上海城市污水处理厂的污泥处置途径探讨

摘要：针对上海城市污水厂的污泥出路问题，结合当前的污泥处置技术及发展趋势，在进行了污水厂污泥特性及经济分析的基础上，提出了上海市今后的污泥处置发展方向：以农用为主，在条件适合的情况下可适当进行污泥的填埋与焚烧处置。

关键词：污水厂污泥 处置途径 发展趋势 上海

　　城市污水厂的污泥是指处理污水所产生的固态、半固态及液态的废弃物，含有大量的有机物、丰富的氮磷等营养物、重金属以及致病菌和病原菌等，不加处理的任意排放会对环境造成严重的污染。上海市1997年排放的污水量约为578×10⁴ m³/d，其中经20余家城市污水处理厂处理的污水量约为60×10⁴ m³/d，年产生污泥量约为120×10⁴ t(含水率约为97.5%)。为了改善城市水环境，上海市拟新建石洞口、竹园、白龙港、新和等污水排放系统和大型污水处理厂。随着污水处理设施的普及、处理率的提高和处理程度的深化，污泥的产生量必将有较大的增长，如何合理地处置污水厂污泥，已成为城市污水厂和相关部门提高管理水平的重要方面。

1　上海城市污泥处置现状及存在问题

1.1　污泥处置现状
　　污泥经适当浓缩后运至市郊或邻近省份农村作农肥，是上海城市污水处理厂一般采用的污泥处置方法。由于运行经费、设备等问题，20余家污水厂中仅南桥污水厂的污泥消化运行正常。为了探索污水厂污泥处置的合理方式，桃浦污水厂采用流化床焚烧工艺焚烧污泥，目前尚处于试运行阶段。
1.2　存在问题
　　①　污泥仅经浓缩处理的体积仍然较大，运输不方便。
　　②　由于城市污水中工业废水比重较大，重金属含量较多，经处理后相当一部分重金属转移到污泥中，致使污水厂的污泥重金属含量较高；污泥未进行稳定和灭虫卵等必要的无害化处理，直接施用于农田后，污泥中的大量病原菌和寄生虫卵等有害物质转移到农田和作物上，不仅可能对土壤造成污染、影响作物生长以及人类的健康，而且也可能因蚊蝇聚集而造成环境卫生方面的危害。
　　③　近年来，由于郊县农民更加习惯于施用化学肥料，以及受现行施肥方法的限制，导致污泥作为农肥的出路不畅；并且上海地区雨量充沛，一到多雨季节，由于农田对含水率较高的污泥的需求量锐减，也造成污泥外运困难，污水厂经常出现泥满为患的现状。因此，这就可能产生两种不良后果，其一是污水厂只能减少正常的污泥排放量或将部分污泥再回流到处理系统，从而影响了污水厂的正常运行；其二是部分污泥可能溢流入水体，造成对水体的二次污染。
　　④　由于苏州河及其支流综合整治工程的展开，许多污泥码头将被废除，目前采用污泥船外运的方法面临极大的困难。

2　国内外污泥处置的现状及发展方向

　　国内外污泥处理与处置的方法很多，一般采用浓缩、消化、脱水、干化、有效利用(主要为农用)、填埋及焚烧等不同的处理、处置方法，或用其中某几个方法组合处置。不同的处置方法有不同的前处理要求，并且实际上一些前处理要求是这种处置方法的组成部分。污泥的最终出路不外是部分或全部资源化利用或以某种形式回到环境中去，以下介绍目前世界各国广泛采用的污泥处置方法。
2.1　污泥的土地利用
　　污泥的土地利用已有多年历史，主要包括污泥农用，污泥用于森林与园艺、废弃矿场等场地的改良等。污泥中含有丰富的有机物和N、P、K等营养元素以及植物生长必需的各种微量元素Ca、Mg、Zn、Cu、Fe等，施用于农田能够改良土壤结构、增加土壤肥力、促进作物的生长。污泥的土地利用是一种安全积极的污泥处置方式，在美国约有40%左右的污泥采用土地利用的方式进行处置。尽管污泥的土地利用有能耗低、可回收利用污泥中养分等优点，但也存在病原菌扩散和重金属污染的危险，为此各国政府先后颁布了农用污泥重金属浓度标准和严格的无害化要求，并对单位面积土地污泥的应用量有严格的限制^［1］。
2.2　污泥的填埋
　　污泥的卫生填埋始于60年代，是在传统填埋的基础上从保护环境角度出发，经过科学选址和必要的场地防护处理，具有严格管理制度的科学的工程操作方法。到目前为止，已发展成为一项比较成熟的污泥处置技术，其优点是投资较少、容量大、见效快，1992年欧盟大约40%的污泥采用了填埋处置^［1］。由于污泥填埋对污泥的土力学性质要求较高，需要大面积的场地和大量的运输费用，地基需作防渗处理以免污染地下水等，近年来污泥填埋处置所占比例越来越小。美国环保局估计，今后几十年内，美国6 500个填埋场将有5 000个被关闭。与1984年相比，欧盟国家污泥填埋量增加了4%，但同期污泥总量却增加了16%^［1］。
2.3　污泥的热处置
　　污泥热处置的优势在于可以迅速和较大程度地使污泥达到减量化，近年来焚烧法由于采用了合适的预处理工艺和焚烧手段，达到了污泥热能的自持，并能满足越来越严格的环境要求和充分地处理不适宜于资源化利用的部分污泥。由于其在恶劣的天气条件下不需存储设备，对于大城市因远离填埋场造成运输费用高的场合，使用焚烧法处置可能是经济有效的^［1、2］。在欧盟，1992年污泥焚烧的比例为11%，比1984年增加了38%^［1］；在日本采用焚烧处置的污泥已占60%以上。其他的污泥热处理方法如污泥的热解及湿式氧化，近年也取得了较大的进展，但目前仍处在研究阶段。
2.4　其他处置方法
　　国外对污泥制动物饲料、包埋处理以及焚烧灰制砖等处置方法均有一定的研究，也有成功的报道，但要将这些方法作为一种主要的污泥处置方式被采用尚需进一步研究。
　　欧盟、美国及日本近年来采用及预测的污泥主要处置方法及比例见表1。

表1　欧盟、美国及日本近年及预测的污泥主要处置方法

国　别	污泥量 (104 tDS)	农用 (%)	填埋 (%)	焚烧 (%)	其他 (%)
欧盟国家(1992年)［1］	650	39(37)	40	11	10
欧盟国家(预计2005年)［1］	1 010	45	17	38
美国(1992年)［4］		49	35	15	1
日本(1995年)［3］	171	33(14)	15	49	3

3　上海城市污泥处置途径的选择

3.1　污泥特性
　　上海东区污水厂的污泥性质和曹杨等7个污水厂的污泥中重金属含量见表2和表3。

表2　上海东区污水厂污泥性质(干基)^［4］

含水率 (%)	pH	有机物 (%)	N (g/kg)	P (g/kg)	K (g/kg)	热值 (MJ/kg)
96～98	6.5	61～72	30～60	10～30	1～3	21～25

表3　各污水厂污泥中重金属等含量　　　　　mg/kg

项目	Cu	Zn	Pb	Cd	Cr	Ni	Hg	As	矿物油	总磷	总氮	有机物
曹杨*	146	146.7	129	5.55	70	42.9	6.04	15
天山*	426	1 615	116	1.49	46.6	42.6	7.8	21.9
闵行*	119	1 090	76.5	1.67	53.4	32.2	2.16	7.1
北郊*	158	2 467	108	2.52	21.9	44.6	9.25	33.4
曲阳**	350	3 740	9.95	0.85	15.77	34.8	1.22	5.68		10 740		约70%
吴淞**	226	149	7.27	0.097	3.74	65.2	1.12	2.32	5 560	2 530	69 500
龙华**	101	1 370	0.95	0.19	1.13	17.3	0.19	1.51		2 380	556
注　*　为1989—1990年分析数据平均值。　　**　为1998—1999年分析数据平均值。

　　由上表可以看出，上海市污水厂污泥的有机物含量较高，达60%～70%，略低于国外发达国家的城市污泥(有机组分含量70%～80%)；污水厂污泥的氮、磷、钾以及有机质含量都比较高，并且从长远看，随着脱氮除磷工艺的运用，氮、磷含量将会有所增长；污泥含有较高的热值，控制一定的含水率，具有自持燃烧(＞4 000 kJ)及干污泥用作能源的可能性；由于污水中工业废水比例较大，重金属含量较高，废水经处理后有相当一部分重金属转移到污泥中，致使污泥中重金属的含量较高，部分含量接近或者超过我国《农用污泥中污染物控制标准》(GB 4284—88)。

3.2　污泥处置途径的选择
　　选择有效的污泥处置方法，应兼顾到环境生态效益与处置成本、经济效益之间的均衡。一种有效的、适合本地具体情况的污泥处置方法应该是在环境上卫生、社会上被接受及经济上有效的方法。无论从经济因素还是从肥效利用因素出发，污泥的土地利用特别是污泥的农用都是一种符合我国国情的处置方法，但上海市污水厂污泥中部分重金属含量接近或者超过了农用污泥中污染物控制标准，这就部分限制了污水厂污泥的农业应用。
　　根据控制标准，当施用符合标准的污泥时，一般用量不超过3 kg/(m^2．a)(以干污泥计)，而美国的相似标准为0.2～7 kg/(m^2．a)。当污泥中任何一项无机化合物含量接近标准时，连续在同一块土壤上施用不得超过20年。上海市预计在2010年污水处理量将会达到550×10⁴ m³/d，以上海市统计数据1×10⁴ m³污水二级处理产生污泥干固体量为2.0 t计，日产污泥量为1 100 t，如全部考虑农用，则每年所需土地面积为13 383 hm²。
　　因此，考虑到污泥的性质、污泥农用所需的土地面积、污水厂与农用场地的距离、天气的变化对农用的影响、污泥量的增加趋势以及污水厂处理的废水组分趋向复杂等因素，在以农用为首选处置途径的同时，必须寻找其他合适的污泥处置方法。
3.3　经济分析
　　结合国内外污水厂污泥的主要处置方式及处理流程，污泥卫生填埋及焚烧处置的主要工艺流程为：

　　

　　对于卫生填埋处置工艺，污泥经过消化处理，可以使之稳定化和无害化，减小污泥填埋对环境造成危害的风险，并且污泥经消化处理后也达到了部分减量化，可以大大减少其运输、脱水及填埋费用，甚至总运行费用也低于无消化处理的直接填埋工艺^［5］；对于焚烧处置工艺，为了避免消化后污泥热值减少，因此可以不作消化处理。
　　计算投资及运行费用的依据为：混合污泥量10 000 m³/d，含水率为99%，经离心浓缩机浓缩(加絮凝剂量约为1 kg/tDS，絮凝剂价格约为55 000 元/t)投加后含水率降为95%；污泥经过厌氧消化后固体去除率假定为1/3^［1］。由于含水率低于80%的污泥适合于填埋，但含水率高于68%的污泥在填埋时须掺入填充料，则填埋工艺考虑两种脱水方案，即：①污泥经离心脱水后含水率降至80%，絮凝剂投加量约为2.5 kg/tDS;②污泥经高干度离心脱水后的含水率约为65%，絮凝剂投加量约为5 kg/tDS。用焚烧工艺时，污泥经离心脱水后含水率降为80%，加絮凝剂量约为2.5 kg/tDS，污泥经焚烧后残余灰分量约为污泥干重的1/3^［5］；焚烧烟气处理消耗NaOH量约为37 kg/tDS，NaOH价格约为3 450元/t。污泥运输费用约为0.75元/(t^．km)，以运输距离为40 km计，运输费用为30元/t。填埋费用参照城市垃圾填埋运行费用(约15元/t)。各处理流程的耗电量约为：浓缩25 kW^．h/tDS，脱水75 kW^．h/tDS，消化150 kW^．h/tDS，焚烧200 kW^．h/tDS，电费约为0.7元/(kW^．h)。
　　两种工艺污泥处理、处置工程建设费用比较见表4。

表4　污泥处理、处置工程费用比较

工程费用 名称	工艺一(万元)		工艺二(万元)
	填埋(全部 国产设备)	填埋(40%进口、 60%国产设备)	进口设备	焚烧为 国产设备
污泥调蓄池	200～300	200～300	200～300	200～300
污泥消化单元	5 500	5 500
浓缩脱 水机房	3 000～ 4 000	3 000～ 4 000	3 000～ 4 000	3 000～ 4 000
焚烧厂			13 000	8 000
卫生填埋场*	1 800	2 400
污泥运输工具	100	100	30	30
合计	10 600～ 11 700	11 200～ 12 300	16 230～ 17 330	11 730～ 12 330
注　*　参照1996年环卫协会会刊数据。

　　假定均采用国产设备，其运行费用计算见表5。

表5　国产设备的污泥处理、处置运行费用　　　元/d

工艺类别	浓缩 费用	消化 费用	脱水 费用	焚烧 费用	填埋 费用	运输 费用	单位成本 (元/tDS)
工艺一(1)	7 250	10 500	12 667		5 000	10 000	454.2
工艺一(2)	7 250	10 500	21 833		3 000	6 000	485.8
工艺二	7 250		19 000	26 833	500	1 000	545.8

　　将投资费用按每年折旧5%及人工福利、利率等5%计入成本，上述工艺1t污泥干固体处理总成本见表6。

表6　两种工艺的污泥处理总成本

工　艺	工艺一(1)	工艺一(2)	工艺二
处理成本(元/tDS)	759.7	807.7	875.4

　　根据上述计算，污泥干固体处理总成本约为800元/t，以1×10⁴ t污水产生2.0 tDS计，1 t污水的污泥处理成本约为0.16元，与国内大型污水处理厂污水处理部分成本0.3～0.45元/t相比，约占成本的35%～50%，与发达国家的测算大致相当。

4　结论与建议

　　①　污泥经浓缩后体积仍然较大，为便于运输及后续处理与处置，建议污泥应脱水处理。
　　②　在今后较长的一段时期内，上海城市污水厂污泥的出路建议以农用为主，但对于拟建的大型污水处理厂因污水量大，产泥量大，若考虑农用则在运输、施用计划以及所需土地面积等方面有一定困难，并且也受天气等因素的影响。由上述计算比较可以看出，采用高干度脱水机填埋工艺的运行费用要大于采用普通脱水填埋工艺，但对于同样体积的污泥而言，普通脱水工艺(含水率为80%)的污泥填埋因须掺入填充料而使其所需的填埋场面积远大于高干度脱水(含水率为65%)的污泥填埋工艺，因此在填埋土地有限的情况下应考虑采用高干度脱水方案；对于填埋土地难以寻找的情况可适当考虑用焚烧法处置污泥，污泥焚烧灰可考虑用作填埋掺混料或用作制砖及其他建材。
　　③　要积极探索污泥处理与处置的新方法与方式，上海龙华污水厂采用转窑焚烧污泥，已初步取得成功，对于其能否大规模用于处置城市污泥可视进一步研究的效果而定。
　　④　未来的污泥处理策略是使污泥的产生、处置与环境保护之间达到一个良好的平衡，要达到这种平衡的最佳途径是污泥的资源化利用；在污泥的管理中也应采用多样化策略，应首先考虑通过改进污水厂的处理工艺等减少污泥的产量，其次应该通过严格控制工业废水的排放来控制污泥的性质，不应再走工业发达国家先污染再治理的老路，应从一开始控制工业废水的排放，为以后的污泥利用带来方便。

参考文献

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