一、汙泥基礎知識

　　目前全國汙泥處理處置規模巨大，但安全處置率低。對我國的環境存在巨大的威脅。那麼如何對汙泥進行處理處置呢?

　　在說汙泥處理處置技術之前，先來了解一下汙泥處理和處置的含義：

　　汙泥處理(sludge handling or sludge treatment)：汙泥經單元工藝組合處理, 達到“減量化、穩定化、無害化”目的的全過程。

　　汙泥處置(sludge disposal)：處理後的汙泥,棄置於自然環境中(地面、地下、水中)或再利用, 能夠達到長期穩定並對生態環境無不良影響的最終消納方式。

二、汙泥分類

　　1、類型

　　原汙泥(rawsludge)：未經汙泥處理的初沉澱汙泥。二沉剩餘汙泥或兩者的混合汙泥。

　　初沉汙泥(primarysludge)：從初沉澱池排出的沉澱物。

　　二沉汙泥(secondeysludge)：從二次沉澱池(或沉澱區)排出的沉澱物。

　　活性汙泥(activatedsludge)：曝氣池中繁殖的含有各種好氧微生物群體的絮狀體。

　　消化汙泥(digestedsludge)：經過好氧消化或厭氧消化的汙泥，所含有機物質濃度有一定程度的降低，並趨於穩定。

　　迴流汙泥(returnedsludge)：由二次沉澱(或沉澱區)分離出來，迴流到曝氣池的活性汙泥。

　　剩餘汙泥(excessactivatedsludge)：活性汙泥系統中從二次沉澱池(或沉澱區)排出系統外的活性汙泥。

　　汙泥氣(sludgegas)：在汙泥厭氧消化時，有物分解所產生的氣體，主要成分為甲烷和二氧化碳，並有少量的氫、氮和硫化氫。俗稱沼氣。

　　2、汙泥處理類型

　　汙泥消化 (sludge digestion)：在氧或無氧的條件下，利用微生物的作用，使汙泥中的有機物轉化為較穩定物質的過程。

　　好氧消化(aerobic sigestion)：汙泥經過較長時間的曝氣，其中一部分有機物由好氧微生物進行降解和穩定的過程。

　　厭氧消化(anaerobic digestion):在無氧條件下，汙泥中的有機物由厭氧微生物進行降解和穩定的過程。

　　中溫消化(mesophilic digestion)：汙泥在溫度為33-53℃時進行的厭氧消化工藝。

　　高溫消化(thermophilic digestion)：汙泥在溫度為53-330℃進行的厭氧消化工藝。

　　汙泥濃縮(sludge thickening):採用重力或氣浮法降低汙泥含水量，使汙泥稠化的過程。

　　汙泥淘洗(elutriation of sludge):改善汙泥脫水性能的一種汙泥預處理方法。用清水或廢水淘洗汙泥，降低消化汙泥鹼度，節省汙泥處理投藥量，提高汙泥過濾脫水效率。

　　汙泥脫水(sludge dewatering):對濃縮汙泥進一步去除一部分含水量的過程，一般指機械脫水。

　　汙泥真空過濾(sludge vacuum filtration):利用真空使過濾介質一側減壓，造成介質兩側壓差，將汙泥水強制濾過介質的汙泥脫水方法。

　　汙泥壓濾(sludge pressure filtration):採用正壓過濾，使汙泥水強制濾過介質的汙泥脫水方法。

　　汙泥幹化(sludge drying):通過滲濾或蒸發等作用，從汙泥中去除大部分含水量的過程，一般指採用汙泥幹化場(床)等自蒸發設施或採用蒸汽、煙氣、熱油等熱源的幹化設施。

　　汙泥焚燒(sludge incineration)：汙泥處置的一種工藝。它利用焚燒爐將脫水汙泥加溫乾燥，再用高溫氧化汙泥中的有機物，使汙泥成為少量灰燼。

三、汙泥處理新技術

　　1、沉澱汙泥生物處理系統

　　該技術創新採用汙泥洗滌工藝，首先洗出汙泥中有機物質，分離無機物質汙泥土，再將有機汙泥濃縮進行高溫厭氧消化處理。

　　優點：

　　沉澱汙泥經過洗滌洗出汙泥中一半固體無機汙泥土，減少了一半生物處理量，節省工程投資和處理費用;單獨處理有機汙泥，去除了無機汙泥土在反應器中的沉澱，減少了設備磨損和反應器的維護;沉澱汙泥經過洗滌洗出汙泥中大部分容易沉澱的重金屬和無機汙泥土，提高了有機肥的品質;洗滌出的汙泥土還可生產路面彩磚、透水磚。其他創新工藝：超高溫厭氧消化、多級厭氧消化、沼渣漂浮等，汙泥生物處理速度提高了幾倍和沼氣產量提高20%以上。

　　目前國內外現有汙泥處理技術還沒有能夠達到免費處理、處置汙泥的水平。

　　2、石灰投加技術

　　脫水後的汙泥進入料斗，料斗中加入石灰和氨基璜酸，石灰投量為溼泥量的10%一15%，氨基璜酸的投量約為石灰投量的1%。由於氨基璜酸在反應過程中產生氨氣，增強了整個工藝的殺菌效果，降低了反應溫度。

　　汙泥、生石灰和氨基璜酸在料斗中攪拌後，由雙螺旋進料機推入柱塞泵進料口，通過柱塞泵送入反應器，在70℃下停留30 min，輸出的產品可達到美國EPA PART503 CLASS A標準。反應後的汙泥泵送至料倉，密封容器中產生的氣體經洗滌塔處理後排放。

　　該工藝的特點：

　　pH>12，延續時間長，殺菌徹底;高pH使大部分金屬離子沉澱，降低了其可溶性和活躍程度;汙泥的含固率可提高至30%;去除了汙泥中的臭氣，系統全密封，無環境汙染;系統全自動，操作維護簡單：加入少量氨基璜酸，減少了石灰用量和反應時間，降低了運行成本。

　　3、汙泥碳化技術
　　所謂汙泥碳化，就是通過一定的手段，使汙泥中的水分釋放出來，同時又最大限度地保留汙泥中的碳值，使最終產物中的碳含量大幅提高的過程(Sludge Carbonization o在世界範圍內，汙泥碳化主要分為3種。

　　(1)高溫碳化

　　碳化時不加壓，溫度為649—982℃。先將汙泥幹化至含水率約30%，然後進入碳化爐高溫碳化造粒。碳化顆粒可以作為低級燃料使用，其熱值約為8 360—12 540 kJ/kg(日本或美國)。

　　技術上較為成熟的公司包括日本的荏原、三菱重工、巴工業以及美國的IES等。該技術可以實現汙泥的減量化和資源化，但由於其技術複雜，運行成本高，產品中的熱值含量低，目前尚未有大規模地應用，最大規模的為30刪溼汙泥。

　　(2)中溫碳化

　　碳化時不加壓，溫度為426—537℃。先將汙泥幹化至含水率約90%，然後進入碳化爐分解。工藝中產生油、反應水(蒸汽冷凝水)、沼氣(未冷凝的空氣)和固體碳化物。該技術的代表為澳大利亞ESI公司。該公司在澳洲建設了1座100t/d的處理廠。

　　該技術可以實現汙泥的減量化和資源化，但由於汙泥最終的產物過於多樣化，利用十分困難。另外，該技術是在幹化後對汙泥實行碳化，其經濟效益不明顯，除澳洲一家處理廠外，目前尚無其他潛在的用戶。

　　(3)低溫碳化

　　碳化前無需幹化，碳化時加壓至6~8 MPa，碳化溫度為315℃，碳化後的汙泥成液態，脫水後的含水率50%以下，經幹化造粒後可作為低級燃料使用，其熱值約為15 048～20 482 kJ/kg(美國)。

　　該技術通過加溫加壓使得汙泥中的生物質全部裂解，僅通過機械方法即可將汙泥中75%的水分脫除，極大地節省了運行中的能源消耗。汙泥全部裂解保證了汙泥的徹底穩定。汙泥碳化過程中保留了絕大部分汙泥中熱值，為裂解後的能源再利用創造了條件14t。

　　汙泥水解熱幹化技術汙泥水熱幹化技術通過將汙泥加熱，在一定溫度和壓力下使汙泥中的粘性有機物水解，破壞汙泥的膠體結構，可以同時改善脫水性能和厭氧消化性能。

　　隨水熱反應溫度和壓力的增加，顆粒碰撞增大，顆粒間的碰撞導致了膠體結構的破壞，使束縛水和固體顆粒分離。

　　經過水熱處理的汙泥在不添加絮凝劑的情況下機械脫水的含水率大幅度降低。汙泥的水解宏觀上表現為揮發性懸浮固體濃度減少和COD、BOD以及氨氮等濃度增加。

　　水熱幹化技術採用漿化反應器，通過閃蒸乏汽返混預熱漿化、蒸汽與機械協同攪拌，提高了系統的處理效率;在水熱反應器中，採用蒸汽逆向流直接混合加熱的方式，強化了傳質傳熱過程，可以避免局部過熱結焦碳化：在連續閃蒸反應器中，實現了系統能量的有效回收。

　　4、微生物水解幹化蛋白提取

　　汙泥微生物通過水解破壁處理後，其胞內蛋白質和水分得以釋放，再經過固液分離後，可到含水率35-45%(減量70%以上)、有機物消減40-50%的汙泥殘渣和可資源化利用的含蛋白液體。目前天津裕川環境在該方面已取得一定成績。

　　汙泥經水解處理後，其含蛋白液體經濃縮後可作為蛋白髮泡劑和有機肥等利用，汙泥殘渣可用做覆土、綠化土、土壤改良劑和建築材料等。

　　值得注意的是，蛋白質提取工藝中保證了重金屬不會進入蛋白質，而蛋白可以用於工業製品，也可以進入農業，但這些也都要企業自身完成產業鏈整合的工作。目前裕川環境的汙泥蛋白質提取工藝已成功運用，後期有望通過產業鏈上企業間的有機協調，打通蛋白進入農業的後端產業鏈。

　　5、熱水解+厭氧消化

　　熱水解預處理技術是以含固率15%~20%的脫水汙泥為對象進行的厭氧消化技術。

　　具體而言，該工藝是通過高溫高壓熱水解預處理，以高含固的脫水汙泥(含固率15%~20%)為對象的厭氧消化技術。

　　工藝採用高溫(155℃~170℃)、高壓(6bar)對汙泥進行熱水解與閃蒸處理，使汙泥中的胞外聚合物和大分子有機物發生水解、並破解汙泥中微生物的細胞壁，強化物料的可生化性能，改善物料的流動性，提高汙泥厭氧消化池的容積利用率、厭氧消化的有機物降解率和產氣量。

　　同時能通過高溫高壓預處理，改善汙泥的衛生性能及沼渣的脫水性能、進一步降低沼渣的含水率，有利於厭氧消化後沼渣的資源化利用。

　　此工藝已在歐洲國家得到規模化工程應用。

　　與傳統消化相比，該工藝具備以下特色：

　　(1)有機物轉化率高

　　(2)無害化水平提高，完全殺滅病原菌，泥餅達到A級;

　　(3)PH略高，可降低沼氣中的H2S和CO2濃度，使CH4含量提高;

　　(4)減少汙泥體積，提高汙泥穩定性。

四、未來的主流技術

　　借鑑國際經驗，未來汙泥處理處置的技術發展主要有四條路徑：

　　1、沼氣能源回收和土地利用為主的厭氧消化技術路線

　　厭氧反應流程：

　　厭氧消化具有以下優點：

　　1)提高後續處理的效率並減少後續處理能耗。通常認為厭氧反應可以實現汙泥減量化、穩定化。通過厭氧反應，汙泥中有機物去除40%-60%，有害病菌減少。此外，厭氧消化提高汙泥脫水穩定性，讓焚燒等後續處理減少35%以上的能耗。

　　2)厭氧消化成本較低。根據《中國環境報》統計，單純厭氧消化投資成本約為20-40 萬元/(噸/日)，由於不用鼓風曝氣等，節約了成本，單純厭氧消化運行費用約為60-120 元/噸(含水率80%，不包括濃縮和脫水)，而好氧發酵運行費用為120-160 元/噸。

　　歐美50%以上的汙泥採用厭氧消化處理，產生的沼氣轉化為電能可滿足汙水廠所需電力的33%～100%。

　　但汙泥厭氧消化在我國應用的並不順暢。我國建設的約50 座汙泥厭氧消化設施中，可以穩定運營的只有20 餘座。

　　主要原因是由我國汙泥泥質差、處理廠運行管理水平低。我國汙泥含砂量較高、有機物含量較低、汙泥可生化性差，消化設備運行的穩定性和產沼氣率等指標普遍未達到國外標準。此外，我國缺乏沼氣利用的激勵機制，設備的投資費用高，系統運行較為複雜不易掌握。

　　不過採用鹼解處理、熱處理、超聲波處理、微波處理等方法對汙泥進行預處理，可以提高汙泥水解速率，改善汙泥厭氧消化性能。並通過項目經驗的積累，企業也逐步掌握了較為全面的操作技能。汙泥厭氧消化技術會是未來的一個主流方向。

　　2、土地利用為主的好氧發酵技術路線

　　好氧堆肥是在有氧情況下，通過微生物的發酵作用，將汙泥轉變為肥料的過程。其中有機物料代謝為二氧化碳、水和熱。

　　好氧堆肥的優點包括：

　　1)發酵效率高，穩定化時間相對短;

　　2)臭味少，實現滅菌;

　　3)含水率可降到40%;

　　4)汙泥成品主要用於修復鹽鹼地、城市綠化、垃圾場覆蓋以及建築等方面用土;

　　5)並衍生出蚯蚓生物堆肥等來強化堆肥效果，比如興蓉環境和綠山的合作。

　　堆肥的難點主要包括：

　　1)能量淨支出，通風能耗費用佔比80%;

　　2)需對好氧堆肥運行的不同階段的合理通風量加強研究;

　　3)缺少C/N 等控制因素的理論研究，致使存在調理添加劑使用過多的情況。

　　汙泥經發酵後轉化為腐殖質，可限制性農用、園林綠化或改良土壤，從而實現汙泥中有機質及營養元素的高效利用，設備投資少、運行管理方便。

　　但佔地面積大、發酵產品存在重金屬汙染等缺點使得好氧發酵技術在我國較難發展。

　　目前汙泥好氧發酵工程可採用高效、快速、穩定、集約化的設計、運營模式，可實現佔地面積的大幅縮小;此外，研究表明我國城市生活汙泥的重金屬超標比例約5%，汙染風險較小，不應該成為限制汙泥發酵產品土地利用的主要障礙。

　　因此，在《城鎮汙水處理廠汙泥處理處理技術指南(試行)》中，“好氧發酵+土地利用”也被列為推薦技術路線。該技術在相對欠發達地區，應用前景較大。

　　3、汙泥幹化-焚燒技術路線

　　長期以來，國人對汙泥幹化焚燒工藝存在誤讀，普遍認為它是一種高能耗工藝和高碳排放工藝。實際上，國際上汙泥焚燒能量可以達到自給，不同工藝能耗來看，焚燒工藝(～100kW/t)與堆肥工藝(>100kW/t)相當。

　　焚燒實現徹底處理和處置，而堆肥後續需要考慮儲存、運輸等能耗。而且，汙泥中的有機質焚燒是碳中性的。此外，人們還誤認為汙泥焚燒特性與垃圾相同是二噁英排放源。

　　幹化焚燒工藝的設備投資較大，焚燒產生的煙氣汙染嚴重，還需建立完善的煙氣處理系統，這也加大了汙泥的處理費用。因此幹化焚燒工藝一般適用於用地緊張且經濟發達的地區。

　　隨著對碳減排和汙泥生物質資源認識的不斷加深，幹化焚燒工藝在國外的應用圍開始減少。然而現階段，在我國汙泥厭氧消化和好氧發酵技術還未成熟的情況下，汙泥幹化焚燒在一定時期內可能會出現增長的態勢，尤其是工業窯爐協同焚燒的方式。

　　4、建材利用為主的汙泥高幹脫水處理技術路線

　　大家對汙泥高幹脫水技術的普遍認知還停留在投加大量化學藥劑，導致減容不減量;且藥劑對後續汙泥焚燒、土地利用、建材利用等產物影響;是臨時性、應急汙泥處理處置技術路線等。

　　目前採用的高幹脫水工藝，投加大量藥劑未達到減量效果，且未與後續處置相結合，將阻礙汙泥處理技術發展，導致劣幣驅除良幣的現象。