污水处理厂污泥减量化技术的探讨
介绍污水处理厂污泥的主要来源及性质，明确污水处理厂污泥减量化、无害化工作急需一套完整的处理体系，无论是在水处理环节，还是污泥处理环节，均应加大对污泥减量化技术的研究和落实。在污水处理过程中通过外加酶水解技术、机械处理技术、热处理技术、热化学水解技术、电处理技术等技术手段使得细胞破裂，释放细胞内物质，然后回流至活性污泥池，进一步降解细胞破裂产生的溶解产物，从而实现污泥减量。后污泥减量技术是在污泥产生后，通过污泥厌氧消化、污泥浓缩脱水、污泥干化、污泥焚烧等处理工艺，进一步降低污泥产生量及处置成本。通过各种污泥减量技术的比选，明确每种技术的优缺点，为其他污水处理厂污泥减量工作提供可借鉴意义。
随着我国城市污水处理率逐步提高和新污水处理厂数量的增加，污泥产生量也逐渐增大，与此同时，污泥处理的难题也逐渐凸显出来。我国污泥处理起步较晚，早期的污水处理厂存在“重水轻泥”现象，污泥处理单元不够完善，污泥的安全处理、处置是我国水污染控制领域的薄弱环节。生物处理是目前污水处理厂采用较多的污水处理方式，该方式会产生大量剩余污泥，这些污泥必须及时有效地进行处理，做到减量化、无害化和综合利用，从而保证污水处理厂的正常运行和处理效果，防止污泥造成二次污染
1 污水处理厂污泥来源及性质
在污水的处理过程中产生大量沉淀物质，包括固体物质、悬浮物、微生物菌体、胶体物质等，这些物质统称为污泥，因为污泥的不断产生促进了污染物与水的分离、净化。通常污泥产生量很大，一般占处理水量的0.3%～0.5%。污泥产生途径主要有：一是初沉污泥，来源于初沉池，是可沉降固体的物理分离，总固体质量分数一般为2%～7%。二是二沉污泥，是泥水分离后的浓缩污泥，是微生物生长和惰性有机难降解物质积累的产物，总固体质量分数一般为0.5%～1.5%。三是化学污泥，由特殊物质（例如磷）或悬浮固体沉降产生。以化学除磷为例，这一过程须要投加一些盐类，额外产生15%左右的污泥，化学污泥的性质取决于投加的混凝剂类型。四是“三泥”，主要是石油石化企业污水处理场产生的含油污泥、气浮浮渣以及剩余活性污泥。含油污泥以及气浮浮渣因含有一定量的油、黏度大，不容易进行自然沉淀浓缩、脱水;而剩余活性污泥因其含有大量鲜活的微生物，沉降性能较好，易浓缩脱水。
污泥因其含有一定的毒性物质，也被视为危险废物。衡量污泥的性能指標主要有：含水率、有毒物质、燃烧值、可消化程度、灰分含量等。一般刚产生的污泥含水率在98%～99%左右，体积巨大，难以直接处置，需要先进行污泥浓缩、消化、脱水等初步处理，可使污泥体积大为减少。如含水率在99%的污泥，经浓缩脱水处理后含水率可降到80%，其体积会降到原来体积的二十分之一。通常情况下，含水率在85%以上时，污泥呈流动状态;含水率在65%～85%之间时，污泥呈塑态;含水率低于60%时，污泥呈固体状态;含水率低于40%时，污泥呈粉末状。
2 污水处理厂污泥减量概述
污泥减量是指采用物理方法、化学方法以及微生物法，降低污水处理厂产生的污泥量。污泥减量可在不同污水处理阶段进行，在污水处理过程中通过调整生化系统工艺运行参数以及对部分回流污泥采取减量措施，可称为原位污泥减量。对污水处理工艺产生的排出系统之外的污泥，可通过污泥浓缩、污泥消化、污泥脱水、污泥干化、污泥焚烧等系统装置进行污泥减量，此过程称为后污泥减量。污泥减量技术按照反应原理的不同大致可分为：胞溶和隐性增长、解偶联代谢、内源代谢、微生物捕食等。解偶联代谢主要是指，在污泥中投加化学解偶联剂如氯代苯等物质，这些解偶联剂可以穿过细胞的磷脂层，促进细胞的分解代谢，降低细胞的合成代谢，从而降低污泥产量。内源代谢主要是指，利用较长时间的曝气或较小的有机物负荷，使细胞分解，产率降低。微生物捕食主要是指，固态污泥被微生物捕食、消耗，污泥为微生物生长繁殖提供能量，实现污泥减量。胞溶和隐性增长是指，通过外加一定的技术手段，使得细胞壁破裂，细胞内营养物质被释放，用于相同数量微生物生长的过程。胞溶和隐性增长是污泥减量使用最广泛的机理，其中迫使细胞壁破裂的技术手段包括：添加或不添加酶制剂的酶水解技术，球磨搅拌、高温均质等机械处理技术，超声波处理技术，40～220 ℃热处理技术，酸、碱或伴随升温的化学、热化学水解技术，臭氧、H2O2或加氯氧化技术，电处理技术等。污泥减量化的效果主要取决于胞溶的效率。
2.1 原位污泥减量
原位污泥减量就是在污水处理工艺中减少污泥产生量，而不是污泥产生后进行末端处理。一般工艺是沉淀池产生的活性污泥，一部分回流至活性污泥曝气池继续参与生化反应，另一部分活性污泥通过外加酶水解、机械处理、热处理、热化学水解、电处理等污泥减量技术手段使得细胞破裂，释放细胞内物质，然后回流至活性污泥曝气池，进一步降解细胞破裂产生的溶解产物，从而实现污泥减量。主要工艺流程如图1所示。
其中外加酶水解技术、机械处理技术、热处理技术、热化学水解技术、电处理技术等污泥减量技术手段各有其不同的优点及缺陷，具体情况见表1。
2.2 污泥浓缩
污泥浓缩是指降低污泥的含水率，使污泥浓稠，缩小污泥体积，是污泥脱水前的必要过程。污泥浓缩主要是去除污泥中的间隙水，含水率99.8%的剩余活性污泥，经过浓缩后污泥含水率可降到96%左右，可大大降低污泥的体积和后续污泥处理难度及费用。污泥浓缩的常用方法有重力浓缩、气浮浓缩和离心浓缩。
重力浓缩主要依靠水与污泥间的密度差，污泥下沉至罐（池）底部排出，水分从泥中分离出来由罐（池）上部排出。重力浓缩是污泥自然压缩沉淀过程，一般需要较长时间，特别是黏度大污泥浓缩效果较差。对此，一般污水处理厂经常采用污泥加温的方式，可加速污泥沉淀过程及效果，实现泥水的良好分层。常见的重力浓缩池有二沉池、污泥浓缩罐等。对于密度与水密度接近的污泥，不易实现重力浓缩，可选用气浮浓缩。气浮浓缩主要依靠加压空气释放微小气泡与污泥作用，在混凝剂的作用下，污泥与气泡黏附形成较大颗粒，悬浮于池体表面，通过刮渣机去除。对于难于脱水的污泥，可采用离心浓缩法。离心浓缩是利用污泥中固体物质与水的比重不同，利用离心力使泥水分离。离心浓缩处理效率远远高于重力浓缩，重力浓缩池内十几个小时达到的浓缩效果，离心浓缩几分钟即可达到，且离心浓缩出泥含水率可达94%以下。为提高离心浓缩效果，一般须要加入聚丙烯酰胺等絮凝剂。
2.3 污泥消化
污泥消化其原理主要依靠好氧或厌氧消化的内源代谢作用。内源代谢主要是指当外部可利用的基质消耗殆尽时，一部分细胞出现死亡和溶解，其细胞内存储的有机物被活细胞利用来维持生命的现象。好氧消化是在有氧的条件下，通过细胞的内源代谢作用，将污泥转化为二氧化碳和水，以实现污泥减量。厌氧消化是在无氧条件下，通过细胞的内源代谢作用，将污泥转化为甲烷，以实现污泥减量。一般厌氧消化应用比较普遍。厌氧消化的水解过程非常缓慢，为此须要提高初始阶段的污泥水解作用，加快反应进度，需要在厌氧消化前设置预处理工艺来克服。主要的预处理工艺有：酶水解技术、机械破解、超声波破解技术、热解处理、臭氧氧化技术、化学和热化学水解、强氧化剂氧化技术、电处理技术等。厌氧消化污泥减量的主要工艺流程为，剩余污泥先经过污泥浓缩池，进行泥水分离浓缩，提升污泥浓度，再经过预处理工艺提高初始阶段污泥的水解作用和污泥降解速率，然后再进入厌氧消化池，通过内源代谢作用降低污泥产量，最后经过污泥脱水机脱水，降低污泥含水率。主要工艺流程如图2所示。
厌氧消化不仅可以减少剩余污泥的污泥量，还可以产生沼气来回收能源，具有一定的经济效益。厌氧消化可在中温条件（33～35 ℃）或高温（53～55 ℃）条件下进行，通过预处理工艺提高污泥的水解率后，促进了污泥的减量和沼气的产生。在中温厌氧消化中可降解约40%～45%的有机质，TSS的降解率约为30%。
2.4 污泥脱水
污泥经浓缩、消化处理后其污泥含水率仍然在95%以上，体积很大，须要对污泥进行进一步脱水操作。脱水主要是去除污泥中的吸附水和毛细水，脱水后污泥含水率可达到60%～85%，形成泥饼，失去流动性。
污泥脱水的方法有自然干化法和机械脱水法。自然干化既是将污泥平铺于地面，依靠渗透和蒸发使污泥干化的方法。根据污泥的性质和气候条件的不同，污泥经过一周到几周的自然干化后，含水率可降到70%。自然干化法能耗较低，但因占地面积大、存在大气污染、受气候条件影响较大等问题，使自然干化法的推广受到限制。目前采用较多是机械脱水法，如选用真空过滤脱水、压滤脱水、离心脱水。机械脱水法须要对污泥进行脱水前的预处理。预处理的方法有很多，其中应用最广泛的是加药调理。加药调理是指向污泥中投加化学药剂，使污泥改变胶体结构，减少污泥与水的亲和力，提高污泥的脱水性能。机械脱水法占地面积小，脱水效果稳定，可实现连续生产运行。实际生产中，常将污泥浓缩与机械脱水组合使用，可大大提高污泥脱水效果，降低后续污泥处理难度。
2.5 污泥干化
经机械脱水后的污泥含水率一般在60%～85%，若直接外运处理则需要很高的处置费用，因此须要对脱水后的污泥进行干化处理，使其污泥含水率降低到40%以下，以提高污泥热值，降低污泥总质量，为下一步污泥外运或污泥焚烧奠定基础。
污泥干化是污泥深度脱水的一种形式，是污泥焚烧的预处理装置。污泥干化主要是去除污泥中的间隙水、毛细结合水、表面黏附水和内部水，采用的能源主要是热能。根据热介质的不同可分为，电能污泥干化法、热水干化法、蒸汽干化法、太阳能干化法、天然气干化法、炉窑烟气余热污泥干化法。实际生产中蒸汽干化法应用比较广泛。蒸汽干化法是利用蒸汽作为能源，使污泥中的水分蒸发，降低污泥含水率，实现污泥减量目的。下面是经过考察、调研几种不同污泥干化技术比选情况，详细见表2。
通过表2可以看出，不同污泥干化技术，均有其不同的特点，但普遍存在的是现场异味问题，须进行气味回收处理。某化工厂选用伞式蒸汽干化技术，处理污水处理场60%～85%脱水后污泥，污泥处理量2t·h-1。经过近两年来的运行，污泥干化后含水率可达到30%左右，基本实现了最初的设计目的。但现场运行中仍存在以下问题，值得借鉴：①蒸汽采用低压蒸汽，温度低，换热效率低，特别是对于含水率高的污泥处理效果不理想;②干料污泥螺旋输送机故障率高，主要是污泥堵塞螺旋轴，造成轴弯曲、故障停机;③现场及周边环境臭味污染严重，须进行VOCS处理;④干污泥装卸袋、车粉尘污染严重，须考虑密闭的机械化装车方式。
2.6 污泥焚烧
污泥焚烧是使污泥在高温下燃烧，将污泥中的水分、有机物全部去除的方法。焚烧后，污泥本身变为灰烬，S、N、金属和其他元素完全被转变成各种最终产物，污泥含水率为零。该方法不但大大减少了污泥的体积和质量，而且杀死一切病原体，使污泥不再具有污染能力，实现了污泥的无害化。炉内停留时间、燃烧温度、氧含量以及污泥水分和污泥热值是污泥焚烧的主要控制因素，对污泥焚烧的效果有很大影响。
1）停留时间。为保证污泥的完全燃烧，必须使污泥在燃烧室中有足够的停留时间，具体可根据污泥的含碳组分、热值等情况确定。
2）温度。燃料只有达到着火温度，才能与氧气反应燃烧，因此燃烧室温度必须保持在燃料起燃温度以上。
3）氧气。氧气是污泥燃烧的助燃物质，氧气含量越高，污泥越易燃烧。
4）污泥水分。污泥焚烧时水分受热蒸发，水分不断置换，能量消耗增多。
5）污泥热值。污泥热值的高低由可燃质的含量决定。污泥的可燃成分越多，热值越高，燃烧效果越好。
目前，污泥的焚烧方式有单独焚烧、混合焚烧两大类。单独焚烧须要对含水率高的污泥进行热干化处理，否则污泥焚烧困难，需要在炉内停留较长时间。混合焚烧适用于污泥热值较低污泥，可通过掺杂富氧空气、富余的干气等辅助燃料，提高焚烧效率。
污泥焚烧设备主要是焚烧炉，主要有流化床炉、回转炉、立式炉及立式多段炉等多种炉型。国内现已运行的污泥焚烧炉多为流化床焚烧炉，其能够满足物料充分混合，提供充足热量，实现彻底燃烧。严格控制焚烧时间及焚烧温度，可以有效控制有毒气体的产生。灰渣是污泥焚烧后的最终产物，可以再次利用制成建筑用砖等，从而实现了污泥这一危险废物的零污染、零排放，完成了污泥处置的良性闭环管理。
3 结束语
污泥处理是保证污水处理厂良好运行的重要环节，降低污泥产量，使污泥能够稳定化、无害化及综合利用是企业追求的最终目标。但在中国无害化及综合利用缺乏最终的处置手段，研究发现污泥农用、污泥堆肥等方法因土地板结、肥效低下等问题，在国内并没有得到推广，中国目前最主要的污泥处置方式为污泥填埋（占90%），而随着污泥产量的增加，填埋场地问题也越来越突出，大多城市已经出现无地填埋的尴尬处境，导致污泥处置的费用越来越高，所以污水处理厂污泥减量化急需一套完整的处理体系，无论是在水处理环节，还是污泥处理环节，均应加大对污泥减量化技术的研究和落实，推动污泥最终资源化进程。污泥焚烧可以作为污泥最大减量化、资源化的一种技术手段，可根据污泥热值情况，进行单独焚烧或者混合掺烧。但污泥焚烧还存在一些弊端，需要市场反复的验证，以及更深一步的研究与探讨。
作者：宋艳会 李兵 杨培君 李元明 李家乐 魏志刚
