污泥固化稳定技术在南太子湖环境整治中的工程应用分析

李 铭，余太平，杨 早，包申旭

(1.中南建筑设计院股份有限公司，湖北武汉 430000；2.长江生态环保集团有限公司，湖北武汉 430000；3.武汉理工大学，湖北武汉 430000)

近年来，城镇各类水环境整治工程大力推进，初步固液分离后污泥量呈快速增加趋势。十三五期间全国污泥处理(以80%含水率计)处置规模达到6.01万t/d，其中，设市城市为4.56万t/d，县城为0.92万t/d，建制镇为0.53万t/d。规划到2020年底，地级及以上城市污泥无害化处置率达到90%，其他城市达到75%，县城达到60%，初步实现建制镇污泥统筹集中处理处置的发展目标。《中国污泥处理处置市场调研与未来预测报告(2019版)》显示，我国主要污泥处理方式填埋、堆肥、自然干化、焚烧这4种占比分别为65%、15%、6%、3%。目前，仍以填埋为主，加之城镇污水处理企业处置能力不足、大量城市综合污泥未规范化处理，含水率高，含有机物、微生物及寄生虫卵，易腐败变质，会造成严重的二次污染[1]。

现阶段污泥处理处置技术以达到减量化、稳定化、无害化为目标，常见有厌氧消化、好氧发酵、深度脱水、热干化、固化稳定和焚烧技术，各种工艺有对应适合应用场景。其中，焚烧法处理处置污泥可最大程度地实现“减量化、稳定化和无害化”，但投资运维成本很高，且尾气排放量大，处理不当易造成二次污染，民生影响度敏感。固化稳定技术投资小，运行成本低，占地面积小，操作管理简单，同时可有效灭菌且无再生的风险；缺点是因投加固化药剂反应，减量化程度相对其他工艺不高，但无害稳定化后泥料可作为建材基材、路基辅料、工程场平回填土等使用，尤其适合应急过渡阶段或过程性处置。经济性方面，固化稳定技术的建设投资和运行成本是最低的[2]。2009年《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策(试行)》发布以来，对污泥进行固化调理和稳定化处理成为国家鼓励采用的技术路线之一，近年来该类工艺越来越多地应用于工程项目。

本文通过对武汉市南太子湖泊岸边污泥堆场环境综合整治工程项目介绍，对采用的污泥固化稳定技术各项处理指标效能及影响因素进行分析，总结归纳工程应用的共性之处，为类似项目建设提供技术参考，并展望污泥资源化利用处置类技术发展。

1 项目概况

污泥堆场地处湖畔，近年来周边商住开发程度渐增，政府对地块所在区域进行了建设规划，需进行清淤综合治理再平整场地，使之形成市政公用绿地。地块积存污泥经历长时间的堆积，自然条件下降解的速率很慢，必须依靠工程处理措施来实现堆场污泥改性，实现无害化处置。场内污泥占地面积约29 664 m2，边侧泥层深度为1.6～2.2 m，污泥平均深度约2.7 m，综合污泥总量约8.1万m3。图1为项目区位图，图2为堆场现场原状图。

图1 项目区位图Fig.1 Project Location

图2 堆场现场原状图Fig.2 Original Status of Sludge Yard

2 工程设计总体思路

2.1 原始污泥性质及处理标准

积存污泥长时间堆积，去除表层后依然表现为原始污泥性质，经取样分析主要指标如表1所示。深度处理后污泥含水率、有机质、重金属、卫生指标达到我国《城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质》(GBT 24600—2009)和《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》(GBT 23486—2009)标准。

表1 原污泥性质Tab.1 Properties of Raw Sludge

2.2 污泥处置方案比选

地块堆置污泥总量约为8.1万m3，按300工日计算，日处理规模为270 m3/d堆置污泥(含水率以80%计)。根据项目所处区域污泥消纳途径，较成熟可行的有2种方案：打包外运至专项处置公司和就地固化稳定化处理进行场地平整，技术经济比较如表2所示。

方案二经济性略优，且在项目建设管理、适应条件和环境影响等技术方面具备优势，综合比较后确定污泥就地处理作为土地改良场平填方再利用为污泥处置方案。降低污泥含水率后再覆盖少量外运回填植土满足绿化和无害化再利用要求。

表2 处置方案经济技术比较表Tab.2 Economic and Technical Comparison of Sludge Disposals

2.3 污泥深度处理方案

污泥深度处理工艺有：污泥消化+深度脱水、好氧堆肥、污泥热干化、复合碱基稳定+深度脱水等。

2.3.1 复合碱基稳定化技术

复合碱基稳定化技术是通过向污泥中投加特制稳定化材料混合反应，降低污泥含水率的同时提高污泥的温度和碱性，利用污泥物化改性机理破坏污泥中微生物的细胞结构，实现杀灭病原体和产臭微生物并防止其增长的目的；且能对其中的少量重金属起到钝化作用，将其固定在固化形成的网链(晶格)中[3]，降低其迁移性，从而降低污泥危害性，提高稳定性。

投加的固化剂为复合药剂，包含复合碱基药剂CGM1，主要成分为石灰、活性氧化镁、铁粉、水泥、粉煤灰等；胶凝添加剂CGM2，主要成分为粉末活性炭、水石膏等；骨架材料CGM3，主要成分为膨润土、黏土。固化剂投加比例控制在15%～30%。每1 kg复合剂能以化学形式结合去除0.32 kg水[4]。其中，氧化镁具有较强缓冲性能的活性和吸附能力，以及安全可靠不具腐蚀性等独特性能。作为一种环境友好型的第三种碱的弱碱，不仅不会造成环境危害，而且对于植物有很好的促进抗病、抗旱、抗寒作用，对酸性土壤的改良和提高作物产量方面有直接重要作用[5]。试验证明，污泥温度提高至55 ℃以上、pH值达到12(保持2 h)时，投加固化剂能使致病微生物得到有效去除，臭味气体的产生也能大大减少。处理后污泥还会发生后续反应，通过结合水分子以及水分蒸发达到干化效果，可增加固体物质的比例和硬度[6]。用较少药剂量就可实现污泥干化与稳定化的目的，改善储存运输形态，是一种投资较少、系统简单、效果良好的处理方法。

考虑到项目以场平填方作为消纳方式，处理后污泥含固率在50%～60%，同时，场地内长期露天堆放含有砂石、生活垃圾等各类杂物，复合碱基稳定化处理工艺的稳定性适用于本项目。

2.3.2 污泥资源再利用

污泥经固化稳定处理后的产品呈颗粒状，性状疏松，后续分解过程促进土壤团粒结构形成，改善植物对碳素的吸收；配合其他有机肥料与营养添加剂，可有效提高土壤肥力，改善植物抗逆性。污泥经碱基稳定化技术处理后，富含氮、磷等营养元素，可在园林绿化、土壤改良方面进行广泛资源化利用。图3为污泥堆场原状，图4为堆场固化处理后的干化污泥。复合碱基稳定化处理后产品的各项指标如表3所示。

固化剂对重金属也具有良好的固化稳定作用，处理后污泥中铬、铅、铜、镍等重金属的浸出浓度远低于国家有关指标，经试验测定各类重金属指标如表4所示。处理后的污泥符合国家有关标准，完全可以在土壤改良或园林绿化方面进行资源化土地利用。

图3 污泥堆场原状图Fig.3 Original State of Sludge Yard

图4 堆场固化处理后的干化污泥Fig.4 Solidified Sludge in the Yard

表3 碱基稳定化污泥工艺指标表Tab.3 Indexes of Base Stabilized Sludge

3 污泥固化试验效果分析

3.1 药剂投加率对含水率的影响分析

中试试验中，通过投加15%～30%不同比例的碱基复合药剂多批次污泥对比反应后样品含水率，得出添加量为20%时经济效能比最佳。投加20%比例碱基复合剂时：搅拌2 min，放置30 min，污泥含水率由80.8%降低至59.3%；搅拌5 min，放置30 min，污泥含水率由80.8%降低至62.2%；搅拌8 min，放置30 min，污泥含水率由80.8%降低至61.8%，如图5所示。

表4 碱基稳定化污泥重金属含量Tab.4 Heavy Metal Contents of Base Stabilized Sludge

图5 碱基稳定化中试含水率变化Fig.5 Water Contents in Pilot Tests

生产试验(药剂加量为20%)中，污泥含水率由80%左右可降为40%左右。技术生产试验的效果显著好于中试试验，原因是生产试验混合更均匀和产生的热量被高效利用。采用散堆方式对污泥堆置脱水效果显著好于垛积方式。当堆置第9 d时，药剂添加量为20%的污泥含水率由干化后的59.3%，垛堆时降至45.3%，散堆时降至30.9%，如图6所示。

图6 碱基稳定化生产试验含水率变化Fig.6 Water Contents in Engineering Tests

污泥碱基稳定干化效果如图7所示，大量试验与工程应用得出碱基复合药剂投加比例与污泥含水率变化之间的大致关系如表5所示。

3.2 药剂投加率对有机物含量影响分析

复合碱基稳定工艺对污泥有机物含量去除效果显著。通过投加15%～30%不同比例的碱基复合剂污泥对比反应后样品有机物含量，以投加20%碱基药剂为例，搅拌2 min，放置30 min后，污泥有机物含量由78.5%降低至26.8%，此比例的量能效比最佳，如图8所示。

图7 污泥碱基稳定干化效果示图Fig.7 Status of Base Stabilized and Dried Sludge for Different Compound Dosages

表5 碱基药剂投加量与含水率的变化关系Tab.5 Water Contents of Sludge for Different Base Compound Dosages

生产试验(药剂添加量为30%)中，不同批次污泥有机物含量(均值)由75%可降为16%左右，如图9所示。通过对不同污水厂污泥的对比分析，发现原泥有机物含量越高，碱基稳定化后有机物含量的降低也越显著。考虑到药剂无机物自身增量因素，有机物削减率约为60%～73%。

图8 小试有机物随反应时间变化Fig.8 Variation of Organics with Reaction Time in Lab Test

图9 批次泥样有机物含量对比Fig.9 Comparison of Organics in Sludge Samples

3.3 堆置时间的影响分析

通过各批次不同投加药剂比例的试验，发现污泥堆置1 d后有机物含量基本趋于稳定，如图10所示，但含水率还会进一步随散堆时间的增加而进一步降低，如图11所示。

图10 有机物含量随堆置时间变化Fig.10 Variation of Organics with Stacking Time

图11 含水率随堆置时间变化Fig.11 Variation of Water Contents with Stacking Time

3.4 稳定重金属效果分析

污泥中重金属最重要的载体是有机质和硫化物，超过50%以上的铜、铅、锌、镉、铬以有机态或硫化物的形式存在。添加复合碱基稳定化材料后污泥pH将提高，重金属将与OHˉ结合，形成不溶态或络合态的稳定状态，降低了重金属在环境中的迁移性，同时降低了对环境的污染风险。此外在稳定化过程中，形成比表面积很大的凝胶结构，将重金属离子包缚起来或吸附到带电表面，起到封闭重金属的作用。

3.5 对卫生学指标影响分析

加入复合碱基药剂在水和反应作用下温度升至55 ℃以上、pH值由7.0迅速升至12.0左右，对污泥具有显著的杀菌作用，碱基稳定化后大肠菌群由原泥的2.08×106MPN/(100 g)降低为1.45×105MPN/(100 g)，堆置10 d后降为8.6×103MPN/(100 g)，满足《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥》(GBT 23486—2009)标准。

4 工程设计与实施

工程项目包括清淤、污泥深度处理以及最终处置3部分。清淤是前置预处理环节，污泥深度处理是核心部分，最终处置是后续环节。

4.1 污泥处理流程及平面布置

复合碱基稳定化系统工艺包含：(1)污泥给料系统；(2)药剂计量与投加系统；(3)物料混合反应系统；(4)出料输送系统；(5)气体净化系统。工艺流程和平面布置如图12、图13所示。

图12 工艺流程图Fig.12 Process Flow Chart

图13 污泥处理系统布置图Fig.13 Layout of Sludge Treatment System

4.2 固化养护及除臭

固化反应后污泥早期强度较低，自然养护需4～7 d才能达到设计强度，不仅养护场地面积偏大，而且不利于固化过程中的尾气控制；项目采用机械强化养护的方式，通过定期翻抛，将养护时间缩短至2 d左右。养护场紧临处理站，平面尺寸为40 m×30 m，面积为1 200 m2。

固化和养护会释放一定量的氨、小分子有机物，为控制场地环境，设置除臭系统1套，系统采用高压雾化喷洒系统、高压雾化喷嘴技术，微小工作液颗粒均匀分布在除臭空间内，与空间内臭气分子充分接触、反应、分解，从而消除异味。沿卸料仓外壁顶部斜对角各布置1套雾化喷嘴，养护区域每隔约6 m布置1套，设计38套雾化喷嘴，1台高压雾化喷洒主机。喷淋除臭系统全自动控制，可24 h连续运行，运行时段内，空间喷雾的运行程序可根据需要调整，设2～3支路控制各除臭空间，可同时运行或单独运行。

4.3 处置工程实施

4.3.1 分区处置

基于现场施工机械控制范围、可利用周转场地及场地处理施工条件，沿污泥坑坝体划分为约20 m宽单元格，采用分块顺序推进施工方式进行污泥处理，图14为平面分区网格图。

图14 平面分区网格图Fig.14 Grid Chart of Plane Division

采用钢板桩围堰后，逐步完成围挡范围内的淤泥送入污泥处理系统。分区清淤完毕后形成回填作业面，底部淤泥层可采用原位固化方式，就地固化，提高场地基础强度，达到施工条件后进行回填处置，如此逐步推进。

4.3.2 雨水导排

沿施工便道周侧及堆场北侧设排水沟，通过D100盲管垂直接入，将下渗雨水汇集后排至场外水体。沟宽0.4 m，内高0.5～0.8 m，沟内坡度不小于0.3%。图15为排水沟设计断面图及平整后现场实景。

图15 排水沟设计断面图及平整后现场实景Fig.15 Designed Section of Drain and Photo on the Site

4.3.3 终场覆盖

封场覆盖层共0.9 m，由下至上包括顶部隔断层、疏水层和表面覆土层。顶部隔断层由0.3 m厚压实黏土层构成，用来阻挡地表降水渗入填埋层，有效减少渗滤液的产生量。在隔断层表面铺设0.3 m厚卵石作疏水层，在填埋场四周设置雨水排水盲沟，沟内铺设排水管，地表水入渗至隔断层后，在疏水层内沿场顶坡度流进排水盲沟，经排水管引出场外。疏水层上覆盖0.3 m厚的回填土层，为防止雨水冲刷，表层覆盖营养土壤。

5 结论与展望

5.1 主要结论

(1)污泥堆场环境综合整治工程项目采用绿化用地土壤改良资源化利用作为处置方式，经比选采取复合碱基稳定技术对污泥进行无害化和稳定化处理。项目于2017年12月开工，2018年底完成施工并通过竣工验收。经过3年定期监控抽样送检、稳定实现了污泥无害化、稳定化目标，消除了周边的生态环境污染风险，改善了区域环境，工程效果显著。

(2)实际生产中固化剂投加量为20%时能效比最佳，混合后污泥含水率由80%降至40%～60%，有机物由78%降至16%～26%。

(2)污泥堆置1 d后有机物含量基本稳定在20%～25%，堆置7 d含水率会进一步降低至50%以下，实际工程中宜进行机械翻抛缩短后期自然堆置时间。

5.2 工程建议与展望

(1)混合体系传质是反应速度的控制因素，尽量避免“挤压”，在“柔和”的条件下进行，以保持自有的较松散结构，有利于混合与扩散实现接触表面最大化，在短时间充分均匀混合。分散均度越高，反应速度越快，用量越节省。

(2)固化反应进程较长，在后续输送及堆积过程仍在进一步反应，应考虑有利于后续反应及水汽蒸发的工程条件。

(3)可向污泥中混入不同的物料比例复合剂对应各种利用形式。如可按一定比例添加粉煤灰、锯末、秸秆粉等物质，以达到节省碱基药剂、增加副产品营养成分和调节pH的效果，用作景观种植土地利用。

(4)随着近年来城市大力推进的水体治理、排水管涵清淤疏浚以及污水处理厂扩建等系列项目的陆续开展和实施，城市综合污泥量逐年大幅增加。

目前，我国占比最大的污泥填埋处置成本相对较低，操作简单，日渐缩小的填埋库容与城市中心建成区的快速发展延扩的矛盾日益凸显。逐步替代填埋的焚烧处置又面临投资巨大、项目选址困难、民生投诉和维稳等系列问题。

(5)污泥资源化技术发展被看作是污泥处置的又一重要出路，可以一定程度地解决填埋和焚烧方法中存在的问题，且其本身具有经济、可行性高等优点，有着广阔的发展前景。通过对固化稳定技术的进步研究及其推广应用，对有效消纳城市综合污泥具有重要的意义。但发展过程也不可避免会存在一些问题，需不断对其加以研究解决。