临夏某污水厂污泥处置工艺效能分析

周远涛，张 琦，王一飞，季 洋

（1.西安创业水务有限公司，陕西 西安 710000；2.临夏市创业水务有限公司，甘肃 临夏 731100；3.西安建筑科技大学，陕西 西安 710055）

污泥作为城市污水处理的主要副产物，含有大量的氮、磷、钾营养元素和重金属物质。污水处理实践中，不仅要满足出水水质的要求，也应当对污泥等副产物进行无害化处理，避免对环境的二次伤害[1]。当前，我国污水处理后的污泥处理方式面临两大问题：一是技术不成熟，主要是浓缩、脱水、干化的处理方式和填埋、焚烧等处理手段，缺少对污泥的高效回收利用技术；二是对污泥处理缺少相关法律法规和标准。

1 剩余污泥的特征

剩余污泥主要来自污水处理厂二沉池，其特征分为物理、化学和微生物学3个特征。其中，污泥的物理特征主要包含2个指标，即含水率和热值[2]。从二沉池出来的剩余污泥含水率通常在97%以上，通过机械脱水的方式可以降低含水率，减少剩余污泥体积，便于后续处理。干化的剩余污泥的基础热值可以达到13 800 kJ/kg。热值大小影响剩余污泥焚烧处置的效果。剩余污泥的化学特征主要包含有机质、氮磷等无机元素和重金属。目前我国污泥中的有机质含量在50%～70%，低于发达国家的70%～80%，这是影响污泥能否有效进行好氧堆肥的因素之一[3]。对于富含氮磷的剩余污泥可以制作无机肥料，用于农业生产。而重金属元素含量对生态具有破坏作用。微生物学特征是指剩余污泥中含有的寄生虫、细菌、病原体等有害物质，需要在污水厂进行生物处理，避免剩余污泥对生态的破坏。

2 剩余污泥处理处置方式分析

2.1 传统污泥处理方式

2.1.1 污泥填埋技术[4]

污泥填埋技术算是比较成熟的技术，主要与其他的工业垃圾、城市生活垃圾、城市建筑垃圾一起混合填埋，具有处理成本小的特点。但随着污泥产量的日渐增多，这种填埋方式也暴露出以下问题[5]：①污泥填埋需要征用大量的土地，从大城市未来发展看，土地属于宝贵资源；②污泥填埋只是控制污泥污染物扩散范围，延缓污染物的影响时间，并没有对其进行妥善处理，所以这并不是长期的处理手段；③污泥填埋技术对土地地质结构有着严格要求，若处理不当，污泥与下层干净的填埋地混合后，有害物质会渗入地下水和周围土壤，对环境造成二次危害。由于城市污泥的产量越来越大，单纯的填埋技术已经难以符合现在的生产要求。

2.1.2 焚烧技术[6]

污泥焚烧是污泥浓缩、脱水化处理后，将污泥中可燃烧的成分在高温下进行充分燃烧成为稳定的灰渣。焚烧技术有利有弊。其优势在于通过焚烧，在高温下对污泥中的有毒有害病菌进行净化处理，有害物质将大幅度降低，并且其处理效率高，对污泥的减重、减容效果明显[7]。其弊端在于污泥燃烧设备昂贵，运行费用也不低，在对污泥进行大面积燃烧时会发生大量的化学反应，产生一氧化碳、二氧化碳、硫化物、氯化物等废气，对该区域大气产生严重污染，致使空气质量下降[8]。

2.1.3 自然风干

剩余污泥的自然风干处理成本小，并且二次危害小，但是灭菌效果差，所需占地面积大，同时污泥的恶臭气味易挥发，适用于地广人稀的区域，不适合大范围推广应用[5]。

2.2 新型污泥处理方式

2.2.1 人工湿地技术[9]

人工湿地（CW）是20世纪70年代发展起来的用于净化污水的系统，相对传统的生物处理方法，具有投资低、管理方便、利用太阳能、对污水的水质水量适应能力强等优势而被开发利用。因此，有学者设计出利用人工湿地处理污泥，这种技术就是将植物的修复功能和污泥干化床技术结合。人工湿地中的养植植物、湿地结构、基质级配、有无通风、污泥负荷、污泥投配频率、温度变化及渗滤液停留时间都是影响处理效果的因素。人工湿地植物的选择需要考虑植物的吸收能力和生长速度。如今已有湿地处理污泥的成功案例，但从运行管理来看，基质堵塞缺陷限制了人工湿地的发展。

2.2.2 微生物燃料电池技术

微生物燃料电池技术是在电化学技术基础上发展起来的，将储存在有机物中的化学能转变成电能，形成电流的技术，是非常具有潜力的新能源技术[9]。剩余污泥中含有50%～70%的有机质，可以在厌氧条件下发生厌氧水解，胞内物质和细胞内的有机质由固相不断释放到液相中，为微生物燃料电池提供相对充足燃料。由相关学者将剩余污泥作为阳极底物、CuSO4溶液作为阴极溶液构建的生物燃料电池，在降解处理污泥的同时又可以处理含铜废水和回收单质铜。微生物燃料电池的降解成本低，不仅处理了剩余污泥，还可以进行产电，是一项环境友好的技术。阴极材料含金属离子的工业废水限制了这一项技术的推广使用。

2.2.3 超声波处理技术

超声波具有特殊的能量，其声化学性能良好[7]。剩余污泥脱水处理工艺中，利用超声波的特性，在水中形成空穴现象，同时形成高温高压部位和强劲的水力剪切力，使得剩余污泥中的细胞结构被破坏，释放内部的结合水，加强了剩余污泥的脱水效果。超声波的海绵效应使得水分子在通道中更加畅通无阻，同时让剩余污泥颗粒相互之间的碰撞增多，污泥成团越来越大，便于后续运输等操作。

2.2.4 复合好氧微生物发酵技术

好氧堆肥是在有氧条件下，借助好氧微生物（主要是嗜氧菌种）的生物反应作用，有机物不断被分解转化的过程[3]。复合好氧发酵技术是指在高温好氧发酵的基础之上，在发酵装置内部投加特制的复合发酵菌。这种方式成本低，产出污泥满足相关规定并且增加一定的后续制肥工艺，发酵的产品能直接土地利用或是种植植物。

3 污泥处理工艺流程及其设计参数

结合临夏污水处理厂的地理位置及城市未来发展规划等综合性因素，上述污泥填埋、污泥焚烧技术和自然风干均不适合该污水处理厂。对于新型污水处理技术，当地没有合适的工业废水制备生物燃料电池，人工湿地在干旱的西北地区运行管理复杂，对污水处理厂工作人员的专业技术要求高，也不适合该污水处理厂。因此，结合污水处理厂剩余污泥的特性选择采用复合好氧微生物发酵工艺。

3.1 工艺概述

本工程采用污泥高温好氧发酵工艺。好氧发酵是指在有氧的条件下，污泥中的有机物通过好氧发酵微生物的作用进行分解，其代谢产物主要为二氧化碳、水和热。在好氧发酵时刻，反应装置内部的空气温度上升至55℃以上，在此温度下持续好氧发酵一定时间，高温使得污泥脱水，在杀灭病原菌和杂草种子的同时，对内部有机质进行反应降解。

3.2 污泥处理工艺流程

污泥处理工艺流程，如图1 所示。污泥经过脱水后含水率在80%左右，将此污泥再投入复合好氧发酵系统，根据统计结果，投入相应的辅料及回料。通过轨道式翻抛机让各种物料在混合过程中供氧，好氧发酵微生物在有氧条件下发生生物反应，对污泥中的有机物进行不断的分解转化。整个好氧堆肥过程，经历升温—高温—降温—腐熟4 个不同的阶段，每个阶段不同的微生物在特定环境中利用微生物群落对多相有机物进行分解，将污泥改良成稳定的腐殖质。污泥经过微生物降解腐熟后，外观呈现暗灰色或茶褐色，有土霉味，无恶臭味，质地松软。经过处理后的污泥含有丰富的有机质和氮、磷、钾等营养元素，这些都是植物生长所需的重要营养物质，对改良土壤结构具有重要作用。该技术对污泥进行无害化处理，使之成为一种产品，有利于节约资源，实现可持续发展。

图1 污泥处理工艺流程

3.3 污泥处理工艺设计参数

此工艺设计污水处理规模为9.0×104m³/d，二级处理干污泥量为15.77 t/d，深度处理泥量集中在去除SS 和P，二级处理出水SS 按20 mg/L 计，PAC 投加量按30 mg/L 计，深度处理干泥量为5.93 t/d，合计处理干污泥量为21.70 t/d，污泥含水率按99.5%计（终沉池出水），湿污泥量为4 340.2 m³/d。设计时，考虑污泥远期处理规模为90 t/d、含水率80%，近期处理规模为60 t/d、含水率80%；工艺土建部分按照远期设计规模考虑，设备配置按照近期设计规模考虑。

4 复合好氧发酵技术运行效果分析

4.1 臭气影响小

传统的污泥堆肥技术可能存在发酵不均、局部厌氧、能耗高，臭气污染严重及生物气溶胶潜在的环境污染风险等问题。本工艺采用复合好氧微生物发酵的同时，考虑到会产生氨、硫化氢、甲基硫醇等废气，因此配套生物滤池除臭技术，利用生物活性固体介质来吸收或吸附气流中的化合物，并进行后续的生物氧化。

4.2 有机有毒有害物质得到有效降解

好氧堆肥过程中的嗜氧微生物能够在适宜的条件下进行大量繁殖消耗基质并充分分解，使得污泥中的有机有毒有害物质得到充分降解。

4.3 减少辅料依赖

本工艺可在低碳氮比即C/N 为10～20 的条件下进行发酵处理，除初次启动时需要添加大量辅料（秸秆、木屑等）外，正常运行时可采用发酵回料作为辅料的一部分对污泥进行预处理，这样有效减少了外加辅料，进一步降低了运行成本。

发酵辅料的选择取决于污泥的特性以及辅料的来源和价格。发酵辅料的价格随地区的不同以及辅料运输距离的远近而不同，甚至会有较大的差异。发酵辅料的选择宜结合工程当地实际，选取当地来源广泛、价格便宜、能满足污泥发酵要求的物料。对于该工艺，木屑、秸秆、废纸、煤灰等常见物均可作为辅料，且价格便宜。

关于本工程污泥好氧发酵辅料的选择，根据当地实际，拟采用苗圃剪枝、落叶等作为辅料来源。同时，考虑到苗圃剪枝的来源存在一定的不确定性，为确保辅料来源及供给量的稳定性，本工程在利用苗圃剪枝、落叶的基础上，考虑利用周边地区稻草等作物秸秆作为备选辅料。

4.4 解决聚丙烯酰胺造成的土壤板结问题

为了实现污泥机械脱水，必须事先进行污泥调理，通常是采用化学调理，如采用聚丙烯酰胺进行调理。污泥中含有的聚丙烯酰胺较稳定，但在土壤中可使土壤板结，聚丙烯酰胺会发生缓慢的物理降解（热、剪切）、化学降解（水解、氧化以及催化氧化）和生物降解，最终生成各种低聚物以及具有神经毒性的剧毒丙烯酰胺单体，对人体造成间接或直接危害。经高温发酵处理，聚丙烯酰胺去除率达70%～80%。

4.5 处理后污泥成分分析

经过复合好氧发酵工艺处理后的污泥，其铜、锌、镍、镉、铬、铅、总汞、总砷的检测结果均满足《城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质》（GB/T 24600—2009）要求。这说明该工艺能有效地对污水厂剩余污泥进行减量化、无害化处理，避免了剩余污泥对生态环境的二次污染。

5 结语

随着城市发展规模不断扩大，污水处理产生的剩余污泥量越来越多，结合我国国情，从环境生态、经济发展等方面，对污泥实行减量化、无害化、资源化处理的趋势愈加明显。加强和促进污水厂对污泥处置方式的改变是必然的，而实行高效、经济节约的处理方式也是污水厂所需的。临夏污水处理厂采用的复合好氧发酵污泥处理技术是可行的，从实际工程上提供了适应当地实际的污泥处理方式，为周边其他县城污水处理厂进行污泥处理提供了一种示范。