常見市政污泥處理手段及設備概論：市政污泥的處理一直是城市正常運轉的保障之一，不論是城市工業運轉還是家庭生活都會產生相當數量的污泥，最終進入城市下水系統。市政污泥中往往富集了各種有害物質，因而對其無害化處理往往是將其深埋之前必須做的一道工序。本文通過閱讀整理當前學術界的一些文獻，分析了污泥的基本組成，展示了目前我國市政污泥的常見預處理手段，脫水手段以及干燥手段，對比了兩種污泥處置手段，并討論了其利弊。最后對比與國內外相關行業的差距提出了自己個人一點建議。關鍵詞：市政污泥無害化資源化微波預處理引言隨著我國經濟高速發展，城鎮污水排放量急劇增長。為應對日益增長的污水排放量，勢必要增加城鎮污水處理企業以及改善城鎮污水處理廠處理效率。截止“十一五”末期，全國城鎮累計建成污水處理廠1993座，總處理能力已經超過每日1億立方米。隨著我國對環境保護的日益重視，近年來污水處理技術的到了快速的發展。但是污泥產量也大幅度增加，我國經濟在地域上的發展不平衡，也造成了各地城鎮污泥產量的明顯差異。就當前而言污泥的產量主要集中在我國東部地區。據統計，東部十一個省市的污泥產生量占全國污泥總量的63.87%，中部八個省的污泥產量占到20.9%。但是隨著中部崛起和西部大開發，中西部一些省市污泥產量不斷增加，全國城市污泥年平均增長率為16.82%，而中西部平均增長率分別高達23.29%和21.83%。相關資料表明，截止到2009年底，全國城鎮污水處理量達到280億立方米，濕污泥產量突破2000萬噸。我國污水處理場所產生的80%的污泥并沒有得到妥善處理。污泥是按廢物相態特征分類的一類廢棄物。污泥的相態特征首先是固液混合，即污泥是固體和液體的混合物，且所含的固體和液體依然保持各自的相態特征，這一點可以區別于含結晶水的無機鹽和細胞組織含水的生物質(如新鮮的動、植物體等)。其次，污泥的固液組成比有一定的穩定性，在無外加作用力的條件下，其固液比例能保持相對的穩定，這構成了污泥應按其特殊的混合相態進行處理的依據。如果一種廢棄物盡管產生時有固液相混合的特征，但排出后能自發地進行較徹底的固液分離，如礦物浮選排出液，在重力作用下，可自發地分離成尾礦砂和選礦液，則兩者可分別按固體廢物或液體廢物進行處理。最后，污泥中所含的液體通常是水，這既是由于地球上水是豐度最大的液體所導致的，也由于水是人類生產與生活活動中應用最廣泛的液體。市政污泥概況1.污泥的基本特性污泥(sludge)通常是指污水處理過程所產生的含水固體沉淀物質。其物質組成包括：(1)水分：含水量達95％左右或更高；(2)揮發性物質和灰分：前者是有機雜質，后者是無機雜質；(3)病原體：如細菌、病毒和寄生蟲卵等，這些病原體大量存在于生活污水、醫院污水、食品工業廢水和制革工業廢水等的污泥中；(4)有毒物質：如氰、汞、鉻或某些難分解的有毒有機物。在污水處理過程中，將污染物與污水分離，在完成污水的凈化的同時，產生了大量污泥。這些污泥中含有各種污染物質，如果不加以有效的處理處置，仍然會污染環境，同時。污泥又是一種特殊的廢物，若經適當處理，可以成為資源加以利用。因此，污泥的處理與資源化是目前環境工程和給排水專業研究的重點領域之一，是水處理和固廢處理領域共同的課題，是給水廠及污水處理廠投資建設的重點方向，也是業內日益關注的熱點問題和發展重點。2.污泥的基本分類2.1城市污水廠污泥城市物流系統中有難以勝數的用水環節，使用后的水大多轉化為含不同種類與濃度污染物的污水。城市所產生的污水基本可以按來源分為兩類：①工業污水，來自城市的工業部門，污染特征由相應的產業技術、過程決定；②城市污水，來自城市的居民區，商業服務業等非工業部門，其污染特征與具體的來源(如商業、居住區)關系較小，也就是說，不同來源的城市污水共性是它的主要方面。城市污水的凈化處理也是按來源分別安排的，城市污水處理廠的主要處理對象是城市污水。在實行城市排水合流制的城市或區域，一部分城市降雨產生的徑流排水也在城市污水處理廠中處理；同時，部分城市的工業污水也匯人城市污水處理廠—處理，但接人前均有對工業污水預處理的要求，使進入城市污水處理廠的工業圬水的污染特征接近于城市污水(如對含重金屬工業污水，應預處理去除其中大部分重金屬污染后，方能匯入城市污水處理廠城市污水處理廠在對污水的處理過程中，污水中的部分污染物轉化為可沉降物質排出，這股排出的物流是以固液混合為特征的所謂城市污水廠污泥。2.2城市給水污泥現代城市使用的大部分水是以管網分配形式供應的所謂自來水給水，目前絕大部分城市的給水水源(原水)，均僅能在進行必要的凈化處理后，才能達到給水的水質要求。原水的凈化在專門的給水處理廠(自來水廠)完成，主要的處理工藝是混凝沉淀(將原水中的顆粒物、膠體和部分可溶態雜質轉化為可沉降或可濾除的顆粒或膠體物質)和過濾(與沉淀一同完成對上述顆粒和膠體的最終去除)，被去除的顆粒和膠體構成了城市給水污泥的固相部分，用于從沉淀池和濾池中排除這些固相物的水則構成了該污泥中的液相部分。2.3城市水體疏浚淤泥城市水體指的是主要匯水區域為城市建成區的自然或人工水體(河道、湖、塘等)。城市水體除了具有景觀、航運等功能外，主要的功能是城市排水的通道與調蓄容量的組成部分。由于匯水區的特征，城市水體可能受納的水流包括城市地表徑流、城市污水和工業污水等。這些水流中所夾帶的顆粒物、膠體，在一定的水力、水文條件下成為城市水體的沉積物，同時上述水流中的可溶性物質在一定的生物、化學作用過程中也會生成可沉降物質，轉化為水體沉積物。水體沉積物的積累將威脅到城市水體正常功能的維持，因此，城市水體有持續性的養護(疏浚)的需要，疏浚后的水體沉積物即為固水混合的城市水體疏浚淤(底)泥。即使不考慮城市污水和工業污水進入城市水體對其沉積物的生成的加速影響，因城市匯水區的下墊面狀況與農業或自然生態體系的不同，以不透水性與粗糙度低的表面為主，地面沉積物易被徑流夾帶，下墊面的不透水性又放大了徑流的強度；加之徑流主要以管道流方式匯入水體，缺乏非城市河道岸區植被帶對徑流中顆粒物的濾除緩沖，所以，城市水體的沉積物生成率高于農業或自然生態體系中的水體，城市水體的疏浚養護需求帶有明顯的城市特征，其疏浚淤泥成為城市污泥的構成之一。2.4城市排水溝道污泥現代城市排水方式是以管道化為特征的。按排水對象和排水體系設置原則(排水體制)的不同，城市排水溝管道可分為污水溝道、雨水溝道和合流排水溝道三種。按水流在溝道內流動動力的不同選擇，排水溝道也可分為重力式和壓力式兩種類型。無論何種城市排水對象，均不同程度地含有可沉降的顆粒物和膠體，同時排水中的某些可溶性物質也有在排水溝道內的環境條件及生物作用下產生可沉降物質的可能，這些可沉降物質在一定的溝道水力條件下，會沉積于溝道內，成為影響溝道正常排水功能的因素。為了維持城市排水溝道的正常功能，需定期對溝道系統進行養護，此過程所產生的溝道污泥也成為城市污泥中的一種。2.5城市建筑工地泥漿城市建筑工地泥漿是城市建筑廢棄物的一種，主要產生于城市建筑工程的基礎施工(如混凝土灌注樁基施工)和建筑地質勘查(勘探井鉆挖)過程中。盡管就嚴格的意義上講，建筑活動是一種產業生產活動，但城市建筑活動的區域分布(隨機地出現于整個城市區域)和排出廢物特征(不同建筑工地產生的廢棄物特征基本是相同的)，均更多地帶有城市的共性，因此，城市建筑廢棄物一般作為城市垃圾(固體廢物)的一種，當然城市建筑工地泥漿也應是構成城市污泥的一個部分。污泥的組成分析城市污泥處理與利用技術措施選擇的依據是城市污泥的性質(物理、化學和生物)，污泥的組成則是其性質表現的基礎。城市污泥與環境管理相關的基本組成描述體系見圖1.3.1其主要組成特點如下：3.1污泥的有機組成污泥有機物的組成首先是它的元素組成，一般按碳（C）、氫（H）、氧(O)、氮(N)、硫(S)、氯(C1)六種元素的構成關系(如質量分數)來考察污泥的有機元素組成。污泥有機物另一種組成描述方式是化學組成(或化合物組成、分子結構組成)，由于污泥有機物分子結構組成狀況十分復雜，因此應按其與污染控制與利用有關的各個方面來描述其化學組成。其中包含：①毒害性有機物組成；②有機生物質組成；③有機宮能化合物組成；④微生物組成。毒害性有機物組成，描述的是污泥中的毒害性有機物含量，所謂的毒害性有機物是按其對環境生態體系中的生物毒性達到一定的程度來定義的，各國均已公布的所謂環境優先控制物質目錄中可找到相應的特定物質。污泥中主要的毒害性有機物有PCIj6、PAHs等。有機生物質組成，是按有機物的生物活性及生物質結構類別對污泥有機物組成進行的描述。前者可將污泥有機物劃分為生物可降解性和生物難降解性兩大類；后者則以可溶性糖類、纖維素、木質素、脂肪、蛋白質等生物質分子結構特征為組分分類依據，對污泥有機質進行組成描述。這兩種生物質組成描述方式，能有效地提供污泥有機質的生物可轉化性依據。有機官能化合物組成，是按官能團分類對污泥有機物組成進行描述的方法，一般包含的物質種類有：醇、酸、酯、醚、芳香化合物、各種烴類等。此組成狀況與污泥有機物的化學穩定性相關。微生物組成，描述污泥的微生物組成主要是為了揭示污泥的衛生學安全性，用于描述的組成指標則應是相關致病、有害的生物含量(如各種致病菌、病毒、寄生蟲卵和有害昆蟲卵等)。由于污泥所可能含有的各種微生物種類繁多，為使組成描述更為高效，一般采用所謂生物指示物種的含量來描述污泥的微生物組成。我國一般采用大腸菌值、糞大腸桿菌菌落數和蛔蟲卵等生物指標；國外為能間接地檢查病毒的無害化處理效果，多將生物生命特征與病毒相似的沙門氏菌列入組成分析范圍。3.2污泥無機物的組成污泥的無機物組成也是按其與污染控制與利用有關的各個方面來進行描述的，其中包含：①毒害性無機物組成；②植物養分組成；③無機礦物組成等三個主要的方面。污泥的毒害性無機物組成，是按其毒害性元素的含量對污泥進行組成描述的，無機毒害性元素主要包含：砷(As)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、汞(噸)、鉛(Pb)、銅(Cu)、鋅(Zn)和鎳(Ni)8種元素。考慮到無機元素的生物可利用性，除了按固相總含量進行組成分析外，還可按各毒害元素的生物水溶態、酸性水溶態和絡合可交換態的比例進行相關元素含量的描述。污泥植物養分組成，是按氮(N)、磷(P)、鉀(K)3種植物生長需求的宏量元素含量對污泥組成進行的描述，既是污泥肥料利用價值的分析，也是對污泥進入水體的富營養化影響的分析。對污泥植物養分組成的分析，除了總量外也必須考慮其化合狀態，因此氮可分為氨氮(NH3·N)、亞硝酸鹽氮(Nq—)、硝酸鹽氮(NOi)和有機氮(O吧—N)四類；磷一般分為顆粒磷和溶解性磷兩類；鉀則按速效和非速效分為兩類。污泥的無機礦物組成，主要是鐵(Fe)，鋁(A1)、鈣(Ca)、硅(S)兀素的氧化物和氫氧化物。這些污泥中的無機礦物通常對環境而言是惰性的，但它們對污泥中重金屬的存在形態(影響可溶性比例)以及污泥制建材的適用性有較大影響。3.3污泥的流動相組成污泥流動相主要由水及溶于水中的各種有機和無機物質組成，污泥中的水溶性污染物組成與城市污水中的相似，但一般濃度稍高，如污泥機械脫水上清液的溶解性COD在數百至數干的范圍，比城市污水高數倍。值得注意的是，污泥中水的存在狀態組成。V~ilind等認為污泥中的水有自由水分、間隙水分、表面水分和結合水分4種存在狀態。自由水分是污泥中流動不受限制的水分；間隙水分以毛細管力受污泥固體限制；表面水分以吸附力與固體結合；結合水則是固體的一部分。污泥中水的存在狀態是污泥可脫水性的依據，利用機械應力脫除污泥水分的極限部分是全部自由水分和一部分間隙水分，其他存在狀態的水分只能以熱力干燥等方式才能脫除。污泥的基本性質正確把握污泥的性質是科學合理地進行污泥處理與資源化應用的前提條件，只有根據污泥的性質，才能正確選擇有效的處理工藝和資源化設施。4.1物理特性污泥是由水中懸浮固體經不同方式膠結凝聚而成的，結構松散，形狀不規則，比表面積與孔隙率極高(孔隙率常大于99％)，含水量高，脫水性差。外觀上具有類似絨毛的分支與網狀結構。4.2化學特性生物污泥以微生物為主體，同時包括混入生活污水的泥沙、纖維、動植物殘體等固體顆粒以及可能吸附的有機物、金屬、病菌、蟲卵等物質。污泥中也含有植物生長發育所需的氮、磷、鉀及維持植物正常生長發育的多種微量元素和能改良土壤結構的有機質。4.3污泥中水分的存在形式及其性質污泥中的水分有四種形態：表面吸附水、間隙水、毛細結合水和內部結合水。毛細結合水又分為裂隙水、空隙水和楔形水。表面張力作用吸附的水分為表面吸附水。間隙水一般要占污泥中總含水量的65％～85％，這部分水是污泥濃縮的主要對象。毛細結合水：濃縮作用不能將毛細結合水分離，分離毛細結合水需要有較高的機械作用力和能量，如真空過濾、壓力過濾、離心分離和擠壓等方法可去除這部分水分。各類毛細結合水約占污泥中總含水量的15％～25％。內部結合水：指包含在污泥微生物細胞體內的水分，含量多少與污泥中微生物細胞體所占的比例有關。去除這部分水分必須破壞細胞膜，使細胞液滲出，由內部結合水變為外部液體。內部結合水一般只占污泥總含水量的10％左右。4.4生物利用特性一般污水處理廠產生的污泥為含水量在75％～99％不等的固體或流體狀物質。其中的固體成分主要由有機殘片、細菌菌體、無機顆粒、膠體及絮凝所用藥劑等組成，是一種以有機成分為主，組分復雜的混合物。污泥中包含有潛在利用價值的有機質、氮(N)、磷(P)、鉀(K)和各種微量元素，見表4-1。4.5熱值特性除了污泥中的營養元素可以作為生物處理的基礎外，污泥還具有一定的燃燒熱值特性，見表1—2。污泥的燃燒熱值特性表明，干污泥具有較高的熱值，該特性也為污泥的干化焚燒及資源化利用奠定了基礎。5污泥的環境影響污泥有機物含量高，易腐爛，有強烈的臭味，并且含有寄生蟲卵、病原微生物和銅、鋅、鉻、汞等重金屬以及鹽類、多氯聯苯、二惡英、放射性核素等難降解的有毒有害物質，如不加以妥善處理，任意排放，將會造成二次污染。污泥中主要污染物質簡單介紹如下。5.1有機污染物污泥中有機污染物主要有苯、氯酚、多氯聯苯(PCBs)、多氯二苯并呋喃和多氯二苯并二惡英(PCDD／PCDF)等。污泥中含有的有機污染物不易降解、毒性殘留長，這些有毒有害物質進入水體與土壤中將造成環境污染。5.2病原微生物污水中的病原微生物和寄生蟲卵經過處理會進入污泥，污泥中病原體對人類或動物的污染途徑包括：(1)直接與污泥接觸；(2)通過食物鏈與污泥直接接觸；(3)水源被病原體污染；(4)病原體首先污染了土壤，然后污染水體。5.3重金屬在污水處理過程中，70％一90％的重金屬元素會通過吸附或沉淀而轉移到污泥中。一部分重金屬元素主要來源于工業排放的廢水，如鎘、鉻；另一部分重金屬來源于家庭生活的管道系統，如銅、鋅等。5.4其他危害污泥對環境的二次污染還包括污泥鹽分的污染和氮、磷等養分的污染。污泥含鹽量較高時，會明顯提高土壤電導率，破壞植物養分平衡，抑制植物對養分的吸收，甚至對植物根系造成直接的傷害。在降雨量較大，且土質疏松的地區大量施用富含氮、磷等的污泥之后，當有機物的分解速度大于植物對氮、磷的吸收速度時，氮、磷等養分就有可能隨水流失而進入地表水體造成水體的富營養化，或進入地下引起地下水的污染。市政污泥處理探索城市污泥處理與利用的需求城市污泥處理與利用的需求，首先，可以從其產生量方面來考慮，表3—1給出了1990年日本全國幾類大宗固體廢物流的產生量狀況，就總的產生量而言，固體廢物中的污泥類廢物量比其他固體廢物量大；可見在現代人類社會物流體系所產生的廢物中，城市污泥所占有的比重，當然也相應地反映了它可能具有的環境影響程度。再從污染物的濃度方面考慮，盡管污泥由于含水率高，單位量的污泥中所含的污染物可能低于相近來源的固體廢物；但與水相污染物流相比，其污染物濃度卻要高得多，如城市污水廠所排除的剩余污泥(含水率99％)，其有機物含量達到7000吣幾以上，10倍于一般城市污水中的有機物含量。此外，從污染物的擴散、遷移性方面考慮，污泥通常有比其他固體廢物大得多的可流動性，因此，更容易由擴散、遷移過程形成更大范圍的環境影響。二、城市污泥處理與利用體系計劃管理原則污泥一般歸屬于固體廢物類別，目前認為符合固體廢物管理可持續化戰略的管理原則體系是綜合化的固體廢物管理原理，該原理要求對固體廢物管理的體系應按層次化原則進行計劃。綜合化固體廢物管理的層次化原則包含以下方面：第一優先層次：源減量控制，要求從產生源削減固體廢物的產生量，并降低廢物流的毒害性水平。第二優先層次：循環資源化，即將廢物以原材質，僅進行簡單的物理處理后循環應用于人類物流體系中的生產原料供應。第三優先層次：轉化資源化，即將廢物由化學、生物過程轉化后，用于物料或能源的回收與利用。第四層次：無害化處置，對于經前述層次處理和利用剩余的廢物，應采用對自然環境不產生危害的方式進行處置，達到對廢物的環境影響有效控制的目標。對城市污泥處理與利用體系的層次化計劃管理程序及各計劃層次可能考慮的措施，如圖1-1所示。圖1-1城市污泥處理與利用計劃管理程序城市污泥處理與利用技術原則2.1充分認識污泥的污染與資源雙重性城市污泥重要的組成特征是其所含物質的污染與資源雙重性。以城市污水廠污泥為例，其所含的有機質、植物養分當直接排入水體時，將是對水體質量有威脅的污染物質，但當以適當的形式施于農用時，卻是有土壤結構調理和肥分作用的農用肥料。其他的城市污泥也均有類似的特征。在選擇處理與利用技術時，首先應盡量使處理技術為資源化利用服務。同樣以城市污水廠污泥農用為例，生污泥的農用會帶來致病微生物的傳播，生污泥中新鮮有機質代謝還會造成土壤缺氧等對農業生態環境的危害問題，因此，需要采用能使污泥有機質穩定化，并使污泥能夠達到衛生無害化的前處理手段來保障資源化的實現，如對污泥進行厭氧消化，高溫堆肥化處理等。對污泥污染與資源雙重性認識的另一個技術原則是在資源化利用時注意控制可能的污染影響，污泥畢竟含較多的污染物，不適當的利用有可能導致相應的污染，必須注意防范。以城市污水廠消化污泥農用為例，如施用量過大或季節選擇不當，污泥中的植物養分會在土壤中過度積累，最終會以硝酸鹽氮的形式由徑流夾帶污染地下與地表水體。2.2源控制分流毒害物質城市污泥中毒害性物質的來源往往是可以辨別并予以控制的，但一旦毒害物質進入污泥廢物流，則會對其處理與資源化利用帶來極大的危害。以城市污水廠污泥為例，僅接受城市污水的污水廠的污泥含重金屬量低，也較少含有有機毒害性物質，它在被農田利用或燃燒制能源時，均很少會產生毒害性物質擴散的危害。但我國大部分城市污水廠均不同程度地接受工業污水，使污水廠污泥中含有較多的重金屬等毒害物質，不僅農用時易進入食物鏈，進行燃燒處理時，也有揮發進入大氣環境的威脅，嚴重損害了污泥資源化利用渠道的安全性。控制這些毒害性物質最經濟可行的方法是源控制，如對城市污水廠污泥而言，嚴格執行工業污水的預處理接管要求或不接人工業污水將可大幅度地降低其中的重金屬含量(歐共體國家的實踐表明，其下降幅度可達90％以上)，使污泥的資源化前景大為改善。2.3優先采用污泥脫水技術盡管污泥的固水混合有一定的穩定性，但極大部分污泥還是能以機械或熱力方法進行有效脫水處理的，如城市給水污泥機械脫水后含水率可從97％一99％降至75％一85％，體積減量率可達25倍；城市污水廠污泥機械脫水后，可以熱干燥方法繼續脫水干化至含水率為10％以下，生產可儲存的工業鍋爐輔助燃料或農用肥料。污泥脫水可大幅度減少污泥后續處理與利用中的物料輸送處理量，也能根本性地提高其利用價值(如上述干化城市污水廠污泥)，因此是城市污泥處理與利用技術體系中應優先采用的關鍵技術。3.污泥的預處理城市污泥的預處理，顧名思義，其處理的目的是為后續的污泥處理和利用過程提供更為適宜的物流特性條件。由于污泥的高含水率特性，不僅會因污泥體積、質量大，造成后續物流輸送困難、處理設備容量大、經濟性差的問題，而且絕大部分的污泥最終處理和利用過程也與過高含水率的物流不相容。因此，污泥的預處理技術中脫除污泥水分(脫水)的方法(技術單元)占有最重要的地位。污泥的脫水方法按其有效的水分脫除對象可分為：濃縮、脫水、干化、干燥和焚燒等不同的類型。其中，濃縮僅對自由水分的脫除有效，主要利用的是重力場和低強度離心力場的作用進行脫水；脫水(機械方法)對自由水分和部分間隙水分的脫除有效，主要是利用人工壓應力場和高強度離心力場的作用進行脫水；干化指的是用各種污泥自然干化場、塘進行的脫水操作，按操作方式和歷時的不同，其脫水機制復合廠重力場和太陽輻射熱致水分揮發兩個方面的作用；干燥指的是利用人工熱源，主要通過熱致水分蒸發汽化作用，對污泥進行脫水處理的過程，主要用于脫除污泥中的間隙水分、吸附水分和部分內部水分；與上述各種脫水過程基本不引入化學過程不同，焚燒利用污泥固相可燃物的熱化學反應，使之釋放大量化學能提供水分汽化的能量，同時破壞固相物質的持水結構來實現脫水目的，它對各種結合狀態水分的去除均有效，但城市污泥處理與利用其復雜化學過程的特點，使其一般不作為污泥預處理方法應用。各種污泥脫水方法及其脫水效果如表3—1所示。污泥的另一類預處理技術是調理，污泥調理的實質是改變污泥固相顆粒的形態特征。對城市污水廠污泥和給水污泥，其固相顆粒有膠質狀絮體的特征，絮體的形成可源于有機碎屑顆粒和黏土顆粒的自絮凝(污水廠初沉污泥)或由產膠質物微生物(或稱為絮體微生物，如絲狀菌、膠團黏液菌等)分泌的胞外物質與其他懸浮顆粒物絮凝而成，也可由水處理過程中加入的混凝劑(如給水處理中加入的鋁鹽等)與水中的懸浮顆粒絮凝而成。膠質絮體結構松散，比表面積和空隙率極高，使絮體顆粒中能包含比例很高的間隙水分和吸附水分，因此污泥固相的膠質絮體特征是污泥難以有效脫水的基本依據。污泥的調理就是采用物理、化學或生物的方法，通過壓縮絮體的體積(使絮體密度提高)、改變絮體的親水性、代謝絮體中的膠質物質等途徑，使絮體中的間隙和吸附水分減少，從而有利于污泥脫水的預處理。由于污泥調理對污泥管理而言，并無獨立存在的價值，因此調理通常與相應的脫水技術環節聯合應用，通過提高污泥的脫水效率，來體現調理的作用。同時，城市污泥中的城市建筑工地泥漿幾乎不含絮體顆粒，城市水體疏浚淤泥和城市排水溝道清撈污泥中絮體顆粒所占的比例較低，因此通常也無需在脫水操作中應用調理方法，污泥調理的主要對象是城市污水廠污泥和給水污泥。從污泥預處理方法的作用定義(即改善污泥后續處理利用的物性特征）來看，污泥的穩定化處理也屬于預處理技術的范疇。污泥的穩定化一般指的是以降低污泥生物反應活性(易腐性)和減少污泥有害微生物含量(衛生無害化)為目的的處理技術環節，其中應包含污泥的生物消化、堆肥化、熱化學分解(焚燒、熱解)等多種技術方法，但由于這些方法的技術復雜性和同時兼有的其他處理功能，一般并不作為污泥的預處理方法來定義。典型的污泥穩定化方法是石灰穩定化和輻射處理。城市污泥產生時的特性及處理的最終要求均各不相同，對處理環節的需求也各不相同，當然相關的技術發展程度也有較大的差異。相比而言，污水廠污泥對處理技術的需求較強烈，相關技術的發展也更完善，因此本章對預處理技術的介紹，除注明外，均是以污水廠污泥為對象的。3.1濃縮污泥濃縮就是通過去除污泥顆粒間的自由水分，以達到減容的目的，從而減輕污泥后續處理、處置和利用設備、設施的壓力。由于剩余活性污泥的含水率很高，一般都應進行濃縮處理。污泥濃縮的基本方法有重力濃縮、氣浮濃縮和離心濃縮等。各種濃縮方法的優缺點如表3-2所示表3-2各種濃縮方法的優缺點3.1.1重力濃縮重力濃縮法是應用最多的污泥濃縮法。重力濃縮是利用污泥中的固體顆粒與水之間的密度差來實現泥水分離的。用于重力濃縮的構筑物稱為重力濃縮池。重力濃縮的特征是區域沉降，在濃縮池中有四個基本區域。1)上部為澄清區。為固體濃度極低的上層清液。2)阻滯沉降區。在該區懸浮顆粒以恒速向下運動，一層沉降固體開始從區域底部形成。3)過渡區。其特征是固體沉降速率減小。4)壓縮區。在該區由于污泥顆粒的集結，下一層的污泥支撐著上一層的污泥，上一層的污泥壓縮下一層的污泥，污泥中空隙水被排擠出來，固體濃度不斷提高，直至達到所要求的底流濃度并從底部排出。3.2.2氣浮濃縮氣浮濃縮就是使大量的微小氣泡附著在污泥顆粒的表面，從而使污泥顆粒的密度降低而上浮，實現泥水分離的目的。因而氣浮法適用于濃縮活性污泥和生物濾池污泥等顆粒密度較輕的污泥。通過氣浮濃縮，可以使含水率為99．5％的性污泥濃縮到含水率為94％～96％。氣浮濃縮法所得到的出流污泥含水率低于采用重力濃縮所能達到的含水率可達到較高的固體通量，但運行費用比重力濃縮高，適合于人口密集缺乏土地的城市應用。3.3.3離心濃縮離心濃縮法的原理是利用污泥中的固體、液體存在密度差，在離心力場中所受到的離心力不同而被分離。離心濃縮法可以連續工作，占地面積小，工作場所衛生條件好，造價低，但運行費用與機械維修費用較高，且存在噪聲問題。用于離心濃縮的離心機主要有三種：無孔轉鼓式離心機、轉盤式離心機和籃式離心機。3.2調理3.2.1溫差調理溫差調理包括兩類：加熱調理和冷凍一融化調理，其基本原理都是通過熱能量的流動改變構成污泥絮體的膠質物的穩定性，削弱污泥顆粒與其間隙水分等的結合力，從而改善污泥的脫水性。1.加熱調理加熱調理是在高壓下加熱污泥，破壞污泥膠體顆粒的穩定性，破壞污泥中水分和污泥顆粒間的聯系，促使污泥間隙水的游離、內部水與吸附水的釋放，降低污泥比阻，改善污泥脫水性能，同時加熱調理還可以殺滅污泥中的寄生蟲卵、致病菌與病毒等，兼有污泥穩定、消毒和除臭等功能，但是加熱調理也存在投資費用和運行費用高、操作要求高及經過加熱調理的污泥過濾所得的濾液有機物含量高等缺點。加熱調理的溫度一般為175—24012，壓力為1700—2700kPa，停留時間為0。5—1．5h，加熱調理法適用于初沉污泥，消化污泥，活性污泥，腐殖污泥及它們的混合污泥，加熱調理后污泥進行重力濃縮，可使含水率由97％一99％以上濃縮至80％一90％，如直接進行機械脫水，泥餅含水率可達30％一45％。2．冷凍—融化調理污泥冷凍處理的原理可用圖4—4說明。圖4—4A是冷凍過程中發生的固體顆粒整體遷移現象。圖4—4中l是膠體顆粒開始冷凍的情況，隨著冷凍層的發展，顆粒被向上壓縮富集，水分被擠向冷凍界面，如圖4—4中2、3。圖4—4B為冷凍過程發生的固體顆粒包陷現象，由于冷凍層的迅速形成，有部分顆粒妨礙水分的流動，因而在新的冷凍界面從新開始冷凍，使濃集后的顆粒夾在冷凍層之間，如圖4—4中4、5、6。濃集污泥顆粒中的水分被擠出。冷凍—融化使污泥顆粒的絮狀結構被充分破壞，脫水性能大大提高，顆粒沉降與過濾速度可提高幾十倍。可直接進行重力脫水。此外，冷凍—融化還可殺滅污泥中的寄生蟲卵、致病菌與病毒等，兼有污泥穩定、消毒功能。但冷凍—融化法同樣需要大量的能量投入，以實現人工冷凍。圖4—4污泥的冷凍處理原理A—整體遷移(慢速冷凍)；卜包陷現象(高速冷凍)1一冷凍開始；}—冷凍過程；}—冷凍完成；4一固體夾層；5一冷凍過程；6一冷凍面的飛躍對我國北方水面封凍期超過3個月，凍結深度大于0．3m的地區，可利用自然氣候提供的冷凍資源來實現污泥冷凍—融化處理。污水廠產生的污泥經濃縮后可放流至露天冷凍—融化池儲存，經封凍期后，再對融化的污泥進行脫水處理，或直接排出上層澄清水后，沉降污泥層作為農業利用。當然這種處理方式的占地面積是較大的。以日處理污水10萬m3的二級處理廠(相當于服務人口40萬一50萬)為例，冷凍—融化池深0．3m，每萬立方米污水的污泥產率：2．4t，濃縮污泥含水率：96％，則冷凍—融化池占地約731vn2。但帶來的好處是相當低廉的污泥管理費用。3.2.2化學調理影響污泥濃縮和脫水性能的主要污泥性質包括污泥顆粒的大小、表面電荷的水合程度及顆粒間的相互作用。污泥顆粒越小，其總體比表面積就越大，水合程度就越高，脫水性能就越差；污泥顆粒本身帶有負電荷，互相之間排斥，再加上由于水合作用而在顆粒表面附著著一層或幾層水，進一步阻礙顆粒之間的結合，最終形成了一個穩定的分散系統(膠狀絮體)。化學調理是應用最多的污泥調理法，其基本原理就是通過向污泥中投加調理劑(混凝劑、絮凝劑和助凝劑等)，起到電性中和和吸附架橋的作用，破壞污泥膠體顆粒的穩定，使分散的小顆粒之間相互聚集形成大顆粒，從而改善污泥的脫水性。化學調理過程中投加的化學調理劑包括無機調理劑(如石灰、鐵鹽、鋁鹽及聚鐵、聚鋁等無機高分子化合物)和有機高分子調理劑(如陽離子型有機高分子聚合電解質等)。其中石灰、鐵鹽、鋁鹽等無機調理劑主要起電性中和的作用，故又可稱為混凝劑，而聚鐵、聚鋁等無機高分子化合物和有機高分子調理劑主要起吸附架橋的作用(陽離子有機高分子聚合電解質同時具有電性中和與吸附架橋的作用)，可稱為絮凝劑，其形成的污泥絮體抗剪性能強，不易被打碎，尤其適合于后續脫水采用離心和帶式壓濾脫水方法時應用。污泥化學調理過程中投加的助凝劑主要有硅藻土，珠光體，酸性白土，鋸屑，污泥焚燒灰，電廠粉煤灰，石灰及貝殼粉等。助凝劑一般不起混凝作用。助凝劑的作用主要表現為調節污泥的pH；供給污泥以多孔網格狀的骨架；改變污泥顆粒結構，破壞膠體的穩定性；提高混凝劑的混凝效果；增強絮體強度等。3.2.3生物絮凝調理20世紀70年代開始研制微生物絮凝劑，包括直接用微生物細胞作為絮凝劑；從微生物細胞體中提取物質作為混凝劑；微生物細胞的代謝產物作為絮凝劑。直接用微生物細胞為絮凝劑：現已發現可直接作為混凝劑的微生物有細菌、霉菌和酵母菌。從微生物細胞中提取的混凝劑：真菌、藻類含有的葡聚糖、甘露聚糖、N—二酰葡萄糖胺等在堿性條件下水解生成的帶正電荷的脫乙酰幾丁質(殼聚糖)，含有活性氨基和羥基等具有混凝作用的基團。微生物細胞的代謝產物作為絮凝劑：微生物細胞代謝產物的主要成分為多糖，具有吸附架橋的絮凝作用。微生物絮凝劑具有無毒，無二次污染，可生物降解，污泥絮體密實，對環境和人類無害等優點。4.機械脫水4.1機械脫水的原理污泥脫水的目的是進一步減少污泥的體積，便于后續的處理、處置和利用。污泥中的自由水分基本上可在污泥濃縮過程中被去除，而內部水一般難以分離，所以污泥脫水去除的主要是污泥顆粒間的毛細水和顆粒表面的吸附水。污泥機械脫水以過濾介質兩面的壓力差作為推動力，使污泥水分被強制通過過濾介質，形成濾液，而固體顆粒被截留在介質上，形成濾餅，從而達到脫水的目的。根據造成壓力差推動力的方法的不同，可以將污泥機械脫水分為三類：①在過濾介質的一面形成負壓進行脫水，即真空吸濾脫水；②在過濾介質的一面加壓進行脫水，即壓濾脫水；③造成離心力實現泥水分離，即離心脫水。衡量污泥脫水性能的指標包括污泥比阻和毛細吸水時間。衡量污泥機械脫水效果的指標主要為脫水泥餅的含水率、脫水過程的固體回收率(濾餅中的固體量與原污泥中的固體量之比)；衡量污泥機械脫水效率的指標為脫水泥餅產率[單位時間內在單位過濾面積上產生的濾餅干質量，婦／(m2·s)]。脫水泥餅的含水率、脫水過程的固體回收率和脫水泥餅產率越高，機械脫水的效果和效率就越好。4.2壓縮脫水壓濾脫水通常所采用的機械有兩類：板框壓濾機和帶式壓濾機。4.2.1板框壓濾機脫水板框壓濾機的構造較簡單，過濾推動力大，脫水效果好，一般用于城市污水廠混合污泥時泥餅含水率可達65％以下。適用于各種污泥，但操作不能連續運行，脫水泥餅產率低。板框壓濾機基本構造如圖4—6所示。板與框相間排列而成，在濾板的兩側覆有濾布，用壓緊裝置把板與框壓緊，即在板與框之間構成壓濾室。在板與框的上端中間相同部位開有小孔，壓緊后成為一條通道。加壓到0．39—0．49MPa以上的污泥，由該通道進入壓濾室。濾板的表面刻有溝槽，下端鉆有供濾液排出的孔道，濾液在壓力下，通過濾布、沿溝槽與孔道排出濾機，使污泥脫水。污泥壓人板框壓濾機一般有兩種方式：一種是用高壓污泥泵直接壓人；另一種是用壓縮空氣，通過污泥罐將污泥壓人過濾機。板框壓濾機又可分為人工板框壓濾機和自動板框壓濾機兩種。人工板框壓濾機，需將板框一塊一塊人工卸下，剝離泥餅并清洗濾布后，再逐塊裝上，勞動強度大，效率低；自動板框壓濾機，上述過程都是自動的，效率較高，勞動強度低。自動板框壓濾機有垂直式與水平式兩種。壓濾脫水的設計方法，主要是根據處理污泥量、脫水泥餅濃度、壓濾機工作程序、壓濾壓力等計算過濾泥餅產率、所需壓濾機面積及臺數。4.2.2帶式壓濾機脫水帶式壓濾機中，比較新的是滾壓式的帶式壓濾機，其主要特點是濾帶可以回旋，脫水效率高，噪聲小，能源消耗省，動力消耗少，附屬設備少，可以連續生產，但必須正確選擇高分子絮凝劑，污泥必須預先進行充分的絮凝，形成大而強度高的絮凝體。脫水泥餅的含水率較高，大致與離心脫水相等。帶式壓濾機由滾壓軸及濾布帶組成。污泥先經過濃縮段(主要依靠重力過濾)，使污泥失去流動性，以免在壓榨段被擠出濾餅，濃縮段的停留時間為10—20s，然后進入壓榨段，壓榨時間為1—5min。滾壓的方式有兩種，一種是滾壓軸上下相對，壓榨的時間幾乎是瞬時的，但壓力大；另一種是滾壓軸上下錯開，依靠滾壓軸施于濾布的張力壓榨污泥，壓榨的壓力受張力的限制，壓力較小，壓榨時間較長，但在滾壓的過程中對污泥有一種剪切力的作用，可促進泥餅的脫水。4.3離心脫水離心脫水的基本原理是：由于污泥顆粒和水之間存在著密度差，它們在相同的離心力作用下產生的離心加速度不同，從而導致污泥顆粒與水之間的分離，實現脫水的目的。離心脫水的特點是結構緊湊，附屬設備少，臭味少，能長期自動連續運行。缺點是噪聲大，脫水后污泥含水率較高，污泥中若含有沙礫，則易磨損設備。離心機的主要技術參數為分離因素。(顆粒所受離心力與重力之比)，分離因素越大，分離效果越好。按分離因數的大小，可分為低速離心機(o=l000—1500)、中速離心機(真，／二1500—3000)和高速離心機(o>3000)。離心脫水機種類很多，適用于城市污泥脫水的一般是臥式螺旋卸料離心脫水機。4.4真空過濾脫水真空過濾是利用抽真空的方法造成過濾介質兩側的壓力差，從而造成脫水推動力進行脫水，可用：于初次沉淀污泥和消化污泥的脫水。經厭氧消化處理的污泥，在真空過濾之前，應進行預處理，一般先對污泥進行淘洗，污泥淘洗后的堿度一般要求為400—600mg幾(以c~c03計)。真空過濾所使用的機械稱為真空過濾機，俗稱真空轉鼓。真空過濾機脫水的特點是能夠連續生產，運行平穩，可自動控制。主要缺點是附屬設備較多，工序較復雜，運行費用較高。真空過濾脫水目前應用較少。5干化和干燥干化和干燥是污泥深度脫水的一種形式，其所應用的污泥脫水能量(推動力)，主要是熱能。干化、干燥是使熱能傳遞至污泥中的水，并使其汽化的過程。主要應用自然熱源(太陽能)的干化過程稱為自然干化；使用人工能源當熱源的則稱污泥干燥以示區別。由于污泥干燥能耗相當高(每千克水去除的能耗為3000—3500H)，因此污泥干燥僅適用于脫水污泥的后續深度脫水。5.1自然干化5.1.1傳統自然干化污泥自然干化的主要構筑物是干化場。干化場可分為自然濾層干化場與人工濾層干化場兩種。前者適用于自然土質滲透性能好，地下水位低的地區。人工濾層干化場的濾層是人工鋪設的，又可分為敞開式干化場和有蓋式干化場兩種。人工濾層干化場由不透水底層、排水系統、濾水層、輸泥管、隔墻及圍堤等部分組成。有蓋式的，頂蓋一般用弓形肋覆蓋塑料薄膜制成，移、置方便。濾水層由上層的細礦渣或沙層(鋪設厚度200—300mm)，下層粗礦渣或礫石層(厚200—300mm)組成，要求濾水容易。排水管道系統用100150mm陶土管或盲溝網構成，管子接頭不密封，以便排水。管道之間中心距為4—8m，縱坡為0．0025—0．003，排水管起點覆土深(至沙層頂面)為0．6m。當土壤容易滲透而有污染地下水的可能時，應做人工不透水層，人工不透水層由200--400mm厚的黏土層或150--300mm厚三七灰土夯實而成，也可用100—150mm厚的素混凝土鋪成；近年來發展的HDPE合成土工膜可替代上述材料當不透水層，有施工簡便的優點。底板有0．01--0．02的坡度坡向排水管。隔墻與圍堤，把干化場分隔成若干分塊，輪流使用，以便提高干化場利用率。近來在于燥、蒸發量大的地區，多采用由瀝青或混凝土鋪成不透水層而不設濾水層的干化場，依靠蒸發脫水。這種干化場的優點是泥餅容易鏟除。干化場脫水主要依靠滲透、蒸發與撇除。滲透過程約在污泥排人干化場最初的2—3d內完成，可使污泥含水率降低至85％左右。此后水分不能再被滲透，只能依靠蒸發脫水，約經1周或數周(決定于當地氣候條件)后，含水率可降低至75％左右。研究表明，水分從污泥中蒸發的數量約等于從清水中直接蒸發量的75％，即干化場的面積蒸發率[單位為m3／(m2·a)或nun／a]可由當地水面蒸發量乘以系數0．75估算，降雨量的57％左右要被污泥所吸收，因此，在于化場的蒸發量中必須考慮所吸收的降雨量，但有蓋式干化場可不考慮。我國幅員廣大，上述各數值應視各地氣候條件加以調整或通過實驗決定。影響干化場脫水的因素如下：1)氣候條件。當地的降雨量、蒸發量、相對濕度、風速和年冰凍期。2)污泥性質。如消化污泥在消化池中承受著高于大氣壓的壓力，污泥中含有很多沼氣泡，一旦排到干化場后，壓力降低，氣體迅速釋出，可把污泥顆粒夾帶到污泥層的表面，使水的滲透阻力減小，提高了滲透脫水性能，而初次沉淀污泥或經濃縮后的活性污泥，由于比阻較大，水分不易從稠密的污泥層中滲透出去，往往會形成沉淀，分離出上清液，故這類污泥主要依靠蒸發脫水，但可在圍堤或圍墻的一定高度上開設撇水窗，撇除上清液，加速脫水過程。5.1.2強化自然干化在傳統的污泥干化床中，污泥在于化過程中基本處于靜止堆積狀態，當表層的污泥干化后，其所形成干化層猶如在下層污泥之上形成一個“殼蓋”，嚴重影響下層污泥對太陽能的吸收和水分的逸出，是造成千化床水分蒸發速率低下的主要原因之一。1980年代中后期，強化自然干化技術在美國芝加哥開始發展，針對傳統污泥干化床存在的問題，其采用對污泥干化層的周期性翻倒(機械攪動)，不斷地破壞表層“殼蓋”，使表層污泥保持較高的含水率，以使污泥層的熱、質傳遞條件得到有效的強化(吸收更多的太陽能，釋放更多的水分)，由此，實際操作在污泥層平均厚度為40cm，污泥含水率為76％的條件下，以45d的平均周期，可使污泥干化后的含水率降至35％左右。美國大芝加哥水務區在1987—1994年組織了對該技術的較深入研究，主要涉及干化過程中污泥理化與衛生學特性的變化分析，主要結論是：當污泥含水率<45％時，污泥的膨潤持水性消失，污泥即使被浸泡，濾除積水后，含水率也無明顯變化，因此污泥自然干化的后階段氣象因素對其影響輕微；污泥強化自然干化過程中，出現大腸桿菌值與沙門氏菌密度顯著下降，45d的干化周期足以使污泥的衛生學無害化指標達到美國A類農用污泥的標準+現在，美國大芝加哥水務區約400萬m3／d的城市污水處理設施(大部分為二級生化+除磷脫氮工藝)產生的污泥，大部分在強化自然干化場中進行深度處理，隨后全部農用。干化場入場污泥的含水率從85％一60％不等，經歷的前處理過程包括：機械脫水，污泥塘熟化，厭氧消化等不同的類型，但出場污泥的含水率均可控制在前述水平，衛生學指標達到美國A類污泥標準。該技術過程良好的經濟性與環境特性，使其日益受到關注，應用范圍逐步擴大。5.2污泥干燥5.2.1污泥干燥的應用與發展污泥干燥是應用人工熱源以：正業化設備對污泥進行深度脫水的處理方法，盡管污泥干燥的直接結果是污泥含水率的下降(脫水)，但與機械脫水相比，其應用目的與效果均有很大的不同。污泥機械脫水(也包括污泥濃縮)，其應用的目的以減少污泥處理的體積為主(污泥濃縮和機械脫水通常均可使污泥體積減少4倍左右)，但脫水污泥餅除了含水率和相關的物理性質，如流動性與原狀污泥有差異外，其化學，生物等方面性質并不因脫水而產生變化。污泥干燥則由于提高水分蒸發強度的要求，使用人工熱源，其操作溫度(對污泥顆粒而言)通常大于100'C，葉：燥對污泥的處理效應，不僅是深度脫水，還具有熱處理的效應；加之，污泥千燥處理的產物，其含水率可控制在20％以下，即達到抑制污泥中的微生物活動的水平，因此污泥干燥處理可同時改變污泥的物理、化學和生物特性。具體而言，污泥干燥操作的溫度效應可以殺滅污泥中的寄生蟲卵、致病菌，病毒等病原生物和其他非病原生物：與干燥后污泥的低含水條件相配合，污泥干燥可使污泥達到較徹底的衛生學無害化水平，同時干燥污泥還具有相當高水平的“表觀”生物穩定性(干燥污泥如磨細后，重新加水漿化，再接種以微生物，則其生物穩定性特征會失去，故稱其為“表觀”)。另外，干燥污泥的低含水率，使其重要的熱化學特性：低位發熱量大為上升(含水率20％的干燥城市污水廠生污泥，其低位發熱量約為17h4J／kg，為標準煤的60％左右)，不僅可能達到自持燃燒的水平，甚至可作為礦物燃料的替代物使用(污泥衍生燃料)。由于污泥干燥所具有的這種改變污泥物性的能力，因此，污泥干燥不僅可在污泥焚燒和熱化學轉化等工藝體系中作為預處理技術單元應用；也可以通過直接將干燥污泥產物出售給農業部門當肥料或土壤改良劑，或出售給建材制造等工業部門當輔助燃料，而獨立完成污泥處理的管理功能，成為相對獨立的處理技術過程。目前，污泥干燥后制農業肥料和污泥預干燥焚燒已成為有—‘定應用面的污泥處理技術過程。污泥干燥應用技術發展方面的主要問題有三個方面，即①干燥熱源；②熱源介質與污泥的接觸方式；③污泥干燥設備。污泥干燥的耗能是相當高的，以將含水率為80％的污泥餅干燥至含水率為25％的污泥餅為例，每噸干污泥(5t濕污泥餅)的干燥，需蒸發的水量約3．65t，而每噸水蒸發的蒸汽能耗(間接換熱干燥)為3．2X103MJ，如以燃煤鍋爐產生蒸汽的熱效率為75％，則每噸干污泥當量的上述干燥操作能耗約為14．6X[03bU，基本相當于0．5t標準煤的用量。污泥干燥的熱源應盡可能取自于污泥本身，如污泥預干燥焚燒的污泥干燥熱源可取自于焚燒的煙氣熱回收；污泥干燥后農用的熱源，可用污泥厭氧消化產沼的沼氣(一般情況下，沼氣可滿足此過程約50％的能耗需求，干燥條件同前)。污泥干燥按污泥與熱源介質的接觸方式不同，可分為直接(接觸)干燥和間接(接觸)干燥兩種方式。直接干燥的熱源介質通常是燃料或污泥燃燒產生的熱煙氣，其優點是流程較簡單，欠缺之處則是干燥產生的尾氣量很大，由于尾氣中通常含有高濃度致臭物質，如需進行脫臭處理，則干燥全處理過程的經濟性會很差；間接干燥的熱源介質多為蒸汽，也可采用導熱油，由于比直接干燥多一個傳熱環節(燃氣加熱熱源介質)，因此流程和設備均較復雜，但優勢是干燥產生的尾氣量相當小，如需采用尾氣脫臭處理，則總體操作經濟性較好。污泥的物性與大部分化工干燥對象有很大的不同，干燥過程中污泥易黏附于傳熱(蒸發)設備之中，影響設備正常運行。將化工干燥設備用于污泥干燥時，一般需進行流程改造和設備創新，以滿足污泥干燥的需要。流程改造方面可采用回流部分干燥污泥改變脫水泥餅的黏附特性，也可應用Carver-Greenfield等創新的干燥工藝。設備創新的例子有：采用膜式蒸發器(有成膜與刮膜循環的機械結構，可控制黏附)，也可增加一些污泥攪動機構，利用顆粒攪動的能量使黏附的污泥脫落等。5.2.2污泥干燥設備1.滾筒干燥器滾筒干燥器主體為長徑比較大的可回轉簡體(或簡體固定但內置攪拌槳軸)，脫水污泥與一定量的回流干燥污泥混合后(混合物料含水率控制在60％以下)，進入筒內，與高溫燃燒尾氣直接接觸，使污泥受熱并使其中的水分蒸發進入氣流后，完成污泥的干燥，這種設備屬直接干燥設備。2.空心攪拌槳式干燥器空心攪拌槳式干燥器主體為帶夾套的近矩形截面、長筒體，內部平行設置2—4根帶中空槳葉(與空心軸連通)的攪拌軸，操作時，夾套和攪拌軸內均通人蒸汽或導熱油，攪拌葉面、軸外表面和設備器壁均成為加熱面；進料污泥餅同樣需要調整含水率(與滾筒干燥類似)后，進入干燥器，在干燥器內一邊干燥，一邊由槳葉攪動推進，直至流出干燥器。該干燥設備為典型的間接干燥設備。有關空心攪拌槳式干燥器的運行測試表明：總面積傳熱系數，在泥餅(進料)含水率較穩定的條件下，與出料含水率有關，出料第(干燥污泥)含水率越高，傳熱系數也越大。3.Carver-Greenfield蒸發工藝Carver-Green如ld(CG)是一項專利的污泥干燥工藝。它采用的是多效蒸發的干燥方式，為了使污泥具有流動性，同時又能保證干燥后的污泥不會在蒸發器內產生嚴重的結垢現象。(-，—G干燥工藝，先以燃料油(輕質柴油、煤油等)作為溶劑，與脫水泥餅混合，形成懸浮勻漿化的物料進入蒸發器；為了節省蒸汽能耗，蒸發采用多效蒸發的流程進行，蒸汽可重復利用；蒸干水分后的混合懸浮液，以壓濾方式脫油(固液分離)，油可繼續循環利用，壓濾泥餅即是干燥污泥。目前實用的污泥干燥工藝與設備，總體來說，單位設備(容積或面積)的傳熱系數偏低，造成設備過于龐大，單位生產能力投資較高；同時污泥干燥的能耗也較高(雖然C-G工藝的蒸汽單位用量少，但干燥污泥中無法完全分離的燃料油為0．05L／kg，以H20計)操作成本居高難下。這些因素限制了污泥干燥這種管理特性較優越的技術的應用推廣，其實際應用仍多限于有方便的低價熱源供應的污泥預干燥焚燒技術體系中的預處理(污泥焚燒煙氣可提供充分的干燥熱源)。6.石灰穩定化污泥穩定化的做法是在原污泥或消化污泥中加人石灰，獲得一個穩定的(數小時)超過12或更高的pH，有效地穩定污泥，以便土地利用。石灰穩定化過程中，病原體、病毒和細菌處于強堿性條件下而失去活動能力或被消滅(但寄生蟲卵是較耐堿的)；同樣，參與產生污泥臭氣的微生物在強堿性條件下活動受到抑制或被殺死，從而解決了污泥的臭氣問題。石灰穩定污泥在沙床上脫水效果很好，而且沒有臭味問題。由于使用石灰，污泥的過濾性能也得到改善。石灰穩定化以液態污泥為處理對象(為減少石灰的用量，污泥應預先進行濃縮處理)，因此從某種程度上看，石灰穩定化也可視為是一種污泥調理方法。其與污泥調理的不同反映在操作目的和控制參數的差異上。石灰穩定化的操作目的以殺滅和抑制污泥中的微生物為主，控制參數是污泥的pH及其保持時間；污泥的調理則以改善污泥的可脫水性為目的，控制參數是污泥比阻等可脫水性指示參數的改善程度。在設計石灰穩定化設施中，有三個參數必須考慮：pH、接觸時間和石灰用量。要求保持pH在12以上2h，其目的就是使病原菌確實被殺死和保持足夠的堿度使pH在11這個水平維持幾天。因而即使無法立即對污泥進行最終處置和利用，也不至于再次發生腐敗現象。為此，應當使污泥處于液態，投加石灰使pH至12．5，并維持這個水平0．5h，這樣就可使2h內pH不低于12。為了達到上述要求，關鍵是石灰的用量，石灰計量取決于污泥的種類，對具體的污泥應當進行試驗后確定。輻射處理常規的厭氧法、石灰消毒法只能起到大量減少污泥中病原菌的作用；加熱干燥法和巴氏消毒法雖然能控制污泥的衛生學質量，但能耗大；高溫發酵雖能耗小，但污泥的性質不穩定；相比之下，污泥的輻射處理殺菌徹底，操作方便，耗能最小，不產生二次污染，完全能保證污泥產品的質量。所以，20世紀70年代后，原聯邦德國、美國等很多國家都相繼建造了一批污泥輻照裝置，運行都很成功。并證明這種技術安全可靠，操作方便，處理后的污泥可作為農田肥料和土壤改良劑，又能作為家畜的輔助飼料。用于污泥的輻射處理的輻射源通常有“Co、：，’Se和高速電子束等。7.1污泥輻射殺菌效果表7-1總結了污泥中7種微生物在進行不同照射劑量、劑量率等輻射條件下的滅菌結果，從表7-1中數據可以看出，雖然，不同強度的輻射劑量、劑量率、有機物含量和氧氣含量等條件都對生存在一個生態環境中的各類菌群產生不同程度的影響，但是起主要作用的是照射劑量，殺菌效果隨照射劑量的增加而增加，只要達到一定的照射劑量，就能殺死各種微生物，在達到農業應用衛生學標準時，污泥殺菌的最佳劑量在3kGy左右。輻射消毒與化學法消毒相比，不但可以避免化學累積效應，同時還能提高污泥的穩定性，并且可以有效地防止病原菌的傳播。表7-17種微生物不同照射劑量、劑量率等條件下結果7.2輻射處理后污泥的穩定性未處理的污泥很不穩定，在放置過程中會產生物理和化學方面的變化，出現細菌和藻類繁殖，污泥上浮、變黑等現象，而污泥經過輻射處理之后就可以改變這種情況。7.2.1輻射對厭氧菌的影響未照射的污泥和照射過的污泥在靜置放置一段時間后，已經沉淀在底部的污泥開始有規律地上浮，從上浮的時間看，未照射的污泥首先上浮，然后是輻射后的污泥由受低劑量照射的開始，每隔幾天或十幾天陸續上浮。當照射4kGy或6kGy的污泥開始上浮時，未照射的污泥又一次下沉。這種情況受溫度影響很大，溫度越高，污泥上浮的時間越快。在低溫環境中基本不發生這種現象。產生這種現象的主要原因是厭氧菌在污泥底部不斷繁殖所造成的。污泥本身含有大量的厭氧菌，在放置過程中，沉下來的污泥隔斷了與大氣的復氧傳遞條件，而污泥上覆的澄清水中的好氧菌在繁殖和分解有機物的過程中又耗掉了水中的溶解氧，為污泥底部的厭氧菌創造了良好的繁殖環境。它們在分解有機物時所產生的氣體又很難穿過污泥層進人大氣，當不斷積累起來的氣體達到一定程度后，就將污泥慢慢頂向水面，而經過照射的污泥，由于射線殺死厭氧菌的程度不同，導致厭氧菌恢復和繁殖起來的時間不同。照射劑量越高，殺死厭氧菌的效果越好，超過6kGy劑量照射后的污泥幾乎不發生上浮現象，說明輻射殺死厭氧菌是有效的。采用高劑量照射可徹底殺死污泥中的全部厭氧菌。7.2.2輻射對好氧菌和兼氧菌的影響在污泥放置過程中，當環境溫度較低時，污泥澄清后的上清液變色是放置過程出現的主導性轉化現象，這時幾乎不發生污泥上浮現象，但上清液由淺色變成黑色，并且發臭。變色首先是從未照射的污泥開始，然后從低劑量到高劑量照射的污泥逐次發生變化。當照射6kGy劑量的污泥澄清水變成黑色時，前面的未照射和低劑量照射的污泥澄清水又開始由黑色逐漸變成黃色。這一過程一般需要1—3個月。溫度越低，這一過程越長。造成這一現象的原因主要是好氧菌和兼氧菌在繁殖和分解有機物時消耗了上清液中的溶解氧使其變成黑色(但當上清液中的有機物被充分分解后，由于上清液表層復氧速率超過了微生物利用溶解氧的速率，上清液中溶解氧緩慢升高，使其中黑色的硫化物等再次轉化為硫酸、亞硫酸鹽的淺色物質)。因此，經過照射的污泥上清液變黑的時間能隨著照射劑量的增大而延長，這就說明了輻射能有效地殺死水中的好氧菌和兼氧菌，并且照射劑量越大，殺菌越徹底。7.2.3輻射對藻類的影響輻射可以殺死污水廠污泥中的藻類，防止其繁殖生長。例如，在長期放置的污泥上清液中，未照射的污泥首先開始生長綠色的藻類，經過鏡檢，發現大部分是小球藻，又經過一段時間后，照射1kGy和2kGy劑量的污泥也相繼開始長藻類，鏡檢后發現大部分也是小球藻，而照射劑量超過3k(；y的污泥始終沒有發現藻類生長。這說明輻射對藻類是有影響的，只要達到一定的照射劑量，就可以徹底殺死污水污泥中所有的藻類。以上三種情況說明，輻射不但對病原菌殺死效果好，而對殺死好氧菌、厭氧菌及藻類也是有效的，因此，輻射能提高污泥長時間放置的穩定性，減少污泥在放置或排放過程中給環境帶來的污染。7.3污泥輻射除臭效果城市污水處理廠排放的污泥本身就帶有一定的臭味，如不經任何處理排人干化場后，在微生物的作用下，會產生更加強烈的臭味，嚴重污染周圍的環境。然而像巴氏消毒法等熱處理工藝在處理污泥的過程中不但去除不了臭味，相反還會產生令人厭惡的臭味直接影響操作環境和工人的健康，并且對設備腐蝕嚴重。相比之下，輻射技術除臭效果明顯，對周圍環境影響很小。當污泥照射4kGy以上的劑量時，可使污泥從有強烈臭味降低到僅可以察覺的程度，基本上可降低1個臭氣強度等級。在低于4kCy以下的劑量時，除臭效果不明顯。輻射除臭的主要原因是，輻射能夠破壞和分解一些產生臭味的物質，殺死污泥中各種細菌和藻類，從而消除了產生臭味的根源。因此，在較長時間的放置過程中，污泥也很穩定。另外，由于污泥采用輻射技術處理是在常溫常壓下進行的，所以對設備腐蝕性很小。7.4輻射能促進污泥中速效性氮、磷量的增加污泥中速效性氮、磷含量的增加，說明輻射能夠促進污泥中含氮、磷有機物的分解，提高污泥養分的速效性。因此，污泥中營養物質的可利用性也增加了，營養物質容易被作物吸收，起到增產效果。國外的輻照污泥盆栽試驗和大田實際應用都證明輻射后的污泥確實有提高作物產量的作用。城市污水廠排放的污泥經過照射后，在1—4kCy范圍內，污泥中的速效性氮和磷的含量是隨著照射劑量的增加而增加的。在照射劑量達到4船y時，速效性氮可增加3倍，速效性磷可增加6．5倍。超過4k(；y時，速效性氮、磷含量趨于穩定。輻射處理污泥的這一特點是其他很多處理方法所不具備的。如普遍采用的熱處理方法在殺菌的同時會破壞污泥中氮、磷等營養物質，降低污泥再利用的價值和效益。五、輻射對污泥物理性能的影響輻射能夠提高污泥的沉降性和過濾性的特點也是其他很多處理方法所不具有的。通過對多組未照射污泥與經不同劑量照射后的污泥沉降速度所進行的比較發現：污泥經輻射后，其沉降速度比未照射的均有提高，并且沉降速度的增加與照射劑量幾乎呈線性關系，基本上隨照射劑量增加而提高。溫度在10—25E，污泥含水率在96．7％一99．5％，照射劑量在1—6kGy范圍內，可使污泥沉降速度平均提高9％一20％。污泥經過輻射后，過濾速度比未輻射污泥有一定提高，但在過濾的最初時間里，過濾速度提高不明顯，隨著濾出液量的增加，過濾速度提高得越來越明顯，出現這種現象的主要原因是由于隨著污泥含水率的降低，污泥的黏滯性(源于污泥固體的膠狀絮體結構)成為影響過濾的主要因素，而輻射可使污泥的黏滯性發生變化，破壞了污泥的膠狀絮體結構。輻射破壞污泥泥漿絮體結構的機制能夠改變污泥顆粒的帶電狀況，破壞污泥膠體的穩定性，從而增強污泥顆粒之間的凝聚性，降低污泥體系的黏度，使污泥容易脫水，并表現為加快了污泥沉降速度和過濾速度，減少了污泥最終體積，以及處置和運輸系統的容量規模，同時還使其便于儲存和運輸，可降低處理費用，有利于污泥的再利用。7.5輻射技術的新發展——微波輻射微波是一種非電離的電磁能，以每秒3×10^5km的光速傳播，其頻率范圍是：30MHz-300MHz，其中2450MHz是家用微波爐最常用的頻率。用微波輻射能實現加熱，部分取決于反應物料的消耗系數，消耗系數是反應物料的損失系數與其介電常數之比。介電常數可衡量反應物料阻止微波穿透它的能力，而損失系數則反映物料耗散微波的能力。在一定頻率作用下，試樣的耗散系數越大，微波輻射能穿透它的機會越小，即試樣吸收微波能量的能力愈強。描述微波穿透特征的有效參數是半功率深度，即微波功率密度減少到初始入射功率一半時離樣品表面的距離。在一定頻率下的半功率深度隨反應物料的介電性質變化。對同一種電介質，半功率深度大約與頻率的平方根成反比。在微波輻射作用下，微波能量在試樣物料中的耗散是通過偶極分子旋轉和離子傳導兩種機制來實現的。通過離子遷移和極性分子的旋轉微波能使分子運動，但不引起分子內部結構的改變。被作用物質的分子從相對靜態，瞬間轉變成動態，即極性分子接受微波輻射能量后，通過分子偶極以每秒數十億次的高速旋轉而產生熱效應。由于此瞬間變態是在被作用物質內部進行的，故常稱為內加熱(傳統靠熱傳導和熱對流過程的加熱稱為外加熱)，內加熱具有加熱速度快，反應靈敏，受熱體系均勻等特點。其能量轉化率的大小與分子的特征有關。由于加熱的速度非常快，故可能出現局部過熱。微波加熱使污泥脫水和干燥的過程，從本質上說也是水吸收熱量后蒸發的過程。與傳統加熱法相比，微波加熱不是表面熱傳遞過程，而是一種容積加熱過程，因此沒有熱傳遞過程的熱損失。從理論上說，微波加熱的熱效率比傳統加熱法高。由于污泥是典型的混合物，除了主要成分——水以外，還有氧化物、無機鹽和有機物。在微波場中，無機顆粒物提供了共沸中心，會出現局部過熱現象，使污泥在達到水的沸點以前就開始沸騰，水從污泥混合物中進入氣相，因此，微波加熱過程中，污泥中的水開始蒸發的溫度不是100℃，而是低于100℃。微波干燥污泥能高效地脫去水分，減少污泥含水率和體積，有利于污泥的最終處置，用這種方法脫水的工藝簡單，操作時間短，耗能低，設備構造簡單，具有很好的應用前景。關于污泥微波脫水干化過程中是否伴隨有機物的揮發和分解等相關問題仍在進一步研究之中。四、市政污泥處置技術關于處理后生物固體的處置，通常有兩種觀點：一種觀．去認為對經過處理后的生物固體進行填埋、海洋傾棄、焚燒、堆肥、熱解、制建材等均可視為“處置”；另一種觀點認為只確填埋或海洋傾棄才是真正意義上的“處置”，其他如堆肥農用焚燒、熱解及制建材等均可認為是生物固體的資源化利用。不管何種觀點更為正確，這里只足填埋與海洋傾棄作簡單討論。污泥的填埋處置填埋是廢棄物的中間處理及最終處置方法。根據美國土木工程學會的定義：“垃圾衛生填埋是指一種不產生公害，或對公眾健康及安全不產生危害的廢棄物處置方法，該法使用工程原理將廢棄物局限在最小的區域內，每H廢棄物傾倒處理完畢后加覆土壤。”生物固體衛生填埋法是一種自然生物處理法。它是在自然條件下，利用土壤微生物，將生物固體中的有機物質分解，使其體積減少而漸趨穩定的過程。生物固體經過基本處理運到垃圾衛生填埋場后，和城市垃圾及其他固體廢棄物按衛生填埋要求和程序填埋起來，在填埋層內的生物化學變化過程大致分為3個階段。1.1好氧階段在填埋初期(填埋后數十日內)及在填埋場中有通風設施者，土壤微生物中的好氣性微生物利用填埋層中的氧氣，在適當的含水情況下，將垃圾中的一部分有機物質分解成水、二氧化碳及穩定細胞質，并產生氨化作用。1.2厭氧階段大多數填埋場以厭氧為主要工藝。在缺氧或無氧條件下，土壤與垃圾中的厭氧微生物群落，主要有纖維素分解菌、蛋白質水解菌、脂肪分解菌、醋酸分解菌、產氫菌、產甲烷菌等相繼起作用，將生物固體和有機垃圾先“液化”，使固體物質變成可溶性有機物，然后經過“酸性發酵”和“堿性發酵”兩個階段，把有機物質轉變成甲烷((：H4)、二氧化碳((b)和水及相當一部分穩定細胞質，含氮有機物中的氮發生氨化作用。1.3填埋穩定階段對整個填埋場而言，垃圾中較易分解的有機物歷時約500d后多數能被分解而接近穩定狀態，其生物轉化的化學反應詳見厭氧堆肥一節。正常情況下，在最初的兩年里產氣量達到最大，以后逐漸降低，其持續產氣期可達10～20年之久或更長。生物固體含有機質高，含水率也高，其本身又含有大量的微生物群落，進入填埋層后，是最易進行生物化學反應并實現轉化的對象。生物固體在填埋過程中，其物質轉化是：所以，既有一部分轉變成氣態物質(甲烷、二氧化碳)，又有一部分仍然以細胞質存在，還有一部分變成水分和氨。甲烷和二氧化碳可作為填埋氣加以利用，特別是其中的甲烷經收集處理后可用于發電或變成清潔燃料；穩定細胞質留在填埋層中可以作為潛在肥料或燃料；水和氨流出填埋區作為垃圾滲濾液的一部分，經過滲濾液處理設施而實現無害化。因此，運用現代化衛生填埋技術處理生物固體，可以達到穩定化、無害化和資源化的目的。當然，由于填埋場地日益受限，生物固體填埋處置的資源化利用價值及效益不及直接堆肥農用或其他資源化利用。2.污泥的投海處理投海是固體廢棄物綜合利用后的另一種最終處置方法。沿海城市將生物固體投海處置，已有多年歷史，有成功的經驗，也有造成嚴重污染影響環境衛生和海洋生態的失敗教訓，值得引以為戒。生物固體的投海有兩種方法，一種是駁船裝運；另一種是用管道把污泥輸送到深海區域，利用海洋的潮流作用將其迅速擴散、稀釋。生物固體投海后，必須保證其所投海區不受污染。生物固體投海后控制的主要衛生指標是投海區的大腸菌群值、渾濁度、油脂及懸浮物濃度。在生物固體的排口處或傾倒點處，難以掌握和控制的有3個因素，即生物固體的腐爛、初期稀釋程度和擴散程度。因此，海域的潮汐與流動狀態、深海生態與自凈能力、生物固體的性質決定了污泥投海后的環境影響行為。依據英國的經驗，生物固體投海應離海岸10km以外，深度25m，潮流水量為污泥量的500～1000倍。由于海域的自凈作用與稀釋作用較好，污泥投海