陳啟東，孫越高

（1.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟215500；2.蘇州大學(xué)機(jī)械學(xué)院，江蘇蘇州215000）

城市污泥資源化處理技術(shù)及其裝備的現(xiàn)狀和前景展望

陳啟東1，孫越高2

（1.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟215500；2.蘇州大學(xué)機(jī)械學(xué)院，江蘇蘇州215000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)和城市化的迅速發(fā)展，城市污水處理廠污泥不斷增多，污泥的處理及資源化利用已經(jīng)成為當(dāng)前急需解決的問題.本文綜述了國內(nèi)城市污泥的處理現(xiàn)狀；探討和介紹了城市污水處理中污泥處理處置的技術(shù)及其裝備；介紹了一些污泥資源化處理的新技術(shù)；給出了今后污泥資源化處理處置的發(fā)展趨向.

污水處理廠；污泥處理處置；資源化；新技術(shù)；發(fā)展趨向

城市污泥是指城市生活污水、工業(yè)廢水處理過程中產(chǎn)生的固體廢棄物［1］.隨著城市污水處理廠不斷的建成和使用，污泥量的增加速度越來越快.如果這些污泥只是進(jìn)行簡單的填埋處理，將會(huì)引起嚴(yán)重的二次污染.如何進(jìn)行妥善安全的處理，使其無害化、減量化，最終達(dá)到資源化，已經(jīng)成為深受關(guān)注的重大課題［2］.另一方面，鑒于設(shè)計(jì)和使用等諸多方面的因素，目前只有少數(shù)的污水處理廠采用機(jī)械濃縮設(shè)備以及離心脫水等設(shè)備，大部分城市污水處理廠仍舊采用單一的機(jī)械設(shè)備.

1　城市污泥處理現(xiàn)狀

1.1我國城市污水廠污泥的成分特點(diǎn)

我國城市污水中工業(yè)廢水的比重較大，故污泥中重金屬含量比較高.污水廠污泥主要是可溶解的有機(jī)生物和不可溶解的無機(jī)物.我國的污泥特征為碳水化合物含量高；有機(jī)物質(zhì)和脂肪含量低；污泥中含有大量可被植物利用的營養(yǎng)成分，如氮、磷、鉀等［3］；污泥具有較高的熱值，在一定含水率下具有自燃和用作能源的可能性［4］.

1.2國內(nèi)城市污泥處理的現(xiàn)狀

據(jù)《城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，截止2014年底，我國城鎮(zhèn)的污水處理能力已經(jīng)達(dá)到每天1.52億噸，由此帶來的城市污泥年產(chǎn)量超過3500萬噸（含水率為80%）.“十二五”規(guī)劃中，對(duì)污泥處理處置的目標(biāo)為：相關(guān)建設(shè)投資超過300億元，增加污泥處置能力每年500萬噸，折合濕泥2500萬噸，城鎮(zhèn)的污泥無害化處置率需達(dá)到80%.污泥的處置已經(jīng)成為需要重點(diǎn)解決的問題.目前，常見的污泥處理方法主要有土地填埋、焚燒法、生物堆肥和厭氧消化.

1.3我國污泥處理現(xiàn)狀分析

目前，我國在污泥處理過程中，填埋占據(jù)了較大的比例，農(nóng)用也占一定比例，焚燒只占據(jù)了相當(dāng)小的比例.圖1給出了我國處理污泥各種方法所占的比例［5］.由于填埋會(huì)消耗大量的土地資源，污泥中含有的大量重金屬對(duì)植物有毒害作用，并且會(huì)對(duì)地下水造成污染.因此，填埋法作為城市污水廠污泥的處置方法，應(yīng)該減少其比例.

圖1　中國處理污泥各種方法所占比例

針對(duì)目前我國城市污泥處理的現(xiàn)狀，科技部在“十二五”期間啟動(dòng)了關(guān)于市政污泥資源化處理的重點(diǎn)專項(xiàng)（節(jié)能降耗市政污泥處理與能源化利用技術(shù)與工程示范）.該專項(xiàng)根據(jù)我國各地的市政污泥和相關(guān)資源的具體情況.提出了處理城市污泥的幾種關(guān)鍵技術(shù)：污泥摻混制備生物質(zhì)燃料技術(shù)、污泥制陶技術(shù)、污泥厭氧發(fā)酵技術(shù)、污泥濃縮脫水干燥技術(shù)、污泥重金屬處理技術(shù)、污泥發(fā)酵制肥技術(shù)等.目前各方向課題組都已完成中試進(jìn)入結(jié)題驗(yàn)收階段.污泥摻混制備生物質(zhì)燃料技術(shù)包括：污泥與褐煤半焦粉摻混技術(shù)、污泥與植物秸稈摻混技術(shù)、污泥與煤摻混制備水煤漿技術(shù).作者承擔(dān)了污泥摻混制備生物質(zhì)燃料中污泥摻混植物秸稈制備生物質(zhì)燃料的子課題.針對(duì)我國廣大小城鎮(zhèn)秸稈資源豐富且焚燒污染環(huán)境的問題，項(xiàng)目通過將秸稈粉碎后與干化污泥摻混造粒制備生物質(zhì)燃料，利用燃料燃燒后產(chǎn)生的部分高溫?zé)煔猓昧骰布夹g(shù)將污泥快速干化，通過特制的生物質(zhì)鍋爐燃燒以達(dá)到資源化利用.燃燒后的煙氣經(jīng)處理后達(dá)標(biāo)排放.項(xiàng)目解決了污泥快速干化關(guān)鍵技術(shù)、污泥秸稈摻混造粒技術(shù)、煙氣處理關(guān)鍵技術(shù).使我國污泥資源化利用技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平.目前城市污泥處理還存在著一些關(guān)鍵的技術(shù)問題：污泥濃縮脫水干燥技術(shù)中，雖然現(xiàn)在已有強(qiáng)力壓濾機(jī)，可將污泥的含水率控制在65%左右，但壓成的泥餅堅(jiān)硬，不利于后期的資源化利用；在污泥的焚燒技術(shù)當(dāng)中，污泥的焚燒溫度［6］必須控制在800～1100℃之間；污泥重金屬處理技術(shù)并不是相當(dāng)完善等等.這些問題還需要今后進(jìn)一步研究和完善.

2　城市污水處理中污泥處理處置技術(shù)及其裝備

2.1太陽能污泥干燥技術(shù)及設(shè)備

在污泥處理處置的過程當(dāng)中，污泥干燥和焚燒是最完全、最穩(wěn)定的處理手段.但在焚燒過程中易產(chǎn)生硫氧化物、二噁英、氮氧化物等污染物，會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染［7］，因此對(duì)污泥干燥技術(shù)［8］的研究就顯得尤為重要.饒賓期、曹黎［9］研究利用太陽能熱泵對(duì)污泥進(jìn)行干燥，整個(gè)干燥系統(tǒng)包括干燥箱、太陽能系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)和控制系統(tǒng).干燥箱內(nèi)部設(shè)置輸送帶，兩側(cè)配置熱泵供熱系統(tǒng)和太陽能供熱系統(tǒng).風(fēng)機(jī)、制冷器、壓縮機(jī)、冷凝器等組成熱泵系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)、水泵、集熱真空管等組成太陽能供熱系統(tǒng).干燥箱、熱泵供熱系統(tǒng)以及太陽能供熱系統(tǒng)通過風(fēng)管連接，風(fēng)管上設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和風(fēng)量傳感器.結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2　太陽能熱泵干燥系統(tǒng)示意圖

太陽能熱泵干燥系統(tǒng)通過太陽能的熱能和熱泵產(chǎn)生的熱能對(duì)污泥進(jìn)行干燥.此過程當(dāng)中，太陽能為熱泵干燥的輔助熱源；熱泵干燥采用逆卡諾原理，在壓縮機(jī)的作用下，冷媒在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，同時(shí)不斷吸收空氣的熱量并轉(zhuǎn)移到干燥箱之中.

2.2污泥脫水干燥一體化技術(shù)及設(shè)備

目前國內(nèi)外有關(guān)污泥脫水主要采用如下方法：板框壓濾機(jī)［10］對(duì)污泥脫水、箱式隔膜板框壓濾機(jī)［11］對(duì)污泥脫水、普通帶式過濾機(jī)對(duì)污泥脫水、離心脫水機(jī)對(duì)污泥脫水.板框壓濾機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)簡單、處理量大，缺點(diǎn)是功耗大、需要的勞動(dòng)強(qiáng)度大；箱式隔膜板框壓濾機(jī)具有處理量大、濾餅含水率低的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗較大；普通帶式過濾機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是其自動(dòng)化程度高、耗能小，缺點(diǎn)是處理量低、濾餅含水率較高；離心脫水機(jī)具有自動(dòng)化程度高、處理能力大等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是功率消耗大、濾餅含水率高.

國內(nèi)外有關(guān)污泥脫水干燥主要采用如下方法：滾筒式污泥干燥機(jī)、帶式污泥干燥機(jī)［12］、耙式攪拌污泥干燥機(jī).滾筒式污泥干燥機(jī)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、處理量大，缺點(diǎn)是功耗大、綜合運(yùn)行成本高、設(shè)備占場(chǎng)地大；帶式污泥干燥機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是漏灰問題不易解決、功耗大、設(shè)備占地面積大；耙式攪拌污泥干燥機(jī)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，熱效率高，但具有功耗大、污泥粘耙問題不易解決等缺點(diǎn).

經(jīng)過多年的研究，在反復(fù)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，污泥資源化利用課題組開發(fā)設(shè)計(jì)了一種“污水處理廠污泥：螺旋濃縮→帶式振動(dòng)壓榨→振動(dòng)干燥一體化脫水與干燥成套設(shè)備”，如圖3所示.該設(shè)備與傳統(tǒng)脫水與干燥設(shè)備相比，生產(chǎn)效率提高25%～30%，綜合運(yùn)行成本降低15%～20%，干燥后的污泥可以直接送發(fā)電廠作燃料，同時(shí)也解決了冬季污泥因含水率高無法運(yùn)輸問題.

圖3　污泥脫水干燥一體化處理工藝流程圖

2.3污泥干燥流化床技術(shù)及設(shè)備

普通的機(jī)械脫水不能夠?qū)⑽勰嗌疃让撍?，?dāng)前很多專家都認(rèn)為流化床干燥是深度脫水的有效方式.袁東成、黃亞繼等［13］研究了濕污泥在流化床中的干燥特性；張健、顧劍等［14］提出了一種流化床污泥系統(tǒng)工藝的優(yōu)化；李亞云［15］對(duì)循環(huán)流化床一體化污泥焚燒工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；Vaxelaire等［16］成功搭建了對(duì)流干化的實(shí)驗(yàn)裝置，研究了污泥干化勢(shì)能和污泥干化動(dòng)力學(xué)等.

流化床污泥干燥機(jī)具有干燥速度快、流化床內(nèi)部溫度較容易控制、時(shí)間選定容易等優(yōu)點(diǎn).此種技術(shù)可以得到含水率極低的干燥污泥.在污泥干燥方面，流化床技術(shù)具有極其廣泛的應(yīng)用前景.

2.4污泥旋流分離裝置

通過調(diào)查分析，蘇州地區(qū)（以常熟市為例）污水處理廠污水處理的基本流程為：進(jìn)水→粗格柵及進(jìn)水泵房→細(xì)格柵及旋流沉沙池→水解酸化池→…→濃縮池→勻質(zhì)池→污泥脫水機(jī)房→泥餅外運(yùn)處置，在污泥脫水過程之前污水池中污泥的含固率大約在0.8%-1%，若在污泥脫水之前將污泥進(jìn)一步濃縮，可以很大程度上提高污泥脫水過程中壓濾機(jī)或者離心機(jī)的工作效率，降低污水處理的成本.污泥資源化利用課題組針對(duì)上述問題，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了一套旋流分離裝置.通過復(fù)合型旋流分離器［17-18］，使得污泥在壓濾機(jī)或離心機(jī)處理之前便得到很大程度的濃縮.經(jīng)離心分離濃縮后的污水中污泥的含固率超過3%.可大大提高帶式慮壓機(jī)的污水處理能力.該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、壓力損失小、處理能力大等特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示.整個(gè)裝置主要包括直管段、上小下大喇叭口形管、方形管、整流器、螺旋導(dǎo)流葉片、圓弧管以及斜切單入口式的旋流分離器.

圖4　復(fù)合型旋流分離器裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3　城市污泥資源化處理技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

從“十一五”以來，國家對(duì)城市污水處理廠污泥的處置十分重視，先后發(fā)布了《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策（試行）》、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)》、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置制磚用泥質(zhì)》、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南（試行）》、《化學(xué)品有機(jī)物在消化污泥中的厭氧生物降解性氣體產(chǎn)量測(cè)定法》等污泥處理處置的相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［19］.盡管污泥資源化利用已廣為人們接受，國家在這方面也投入了大量的人力和財(cái)力，但是污泥中存在病原體、有毒物質(zhì)、重金屬等，在處置過程中會(huì)轉(zhuǎn)移到最終產(chǎn)品中造成二次污染.污泥的處理工藝也影響到污泥處置的費(fèi)用和產(chǎn)品的質(zhì)量，這些均成為限制污泥資源化利用的主要因素.因此，迫切需要尋求新的、有效的污泥處置方法.

作者主持的課題組總結(jié)了今后污泥資源化處理的新技術(shù)：污泥低溫?zé)峤庵朴图夹g(shù)［20］、污泥超聲波處理技術(shù)［21］、超臨界水氧化技術(shù)［22］、污泥活性炭技術(shù)［23］、污泥熔化技術(shù)［24］、污泥電弧等離子體處理技術(shù)［25］等等.設(shè)備方面，太陽能熱泵污泥干燥、污泥干燥流化床以及污泥旋流分離裝置在今后將有巨大的發(fā)展空間，同時(shí)，低能耗、低磨損的污泥脫水裝置將成為今后的發(fā)展趨勢(shì).當(dāng)前，已有很多學(xué)者對(duì)各種污泥脫水設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)［26-28］以及其它工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，這些最佳的運(yùn)行參數(shù)在不久的將來一定能夠得到充分的利用.

4　城市污泥資源化處理的前景展望

盡管污泥處置行業(yè)目前的確存在不少問題，但毋庸置疑的是，城市污泥的資源化前景十分廣闊.2015年4月16日出臺(tái)的“水十條”明確提出進(jìn)一步推進(jìn)城市污泥處理處置，現(xiàn)有污泥處理處置設(shè)施應(yīng)于2017年底基本完成達(dá)標(biāo)改造，地級(jí)及以上城市污泥無害化處理率應(yīng)于2020年底前達(dá)到90%以上.針對(duì)污泥處理處置下一步發(fā)展策略，一方面要繼續(xù)堅(jiān)持無害化處理和資源化利用并存；另一方面，要多與其他行業(yè)進(jìn)行互動(dòng).中國工程院張杰院士認(rèn)為：污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，來源于生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品的土壤，處理的大方向理應(yīng)回歸農(nóng)田.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所環(huán)境修復(fù)中心余杰等［29］專家認(rèn)為污泥的土地利用是今后的發(fā)展方向之一，無論是污泥的干燥、好氧發(fā)酵，還是最新的污泥資源化處理處置方法的推出，污泥的最終歸屬還是土地.

總而言之，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，世界各國的污泥排放量都會(huì)大大增加，污泥處置也將成為全球關(guān)注的重大環(huán)境問題，機(jī)械濃縮和離心脫水設(shè)備也將成為各國重點(diǎn)研究的對(duì)象.污泥的處理處置應(yīng)從環(huán)境污染、衛(wèi)生安全以及經(jīng)濟(jì)效益等多方面綜合考慮；污水處理的機(jī)械設(shè)備應(yīng)從低能耗、低磨損、能夠連續(xù)生產(chǎn)等方面綜合考慮.具備能源回收利用的污泥處理處置的新方法將會(huì)在今后發(fā)揮不可替代的作用.雖然這些技術(shù)目前還存在著一些有待解決的問題，但應(yīng)用前景十分光明.

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The Presentsituation and Prospect of Municipalsewagesludge Treatment in China

CHEN Qidong1，SUN Yuegao2
（1.School of Mechanical Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500；2.School of Mechanics，Soochow University，Suzhou 215000，China）

The rapid development of China's economy and urbanization has led to more and moresludge in urbansewage treatment plants.Disposal and recycling of thesludge has become an urgent problem.This papersummarizes the handlingsituations of urbansludge in China and discusses the technology and equipment of urbansewage treatment.Besides，the papersums upsome new technologies using for recycling ofsludge resources and puts forward the future development trend ofsludge recycling.

sewage treatment plant；sludge treatment and disposal；resource；new technology；development trend

X703

A

1008-2794（2015）04-0023-05

2016-04-06

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“污泥摻混制備生物質(zhì)燃料技術(shù)裝備及應(yīng)用”（2012AA063506）

陳啟東，教授，研究方向：機(jī)械振動(dòng)、流體機(jī)械，E-mail:cqd666@163.com.