污泥加鈣干化處理技術應用與評價0371-64608288
1970-01-01 08:00:00 來源： 點擊：1041 喜歡：0
根據相關數據顯示，2009年全國投運城鎮污水處理廠1992座，處理污水量280億立方米，產生含水率80%左右的污泥2005萬噸。 隨著在建的2000多座污水處理廠陸續投入運行，全國年污泥總產生量將很快突破3000萬噸[1]。數量巨大的脫水污泥如未經恰當處理處置進入環境后，會直接給水體和大氣帶來二次污染，不但降低了污水處理系統的有效處理能力，而且對生態環境和人類的活動構成了嚴重的威脅。
1 我國污泥處理處置現狀分析
根據數據顯示，由于受認識、資金、技術和政策等因素的影響，我國的污泥處理處置情況并不理想。城鎮污水處理廠的建設往往只注意污水處理要達到排放標準，而對污泥處理和處置，設計中一般只提將脫水污泥外運和綜合利用，污泥處理處置單元較為簡化甚至沒有考慮，產生的污泥隨意堆放或去向不明，這勢必會造成二次污染，造成了較大的安全隱患。
1.1污泥處理現存問題
鑒于以上原因，城鎮污水處理廠產生的大量脫水污泥存在著以下問題：
①脫水污泥含水率較高。市政污水處理廠脫水污泥含水率一般約為80~85%，其體積較大，填埋過程大量占用有限的土地資源造成浪費，無形中消減了填埋場的庫容，縮短填埋場的使用壽命。《城鎮污水處理廠污泥處置 混合填埋泥質》（CJ/T249-2007）要求污泥進入垃圾填埋場填埋處理時，污泥含水率要小于60%；作為垃圾填埋場覆蓋土時，含水率要小于45%。同時，含水率較高的污泥會阻塞填埋場的滲濾液及沼氣收集管道，造成滲濾液及沼氣無法正常排除，造成填埋層凹凸不平，甚至會造成爆炸的危險。
②脫水污泥抗剪及承壓能力較差，不能滿足填埋要求。含水率80%左右脫水污泥仍具有良好的流動性，無法承受填埋設備在其上面行走，造成設備深陷泥中，影響填埋場正常運行。這也是許多垃圾填埋場不愿接收脫水污泥的主要原因之一。我國《城鎮污水處理廠污泥處置 混合填埋泥質》（CJ/T249-2007）規定作為垃圾覆蓋土的污泥其橫向抗剪要大于25KN/m2；國外相關規定更加嚴格。
③脫水污泥未經過衛生處理，泥中含有大量的微生物，特別是病原菌的存在，使得污泥成為疾病傳染源頭之一。同時，污泥在堆置過程中會發出大量臭氣，影響周邊環境。
1.2 我國污泥處理處置現狀
目前，我國運營的以及在建的城市污水處理廠中，污泥處理處置以衛生填埋為主流方式，在所有的污水處理廠污泥處置方式中所占的比例達到63.3%，而堆肥處置工藝占14.6%，建材利用只占2.3%，個別污水處理廠采用焚燒、排海及自然干化處理[2]。污泥處置工藝分析如下圖所示。
圖1 我國運營及在建城市污水處理廠污泥處理處置工藝
2 污泥加鈣干化技術原理
我國污泥處理處置的基本方針是 “減量化”、“穩定化”、“無害化”、“資源化”，而現有大部分污水處理廠污泥處置工程建設滯后，基本不能滿足污泥處理處置的衛生學指標，造成污泥污染環境狀況較普遍。因此，污泥的無害化處理已成為當務之急。污泥加鈣干化技術即可滿足以上要求。
2.1 加鈣干化技術原理
污泥的加鈣干化是指將生石灰（CaO）與脫水污泥進行混合，利用生石灰和水在環境溫度下的水和反應熱，形成蒸汽，從而降低含水率的目的。另一方面，通過石灰與水反應產生的熱量以及pH值的提高，對混合器中的全部污泥進行消毒殺菌。化學反應如下：
1kg CaO+0.32kg H2O→1.32 kg Ca(OH)2+1177kJ
根據這一反應，每投加
同時，生石灰與水反應后產生了堿性環境，可以殺死大量微生物，以及將NH4+轉化為氨氣并釋放出來。從污泥中釋放出的含NH3氣體必須進行處理，否則會造成二次污染。
圖2 加鈣干化反應過程及反應結果
2.1 加鈣干化技術處理效果
污泥通過加鈣加鈣干化后可以得到如下結果：
①污泥含水率進一步降低，可以從80%降低至60%以下（據生石灰投加量而定），由于石灰的加入，體積略有增加，但總質量會下降；
②反應熱形成的高溫和較高pH可以殺死大量病原菌，如沙門氏菌和大腸桿菌；
③改善污泥機械性能。石灰與污泥混合反應后，污泥的細胞壁被大量破碎，促進了污泥中非自由水向自由水轉化，有利于水分的蒸發及后續處理；伴隨著污泥含水率的降低，還可能形成污泥的顆粒化，從而改善儲存和運輸條件，避免二次飛灰、滲濾液泄漏；
④鈍化部分重金屬離子。投加一定量的氧化鈣使污泥呈堿性，在特定堿性條件下，部分金屬離子會形成無害的化合物，達到鈍化重金屬離子的效果。
污泥加鈣加鈣干化技術作為污泥處理處置的強化預處理工藝，主要適用于進一步降低污泥的含水率，改善衛生性狀等情況。其可以靈活地與其他多種工藝進行銜接，加鈣加鈣干化后的污泥可以衛生填埋、土地利用、焚燒處理、建材利用等，其應用范圍較廣。
3、污泥加鈣干化技術的應用
3.1國內外相關規定
由于污泥加鈣穩定技術可以降低含水率和殺菌等功能，在歐美等發達國家一直被認為是污泥處置的必要中間環節。該技術已經發展較為成熟，且均有明確的規定：
美國聯邦政府對城市污泥的土地利用有嚴格的規定，在《有機固體廢棄物（污泥部分）處置規定》中，將污泥分為A 和B 兩大類，脫水污泥經高溫堆肥、無菌化處理后各項有毒有害物質指標達到環境允許標準的為A類，可作肥料、園林植土、生活垃圾填埋坑覆蓋土等；經脫水或部分脫水簡單處理的為B 類污泥，只能林業用土，不能直接用于改良糧食作物耕地。為保證污泥良好的殺菌效果，生石灰的投加量要滿足維持30min內污泥的反應溫度均在70℃以上，或者能夠使得污泥2小時內的pH維持在12以上（WEF, 1998）[3]。
歐盟則將加鈣穩定技術視為一種預穩定化工藝，用以維持特定的條件來防止有機物的分解與反應（如pH和干度）。預穩定化可以減少污泥儲存過程中的氣體排放、提高污泥的可處理性及進行消毒。當使用生石灰對脫水污泥進行消毒處理時，應滿足在55℃溫度下維持24小時，pH值高于12度等（參見EN12176）[4]。
我國在加鈣加鈣干化技術方面也有較為深刻的認識，建設部于2009年4月下發的《城鎮污水處理廠污泥處理技術規程》（CJJ/131~2009），其中對污泥石灰干化處理設施要求及石灰投加量進行了相應的規定。同時，指出石灰污泥的pH及維持時間規定應滿足：接觸反應2h后，pH值升高到12；在不過量投加石灰的情況下混合物的pH應維持在11.5以上24小時。
3.2工藝種類及分析
目前常用的加鈣加鈣干化工藝主要有以下幾種：
BIO*FIX工藝 | N-Viro Soil工藝 |
Chenpost工藝 | RDP En-Vessel巴氏殺菌 |
圖3 加鈣穩定化技術工藝
BIO*FIX工藝是由Wheelabrator凈水公司BIOGRO分公司推向市場的專利堿穩定工藝。該工藝可利用同一裝置中生產出多用途產品，能有效地控制氣體揮發物和臭味，且占地面積小。但該工藝增加了質量/體積比（相對于進入的脫水污泥，質量提高了15%~30%）。當滿足美國EPA的A類標準時，費用相對較高。
N-Viro Soil工藝是使用石灰和窯灰的專利后加鈣干化工藝，該工藝質量穩定，可固定重金屬，且運行費用較低，產品的資源化應用包括石灰化藥劑、垃圾填埋覆蓋物和土壤補充劑等。其主要缺點是增加了產品質量/體積比，且設備較大，臭味控制費用較高；
Chenfix工藝是使用石灰、波特蘭（Portland）水泥和溶解性硅酸鈉凝硬性化合物與污泥進行混合反應。該工藝可以生產可回收利用產品，但是系統較復雜、運行費用較高，受產品銷售影響較大。
RDP En-Vessel巴氏殺菌工藝由美國RDP公司開發研制，該工藝包含生石灰與脫水污泥的混合和輔助加熱混合物（通常是電加熱）兩部分。該工藝運行穩定，殺菌率較高，但設備運行費用較高。
SG-MixerDrum®污泥加鈣干化處理技術是北京中持綠色能源環境技術有限公司開發研制的，是根據生石灰與污泥中水分反應的進程與條件，將快速混合與慢速干燥進行有機的結合，使得干化效果更佳，石灰使用量更省。
綜上所述，無論是哪種工藝，均能降低脫水污泥的含水率，大量減少有機物組份，達到了降低含水率和衛生化的目的，同時產品可均適宜用于制造建材產品如水泥、路面磚等，也可以農用、填埋或焚燒。
3.3工程應用
污泥加鈣干化技術在美國、歐洲都有大量的應用，而我國污泥加鈣干化技術還剛處于起步階段，工程應用較少。目前已建成運行的項目有北京市排水集團方莊污水處理廠污泥石灰干化工程[5]、小紅門污水處理廠污泥加鈣干化工程，以及河北省廊坊市經濟開發區污水處理廠污泥加鈣干化系統工程。以上工程對于我國污泥加鈣加鈣干化技術的應用與推廣具有重大的示范意義。
2010年8月-12月，北京中持綠色能源環境技術有限公司采用具有自主知識產權的“SG-MixerDrum®污泥加鈣干化處理技術”為廊坊市凱發新泉污水處理廠、香河縣三強污水處理廠、大廠回族自治縣城區污水處理廠、固安縣城區污水處理廠、永清縣污水處理廠、文安縣城區污水處理廠等6家污水處理廠提供污泥加鈣干化設計、設備供貨與安裝、工程施工及調試等服務，為廊坊市環保模范城建設提供了有力的支持。
4 污泥加鈣干化技術評估
通過污泥加鈣干化技術在我國的實際應用，可以在以下幾個方面進行技術評估：
①該技術可以降低污泥含水率至60%以下，具有較強的殺菌能力，大大改善了污泥機械性狀，出泥滿足衛生填埋的要求。這就為國內大多數城鎮污水處理廠提供了一個在不改變現有污泥處理工藝及設備的前提下，只增加少量設備即可達到國家要求的衛生填埋要求的條件，適合現階段國內以填埋為主的污泥處理處置現狀。
②該技術運行費用相對較高。總成本根據投加石灰量及石灰價格的不同，在90~150元/t濕泥之間，遠高于衛生填埋與污泥堆肥。但相對于焚燒、熱干化等還是有一定的優勢。造成費用較高的主要原因以下有兩個：a污泥加鈣干化化需要投加大量的活性生石灰（活性度一般大于290），該種石灰價格價高，且地域分布受限制；b加鈣穩定化后的污泥需要足夠堆放時間，這就增加成品泥的堆放場建設，增加了成本。
③加鈣干化技術與其他污泥處理處置技術如建材利用等結合后效果更佳。根據國家水泥基材料科學重點實驗室的檢測結果，加鈣穩定化處理后污泥所含的化學成分及礦物組份可替代石灰原材料，用于制造建材產品如磚、水泥、道路施工等用途。這也需要國家及相關部門出臺相關的激勵措施，大力推進該組合技術的發展[6]。
④該技術只是污泥處置的強化預處理，應根據污泥的最終處置確定是否選加鈣干化技術。污泥的最終處置方法決定了污泥的處理方式，如果沒有最終的去處，污泥處理只是污染的不斷轉移，而不是最終的消除。因此，我們應該因地制宜并結合本地區的發展規劃來選取最為適宜的污泥處理處置方式，不宜盲目追求污泥處理的資源化。
⑤加鈣干化技術在重金屬鈍化方面需要注意反應過程中的pH值。通過難溶金屬氫氧化與pH關系曲線（見圖3）可以看出，當滿足殺菌效果所要求的pH=11.5后，多種難溶氫氧化物離子如Pb、Cr、Ni、Zn、Cu、Ag等重金屬會析出，在污泥的堆放過程中會再次滲濾出來，造成二次污染。因此，污泥加鈣干化過程中的重金屬鈍化作用需密切注意和控制污泥的pH值。
圖4 難溶金屬氫氧化物與pH關系曲線
5干化后污泥資源化利用
污泥加鈣干化后的污泥含水率大大降低、性能得到改善，經檢測滿足《城鎮污水處理廠污泥處置 混合填埋用泥質》（GB/T23485-2009）、《城鎮污水處理廠污泥處置 制磚泥質》（CJ/T291－2008）、《城鎮污水處理廠污泥處置 水泥熟料生產用泥質》（CJ/T314-2009）相關要求。可以根據當地的實際要求，污泥可以進行衛生填埋處理，并留有接口為將來進行制磚、路基填料、水泥熟料等建材利用提供有利的條件，可作為礦山等改良劑，也可作為后續焚燒、填埋等處置的前處理。通過生產性試驗可知：
干化污泥與粘土等原材料按<10%的配比混合后可生產合格的普通燒結磚，經檢測抗壓強度符合MU15級，范霜符合優等品，凍融試驗合格，5h煮沸吸水率、飽和系數符合嚴重風化區技術指標。產品可做內隔墻、護墻、稱重墻體、地下或防潮基礎等（含嚴寒、嚴重風化區）。
干化污泥與原位土按<10%的配比的混合土樣，其液限、塑性、顆粒、最大干密度、最優含水率、有機物等均滿足《公路路基設計規范》（JTGD30—2004）的要求，可作為公路路基填料進行使用。
2004年7月，北京高碑店污水處理廠曾利用加鈣穩定化方法處理污泥，后將其運至北京順義水泥廠，成功燒制了3000噸水泥。這說明干化污泥經過適當處理，完全可以滿足建材需求。[5]
6 工程應用成果
通過6個工程的建設與運行，從中可以得到以下幾點結論：
污泥加鈣干化技術可以實現脫水污泥的干化、無害化、穩定化，為資源化提供有利條件；
系統干化效果明顯，出泥呈顆?；?，便于運輸及貯存，資源化條件良好；
系統占地省，不需二次征地，可利用脫水機房旁空地進行建設；
系統投資較小，噸投資遠低于焚燒、熱干化，略低于堆肥；
該技術的直接運行成本較低，電能消耗較小，直接運行成本小于100元/t濕泥（含水率80%）；
系統操作簡單、運行穩定、檢修維護量低。
7 結論與建議
①污泥加鈣穩定處理技術非常適合我國現有城鎮污水處理廠污泥處置系統的升級改造，以滿足國家關于污泥處理處置的要求；
②加鈣穩定處理技術要結合污泥的最終處置、因地制宜進行選用；
③加鈣干化處理后的污泥經檢測滿足制磚、水泥熟料等建材利用，路基填料，衛生填埋覆蓋土等要求，但需要國家及相關行業出臺有效的激勵措施；
④可以通過調整運行參數、降低脫水污泥含水率、投加其他添加劑來降低生石灰的使用量，以此進一步降低直接運行成本
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