置的发展, 主要体现在以下几方面 : 1 我国泥质不稳定, 有机质低 ( 发达国家 VSS/SS 为 60%-70%, 我国 VSS/SS 为 30%-50%); 含砂量高 ( 污水处理厂普遍采用了圆形沉砂池, 脱砂效率低 ; 大量的基建施工建设导致泥砂水排入污水管网系统等 ); 重金属含量高 ( 工业污水源头重金属处理系统不完善 ); 2 我国污泥处理处置装备的集成能力相对国外较差; 3 我国污泥处理费用没有落实, 国家对污泥处理的补贴政策没有相应跟上 ; 4 如何使污泥回用到土地, 在我国目前还是一个很大的问题

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PowerPoint 演示文稿国内外城镇污水处理厂污泥厌氧消化处理工艺设计要点及未来发展趋势戴晓虎教授同济大学环境科学与工程学院院长国家城市污染控制工程研究中心主任中组部千人计划国家特聘教授国家 863 计划资源环境领域主题专家组组长面临的挑战和机遇全球气候变化面临的挑战和机遇能源短缺世界经济高速发展对能源依赖度高 ; 我国能源的人均占有量只有美国的 1/10 俄罗斯的 1/7; 我国 2011 年, 能源消耗世界第一