摘要： 由于城市污水和工業(yè)污水截留率的提高和污水處理效率的改進(jìn)（如化學(xué)法除磷可使污泥量增加30%），使得在世界范圍內(nèi)污泥總量戲劇性地增加。

1　污泥的挑戰(zhàn)

由于城市污水和工業(yè)污水截留率的提高和污水處理效率的改進(jìn)(如化學(xué)法除磷可使污泥量增加30%)，使得在世界范圍內(nèi)污泥總量戲劇性地增加。

        土地應(yīng)用仍是污泥處置中可持續(xù)發(fā)展的一條出路，主要理由如下：

        ●碳和營(yíng)養(yǎng)物的回用；

●農(nóng)業(yè)用地的有無和遠(yuǎn)近；

●低投入和運(yùn)行花費(fèi)；

●嚴(yán)格的法律規(guī)定和控制程序以保證安全和有肥效。

然而，根據(jù)一些情況或當(dāng)?shù)匾?guī)定，污泥生產(chǎn)者在土地應(yīng)用前不得不進(jìn)行高級(jí)，更昂貴的處理以滿足進(jìn)一步的要求，如堆肥、高溫消化處理或高溫消毒。
 
但是，很大一部分污泥因?yàn)轱@而易見的原因而不能用于農(nóng)業(yè)，如微污染物、病菌超標(biāo)或缺乏肥效、距離太遠(yuǎn)等等。有時(shí)可能由于公眾的不信任。這樣，污泥或者被填埋或者通過高溫氧化銷毀。

2 污泥處理和處置的可持續(xù)性戰(zhàn)略

在進(jìn)行任何技術(shù)研究之前，應(yīng)先對(duì)公眾是否接受進(jìn)行估計(jì)。即使是從技術(shù)，成本和環(huán)境影響方面來講都是最好的處理方法，也可以由于沒有向鄰居進(jìn)行很好的解釋而遭到否定。不管最終處理方法是什么，應(yīng)該記住的是將來的處理應(yīng)是安全，環(huán)保(保護(hù)人，動(dòng)物植物)并且應(yīng)當(dāng)增值(物質(zhì)和／或能源的回收)。為了這些目的，污泥處理應(yīng)減小污泥體積，改進(jìn)污泥質(zhì)量，減少公害的排放。

在這篇文章中，我們將簡(jiǎn)介一些重要工藝，以滿足運(yùn)行者的需要，并且涉及到其他技術(shù)或法規(guī)約束問題。

2.1　土地應(yīng)用的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

作為一個(gè)起始條件，污泥應(yīng)當(dāng)至少是穩(wěn)定的，在實(shí)際運(yùn)行上既是要求沒有臭味。當(dāng)?shù)氐囊蠡驅(qū)淼姆煽赡軙?huì)更高：污泥可能被要求消毒／巴式除菌。消毒要求一個(gè)強(qiáng)制的結(jié)果：即根據(jù)法國的規(guī)定，病源體如腸道病毒，傷寒菌，線蟲，寄生蟲卵等在處理后的樣品中應(yīng)當(dāng)檢測(cè)不到。巴式除菌成為一種趨勢(shì)：如丹麥實(shí)行在70度條件下一小時(shí)。

根據(jù)處理方法(生物、化學(xué)或物理方法)和污泥的狀況(液體或粘狀物)，不同的工藝描述如下：

表1 穩(wěn)定(消毒)污泥的工藝

這些工藝大部分都有穩(wěn)定和消毒，但是消毒的程度取決于一些參數(shù)如HRT(水力停留時(shí)間)或化學(xué)投加量。

        顯然熱氧化工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了污泥穩(wěn)定，消毒和巴式消毒的要求。因?yàn)橛袡C(jī)物被完全或幾乎完全消解(這些工藝將在下一節(jié)介紹)。

下面對(duì)一些工藝做專門介紹：

2.1.1 生物污泥穩(wěn)定

(1)液態(tài)(濃縮后)

我們最熟悉和傳統(tǒng)的污泥處理方法是消化，它可以減少產(chǎn)泥量。無論好氧或厭氧，它都涉及到很多的能量?？紤]到多數(shù)較大的處理廠或地區(qū)污泥中心，此種工藝還是在數(shù)量上領(lǐng)先的。然而，其他一些操作或在消化前或在消化后，提供了增強(qiáng)的處理能力，以滿足法律的要求。

① 厭氧消化

厭氧消化是一種有效的減少污泥量的方法，因?yàn)樗褤]發(fā)性固體轉(zhuǎn)換成沼氣。它可以在中溫范圍(一般HRT＝15～20天，35度)或高溫范圍(一般HRT＝10～12天，55度)。

注釋：因?yàn)樗梢詼p少污泥的量，所以也可以作為熱氧化的預(yù)處理工藝，以減小這一昂貴的步驟(見2.2和2.3)。

中溫范圍：威望迪水務(wù)在世界范圍內(nèi)有幾百個(gè)業(yè)績(jī)。一般用沼氣攪拌，但是也有機(jī)械攪拌。因?yàn)樵谥袦胤秶?ldquo;只”有污泥穩(wěn)定，眾所周知，我們不在此過多描述。

高溫范圍：在80年代，在丹麥，水處理工藝的進(jìn)步增加了污泥的體積。他們通過增加污泥齡和池子的體積來穩(wěn)定二沉污泥。并且，考慮到二沉污泥的低能量和它不易在重力濃縮池中濃縮，它被排除在厭氧消化池之外。很多消化池被停用，或他們只被用來消化初沉。
 
中溫范圍運(yùn)行的系統(tǒng)(停留時(shí)間為20～30天，在33～35攝氏度)可以轉(zhuǎn)成高溫消化工藝(10～15天，在53～55攝氏度)。這意味著用于處理初沉污泥的消化池，只要有足夠的容積也可以處理剩余污泥，如果從中溫轉(zhuǎn)換成高溫。當(dāng)消化池有足夠的容積，改裝成高溫消化池的費(fèi)用可以根據(jù)污泥處置的費(fèi)用，在幾年內(nèi)收回。

另一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)是與傳統(tǒng)的中溫消化相比，較小的占地面積。消化產(chǎn)生的沼氣通常用來發(fā)電和加熱。工藝消耗的熱量應(yīng)盡可能的減小，用熱交換器可以保證部分熱量回收。圖1介紹典型的高溫厭氧消耗的流程和熱回收系統(tǒng)。

50到70％的熱量在泥／泥熱交換器中從消化的污泥中回收。排放的污泥量減少35%。

在Holbæk 污水廠，對(duì)污泥中病原體的含量在換成高溫消化前后進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果見表2：

表2 Holbæk(Denmark)污水處理廠污泥中病原體的含量

根據(jù)其他廠的經(jīng)驗(yàn)，如布拉格中心污水處理廠的實(shí)驗(yàn)表明，由于把消化池從中溫消化改高溫消化后泡沫的問題得到明顯改善。
 
2) 粘著態(tài)污泥(脫水后)：堆肥

堆肥是現(xiàn)有的唯一可以把污泥從廢物變成產(chǎn)品的工藝，并被很多嚴(yán)格規(guī)定或標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可。因?yàn)槲勰嘧兂梢环N輕產(chǎn)品，容易操作(可堆積)而無味，消毒良好和較干燥。這種工藝越來越流行。另一方面，由于它不減少最終的體積，需要很大的占地面積，并且需要較多人員。而且，為了滿足新規(guī)定中(臨時(shí)EU標(biāo)準(zhǔn)或EPA A級(jí))關(guān)于消毒和氣味的要求，需要更先進(jìn)的工藝如“攪拌式反應(yīng)廊道”它影響最終的花費(fèi)，與傳統(tǒng)的“粗糙”工藝如曝氣靜態(tài)堆相比。

在這個(gè)工藝中，一個(gè)移動(dòng)的輪子攪拌并推動(dòng)混合物，同時(shí)鼓風(fēng)機(jī)在曝氣。加速的生物降解產(chǎn)生一個(gè)均勻的堆。總的停留時(shí)間可以減小到2周，消毒效果非常好。

2.1.2 污泥的化學(xué)穩(wěn)定

污泥的化學(xué)穩(wěn)定包括一個(gè)投加化學(xué)藥劑的裝置，以防止發(fā)酵和氣味。大計(jì)量投加可使病原體衰減。如此這樣的工藝一般投資便宜并且容易操作。另外，固體的減少是不可能的，并且運(yùn)行費(fèi)用也是可觀的。
 
兩個(gè)可能的工藝，但他們不是競(jìng)爭(zhēng)者，因?yàn)樘盥裢恋氐馁|(zhì)量決定了工藝：顯然如果土壤是酸性的，則可以選擇加石灰，否則SAPHYR™工藝可能更適合，因?yàn)樗鼘?shí)施簡(jiǎn)單，便宜。

(1)液態(tài)：亞硝酸鹽穩(wěn)定――Nitrite stabilisation

SAPHYR™ 工藝由威望迪公司開發(fā)，它基于NOx在酸性條件下的作用(一般pH 2～3)使污泥穩(wěn)定和消毒，此外污泥的脫水性能也得到改進(jìn)。并且，無需投加其它固體。最后，處理后的污泥在不能用于農(nóng)業(yè)用途時(shí)可以焚燒，相反，投加石灰的污泥不能焚燒。

(2)粘性態(tài)污泥：石灰

這還是最常用的穩(wěn)定污泥的方法，特別是在法國，但是農(nóng)民的要求(提供免費(fèi)石灰)和消毒的要求使投加量可高達(dá)50%或者在有些情況下更多。

 
2.1.3 污泥的物理穩(wěn)定――加熱干燥thermal drying

照片2 Toulouse 污水處理廠直接干燥器(處理能量＝4噸蒸發(fā)／小時(shí))

加熱干燥包括通過熱驅(qū)動(dòng)力除去剩余的自由水和鍵連接的水。加熱的媒介或者是氣態(tài)(直接加熱)在高溫和湍流狀態(tài)下流過干燥器，或者用加熱液體(通常是蒸汽或加壓的水)傳遞熱量給污泥，通過干燥器的加熱壁(間接干燥)。加熱干燥的目的是達(dá)到下游污泥焚燒的熱持續(xù)性(一般30～35%)或者得到團(tuán)狀物(60%)或干燥的容易處理和儲(chǔ)存的污泥。如果要達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定(幾個(gè)月)，干固體含量應(yīng)達(dá)到90%或更多(最終干燥)，而且，一種顆粒的狀態(tài)是容易操作的(包括農(nóng)田應(yīng)用)。另一個(gè)終級(jí)干燥的優(yōu)點(diǎn)是它可以方便的等待各種最好的處理方法，如農(nóng)田應(yīng)用、焚燒后用于水泥生產(chǎn)、或城市垃圾焚燒。它的缺點(diǎn)：第一是花費(fèi)，尤其是能源消耗，一般在熱干燥中，每蒸發(fā)一噸水需要3400MJ的熱量。但在脫水步驟中，除去一噸水只要6MJ(電力)；第二需要很多工作人員來清除死角中的粉末以防止火災(zāi)。

2.2 可持續(xù)性熱氧化戰(zhàn)略

2.2.1 焚燒

照片 圣彼得堡的 PYROFLUID™的三維圖象

流化床焚燒爐(FBF)就工藝性能來講，被證明是焚燒污泥最好的方法(湍流方式，燃燒后高達(dá)850度的溫度)。而且它運(yùn)行可靠(在爐內(nèi)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部分)。因此威望迪已經(jīng)在世界范圍內(nèi)40年的時(shí)間里建了幾十座流化床焚燒爐(歐盟、俄羅斯、土耳其)。

通常，在穩(wěn)定狀態(tài)不需要添加額外的燃料。熱平衡的持續(xù)性是可以達(dá)到的。如果污泥的熱值LCV太低(低揮發(fā)性固體和/或固體含量)，尾氣／氣熱交換器應(yīng)該足夠大以增加風(fēng)室的溫度。如果達(dá)不到(如延時(shí)曝氣的污泥含20%DS)則需要在前面加熱干燥。

注：在圖4中粘性污泥直接進(jìn)入FBF焚燒爐，圖5中在沙泥混合器中進(jìn)行污泥予干燥以適合中等處理能力。

因?yàn)樗?00度的條件下已經(jīng)除去，熱量需求減少，因此在低DS含量時(shí)可獲得熱平衡。

如以前提到的，需要有效的尾氣處理，包括：

(１)通過熱交換器回收熱量用于予熱空氣或其它目的(預(yù)干燥加熱、建筑取暖、下游處理)；

(２)通過除塵器除去灰塵(污泥的礦物部分在這一步除去)；

(３)通過濕式設(shè)備捕獲酸性化合物(噴淋＋洗滌器)；

(４)后續(xù)處理包括 如催化去除NOx和反煙羽加熱器。

很多污水廠的分析表明，結(jié)果很好的符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

關(guān)于干灰的處置，對(duì)于沒有工業(yè)污染的純市政污泥，重金屬不是問題。因?yàn)榛沂且匝趸镄问酱嬖?，他們滲透性不強(qiáng)，所以可以回用作水泥，用于工業(yè)和道路建設(shè)。

最后的副產(chǎn)物是酸步驟的清除。由于重金屬的污染，他們只能填埋在特殊的地方，但數(shù)量很小。

2.2.2 與城市固體廢物共同焚燒

為了減少投資，城市垃圾和市政污泥通常用一個(gè)焚燒爐。通常，一個(gè)人口當(dāng)量每天產(chǎn)生150～250克的脫水后粘性污泥和1～3公斤的垃圾。根據(jù)焚燒爐的設(shè)計(jì)，可以通過10～25%(泥／垃圾)的粘性污泥來控制爐子的溫度。為了達(dá)到最優(yōu)化的燃燒，并且不會(huì)由于未燃燒的有機(jī)污泥污染熟料, 可以用處理能力為1 m3／h的 Pyromix™ 設(shè)備，通過壓縮空氣把污泥轉(zhuǎn)成滴狀污泥。實(shí)際上，這種運(yùn)行方式只有在污水廠離城市垃圾焚燒爐較近時(shí)有利，否則處理運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用將很高。此時(shí)污泥只在系統(tǒng)需要時(shí)作為控制流使用。

2.2.3 濕式空氣氧化法

威望迪水務(wù)系統(tǒng)研發(fā)的ATHOS™ 在“中性”溫度(240度)和壓力(45巴)條件下被證明是高效的。80%的總COD被氧化，剩下20%是可溶的和高度可生物降解的。不需要后續(xù)脫水步驟，廢氣沒有毒性，固體礦物副產(chǎn)品包含重金屬是以一種不可滲透形式存在的。他們可以用于道路建設(shè)。而且液態(tài)部分，含有可生物降解的COD，可以很方便的用作污水廠的反硝化的碳源。

污泥中的有機(jī)氮先降解成可溶性的氨。這些氨，部分被吹脫后通過催化反應(yīng)轉(zhuǎn)換成氮?dú)膺M(jìn)入大氣。

 
這種工藝可以應(yīng)用于中等大小的污水廠，由于沒有污染物排放，所以容易被公眾接受。

2.3 先進(jìn)的處理工藝

這些工藝融合了傳統(tǒng)的和革新的工藝，以正在建設(shè)的布魯塞爾北污水處理廠污泥流程為例(規(guī)模1.1M PE)。

此流程包含了一座濃縮后污泥(脫水后達(dá)16%)的脫水裝置，然后經(jīng)熱水解(一般180度半小時(shí))反應(yīng)以降低粘度，增強(qiáng)潛在可消化性。消化后的污泥含固率為8%(不是傳統(tǒng)消化的5%)COD含量為50 g／l。COD可以滿足濕式氧化單元的熱平衡要求而不用添加其它燃料。這樣整個(gè)處理系統(tǒng)足以自己提供能量，而且即沒有煙氣，也沒有飛灰。它滿足客戶的特殊要求，即不愿意焚燒，也不用填埋。

最后，與傳統(tǒng)的布局相比，大大減小了占地面積。

3 結(jié)論

激烈的競(jìng)爭(zhēng)，嚴(yán)格的規(guī)范和環(huán)境的要求迫使像威望迪這樣的公司開發(fā)新的工藝或用更為有效的工藝(包括來自美國的工藝)。對(duì)每個(gè)項(xiàng)目，通過對(duì)工藝的適當(dāng)合理安排可以滿足用戶的要求。需要考慮的是保護(hù)大眾和環(huán)境，優(yōu)化物質(zhì)和能源的回收利用，以達(dá)到可持續(xù)性的發(fā)展。

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