“市政污水厂污泥常态深度脱水与安全处理处置”创新成果简介

“市政污水厂污泥常态深度脱水与安全处理处置”创新成果
简介
李志光1何纯莲2
(1湖南农业大学理学院; 2中南大学博士后流动站)
1、国内外污泥处理处置现状
市政污水厂污泥是污水处理过程中产生的有机质、微生物菌胶团等沉淀物质以及污水表面漂浮的浮沫等残渣，其中含有大量的病原菌、寄生虫、致病微生物、二噁英和砷、铜、汞、铬等有毒重金属。

如何进一步处理污水厂所产生的污泥是当今世界环保领域的重大难题。

二十世纪九十年代以来发达国家已将污泥处理处置列入环保工作的重点，处理污泥的传统方法主要为卫生填埋、焚烧和热能利用、好氧厌氧消化等。

其中卫生填埋对设备要求相对简单，但是需要大量的填埋场地和污泥的运输费用，而且容易产生地下水污染和臭气散逸等二次污染问题；焚烧和热能利用技术充分利用产生的沼气建立发电站，其能源自给率可达到50 %以上，但焚烧法设备和运行费用昂贵，易造成大气污染，仍然残留大约1 /3 左右固体量的无机物；土地利用技术是剩余污泥处置的主要途径之一，而且随着可填埋的范围逐渐缩小，土地利用将是一个主要的发展方向；污泥厌氧消化技术是污泥处理的重要方法之一，国内外应用较为广泛。

它是利用厌氧微生物的分解作用，使污泥中的有机物分解并趋于稳定。

厌氧消化过程中可回收能源，但消化后的污泥含水率较高，仍需进一步脱水。

纵观国外污泥处理处置方法及综合利用，总体趋势已从焚烧干化逐步转化到以高效脱水后再资源利用为主导方法。

我国由于长期以来污泥处理投资力度小，片面地追求污水处理率，尽可能地简化、甚至忽略了污泥处理处置单元，将未做任何处理的湿污泥随意外运、简单填埋或堆放，致使许多大城市出现了污泥围城的现象，并已开始向中小城市蔓延，给生态环境带来了极为不利的影响。

随着我国城市化进程加快，城镇污水处理率大大提高，污水厂污泥产量以年增长率大于10%的速度急剧增加。

2010年，全国城镇污水处理率超过50%，城市污水处理率超过70%，年污水处理量达到365亿吨，年污泥产量达2740万吨；到2015年，年污水处理能力达到475亿吨，年污泥产量达3560万吨。

湖南
省城镇污水处理厂建设“三年行动计划”实施后，年产污泥将达到100多万吨。

然而，污水处理传统工艺由于无法有效地破解污泥的包外聚合物、污泥胶团结构吸包水和污泥菌团细胞水，使得目前污水厂处理后污泥含水率仍高达78-83%，致使污泥运输、固化填埋成本高，填埋土地占用率巨大，且极易因污泥返溶、渗出等造成填埋地的二次污染，影响周边生态环境。

针对传统污泥脱水存在的问题，结合我省我市污水厂污泥处理现状，以湖南农业大学市政污泥攻关课题组研发的市政污水厂污泥常态深度脱水新技术已取得革命性的突破。

该技术采用国际首创的污泥常态深度脱水技术，生产具有自主知识产权的污泥智能化破膜深度脱水成套设备，为我国城市污水处理厂的污泥深度脱水提供一种高效、经济的技术装备，彻底解决了市政污水厂污泥进行卫生填埋或资源化最终处置的难题，使污水处理厂含水率90%～99.5%的剩余污泥一次性处理达到含水率55%以下，同时将污泥中有毒重金属离子进行有效的固化处理，处理后污泥不返溶、菌落数达到国家卫生标准，实现市政污水厂污泥处理的减量化、稳定化和无害化，方便卫生填埋和其他资源综合利用。

应用该技术成果节约了一次性能源，大大减少了运输、管理费及填埋占地面积，降低了污泥处理处置成本75%以上。

应用该技术成果于2009年10月在长沙市第一污水厂建成处理规模为2万m3/日污水产生的剩余污泥（合2.0吨干污泥/日）的示范工程。

2010年1月湖南省住建厅组织专家对该示范工程进行了评估论证，湘建函【2010】62号。

该示范工程通过近一年稳定运行，具有明显的经济效益和社会效益。

在此基础上湖南农业大学与“湖南湘牛环保集团”、“北控水务中科成集团”合作，于2010年5月在长沙市第一污水厂开建处理规模为5万m3/日污水产生的污泥常态深度处理处置标准化生产线，2010年10月已正式投入生产营运。

标准生产线处理后的污泥，可直接卫生填埋，也可作为混合填埋用泥质，同时可加工成中、低燃值燃料替代物。

该生产线的规模推广，突破了污水处理厂污泥处理后含水率高达80%的技术瓶颈，解决了污水处理后污泥中重金属污染的难题，实现市政污泥安全处理处置，达到了资源节约、环境友好的目的，对于推动两型社会的构建具有十分重大的意义。

2、污泥常态氧化破膜深度脱水机理
污泥常态深度脱水技术基于膜界面电子转移与氧化还原微反应理论，常温常压下，在氧化导向剂作用下完成氧化剂高能态电子在s-g、s-l界面与剩余污泥胶束结构键合键轨道对称性转移，实现污泥菌胶团结构和菌胞膜的氧化破解。

经过高能电子氧化破坏菌团颗粒外层的LB-EPS与水分子形成的氢键，释放出大量的胞外结合水；高能电子在导向剂作用下进攻菌团颗粒内层TB-EPS、细胞壁和细胞膜，使之糖-蛋白键、糖-糖键、蛋白质-蛋白质键等键断裂，释放出胞内结合水、结构水、晶胞水及细胞水等。

在聚沉剂作用下，污泥颗粒表面双电层电位下降，加快污泥聚结增大，形成大而致密污泥颗粒团，通过压滤工艺实现泥水分离。

经过氧化破膜和盐析过程后，使菌类消亡。

携带高能电子的²OH在破坏了原污泥菌团有机质膜结构和胞外聚合物结构的同时，形成更多新的键合活性基团，有利于重金属离子由原来表面吸附转变为胞内键合、活性基团吸附和有机络合，形成较稳定有机螯合态；由于有机质膜被打开，重金属离子进入细胞内，从而大大减小重金属离子与胞内的键合活性基团结合的阻力，有利于形成稳定的键合键（如M-O、M-S、M-N等），从而形成稳定型重金属螯合态，实现污泥中重金属离子的有效固化。

图1 工艺流程示意图
Fig.1 Flow diagram
含水率90%～99.5%的剩余污泥经污泥提升泵从剩余污泥贮泥池至多功能反
应器，加入自制的破膜导向剂D，氧化剂在导向剂诱导下，完成氧化破膜。

投加
自制的聚沉剂，排放上层清液，将下层浓缩的污泥经重力流至中间池，经螺杆泵送至板框压滤机，压滤结束后卸泥，含水率约50%干泥饼卸落在压滤机下面的输送带上，滤液回流至厂区污水处理系统。

3 常态氧化破膜深度脱水运行效果分析
3.1 污泥自由沉降
取连续5天的污泥样，以污泥的体积（即水与泥明显分界线以下部分的体积，mL）为纵坐标，时间为横坐标，得到沉降曲线，如图2所示。

图2(b)为深度脱水技术沉降曲线，图2(a)为原污泥5天的平均沉降曲线。

(a) (b)
图2 污泥自由沉降曲线
Fig.2 Sludge free settlement curve
从图2中可以明显的看出，经处理后的污泥的沉降速度远大于原污泥的沉降速度，尤其是在前5min表现更为显著，这是因为经导向氧化破膜，脱出了大量结合水和晶胞水，使得污泥密度变大；在聚沉剂作用下使得污泥颗粒变大，快速聚沉。

3.2 现场处理情况
工程调试稳定后现场连续岀泥情况如表1所示。

表1中所记录的为一天多批
次平均值。

表1 连续7天现场岀泥情况记录表
Table 1 Record table of treatment sludge in continuous 7 days
序号一天平均每批次处理原
污泥量（m3）
一天平均每批次处理后
泥饼重量（kg）
处理后泥饼
平均含水率
1 70.1 2980 48.07%
2 100.4 3020 47.02%
3 110.8 3100 46.46%
4 108.6 3200 46.18%
5 109.8 3100 45.27%
6 120.0 3150 46.39%
7 110.2 3260 45.06%
从表1连续7天（2010.10.10~2010.1016）岀泥情况分析，处理后泥饼每天
平均含水率变化波动为3.01%，每天平均每批岀泥量变化波动为280kg，这主要因为是原污泥浓度波动所引起的（原污泥中ss为17000 ±4000mg/L）。

采用污泥常态深度脱水技术处理污泥系统具有良好的稳定性和技术可靠性。

3.3 主要指标监测分析
处理后污泥及滤液主要参数指标通过湖南省环境监测权威机构抽样检验。

分析检验结果如表2、表3所示，表2为湖南省分析测试中心的检验报告，表3为
湖南省环境监测中心站所提供的分析结果报告。

表2 检验分析结果情况表
Table 2 Results of test-analysis
污泥浸出液检验污泥泥饼检验
测试项目计量单位分析结果测试项目计量单位分析结果 pH / 7.1 污泥含水率% 52.70 化学需氧量mg/L 27 锌mg/kg 26.70 锌mg/L 0.0082 汞mg/kg 4.210
汞mg/L 0.0025 铅mg/kg 70.10
铅mg/L 0.020 铬mg/kg 4.850
铬mg/L 0.0018 镉mg/kg 5.90
镉mg/L 0.014 砷mg/kg 25.98
砷mg/L 0.027 粪大肠菌群值/ 0.02
蠕虫卵死亡率% 98 注：数据来自于湖南省分析测试中心。

表3 样品分析结果
Table3 Analysis results of sample
样品类型化学需氧量铅砷汞镉
滤液（mg/L）72 0.1（L）0.0024 0.06³10-30.01（L）
污泥浸出毒
性（mg/L）
/ 0.2 0.0573 2.6³10-30.06
污泥全量
（mg/kg）
/ 71.2 25.95 4.191 5.6
注：①L表示未检出；②此表数据来自湖南省环境监测中心站。

从表2、表3可看出，采用污泥常态脱水深度处理技术处理污泥的效果甚佳。

处理后的滤液和泥饼分别达到相应的国家标准（GB 18918-2002和GB 16889-2008）;尤其是一些有毒重金属远低于国家标准GB5085.32-2007。

这表明了采用污泥常态脱水深度处理技术处理污泥可以达到污泥的减容、无害稳定化的效果，为当前污水处理厂污泥处理提供一套安全、经济的办法和先进技术。

3.4 处理后污泥综合利用
采用常态深度脱水技术处理污水厂污泥，由于处理后污泥含有大量的植物所需营养物质，且低菌、病原体消亡、重金属得到有效的固化，可用于苗圃土地改良。

经热值测定，污泥约为2000大卡/千克，可做为中、低热值燃料替代物。

处理后污泥各项指标均合乎GB/T23485-2009，可作垃圾填埋场覆盖土泥质。

4、经济效果分析
污泥处置大致分为卫生填埋、资源化和焚烧三大类，其中卫生填埋的经济成本最小，在污泥项目大规模启动之初，仍然是处置最有效的方法。

然而制约污泥处理处置发展的最大因素是污泥高含水率。

现以处理后污泥卫生填埋方式处置，针对湖南长沙为例，对传统工艺技术处理污泥和污泥常态深度脱水技术处理污泥
的处理处置费用做一简单经济分析对比，见表4。

表4工艺技术剩余污泥处理处置费用比较表(单位：元)
Table4 Charge contrast table of sludge treatment and disposal using two technology
项目传统工艺处理处置
费／吨干污泥常态深度脱水工艺
(2万吨/日污水)处
理处置费／吨干污
泥
常态深度脱水工
艺(5万吨/日污
水)技术处理处置
费／吨干污泥
常态深度脱水工
艺(10万吨/日污
水)技术处理处置
费／吨干污泥
投资成本（万元）150 260 380 电费100.00 75.91 48.09 48.09 人工26.51 102 68.49 47.94 药剂费122.50 233.30 200 180 水费 6.82 5.6 6.4 6.4 设备折旧费46.68 156.02 108.02 78.90 厂房折旧费 2.6 5.47 3.84 2.73 运费275 144.45 144.45 144.45 污泥固化费1575 0 0 0 污泥填埋费175 77.78 77.5 77.5 污泥处理处置总费2330.1 800.53 656.8 586.06
用
占地面积(m2) 200 300 400 回收成本时间(天) 656 405 290
表5现有污水厂污泥尾端处理费用表(单位：元)
Table4 Charge contrast table of sludge treatment and disposal using two technology
项目传统工艺处理处置
费／吨干污泥常态深度脱水工艺
(2万吨/日污水)技
术处理处置费／吨
干污泥
常态深度脱水工
艺(5万吨/日污
水)处理处置费／
吨干污泥
常态深度脱水工
艺(10万吨/日污
水)技术处理处置
费／吨干污泥
投资成本（万元）
处理含水率78%～
80%污泥进行卫生填
埋60 150 237
电费50.86 32.2 32.2
人工102 68.49 47.94
药剂费233.30 200 180
水费 5.6 6.4 6.4 设备折旧费 61.6 62.46 49.3
厂房折旧费 2.19 2.73 1.91 运费275 144.45 144.45 144.45 污泥固化费1575 0 0 0
污泥填埋费175 77.78 77.5 77.5
污泥处理处置总费
用
2025 687.8 594.23 539.75
占地面积(m2) 200 300 400
回收成本时间(天) 324 303 232
传统工艺处置费来源中科成长沙市第一污水净化有限公司
5、该项成果具有下列明显技术优势和经济效益：
5.1实现污水厂剩余污泥在常态下深度脱水
污水厂剩余污泥含水率通常为90%～99.5%，现行污水厂处理后污泥含水率仍高达78-83%，造成二次污染，因此污泥的安全处理处置已成为当今环保难题。

本项成果在常态条件下一步深度脱水至含水率50%以下，达到直接卫生填埋的国家环保标准。

5.2实现污泥处理处置无害化
应用本项技术处理污水厂污泥，病毒体及菌落消亡，重金属离子固化；污泥臭度下降到1°以下；达到污泥安全处理处置环保标准。

5.3污泥性质稳定，便于资源利用
氧化脱水后污泥化学性质发生变化，颗粒聚结增大，稳定性提高，不返熔，不吸水膨胀。

其燃烧值约2000大卡/千克，经复合配方可作为砖厂和水泥厂中低
热值煤的替代物，具有广泛的应用前景。

5.4经济效益明显
按长沙市现行含水率80%的污泥处理处置费用计，每吨绝对干污泥处理处置费用为2330.1元/吨，本项成果处理处置费用为656.8元/吨，每吨绝对干污泥节约处理处置费用1673.3元/吨。

全省“三年行动计划”新建污水厂119座，日处理污水规模为550万吨，年节约污泥处理处置费3.3亿元；对不具备卫生填埋场的小城镇污水厂，使用该技术可防止其二次污染。

5.5投资小，见效快
应用本项成果在污水厂终端一步完成剩余污泥深度脱水，在原有的污水处理厂（按5万吨/日污水处理能力计）增加投资约260万元。

新建污水处理厂仅需增加投资约160万元，从开工建设到投产只需三个月完工，见效快。

全省污水处理厂增加投资约1.76~2.86亿元，相当于建一座污泥焚烧场投资费用，相对污泥焚烧处理，应用该技术成果全省节约投资费用约20亿元。

5.6构建新型环保产业
以此项技术为核心竞争力，建设“污泥深度脱水破膜装置”的设备制造基地，提升湖南省乃至我国的环保装备制造业水平，打造上千亿的湖南环保产业。