周遠(yuǎn)濤，張 琦，王一飛，季 洋

（1.西安創(chuàng)業(yè)水務(wù)有限公司，陜西 西安 710000；2.臨夏市創(chuàng)業(yè)水務(wù)有限公司，甘肅 臨夏 731100；3.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055）

污泥作為城市污水處理的主要副產(chǎn)物，含有大量的氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)元素和重金屬物質(zhì)。污水處理實(shí)踐中，不僅要滿足出水水質(zhì)的要求，也應(yīng)當(dāng)對(duì)污泥等副產(chǎn)物進(jìn)行無(wú)害化處理，避免對(duì)環(huán)境的二次傷害[1]。當(dāng)前，我國(guó)污水處理后的污泥處理方式面臨兩大問(wèn)題：一是技術(shù)不成熟，主要是濃縮、脫水、干化的處理方式和填埋、焚燒等處理手段，缺少對(duì)污泥的高效回收利用技術(shù)；二是對(duì)污泥處理缺少相關(guān)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。

1 剩余污泥的特征

剩余污泥主要來(lái)自污水處理廠二沉池，其特征分為物理、化學(xué)和微生物學(xué)3個(gè)特征。其中，污泥的物理特征主要包含2個(gè)指標(biāo)，即含水率和熱值[2]。從二沉池出來(lái)的剩余污泥含水率通常在97%以上，通過(guò)機(jī)械脫水的方式可以降低含水率，減少剩余污泥體積，便于后續(xù)處理。干化的剩余污泥的基礎(chǔ)熱值可以達(dá)到13 800 kJ/kg。熱值大小影響剩余污泥焚燒處置的效果。剩余污泥的化學(xué)特征主要包含有機(jī)質(zhì)、氮磷等無(wú)機(jī)元素和重金屬。目前我國(guó)污泥中的有機(jī)質(zhì)含量在50%～70%，低于發(fā)達(dá)國(guó)家的70%～80%，這是影響污泥能否有效進(jìn)行好氧堆肥的因素之一[3]。對(duì)于富含氮磷的剩余污泥可以制作無(wú)機(jī)肥料，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。而重金屬元素含量對(duì)生態(tài)具有破壞作用。微生物學(xué)特征是指剩余污泥中含有的寄生蟲、細(xì)菌、病原體等有害物質(zhì)，需要在污水廠進(jìn)行生物處理，避免剩余污泥對(duì)生態(tài)的破壞。

2 剩余污泥處理處置方式分析

2.1 傳統(tǒng)污泥處理方式

2.1.1 污泥填埋技術(shù)[4]

污泥填埋技術(shù)算是比較成熟的技術(shù)，主要與其他的工業(yè)垃圾、城市生活垃圾、城市建筑垃圾一起混合填埋，具有處理成本小的特點(diǎn)。但隨著污泥產(chǎn)量的日漸增多，這種填埋方式也暴露出以下問(wèn)題[5]：①污泥填埋需要征用大量的土地，從大城市未來(lái)發(fā)展看，土地屬于寶貴資源；②污泥填埋只是控制污泥污染物擴(kuò)散范圍，延緩污染物的影響時(shí)間，并沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行妥善處理，所以這并不是長(zhǎng)期的處理手段；③污泥填埋技術(shù)對(duì)土地地質(zhì)結(jié)構(gòu)有著嚴(yán)格要求，若處理不當(dāng)，污泥與下層干凈的填埋地混合后，有害物質(zhì)會(huì)滲入地下水和周圍土壤，對(duì)環(huán)境造成二次危害。由于城市污泥的產(chǎn)量越來(lái)越大，單純的填埋技術(shù)已經(jīng)難以符合現(xiàn)在的生產(chǎn)要求。

2.1.2 焚燒技術(shù)[6]

污泥焚燒是污泥濃縮、脫水化處理后，將污泥中可燃燒的成分在高溫下進(jìn)行充分燃燒成為穩(wěn)定的灰渣。焚燒技術(shù)有利有弊。其優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)焚燒，在高溫下對(duì)污泥中的有毒有害病菌進(jìn)行凈化處理，有害物質(zhì)將大幅度降低，并且其處理效率高，對(duì)污泥的減重、減容效果明顯[7]。其弊端在于污泥燃燒設(shè)備昂貴，運(yùn)行費(fèi)用也不低，在對(duì)污泥進(jìn)行大面積燃燒時(shí)會(huì)發(fā)生大量的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、硫化物、氯化物等廢氣，對(duì)該區(qū)域大氣產(chǎn)生嚴(yán)重污染，致使空氣質(zhì)量下降[8]。

2.1.3 自然風(fēng)干

剩余污泥的自然風(fēng)干處理成本小，并且二次危害小，但是滅菌效果差，所需占地面積大，同時(shí)污泥的惡臭氣味易揮發(fā)，適用于地廣人稀的區(qū)域，不適合大范圍推廣應(yīng)用[5]。

2.2 新型污泥處理方式

2.2.1 人工濕地技術(shù)[9]

人工濕地（CW）是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的用于凈化污水的系統(tǒng)，相對(duì)傳統(tǒng)的生物處理方法，具有投資低、管理方便、利用太陽(yáng)能、對(duì)污水的水質(zhì)水量適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)而被開發(fā)利用。因此，有學(xué)者設(shè)計(jì)出利用人工濕地處理污泥，這種技術(shù)就是將植物的修復(fù)功能和污泥干化床技術(shù)結(jié)合。人工濕地中的養(yǎng)植植物、濕地結(jié)構(gòu)、基質(zhì)級(jí)配、有無(wú)通風(fēng)、污泥負(fù)荷、污泥投配頻率、溫度變化及滲濾液停留時(shí)間都是影響處理效果的因素。人工濕地植物的選擇需要考慮植物的吸收能力和生長(zhǎng)速度。如今已有濕地處理污泥的成功案例，但從運(yùn)行管理來(lái)看，基質(zhì)堵塞缺陷限制了人工濕地的發(fā)展。

2.2.2 微生物燃料電池技術(shù)

微生物燃料電池技術(shù)是在電化學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，將儲(chǔ)存在有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，形成電流的技術(shù)，是非常具有潛力的新能源技術(shù)[9]。剩余污泥中含有50%～70%的有機(jī)質(zhì)，可以在厭氧條件下發(fā)生厭氧水解，胞內(nèi)物質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)質(zhì)由固相不斷釋放到液相中，為微生物燃料電池提供相對(duì)充足燃料。由相關(guān)學(xué)者將剩余污泥作為陽(yáng)極底物、CuSO4溶液作為陰極溶液構(gòu)建的生物燃料電池，在降解處理污泥的同時(shí)又可以處理含銅廢水和回收單質(zhì)銅。微生物燃料電池的降解成本低，不僅處理了剩余污泥，還可以進(jìn)行產(chǎn)電，是一項(xiàng)環(huán)境友好的技術(shù)。陰極材料含金屬離子的工業(yè)廢水限制了這一項(xiàng)技術(shù)的推廣使用。

2.2.3 超聲波處理技術(shù)

超聲波具有特殊的能量，其聲化學(xué)性能良好[7]。剩余污泥脫水處理工藝中，利用超聲波的特性，在水中形成空穴現(xiàn)象，同時(shí)形成高溫高壓部位和強(qiáng)勁的水力剪切力，使得剩余污泥中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，釋放內(nèi)部的結(jié)合水，加強(qiáng)了剩余污泥的脫水效果。超聲波的海綿效應(yīng)使得水分子在通道中更加暢通無(wú)阻，同時(shí)讓剩余污泥顆粒相互之間的碰撞增多，污泥成團(tuán)越來(lái)越大，便于后續(xù)運(yùn)輸?shù)炔僮鳌?/p>

2.2.4 復(fù)合好氧微生物發(fā)酵技術(shù)

好氧堆肥是在有氧條件下，借助好氧微生物（主要是嗜氧菌種）的生物反應(yīng)作用，有機(jī)物不斷被分解轉(zhuǎn)化的過(guò)程[3]。復(fù)合好氧發(fā)酵技術(shù)是指在高溫好氧發(fā)酵的基礎(chǔ)之上，在發(fā)酵裝置內(nèi)部投加特制的復(fù)合發(fā)酵菌。這種方式成本低，產(chǎn)出污泥滿足相關(guān)規(guī)定并且增加一定的后續(xù)制肥工藝，發(fā)酵的產(chǎn)品能直接土地利用或是種植植物。

3 污泥處理工藝流程及其設(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)合臨夏污水處理廠的地理位置及城市未來(lái)發(fā)展規(guī)劃等綜合性因素，上述污泥填埋、污泥焚燒技術(shù)和自然風(fēng)干均不適合該污水處理廠。對(duì)于新型污水處理技術(shù)，當(dāng)?shù)貨](méi)有合適的工業(yè)廢水制備生物燃料電池，人工濕地在干旱的西北地區(qū)運(yùn)行管理復(fù)雜，對(duì)污水處理廠工作人員的專業(yè)技術(shù)要求高，也不適合該污水處理廠。因此，結(jié)合污水處理廠剩余污泥的特性選擇采用復(fù)合好氧微生物發(fā)酵工藝。

3.1 工藝概述

本工程采用污泥高溫好氧發(fā)酵工藝。好氧發(fā)酵是指在有氧的條件下，污泥中的有機(jī)物通過(guò)好氧發(fā)酵微生物的作用進(jìn)行分解，其代謝產(chǎn)物主要為二氧化碳、水和熱。在好氧發(fā)酵時(shí)刻，反應(yīng)裝置內(nèi)部的空氣溫度上升至55℃以上，在此溫度下持續(xù)好氧發(fā)酵一定時(shí)間，高溫使得污泥脫水，在殺滅病原菌和雜草種子的同時(shí)，對(duì)內(nèi)部有機(jī)質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)降解。

3.2 污泥處理工藝流程

污泥處理工藝流程，如圖1 所示。污泥經(jīng)過(guò)脫水后含水率在80%左右，將此污泥再投入復(fù)合好氧發(fā)酵系統(tǒng)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，投入相應(yīng)的輔料及回料。通過(guò)軌道式翻拋機(jī)讓各種物料在混合過(guò)程中供氧，好氧發(fā)酵微生物在有氧條件下發(fā)生生物反應(yīng)，對(duì)污泥中的有機(jī)物進(jìn)行不斷的分解轉(zhuǎn)化。整個(gè)好氧堆肥過(guò)程，經(jīng)歷升溫—高溫—降溫—腐熟4 個(gè)不同的階段，每個(gè)階段不同的微生物在特定環(huán)境中利用微生物群落對(duì)多相有機(jī)物進(jìn)行分解，將污泥改良成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。污泥經(jīng)過(guò)微生物降解腐熟后，外觀呈現(xiàn)暗灰色或茶褐色，有土霉味，無(wú)惡臭味，質(zhì)地松軟。經(jīng)過(guò)處理后的污泥含有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，這些都是植物生長(zhǎng)所需的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)改良土壤結(jié)構(gòu)具有重要作用。該技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行無(wú)害化處理，使之成為一種產(chǎn)品，有利于節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

圖1 污泥處理工藝流程

3.3 污泥處理工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

此工藝設(shè)計(jì)污水處理規(guī)模為9.0×104m3/d，二級(jí)處理干污泥量為15.77 t/d，深度處理泥量集中在去除SS 和P，二級(jí)處理出水SS 按20 mg/L 計(jì)，PAC 投加量按30 mg/L 計(jì)，深度處理干泥量為5.93 t/d，合計(jì)處理干污泥量為21.70 t/d，污泥含水率按99.5%計(jì)（終沉池出水），濕污泥量為4 340.2 m3/d。設(shè)計(jì)時(shí)，考慮污泥遠(yuǎn)期處理規(guī)模為90 t/d、含水率80%，近期處理規(guī)模為60 t/d、含水率80%；工藝土建部分按照遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)規(guī)?？紤]，設(shè)備配置按照近期設(shè)計(jì)規(guī)?？紤]。

4 復(fù)合好氧發(fā)酵技術(shù)運(yùn)行效果分析

4.1 臭氣影響小

傳統(tǒng)的污泥堆肥技術(shù)可能存在發(fā)酵不均、局部厭氧、能耗高，臭氣污染嚴(yán)重及生物氣溶膠潛在的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。本工藝采用復(fù)合好氧微生物發(fā)酵的同時(shí)，考慮到會(huì)產(chǎn)生氨、硫化氫、甲基硫醇等廢氣，因此配套生物濾池除臭技術(shù)，利用生物活性固體介質(zhì)來(lái)吸收或吸附氣流中的化合物，并進(jìn)行后續(xù)的生物氧化。

4.2 有機(jī)有毒有害物質(zhì)得到有效降解

好氧堆肥過(guò)程中的嗜氧微生物能夠在適宜的條件下進(jìn)行大量繁殖消耗基質(zhì)并充分分解，使得污泥中的有機(jī)有毒有害物質(zhì)得到充分降解。

4.3 減少輔料依賴

本工藝可在低碳氮比即C/N 為10～20 的條件下進(jìn)行發(fā)酵處理，除初次啟動(dòng)時(shí)需要添加大量輔料（秸稈、木屑等）外，正常運(yùn)行時(shí)可采用發(fā)酵回料作為輔料的一部分對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，這樣有效減少了外加輔料，進(jìn)一步降低了運(yùn)行成本。

發(fā)酵輔料的選擇取決于污泥的特性以及輔料的來(lái)源和價(jià)格。發(fā)酵輔料的價(jià)格隨地區(qū)的不同以及輔料運(yùn)輸距離的遠(yuǎn)近而不同，甚至?xí)休^大的差異。發(fā)酵輔料的選擇宜結(jié)合工程當(dāng)?shù)貙?shí)際，選取當(dāng)?shù)貋?lái)源廣泛、價(jià)格便宜、能滿足污泥發(fā)酵要求的物料。對(duì)于該工藝，木屑、秸稈、廢紙、煤灰等常見物均可作為輔料，且價(jià)格便宜。

關(guān)于本工程污泥好氧發(fā)酵輔料的選擇，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際，擬采用苗圃剪枝、落葉等作為輔料來(lái)源。同時(shí)，考慮到苗圃剪枝的來(lái)源存在一定的不確定性，為確保輔料來(lái)源及供給量的穩(wěn)定性，本工程在利用苗圃剪枝、落葉的基礎(chǔ)上，考慮利用周邊地區(qū)稻草等作物秸稈作為備選輔料。

4.4 解決聚丙烯酰胺造成的土壤板結(jié)問(wèn)題

為了實(shí)現(xiàn)污泥機(jī)械脫水，必須事先進(jìn)行污泥調(diào)理，通常是采用化學(xué)調(diào)理，如采用聚丙烯酰胺進(jìn)行調(diào)理。污泥中含有的聚丙烯酰胺較穩(wěn)定，但在土壤中可使土壤板結(jié)，聚丙烯酰胺會(huì)發(fā)生緩慢的物理降解（熱、剪切）、化學(xué)降解（水解、氧化以及催化氧化）和生物降解，最終生成各種低聚物以及具有神經(jīng)毒性的劇毒丙烯酰胺單體，對(duì)人體造成間接或直接危害。經(jīng)高溫發(fā)酵處理，聚丙烯酰胺去除率達(dá)70%～80%。

4.5 處理后污泥成分分析

經(jīng)過(guò)復(fù)合好氧發(fā)酵工藝處理后的污泥，其銅、鋅、鎳、鎘、鉻、鉛、總汞、總砷的檢測(cè)結(jié)果均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置土地改良用泥質(zhì)》（GB/T 24600—2009）要求。這說(shuō)明該工藝能有效地對(duì)污水廠剩余污泥進(jìn)行減量化、無(wú)害化處理，避免了剩余污泥對(duì)生態(tài)環(huán)境的二次污染。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著城市發(fā)展規(guī)模不斷擴(kuò)大，污水處理產(chǎn)生的剩余污泥量越來(lái)越多，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，從環(huán)境生態(tài)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面，對(duì)污泥實(shí)行減量化、無(wú)害化、資源化處理的趨勢(shì)愈加明顯。加強(qiáng)和促進(jìn)污水廠對(duì)污泥處置方式的改變是必然的，而實(shí)行高效、經(jīng)濟(jì)節(jié)約的處理方式也是污水廠所需的。臨夏污水處理廠采用的復(fù)合好氧發(fā)酵污泥處理技術(shù)是可行的，從實(shí)際工程上提供了適應(yīng)當(dāng)?shù)貙?shí)際的污泥處理方式，為周邊其他縣城污水處理廠進(jìn)行污泥處理提供了一種示范。