市政污泥干化汇总

常见市政污泥处理手段及设备概论：市政污泥的处理一直是城市正常运转的保障之一，不论是城市工业运转还是家庭生活都会产生相当数量的污泥，最终进入城市下水系统。市政污泥中往往富集了各种有害物质，因而对其无害化处理往往是将其深埋之前必须做的一道工序。本文通过阅读整理当前学术界的一些文献，分析了污泥的基本组成，展示了目前我国市政污泥的常见预处理手段，脱水手段以及干燥手段，对比了两种污泥处置手段，并讨论了其利弊。最后对比与国内外相关行业的差距提出了自己个人一点建议。关键词：市政污泥无害化资源化微波预处理引言随着我国经济高速发展，城镇污水排放量急剧增长。为应对日益增长的污水排放量，势必要增加城镇污水处理企业以及改善城镇污水处理厂处理效率。截止“十一五”末期，全国城镇累计建成污水处理厂1993座，总处理能力已经超过每日1亿立方米。随着我国对环境保护的日益重视，近年来污水处理技术的到了快速的发展。但是污泥产量也大幅度增加，我国经济在地域上的发展不平衡，也造成了各地城镇污泥产量的明显差异。就当前而言污泥的产量主要集中在我国东部地区。据统计，东部十一个省市的污泥产生量占全国污泥总量的63.87%，中部八个省的污泥产量占到20.9%。但是随着中部崛起和西部大开发，中西部一些省市污泥产量不断增加，全国城市污泥年平均增长率为16.82%，而中西部平均增长率分别高达23.29%和21.83%。相关资料表明，截止到2009年底，全国城镇污水处理量达到280亿立方米，湿污泥产量突破2000万吨。我国污水处理场所产生的80%的污泥并没有得到妥善处理。污泥是按废物相态特征分类的一类废弃物。污泥的相态特征首先是固液混合，即污泥是固体和液体的混合物，且所含的固体和液体依然保持各自的相态特征，这一点可以区别于含结晶水的无机盐和细胞组织含水的生物质(如新鲜的动、植物体等)。其次，污泥的固液组成比有一定的稳定性，在无外加作用力的条件下，其固液比例能保持相对的稳定，这构成了污泥应按其特殊的混合相态进行处理的依据。如果一种废弃物尽管产生时有固液相混合的特征，但排出后能自发地进行较彻底的固液分离，如矿物浮选排出液，在重力作用下，可自发地分离成尾矿砂和选矿液，则两者可分别按固体废物或液体废物进行处理。最后，污泥中所含的液体通常是水，这既是由于地球上水是丰度最大的液体所导致的，也由于水是人类生产与生活活动中应用最广泛的液体。市政污泥概况1.污泥的基本特性污泥(sludge)通常是指污水处理过程所产生的含水固体沉淀物质。其物质组成包括：(1)水分：含水量达95％左右或更高；(2)挥发性物质和灰分：前者是有机杂质，后者是无机杂质；(3)病原体：如细菌、病毒和寄生虫卵等，这些病原体大量存在于生活污水、医院污水、食品工业废水和制革工业废水等的污泥中；(4)有毒物质：如氰、汞、铬或某些难分解的有毒有机物。在污水处理过程中，将污染物与污水分离，在完成污水的净化的同时，产生了大量污泥。这些污泥中含有各种污染物质，如果不加以有效的处理处置，仍然会污染环境，同时。污泥又是一种特殊的废物，若经适当处理，可以成为资源加以利用。因此，污泥的处理与资源化是目前环境工程和给排水专业研究的重点领域之一，是水处理和固废处理领域共同的课题，是给水厂及污水处理厂投资建设的重点方向，也是业内日益关注的热点问题和发展重点。2.污泥的基本分类2.1城市污水厂污泥城市物流系统中有难以胜数的用水环节，使用后的水大多转化为含不同种类与浓度污染物的污水。城市所产生的污水基本可以按来源分为两类：①工业污水，来自城市的工业部门，污染特征由相应的产业技术、过程决定；②城市污水，来自城市的居民区，商业服务业等非工业部门，其污染特征与具体的来源(如商业、居住区)关系较小，也就是说，不同来源的城市污水共性是它的主要方面。城市污水的净化处理也是按来源分别安排的，城市污水处理厂的主要处理对象是城市污水。在实行城市排水合流制的城市或区域，一部分城市降雨产生的径流排水也在城市污水处理厂中处理；同时，部分城市的工业污水也汇人城市污水处理厂—处理，但接人前均有对工业污水预处理的要求，使进入城市污水处理厂的工业圬水的污染特征接近于城市污水(如对含重金属工业污水，应预处理去除其中大部分重金属污染后，方能汇入城市污水处理厂城市污水处理厂在对污水的处理过程中，污水中的部分污染物转化为可沉降物质排出，这股排出的物流是以固液混合为特征的所谓城市污水厂污泥。2.2城市给水污泥现代城市使用的大部分水是以管网分配形式供应的所谓自来水给水，目前绝大部分城市的给水水源(原水)，均仅能在进行必要的净化处理后，才能达到给水的水质要求。原水的净化在专门的给水处理厂(自来水厂)完成，主要的处理工艺是混凝沉淀(将原水中的颗粒物、胶体和部分可溶态杂质转化为可沉降或可滤除的颗粒或胶体物质)和过滤(与沉淀一同完成对上述颗粒和胶体的最终去除)，被去除的颗粒和胶体构成了城市给水污泥的固相部分，用于从沉淀池和滤池中排除这些固相物的水则构成了该污泥中的液相部分。2.3城市水体疏浚淤泥城市水体指的是主要汇水区域为城市建成区的自然或人工水体(河道、湖、塘等)。城市水体除了具有景观、航运等功能外，主要的功能是城市排水的通道与调蓄容量的组成部分。由于汇水区的特征，城市水体可能受纳的水流包括城市地表径流、城市污水和工业污水等。这些水流中所夹带的颗粒物、胶体，在一定的水力、水文条件下成为城市水体的沉积物，同时上述水流中的可溶性物质在一定的生物、化学作用过程中也会生成可沉降物质，转化为水体沉积物。水体沉积物的积累将威胁到城市水体正常功能的维持，因此，城市水体有持续性的养护(疏浚)的需要，疏浚后的水体沉积物即为固水混合的城市水体疏浚淤(底)泥。即使不考虑城市污水和工业污水进入城市水体对其沉积物的生成的加速影响，因城市汇水区的下垫面状况与农业或自然生态体系的不同，以不透水性与粗糙度低的表面为主，地面沉积物易被径流夹带，下垫面的不透水性又放大了径流的强度；加之径流主要以管道流方式汇入水体，缺乏非城市河道岸区植被带对径流中颗粒物的滤除缓冲，所以，城市水体的沉积物生成率高于农业或自然生态体系中的水体，城市水体的疏浚养护需求带有明显的城市特征，其疏浚淤泥成为城市污泥的构成之一。2.4城市排水沟道污泥现代城市排水方式是以管道化为特征的。按排水对象和排水体系设置原则(排水体制)的不同，城市排水沟管道可分为污水沟道、雨水沟道和合流排水沟道三种。按水流在沟道内流动动力的不同选择，排水沟道也可分为重力式和压力式两种类型。无论何种城市排水对象，均不同程度地含有可沉降的颗粒物和胶体，同时排水中的某些可溶性物质也有在排水沟道内的环境条件及生物作用下产生可沉降物质的可能，这些可沉降物质在一定的沟道水力条件下，会沉积于沟道内，成为影响沟道正常排水功能的因素。为了维持城市排水沟道的正常功能，需定期对沟道系统进行养护，此过程所产生的沟道污泥也成为城市污泥中的一种。2.5城市建筑工地泥浆城市建筑工地泥浆是城市建筑废弃物的一种，主要产生于城市建筑工程的基础施工(如混凝土灌注桩基施工)和建筑地质勘查(勘探井钻挖)过程中。尽管就严格的意义上讲，建筑活动是一种产业生产活动，但城市建筑活动的区域分布(随机地出现于整个城市区域)和排出废物特征(不同建筑工地产生的废弃物特征基本是相同的)，均更多地带有城市的共性，因此，城市建筑废弃物一般作为城市垃圾(固体废物)的一种，当然城市建筑工地泥浆也应是构成城市污泥的一个部分。污泥的组成分析城市污泥处理与利用技术措施选择的依据是城市污泥的性质(物理、化学和生物)，污泥的组成则是其性质表现的基础。城市污泥与环境管理相关的基本组成描述体系见图1.3.1其主要组成特点如下：3.1污泥的有机组成污泥有机物的组成首先是它的元素组成，一般按碳（C）、氢（H）、氧(O)、氮(N)、硫(S)、氯(C1)六种元素的构成关系(如质量分数)来考察污泥的有机元素组成。污泥有机物另一种组成描述方式是化学组成(或化合物组成、分子结构组成)，由于污泥有机物分子结构组成状况十分复杂，因此应按其与污染控制与利用有关的各个方面来描述其化学组成。其中包含：①毒害性有机物组成；②有机生物质组成；③有机宫能化合物组成；④微生物组成。毒害性有机物组成，描述的是污泥中的毒害性有机物含量，所谓的毒害性有机物是按其对环境生态体系中的生物毒性达到一定的程度来定义的，各国均已公布的所谓环境优先控制物质目录中可找到相应的特定物质。污泥中主要的毒害性有机物有PCIj6、PAHs等。有机生物质组成，是按有机物的生物活性及生物质结构类别对污泥有机物组成进行的描述。前者可将污泥有机物划分为生物可降解性和生物难降解性两大类；后者则以可溶性糖类、纤维素、木质素、脂肪、蛋白质等生物质分子结构特征为组分分类依据，对污泥有机质进行组成描述。这两种生物质组成描述方式，能有效地提供污泥有机质的生物可转化性依据。有机官能化合物组成，是按官能团分类对污泥有机物组成进行描述的方法，一般包含的物质种类有：醇、酸、酯、醚、芳香化合物、各种烃类等。此组成状况与污泥有机物的化学稳定性相关。微生物组成，描述污泥的微生物组成主要是为了揭示污泥的卫生学安全性，用于描述的组成指标则应是相关致病、有害的生物含量(如各种致病菌、病毒、寄生虫卵和有害昆虫卵等)。由于污泥所可能含有的各种微生物种类繁多，为使组成描述更为高效，一般采用所谓生物指示物种的含量来描述污泥的微生物组成。我国一般采用大肠菌值、粪大肠杆菌菌落数和蛔虫卵等生物指标；国外为能间接地检查病毒的无害化处理效果，多将生物生命特征与病毒相似的沙门氏菌列入组成分析范围。3.2污泥无机物的组成污泥的无机物组成也是按其与污染控制与利用有关的各个方面来进行描述的，其中包含：①毒害性无机物组成；②植物养分组成；③无机矿物组成等三个主要的方面。污泥的毒害性无机物组成，是按其毒害性元素的含量对污泥进行组成描述的，无机毒害性元素主要包含：砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、汞(吨)、铅(Pb)、铜(Cu)、锌(Zn)和镍(Ni)8种元素。考虑到无机元素的生物可利用性，除了按固相总含量进行组成分析外，还可按各毒害元素的生物水溶态、酸性水溶态和络合可交换态的比例进行相关元素含量的描述。污泥植物养分组成，是按氮(N)、磷(P)、钾(K)3种植物生长需求的宏量元素含量对污泥组成进行的描述，既是污泥肥料利用价值的分析，也是对污泥进入水体的富营养化影响的分析。对污泥植物养分组成的分析，除了总量外也必须考虑其化合状态，因此氮可分为氨氮(NH3·N)、亚硝酸盐氮(Nq—)、硝酸盐氮(NOi)和有机氮(O吧—N)四类；磷一般分为颗粒磷和溶解性磷两类；钾则按速效和非速效分为两类。污泥的无机矿物组成，主要是铁(Fe)，铝(A1)、钙(Ca)、硅(S)兀素的氧化物和氢氧化物。这些污泥中的无机矿物通常对环境而言是惰性的，但它们对污泥中重金属的存在形态(影响可溶性比例)以及污泥制建材的适用性有较大影响。3.3污泥的流动相组成污泥流动相主要由水及溶于水中的各种有机和无机物质组成，污泥中的水溶性污染物组成与城市污水中的相似，但一般浓度稍高，如污泥机械脱水上清液的溶解性COD在数百至数干的范围，比城市污水高数倍。值得注意的是，污泥中水的存在状态组成。V~ilind等认为污泥中的水有自由水分、间隙水分、表面水分和结合水分4种存在状态。自由水分是污泥中流动不受限制的水分；间隙水分以毛细管力受污泥固体限制；表面水分以吸附力与固体结合；结合水则是固体的一部分。污泥中水的存在状态是污泥可脱水性的依据，利用机械应力脱除污泥水分的极限部分是全部自由水分和一部分间隙水分，其他存在状态的水分只能以热力干燥等方式才能脱除。污泥的基本性质正确把握污泥的性质是科学合理地进行污泥处理与资源化应用的前提条件，只有根据污泥的性质，才能正确选择有效的处理工艺和资源化设施。4.1物理特性污泥是由水中悬浮固体经不同方式胶结凝聚而成的，结构松散，形状不规则，比表面积与孔隙率极高(孔隙率常大于99％)，含水量高，脱水性差。外观上具有类似绒毛的分支与网状结构。4.2化学特性生物污泥以微生物为主体，同时包括混入生活污水的泥沙、纤维、动植物残体等固体颗粒以及可能吸附的有机物、金属、病菌、虫卵等物质。污泥中也含有植物生长发育所需的氮、磷、钾及维持植物正常生长发育的多种微量元素和能改良土壤结构的有机质。4.3污泥中水分的存在形式及其性质污泥中的水分有四种形态：表面吸附水、间隙水、毛细结合水和内部结合水。毛细结合水又分为裂隙水、空隙水和楔形水。表面张力作用吸附的水分为表面吸附水。间隙水一般要占污泥中总含水量的65％～85％，这部分水是污泥浓缩的主要对象。毛细结合水：浓缩作用不能将毛细结合水分离，分离毛细结合水需要有较高的机械作用力和能量，如真空过滤、压力过滤、离心分离和挤压等方法可去除这部分水分。各类毛细结合水约占污泥中总含水量的15％～25％。内部结合水：指包含在污泥微生物细胞体内的水分，含量多少与污泥中微生物细胞体所占的比例有关。去除这部分水分必须破坏细胞膜，使细胞液渗出，由内部结合水变为外部液体。内部结合水一般只占污泥总含水量的10％左右。4.4生物利用特性一般污水处理厂产生的污泥为含水量在75％～99％不等的固体或流体状物质。其中的固体成分主要由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体及絮凝所用药剂等组成，是一种以有机成分为主，组分复杂的混合物。污泥中包含有潜在利用价值的有机质、氮(N)、磷(P)、钾(K)和各种微量元素，见表4-1。4.5热值特性除了污泥中的营养元素可以作为生物处理的基础外，污泥还具有一定的燃烧热值特性，见表1—2。污泥的燃烧热值特性表明，干污泥具有较高的热值，该特性也为污泥的干化焚烧及资源化利用奠定了基础。5污泥的环境影响污泥有机物含量高，易腐烂，有强烈的臭味，并且含有寄生虫卵、病原微生物和铜、锌、铬、汞等重金属以及盐类、多氯联苯、二恶英、放射性核素等难降解的有毒有害物质，如不加以妥善处理，任意排放，将会造成二次污染。污泥中主要污染物质简单介绍如下。5.1有机污染物污泥中有机污染物主要有苯、氯酚、多氯联苯(PCBs)、多氯二苯并呋喃和多氯二苯并二恶英(PCDD／PCDF)等。污泥中含有的有机污染物不易降解、毒性残留长，这些有毒有害物质进入水体与土壤中将造成环境污染。5.2病原微生物污水中的病原微生物和寄生虫卵经过处理会进入污泥，污泥中病原体对人类或动物的污染途径包括：(1)直接与污泥接触；(2)通过食物链与污泥直接接触；(3)水源被病原体污染；(4)病原体首先污染了土壤，然后污染水体。5.3重金属在污水处理过程中，70％一90％的重金属元素会通过吸附或沉淀而转移到污泥中。一部分重金属元素主要来源于工业排放的废水，如镉、铬；另一部分重金属来源于家庭生活的管道系统，如铜、锌等。5.4其他危害污泥对环境的二次污染还包括污泥盐分的污染和氮、磷等养分的污染。污泥含盐量较高时，会明显提高土壤电导率，破坏植物养分平衡，抑制植物对养分的吸收，甚至对植物根系造成直接的伤害。在降雨量较大，且土质疏松的地区大量施用富含氮、磷等的污泥之后，当有机物的分解速度大于植物对氮、磷的吸收速度时，氮、磷等养分就有可能随水流失而进入地表水体造成水体的富营养化，或进入地下引起地下水的污染。市政污泥处理探索城市污泥处理与利用的需求城市污泥处理与利用的需求，首先，可以从其产生量方面来考虑，表3—1给出了1990年日本全国几类大宗固体废物流的产生量状况，就总的产生量而言，固体废物中的污泥类废物量比其他固体废物量大；可见在现代人类社会物流体系所产生的废物中，城市污泥所占有的比重，当然也相应地反映了它可能具有的环境影响程度。再从污染物的浓度方面考虑，尽管污泥由于含水率高，单位量的污泥中所含的污染物可能低于相近来源的固体废物；但与水相污染物流相比，其污染物浓度却要高得多，如城市污水厂所排除的剩余污泥(含水率99％)，其有机物含量达到7000吣几以上，10倍于一般城市污水中的有机物含量。此外，从污染物的扩散、迁移性方面考虑，污泥通常有比其他固体废物大得多的可流动性，因此，更容易由扩散、迁移过程形成更大范围的环境影响。二、城市污泥处理与利用体系计划管理原则污泥一般归属于固体废物类别，目前认为符合固体废物管理可持续化战略的管理原则体系是综合化的固体废物管理原理，该原理要求对固体废物管理的体系应按层次化原则进行计划。综合化固体废物管理的层次化原则包含以下方面：第一优先层次：源减量控制，要求从产生源削减固体废物的产生量，并降低废物流的毒害性水平。第二优先层次：循环资源化，即将废物以原材质，仅进行简单的物理处理后循环应用于人类物流体系中的生产原料供应。第三优先层次：转化资源化，即将废物由化学、生物过程转化后，用于物料或能源的回收与利用。第四层次：无害化处置，对于经前述层次处理和利用剩余的废物，应采用对自然环境不产生危害的方式进行处置，达到对废物的环境影响有效控制的目标。对城市污泥处理与利用体系的层次化计划管理程序及各计划层次可能考虑的措施，如图1-1所示。图1-1城市污泥处理与利用计划管理程序城市污泥处理与利用技术原则2.1充分认识污泥的污染与资源双重性城市污泥重要的组成特征是其所含物质的污染与资源双重性。以城市污水厂污泥为例，其所含的有机质、植物养分当直接排入水体时，将是对水体质量有威胁的污染物质，但当以适当的形式施于农用时，却是有土壤结构调理和肥分作用的农用肥料。其他的城市污泥也均有类似的特征。在选择处理与利用技术时，首先应尽量使处理技术为资源化利用服务。同样以城市污水厂污泥农用为例，生污泥的农用会带来致病微生物的传播，生污泥中新鲜有机质代谢还会造成土壤缺氧等对农业生态环境的危害问题，因此，需要采用能使污泥有机质稳定化，并使污泥能够达到卫生无害化的前处理手段来保障资源化的实现，如对污泥进行厌氧消化，高温堆肥化处理等。对污泥污染与资源双重性认识的另一个技术原则是在资源化利用时注意控制可能的污染影响，污泥毕竟含较多的污染物，不适当的利用有可能导致相应的污染，必须注意防范。以城市污水厂消化污泥农用为例，如施用量过大或季节选择不当，污泥中的植物养分会在土壤中过度积累，最终会以硝酸盐氮的形式由径流夹带污染地下与地表水体。2.2源控制分流毒害物质城市污泥中毒害性物质的来源往往是可以辨别并予以控制的，但一旦毒害物质进入污泥废物流，则会对其处理与资源化利用带来极大的危害。以城市污水厂污泥为例，仅接受城市污水的污水厂的污泥含重金属量低，也较少含有有机毒害性物质，它在被农田利用或燃烧制能源时，均很少会产生毒害性物质扩散的危害。但我国大部分城市污水厂均不同程度地接受工业污水，使污水厂污泥中含有较多的重金属等毒害物质，不仅农用时易进入食物链，进行燃烧处理时，也有挥发进入大气环境的威胁，严重损害了污泥资源化利用渠道的安全性。控制这些毒害性物质最经济可行的方法是源控制，如对城市污水厂污泥而言，严格执行工业污水的预处理接管要求或不接人工业污水将可大幅度地降低其中的重金属含量(欧共体国家的实践表明，其下降幅度可达90％以上)，使污泥的资源化前景大为改善。2.3优先采用污泥脱水技术尽管污泥的固水混合有一定的稳定性，但极大部分污泥还是能以机械或热力方法进行有效脱水处理的，如城市给水污泥机械脱水后含水率可从97％一99％降至75％一85％，体积减量率可达25倍；城市污水厂污泥机械脱水后，可以热干燥方法继续脱水干化至含水率为10％以下，生产可储存的工业锅炉辅助燃料或农用肥料。污泥脱水可大幅度减少污泥后续处理与利用中的物料输送处理量，也能根本性地提高其利用价值(如上述干化城市污水厂污泥)，因此是城市污泥处理与利用技术体系中应优先采用的关键技术。3.污泥的预处理城市污泥的预处理，顾名思义，其处理的目的是为后续的污泥处理和利用过程提供更为适宜的物流特性条件。由于污泥的高含水率特性，不仅会因污泥体积、质量大，造成后续物流输送困难、处理设备容量大、经济性差的问题，而且绝大部分的污泥最终处理和利用过程也与过高含水率的物流不相容。因此，污泥的预处理技术中脱除污泥水分(脱水)的方法(技术单元)占有最重要的地位。污泥的脱水方法按其有效的水分脱除对象可分为：浓缩、脱水、干化、干燥和焚烧等不同的类型。其中，浓缩仅对自由水分的脱除有效，主要利用的是重力场和低强度离心力场的作用进行脱水；脱水(机械方法)对自由水分和部分间隙水分的脱除有效，主要是利用人工压应力场和高强度离心力场的作用进行脱水；干化指的是用各种污泥自然干化场、塘进行的脱水操作，按操作方式和历时的不同，其脱水机制复合厂重力场和太阳辐射热致水分挥发两个方面的作用；干燥指的是利用人工热源，主要通过热致水分蒸发汽化作用，对污泥进行脱水处理的过程，主要用于脱除污泥中的间隙水分、吸附水分和部分内部水分；与上述各种脱水过程基本不引入化学过程不同，焚烧利用污泥固相可燃物的热化学反应，使之释放大量化学能提供水分汽化的能量，同时破坏固相物质的持水结构来实现脱水目的，它对各种结合状态水分的去除均有效，但城市污泥处理与利用其复杂化学过程的特点，使其一般不作为污泥预处理方法应用。各种污泥脱水方法及其脱水效果如表3—1所示。污泥的另一类预处理技术是调理，污泥调理的实质是改变污泥固相颗粒的形态特征。对城市污水厂污泥和给水污泥，其固相颗粒有胶质状絮体的特征，絮体的形成可源于有机碎屑颗粒和黏土颗粒的自絮凝(污水厂初沉污泥)或由产胶质物微生物(或称为絮体微生物，如丝状菌、胶团黏液菌等)分泌的胞外物质与其他悬浮颗粒物絮凝而成，也可由水处理过程中加入的混凝剂(如给水处理中加入的铝盐等)与水中的悬浮颗粒絮凝而成。胶质絮体结构松散，比表面积和空隙率极高，使絮体颗粒中能包含比例很高的间隙水分和吸附水分，因此污泥固相的胶质絮体特征是污泥难以有效脱水的基本依据。污泥的调理就是采用物理、化学或生物的方法，通过压缩絮体的体积(使絮体密度提高)、改变絮体的亲水性、代谢絮体中的胶质物质等途径，使絮体中的间隙和吸附水分减少，从而有利于污泥脱水的预处理。由于污泥调理对污泥管理而言，并无独立存在的价值，因此调理通常与相应的脱水技术环节联合应用，通过提高污泥的脱水效率，来体现调理的作用。同时，城市污泥中的城市建筑工地泥浆几乎不含絮体颗粒，城市水体疏浚淤泥和城市排水沟道清捞污泥中絮体颗粒所占的比例较低，因此通常也无需在脱水操作中应用调理方法，污泥调理的主要对象是城市污水厂污泥和给水污泥。从污泥预处理方法的作用定义(即改善污泥后续处理利用的物性特征）来看，污泥的稳定化处理也属于预处理技术的范畴。污泥的稳定化一般指的是以降低污泥生物反应活性(易腐性)和减少污泥有害微生物含量(卫生无害化)为目的的处理技术环节，其中应包含污泥的生物消化、堆肥化、热化学分解(焚烧、热解)等多种技术方法，但由于这些方法的技术复杂性和同时兼有的其他处理功能，一般并不作为污泥的预处理方法来定义。典型的污泥稳定化方法是石灰稳定化和辐射处理。城市污泥产生时的特性及处理的最终要求均各不相同，对处理环节的需求也各不相同，当然相关的技术发展程度也有较大的差异。相比而言，污水厂污泥对处理技术的需求较强烈，相关技术的发展也更完善，因此本章对预处理技术的介绍，除注明外，均是以污水厂污泥为对象的。3.1浓缩污泥浓缩就是通过去除污泥颗粒间的自由水分，以达到减容的目的，从而减轻污泥后续处理、处置和利用设备、设施的压力。由于剩余活性污泥的含水率很高，一般都应进行浓缩处理。污泥浓缩的基本方法有重力浓缩、气浮浓缩和离心浓缩等。各种浓缩方法的优缺点如表3-2所示表3-2各种浓缩方法的优缺点3.1.1重力浓缩重力浓缩法是应用最多的污泥浓缩法。重力浓缩是利用污泥中的固体颗粒与水之间的密度差来实现泥水分离的。用于重力浓缩的构筑物称为重力浓缩池。重力浓缩的特征是区域沉降，在浓缩池中有四个基本区域。1)上部为澄清区。为固体浓度极低的上层清液。2)阻滞沉降区。在该区悬浮颗粒以恒速向下运动，一层沉降固体开始从区域底部形成。3)过渡区。其特征是固体沉降速率减小。4)压缩区。在该区由于污泥颗粒的集结，下一层的污泥支撑着上一层的污泥，上一层的污泥压缩下一层的污泥，污泥中空隙水被排挤出来，固体浓度不断提高，直至达到所要求的底流浓度并从底部排出。3.2.2气浮浓缩气浮浓缩就是使大量的微小气泡附着在污泥颗粒的表面，从而使污泥颗粒的密度降低而上浮，实现泥水分离的目的。因而气浮法适用于浓缩活性污泥和生物滤池污泥等颗粒密度较轻的污泥。通过气浮浓缩，可以使含水率为99．5％的性污泥浓缩到含水率为94％～96％。气浮浓缩法所得到的出流污泥含水率低于采用重力浓缩所能达到的含水率可达到较高的固体通量，但运行费用比重力浓缩高，适合于人口密集缺乏土地的城市应用。3.3.3离心浓缩离心浓缩法的原理是利用污泥中的固体、液体存在密度差，在离心力场中所受到的离心力不同而被分离。离心浓缩法可以连续工作，占地面积小，工作场所卫生条件好，造价低，但运行费用与机械维修费用较高，且存在噪声问题。用于离心浓缩的离心机主要有三种：无孔转鼓式离心机、转盘式离心机和篮式离心机。3.2调理3.2.1温差调理温差调理包括两类：加热调理和冷冻一融化调理，其基本原理都是通过热能量的流动改变构成污泥絮体的胶质物的稳定性，削弱污泥颗粒与其间隙水分等的结合力，从而改善污泥的脱水性。1.加热调理加热调理是在高压下加热污泥，破坏污泥胶体颗粒的稳定性，破坏污泥中水分和污泥颗粒间的联系，促使污泥间隙水的游离、内部水与吸附水的释放，降低污泥比阻，改善污泥脱水性能，同时加热调理还可以杀灭污泥中的寄生虫卵、致病菌与病毒等，兼有污泥稳定、消毒和除臭等功能，但是加热调理也存在投资费用和运行费用高、操作要求高及经过加热调理的污泥过滤所得的滤液有机物含量高等缺点。加热调理的温度一般为175—24012，压力为1700—2700kPa，停留时间为0。5—1．5h，加热调理法适用于初沉污泥，消化污泥，活性污泥，腐殖污泥及它们的混合污泥，加热调理后污泥进行重力浓缩，可使含水率由97％一99％以上浓缩至80％一90％，如直接进行机械脱水，泥饼含水率可达30％一45％。2．冷冻—融化调理污泥冷冻处理的原理可用图4—4说明。图4—4A是冷冻过程中发生的固体颗粒整体迁移现象。图4—4中l是胶体颗粒开始冷冻的情况，随着冷冻层的发展，颗粒被向上压缩富集，水分被挤向冷冻界面，如图4—4中2、3。图4—4B为冷冻过程发生的固体颗粒包陷现象，由于冷冻层的迅速形成，有部分颗粒妨碍水分的流动，因而在新的冷冻界面从新开始冷冻，使浓集后的颗粒夹在冷冻层之间，如图4—4中4、5、6。浓集污泥颗粒中的水分被挤出。冷冻—融化使污泥颗粒的絮状结构被充分破坏，脱水性能大大提高，颗粒沉降与过滤速度可提高几十倍。可直接进行重力脱水。此外，冷冻—融化还可杀灭污泥中的寄生虫卵、致病菌与病毒等，兼有污泥稳定、消毒功能。但冷冻—融化法同样需要大量的能量投入，以实现人工冷冻。图4—4污泥的冷冻处理原理A—整体迁移(慢速冷冻)；卜包陷现象(高速冷冻)1一冷冻开始；}—冷冻过程；}—冷冻完成；4一固体夹层；5一冷冻过程；6一冷冻面的飞跃对我国北方水面封冻期超过3个月，冻结深度大于0．3m的地区，可利用自然气候提供的冷冻资源来实现污泥冷冻—融化处理。污水厂产生的污泥经浓缩后可放流至露天冷冻—融化池储存，经封冻期后，再对融化的污泥进行脱水处理，或直接排出上层澄清水后，沉降污泥层作为农业利用。当然这种处理方式的占地面积是较大的。以日处理污水10万m3的二级处理厂(相当于服务人口40万一50万)为例，冷冻—融化池深0．3m，每万立方米污水的污泥产率：2．4t，浓缩污泥含水率：96％，则冷冻—融化池占地约731vn2。但带来的好处是相当低廉的污泥管理费用。3.2.2化学调理影响污泥浓缩和脱水性能的主要污泥性质包括污泥颗粒的大小、表面电荷的水合程度及颗粒间的相互作用。污泥颗粒越小，其总体比表面积就越大，水合程度就越高，脱水性能就越差；污泥颗粒本身带有负电荷，互相之间排斥，再加上由于水合作用而在颗粒表面附着着一层或几层水，进一步阻碍颗粒之间的结合，最终形成了一个稳定的分散系统(胶状絮体)。化学调理是应用最多的污泥调理法，其基本原理就是通过向污泥中投加调理剂(混凝剂、絮凝剂和助凝剂等)，起到电性中和和吸附架桥的作用，破坏污泥胶体颗粒的稳定，使分散的小颗粒之间相互聚集形成大颗粒，从而改善污泥的脱水性。化学调理过程中投加的化学调理剂包括无机调理剂(如石灰、铁盐、铝盐及聚铁、聚铝等无机高分子化合物)和有机高分子调理剂(如阳离子型有机高分子聚合电解质等)。其中石灰、铁盐、铝盐等无机调理剂主要起电性中和的作用，故又可称为混凝剂，而聚铁、聚铝等无机高分子化合物和有机高分子调理剂主要起吸附架桥的作用(阳离子有机高分子聚合电解质同时具有电性中和与吸附架桥的作用)，可称为絮凝剂，其形成的污泥絮体抗剪性能强，不易被打碎，尤其适合于后续脱水采用离心和带式压滤脱水方法时应用。污泥化学调理过程中投加的助凝剂主要有硅藻土，珠光体，酸性白土，锯屑，污泥焚烧灰，电厂粉煤灰，石灰及贝壳粉等。助凝剂一般不起混凝作用。助凝剂的作用主要表现为调节污泥的pH；供给污泥以多孔网格状的骨架；改变污泥颗粒结构，破坏胶体的稳定性；提高混凝剂的混凝效果；增强絮体强度等。3.2.3生物絮凝调理20世纪70年代开始研制微生物絮凝剂，包括直接用微生物细胞作为絮凝剂；从微生物细胞体中提取物质作为混凝剂；微生物细胞的代谢产物作为絮凝剂。直接用微生物细胞为絮凝剂：现已发现可直接作为混凝剂的微生物有细菌、霉菌和酵母菌。从微生物细胞中提取的混凝剂：真菌、藻类含有的葡聚糖、甘露聚糖、N—二酰葡萄糖胺等在碱性条件下水解生成的带正电荷的脱乙酰几丁质(壳聚糖)，含有活性氨基和羟基等具有混凝作用的基团。微生物细胞的代谢产物作为絮凝剂：微生物细胞代谢产物的主要成分为多糖，具有吸附架桥的絮凝作用。微生物絮凝剂具有无毒，无二次污染，可生物降解，污泥絮体密实，对环境和人类无害等优点。4.机械脱水4.1机械脱水的原理污泥脱水的目的是进一步减少污泥的体积，便于后续的处理、处置和利用。污泥中的自由水分基本上可在污泥浓缩过程中被去除，而内部水一般难以分离，所以污泥脱水去除的主要是污泥颗粒间的毛细水和颗粒表面的吸附水。污泥机械脱水以过滤介质两面的压力差作为推动力，使污泥水分被强制通过过滤介质，形成滤液，而固体颗粒被截留在介质上，形成滤饼，从而达到脱水的目的。根据造成压力差推动力的方法的不同，可以将污泥机械脱水分为三类：①在过滤介质的一面形成负压进行脱水，即真空吸滤脱水；②在过滤介质的一面加压进行脱水，即压滤脱水；③造成离心力实现泥水分离，即离心脱水。衡量污泥脱水性能的指标包括污泥比阻和毛细吸水时间。衡量污泥机械脱水效果的指标主要为脱水泥饼的含水率、脱水过程的固体回收率(滤饼中的固体量与原污泥中的固体量之比)；衡量污泥机械脱水效率的指标为脱水泥饼产率[单位时间内在单位过滤面积上产生的滤饼干质量，妇／(m2·s)]。脱水泥饼的含水率、脱水过程的固体回收率和脱水泥饼产率越高，机械脱水的效果和效率就越好。4.2压缩脱水压滤脱水通常所采用的机械有两类：板框压滤机和带式压滤机。4.2.1板框压滤机脱水板框压滤机的构造较简单，过滤推动力大，脱水效果好，一般用于城市污水厂混合污泥时泥饼含水率可达65％以下。适用于各种污泥，但操作不能连续运行，脱水泥饼产率低。板框压滤机基本构造如图4—6所示。板与框相间排列而成，在滤板的两侧覆有滤布，用压紧装置把板与框压紧，即在板与框之间构成压滤室。在板与框的上端中间相同部位开有小孔，压紧后成为一条通道。加压到0．39—0．49MPa以上的污泥，由该通道进入压滤室。滤板的表面刻有沟槽，下端钻有供滤液排出的孔道，滤液在压力下，通过滤布、沿沟槽与孔道排出滤机，使污泥脱水。污泥压人板框压滤机一般有两种方式：一种是用高压污泥泵直接压人；另一种是用压缩空气，通过污泥罐将污泥压人过滤机。板框压滤机又可分为人工板框压滤机和自动板框压滤机两种。人工板框压滤机，需将板框一块一块人工卸下，剥离泥饼并清洗滤布后，再逐块装上，劳动强度大，效率低；自动板框压滤机，上述过程都是自动的，效率较高，劳动强度低。自动板框压滤机有垂直式与水平式两种。压滤脱水的设计方法，主要是根据处理污泥量、脱水泥饼浓度、压滤机工作程序、压滤压力等计算过滤泥饼产率、所需压滤机面积及台数。4.2.2带式压滤机脱水带式压滤机中，比较新的是滚压式的带式压滤机，其主要特点是滤带可以回旋，脱水效率高，噪声小，能源消耗省，动力消耗少，附属设备少，可以连续生产，但必须正确选择高分子絮凝剂，污泥必须预先进行充分的絮凝，形成大而强度高的絮凝体。脱水泥饼的含水率较高，大致与离心脱水相等。带式压滤机由滚压轴及滤布带组成。污泥先经过浓缩段(主要依靠重力过滤)，使污泥失去流动性，以免在压榨段被挤出滤饼，浓缩段的停留时间为10—20s，然后进入压榨段，压榨时间为1—5min。滚压的方式有两种，一种是滚压轴上下相对，压榨的时间几乎是瞬时的，但压力大；另一种是滚压轴上下错开，依靠滚压轴施于滤布的张力压榨污泥，压榨的压力受张力的限制，压力较小，压榨时间较长，但在滚压的过程中对污泥有一种剪切力的作用，可促进泥饼的脱水。4.3离心脱水离心脱水的基本原理是：由于污泥颗粒和水之间存在着密度差，它们在相同的离心力作用下产生的离心加速度不同，从而导致污泥颗粒与水之间的分离，实现脱水的目的。离心脱水的特点是结构紧凑，附属设备少，臭味少，能长期自动连续运行。缺点是噪声大，脱水后污泥含水率较高，污泥中若含有沙砾，则易磨损设备。离心机的主要技术参数为分离因素。(颗粒所受离心力与重力之比)，分离因素越大，分离效果越好。按分离因数的大小，可分为低速离心机(o=l000—1500)、中速离心机(真，／二1500—3000)和高速离心机(o>3000)。离心脱水机种类很多，适用于城市污泥脱水的一般是卧式螺旋卸料离心脱水机。4.4真空过滤脱水真空过滤是利用抽真空的方法造成过滤介质两侧的压力差，从而造成脱水推动力进行脱水，可用：于初次沉淀污泥和消化污泥的脱水。经厌氧消化处理的污泥，在真空过滤之前，应进行预处理，一般先对污泥进行淘洗，污泥淘洗后的碱度一般要求为400—600mg几(以c~c03计)。真空过滤所使用的机械称为真空过滤机，俗称真空转鼓。真空过滤机脱水的特点是能够连续生产，运行平稳，可自动控制。主要缺点是附属设备较多，工序较复杂，运行费用较高。真空过滤脱水目前应用较少。5干化和干燥干化和干燥是污泥深度脱水的一种形式，其所应用的污泥脱水能量(推动力)，主要是热能。干化、干燥是使热能传递至污泥中的水，并使其汽化的过程。主要应用自然热源(太阳能)的干化过程称为自然干化；使用人工能源当热源的则称污泥干燥以示区别。由于污泥干燥能耗相当高(每千克水去除的能耗为3000—3500H)，因此污泥干燥仅适用于脱水污泥的后续深度脱水。5.1自然干化5.1.1传统自然干化污泥自然干化的主要构筑物是干化场。干化场可分为自然滤层干化场与人工滤层干化场两种。前者适用于自然土质渗透性能好，地下水位低的地区。人工滤层干化场的滤层是人工铺设的，又可分为敞开式干化场和有盖式干化场两种。人工滤层干化场由不透水底层、排水系统、滤水层、输泥管、隔墙及围堤等部分组成。有盖式的，顶盖一般用弓形肋覆盖塑料薄膜制成，移、置方便。滤水层由上层的细矿渣或沙层(铺设厚度200—300mm)，下层粗矿渣或砾石层(厚200—300mm)组成，要求滤水容易。排水管道系统用100150mm陶土管或盲沟网构成，管子接头不密封，以便排水。管道之间中心距为4—8m，纵坡为0．0025—0．003，排水管起点覆土深(至沙层顶面)为0．6m。当土壤容易渗透而有污染地下水的可能时，应做人工不透水层，人工不透水层由200--400mm厚的黏土层或150--300mm厚三七灰土夯实而成，也可用100—150mm厚的素混凝土铺成；近年来发展的HDPE合成土工膜可替代上述材料当不透水层，有施工简便的优点。底板有0．01--0．02的坡度坡向排水管。隔墙与围堤，把干化场分隔成若干分块，轮流使用，以便提高干化场利用率。近来在于燥、蒸发量大的地区，多采用由沥青或混凝土铺成不透水层而不设滤水层的干化场，依靠蒸发脱水。这种干化场的优点是泥饼容易铲除。干化场脱水主要依靠渗透、蒸发与撇除。渗透过程约在污泥排人干化场最初的2—3d内完成，可使污泥含水率降低至85％左右。此后水分不能再被渗透，只能依靠蒸发脱水，约经1周或数周(决定于当地气候条件)后，含水率可降低至75％左右。研究表明，水分从污泥中蒸发的数量约等于从清水中直接蒸发量的75％，即干化场的面积蒸发率[单位为m3／(m2·a)或nun／a]可由当地水面蒸发量乘以系数0．75估算，降雨量的57％左右要被污泥所吸收，因此，在于化场的蒸发量中必须考虑所吸收的降雨量，但有盖式干化场可不考虑。我国幅员广大，上述各数值应视各地气候条件加以调整或通过实验决定。影响干化场脱水的因素如下：1)气候条件。当地的降雨量、蒸发量、相对湿度、风速和年冰冻期。2)污泥性质。如消化污泥在消化池中承受着高于大气压的压力，污泥中含有很多沼气泡，一旦排到干化场后，压力降低，气体迅速释出，可把污泥颗粒夹带到污泥层的表面，使水的渗透阻力减小，提高了渗透脱水性能，而初次沉淀污泥或经浓缩后的活性污泥，由于比阻较大，水分不易从稠密的污泥层中渗透出去，往往会形成沉淀，分离出上清液，故这类污泥主要依靠蒸发脱水，但可在围堤或围墙的一定高度上开设撇水窗，撇除上清液，加速脱水过程。5.1.2强化自然干化在传统的污泥干化床中，污泥在于化过程中基本处于静止堆积状态，当表层的污泥干化后，其所形成干化层犹如在下层污泥之上形成一个“壳盖”，严重影响下层污泥对太阳能的吸收和水分的逸出，是造成千化床水分蒸发速率低下的主要原因之一。1980年代中后期，强化自然干化技术在美国芝加哥开始发展，针对传统污泥干化床存在的问题，其采用对污泥干化层的周期性翻倒(机械搅动)，不断地破坏表层“壳盖”，使表层污泥保持较高的含水率，以使污泥层的热、质传递条件得到有效的强化(吸收更多的太阳能，释放更多的水分)，由此，实际操作在污泥层平均厚度为40cm，污泥含水率为76％的条件下，以45d的平均周期，可使污泥干化后的含水率降至35％左右。美国大芝加哥水务区在1987—1994年组织了对该技术的较深入研究，主要涉及干化过程中污泥理化与卫生学特性的变化分析，主要结论是：当污泥含水率<45％时，污泥的膨润持水性消失，污泥即使被浸泡，滤除积水后，含水率也无明显变化，因此污泥自然干化的后阶段气象因素对其影响轻微；污泥强化自然干化过程中，出现大肠杆菌值与沙门氏菌密度显著下降，45d的干化周期足以使污泥的卫生学无害化指标达到美国A类农用污泥的标准+现在，美国大芝加哥水务区约400万m3／d的城市污水处理设施(大部分为二级生化+除磷脱氮工艺)产生的污泥，大部分在强化自然干化场中进行深度处理，随后全部农用。干化场入场污泥的含水率从85％一60％不等，经历的前处理过程包括：机械脱水，污泥塘熟化，厌氧消化等不同的类型，但出场污泥的含水率均可控制在前述水平，卫生学指标达到美国A类污泥标准。该技术过程良好的经济性与环境特性，使其日益受到关注，应用范围逐步扩大。5.2污泥干燥5.2.1污泥干燥的应用与发展污泥干燥是应用人工热源以：正业化设备对污泥进行深度脱水的处理方法，尽管污泥干燥的直接结果是污泥含水率的下降(脱水)，但与机械脱水相比，其应用目的与效果均有很大的不同。污泥机械脱水(也包括污泥浓缩)，其应用的目的以减少污泥处理的体积为主(污泥浓缩和机械脱水通常均可使污泥体积减少4倍左右)，但脱水污泥饼除了含水率和相关的物理性质，如流动性与原状污泥有差异外，其化学，生物等方面性质并不因脱水而产生变化。污泥干燥则由于提高水分蒸发强度的要求，使用人工热源，其操作温度(对污泥颗粒而言)通常大于100'C，叶：燥对污泥的处理效应，不仅是深度脱水，还具有热处理的效应；加之，污泥千燥处理的产物，其含水率可控制在20％以下，即达到抑制污泥中的微生物活动的水平，因此污泥干燥处理可同时改变污泥的物理、化学和生物特性。具体而言，污泥干燥操作的温度效应可以杀灭污泥中的寄生虫卵、致病菌，病毒等病原生物和其他非病原生物：与干燥后污泥的低含水条件相配合，污泥干燥可使污泥达到较彻底的卫生学无害化水平，同时干燥污泥还具有相当高水平的“表观”生物稳定性(干燥污泥如磨细后，重新加水浆化，再接种以微生物，则其生物稳定性特征会失去，故称其为“表观”)。另外，干燥污泥的低含水率，使其重要的热化学特性：低位发热量大为上升(含水率20％的干燥城市污水厂生污泥，其低位发热量约为17h4J／kg，为标准煤的60％左右)，不仅可能达到自持燃烧的水平，甚至可作为矿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这种改变污泥物性的能力，因此，污泥干燥不仅可在污泥焚烧和热化学转化等工艺体系中作为预处理技术单元应用；也可以通过直接将干燥污泥产物出售给农业部门当肥料或土壤改良剂，或出售给建材制造等工业部门当辅助燃料，而独立完成污泥处理的管理功能，成为相对独立的处理技术过程。目前，污泥干燥后制农业肥料和污泥预干燥焚烧已成为有—‘定应用面的污泥处理技术过程。污泥干燥应用技术发展方面的主要问题有三个方面，即①干燥热源；②热源介质与污泥的接触方式；③污泥干燥设备。污泥干燥的耗能是相当高的，以将含水率为80％的污泥饼干燥至含水率为25％的污泥饼为例，每吨干污泥(5t湿污泥饼)的干燥，需蒸发的水量约3．65t，而每吨水蒸发的蒸汽能耗(间接换热干燥)为3．2X103MJ，如以燃煤锅炉产生蒸汽的热效率为75％，则每吨干污泥当量的上述干燥操作能耗约为14．6X[03bU，基本相当于0．5t标准煤的用量。污泥干燥的热源应尽可能取自于污泥本身，如污泥预干燥焚烧的污泥干燥热源可取自于焚烧的烟气热回收；污泥干燥后农用的热源，可用污泥厌氧消化产沼的沼气(一般情况下，沼气可满足此过程约50％的能耗需求，干燥条件同前)。污泥干燥按污泥与热源介质的接触方式不同，可分为直接(接触)干燥和间接(接触)干燥两种方式。直接干燥的热源介质通常是燃料或污泥燃烧产生的热烟气，其优点是流程较简单，欠缺之处则是干燥产生的尾气量很大，由于尾气中通常含有高浓度致臭物质，如需进行脱臭处理，则干燥全处理过程的经济性会很差；间接干燥的热源介质多为蒸汽，也可采用导热油，由于比直接干燥多一个传热环节(燃气加热热源介质)，因此流程和设备均较复杂，但优势是干燥产生的尾气量相当小，如需采用尾气脱臭处理，则总体操作经济性较好。污泥的物性与大部分化工干燥对象有很大的不同，干燥过程中污泥易黏附于传热(蒸发)设备之中，影响设备正常运行。将化工干燥设备用于污泥干燥时，一般需进行流程改造和设备创新，以满足污泥干燥的需要。流程改造方面可采用回流部分干燥污泥改变脱水泥饼的黏附特性，也可应用Carver-Greenfield等创新的干燥工艺。设备创新的例子有：采用膜式蒸发器(有成膜与刮膜循环的机械结构，可控制黏附)，也可增加一些污泥搅动机构，利用颗粒搅动的能量使黏附的污泥脱落等。5.2.2污泥干燥设备1.滚筒干燥器滚筒干燥器主体为长径比较大的可回转简体(或简体固定但内置搅拌桨轴)，脱水污泥与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)，进入筒内，与高温燃烧尾气直接接触，使污泥受热并使其中的水分蒸发进入气流后，完成污泥的干燥，这种设备属直接干燥设备。2.空心搅拌桨式干燥器空心搅拌桨式干燥器主体为带夹套的近矩形截面、长筒体，内部平行设置2—4根带中空桨叶(与空心轴连通)的搅拌轴，操作时，夹套和搅拌轴内均通人蒸汽或导热油，搅拌叶面、轴外表面和设备器壁均成为加热面；进料污泥饼同样需要调整含水率(与滚筒干燥类似)后，进入干燥器，在干燥器内一边干燥，一边由桨叶搅动推进，直至流出干燥器。该干燥设备为典型的间接干燥设备。有关空心搅拌桨式干燥器的运行测试表明：总面积传热系数，在泥饼(进料)含水率较稳定的条件下，与出料含水率有关，出料第(干燥污泥)含水率越高，传热系数也越大。3.Carver-Greenfield蒸发工艺Carver-Green如ld(CG)是一项专利的污泥干燥工艺。它采用的是多效蒸发的干燥方式，为了使污泥具有流动性，同时又能保证干燥后的污泥不会在蒸发器内产生严重的结垢现象。(-，—G干燥工艺，先以燃料油(轻质柴油、煤油等)作为溶剂，与脱水泥饼混合，形成悬浮匀浆化的物料进入蒸发器；为了节省蒸汽能耗，蒸发采用多效蒸发的流程进行，蒸汽可重复利用；蒸干水分后的混合悬浮液，以压滤方式脱油(固液分离)，油可继续循环利用，压滤泥饼即是干燥污泥。目前实用的污泥干燥工艺与设备，总体来说，单位设备(容积或面积)的传热系数偏低，造成设备过于庞大，单位生产能力投资较高；同时污泥干燥的能耗也较高(虽然C-G工艺的蒸汽单位用量少，但干燥污泥中无法完全分离的燃料油为0．05L／kg，以H20计)操作成本居高难下。这些因素限制了污泥干燥这种管理特性较优越的技术的应用推广，其实际应用仍多限于有方便的低价热源供应的污泥预干燥焚烧技术体系中的预处理(污泥焚烧烟气可提供充分的干燥热源)。6.石灰稳定化污泥稳定化的做法是在原污泥或消化污泥中加人石灰，获得一个稳定的(数小时)超过12或更高的pH，有效地稳定污泥，以便土地利用。石灰稳定化过程中，病原体、病毒和细菌处于强碱性条件下而失去活动能力或被消灭(但寄生虫卵是较耐碱的)；同样，参与产生污泥臭气的微生物在强碱性条件下活动受到抑制或被杀死，从而解决了污泥的臭气问题。石灰稳定污泥在沙床上脱水效果很好，而且没有臭味问题。由于使用石灰，污泥的过滤性能也得到改善。石灰稳定化以液态污泥为处理对象(为减少石灰的用量，污泥应预先进行浓缩处理)，因此从某种程度上看，石灰稳定化也可视为是一种污泥调理方法。其与污泥调理的不同反映在操作目的和控制参数的差异上。石灰稳定化的操作目的以杀灭和抑制污泥中的微生物为主，控制参数是污泥的pH及其保持时间；污泥的调理则以改善污泥的可脱水性为目的，控制参数是污泥比阻等可脱水性指示参数的改善程度。在设计石灰稳定化设施中，有三个参数必须考虑：pH、接触时间和石灰用量。要求保持pH在12以上2h，其目的就是使病原菌确实被杀死和保持足够的碱度使pH在11这个水平维持几天。因而即使无法立即对污泥进行最终处置和利用，也不至于再次发生腐败现象。为此，应当使污泥处于液态，投加石灰使pH至12．5，并维持这个水平0．5h，这样就可使2h内pH不低于12。为了达到上述要求，关键是石灰的用量，石灰计量取决于污泥的种类，对具体的污泥应当进行试验后确定。辐射处理常规的厌氧法、石灰消毒法只能起到大量减少污泥中病原菌的作用；加热干燥法和巴氏消毒法虽然能控制污泥的卫生学质量，但能耗大；高温发酵虽能耗小，但污泥的性质不稳定；相比之下，污泥的辐射处理杀菌彻底，操作方便，耗能最小，不产生二次污染，完全能保证污泥产品的质量。所以，20世纪70年代后，原联邦德国、美国等很多国家都相继建造了一批污泥辐照装置，运行都很成功。并证明这种技术安全可靠，操作方便，处理后的污泥可作为农田肥料和土壤改良剂，又能作为家畜的辅助饲料。用于污泥的辐射处理的辐射源通常有“Co、：，’Se和高速电子束等。7.1污泥辐射杀菌效果表7-1总结了污泥中7种微生物在进行不同照射剂量、剂量率等辐射条件下的灭菌结果，从表7-1中数据可以看出，虽然，不同强度的辐射剂量、剂量率、有机物含量和氧气含量等条件都对生存在一个生态环境中的各类菌群产生不同程度的影响，但是起主要作用的是照射剂量，杀菌效果随照射剂量的增加而增加，只要达到一定的照射剂量，就能杀死各种微生物，在达到农业应用卫生学标准时，污泥杀菌的最佳剂量在3kGy左右。辐射消毒与化学法消毒相比，不但可以避免化学累积效应，同时还能提高污泥的稳定性，并且可以有效地防止病原菌的传播。表7-17种微生物不同照射剂量、剂量率等条件下结果7.2辐射处理后污泥的稳定性未处理的污泥很不稳定，在放置过程中会产生物理和化学方面的变化，出现细菌和藻类繁殖，污泥上浮、变黑等现象，而污泥经过辐射处理之后就可以改变这种情况。7.2.1辐射对厌氧菌的影响未照射的污泥和照射过的污泥在静置放置一段时间后，已经沉淀在底部的污泥开始有规律地上浮，从上浮的时间看，未照射的污泥首先上浮，然后是辐射后的污泥由受低剂量照射的开始，每隔几天或十几天陆续上浮。当照射4kGy或6kGy的污泥开始上浮时，未照射的污泥又一次下沉。这种情况受温度影响很大，温度越高，污泥上浮的时间越快。在低温环境中基本不发生这种现象。产生这种现象的主要原因是厌氧菌在污泥底部不断繁殖所造成的。污泥本身含有大量的厌氧菌，在放置过程中，沉下来的污泥隔断了与大气的复氧传递条件，而污泥上覆的澄清水中的好氧菌在繁殖和分解有机物的过程中又耗掉了水中的溶解氧，为污泥底部的厌氧菌创造了良好的繁殖环境。它们在分解有机物时所产生的气体又很难穿过污泥层进人大气，当不断积累起来的气体达到一定程度后，就将污泥慢慢顶向水面，而经过照射的污泥，由于射线杀死厌氧菌的程度不同，导致厌氧菌恢复和繁殖起来的时间不同。照射剂量越高，杀死厌氧菌的效果越好，超过6kGy剂量照射后的污泥几乎不发生上浮现象，说明辐射杀死厌氧菌是有效的。采用高剂量照射可彻底杀死污泥中的全部厌氧菌。7.2.2辐射对好氧菌和兼氧菌的影响在污泥放置过程中，当环境温度较低时，污泥澄清后的上清液变色是放置过程出现的主导性转化现象，这时几乎不发生污泥上浮现象，但上清液由浅色变成黑色，并且发臭。变色首先是从未照射的污泥开始，然后从低剂量到高剂量照射的污泥逐次发生变化。当照射6kGy剂量的污泥澄清水变成黑色时，前面的未照射和低剂量照射的污泥澄清水又开始由黑色逐渐变成黄色。这一过程一般需要1—3个月。温度越低，这一过程越长。造成这一现象的原因主要是好氧菌和兼氧菌在繁殖和分解有机物时消耗了上清液中的溶解氧使其变成黑色(但当上清液中的有机物被充分分解后，由于上清液表层复氧速率超过了微生物利用溶解氧的速率，上清液中溶解氧缓慢升高，使其中黑色的硫化物等再次转化为硫酸、亚硫酸盐的浅色物质)。因此，经过照射的污泥上清液变黑的时间能随着照射剂量的增大而延长，这就说明了辐射能有效地杀死水中的好氧菌和兼氧菌，并且照射剂量越大，杀菌越彻底。7.2.3辐射对藻类的影响辐射可以杀死污水厂污泥中的藻类，防止其繁殖生长。例如，在长期放置的污泥上清液中，未照射的污泥首先开始生长绿色的藻类，经过镜检，发现大部分是小球藻，又经过一段时间后，照射1kGy和2kGy剂量的污泥也相继开始长藻类，镜检后发现大部分也是小球藻，而照射剂量超过3k(；y的污泥始终没有发现藻类生长。这说明辐射对藻类是有影响的，只要达到一定的照射剂量，就可以彻底杀死污水污泥中所有的藻类。以上三种情况说明，辐射不但对病原菌杀死效果好，而对杀死好氧菌、厌氧菌及藻类也是有效的，因此，辐射能提高污泥长时间放置的稳定性，减少污泥在放置或排放过程中给环境带来的污染。7.3污泥辐射除臭效果城市污水处理厂排放的污泥本身就带有一定的臭味，如不经任何处理排人干化场后，在微生物的作用下，会产生更加强烈的臭味，严重污染周围的环境。然而像巴氏消毒法等热处理工艺在处理污泥的过程中不但去除不了臭味，相反还会产生令人厌恶的臭味直接影响操作环境和工人的健康，并且对设备腐蚀严重。相比之下，辐射技术除臭效果明显，对周围环境影响很小。当污泥照射4kGy以上的剂量时，可使污泥从有强烈臭味降低到仅可以察觉的程度，基本上可降低1个臭气强度等级。在低于4kCy以下的剂量时，除臭效果不明显。辐射除臭的主要原因是，辐射能够破坏和分解一些产生臭味的物质，杀死污泥中各种细菌和藻类，从而消除了产生臭味的根源。因此，在较长时间的放置过程中，污泥也很稳定。另外，由于污泥采用辐射技术处理是在常温常压下进行的，所以对设备腐蚀性很小。7.4辐射能促进污泥中速效性氮、磷量的增加污泥中速效性氮、磷含量的增加，说明辐射能够促进污泥中含氮、磷有机物的分解，提高污泥养分的速效性。因此，污泥中营养物质的可利用性也增加了，营养物质容易被作物吸收，起到增产效果。国外的辐照污泥盆栽试验和大田实际应用都证明辐射后的污泥确实有提高作物产量的作用。城市污水厂排放的污泥经过照射后，在1—4kCy范围内，污泥中的速效性氮和磷的含量是随着照射剂量的增加而增加的。在照射剂量达到4船y时，速效性氮可增加3倍，速效性磷可增加6．5倍。超过4k(；y时，速效性氮、磷含量趋于稳定。辐射处理污泥的这一特点是其他很多处理方法所不具备的。如普遍采用的热处理方法在杀菌的同时会破坏污泥中氮、磷等营养物质，降低污泥再利用的价值和效益。五、辐射对污泥物理性能的影响辐射能够提高污泥的沉降性和过滤性的特点也是其他很多处理方法所不具有的。通过对多组未照射污泥与经不同剂量照射后的污泥沉降速度所进行的比较发现：污泥经辐射后，其沉降速度比未照射的均有提高，并且沉降速度的增加与照射剂量几乎呈线性关系，基本上随照射剂量增加而提高。温度在10—25E，污泥含水率在96．7％一99．5％，照射剂量在1—6kGy范围内，可使污泥沉降速度平均提高9％一20％。污泥经过辐射后，过滤速度比未辐射污泥有一定提高，但在过滤的最初时间里，过滤速度提高不明显，随着滤出液量的增加，过滤速度提高得越来越明显，出现这种现象的主要原因是由于随着污泥含水率的降低，污泥的黏滞性(源于污泥固体的胶状絮体结构)成为影响过滤的主要因素，而辐射可使污泥的黏滞性发生变化，破坏了污泥的胶状絮体结构。辐射破坏污泥泥浆絮体结构的机制能够改变污泥颗粒的带电状况，破坏污泥胶体的稳定性，从而增强污泥颗粒之间的凝聚性，降低污泥体系的黏度，使污泥容易脱水，并表现为加快了污泥沉降速度和过滤速度，减少了污泥最终体积，以及处置和运输系统的容量规模，同时还使其便于储存和运输，可降低处理费用，有利于污泥的再利用。7.5辐射技术的新发展——微波辐射微波是一种非电离的电磁能，以每秒3×10^5km的光速传播，其频率范围是：30MHz-300MHz，其中2450MHz是家用微波炉最常用的频率。用微波辐射能实现加热，部分取决于反应物料的消耗系数，消耗系数是反应物料的损失系数与其介电常数之比。介电常数可衡量反应物料阻止微波穿透它的能力，而损失系数则反映物料耗散微波的能力。在一定频率作用下，试样的耗散系数越大，微波辐射能穿透它的机会越小，即试样吸收微波能量的能力愈强。描述微波穿透特征的有效参数是半功率深度，即微波功率密度减少到初始入射功率一半时离样品表面的距离。在一定频率下的半功率深度随反应物料的介电性质变化。对同一种电介质，半功率深度大约与频率的平方根成反比。在微波辐射作用下，微波能量在试样物料中的耗散是通过偶极分子旋转和离子传导两种机制来实现的。通过离子迁移和极性分子的旋转微波能使分子运动，但不引起分子内部结构的改变。被作用物质的分子从相对静态，瞬间转变成动态，即极性分子接受微波辐射能量后，通过分子偶极以每秒数十亿次的高速旋转而产生热效应。由于此瞬间变态是在被作用物质内部进行的，故常称为内加热(传统靠热传导和热对流过程的加热称为外加热)，内加热具有加热速度快，反应灵敏，受热体系均匀等特点。其能量转化率的大小与分子的特征有关。由于加热的速度非常快，故可能出现局部过热。微波加热使污泥脱水和干燥的过程，从本质上说也是水吸收热量后蒸发的过程。与传统加热法相比，微波加热不是表面热传递过程，而是一种容积加热过程，因此没有热传递过程的热损失。从理论上说，微波加热的热效率比传统加热法高。由于污泥是典型的混合物，除了主要成分——水以外，还有氧化物、无机盐和有机物。在微波场中，无机颗粒物提供了共沸中心，会出现局部过热现象，使污泥在达到水的沸点以前就开始沸腾，水从污泥混合物中进入气相，因此，微波加热过程中，污泥中的水开始蒸发的温度不是100℃，而是低于100℃。微波干燥污泥能高效地脱去水分，减少污泥含水率和体积，有利于污泥的最终处置，用这种方法脱水的工艺简单，操作时间短，耗能低，设备构造简单，具有很好的应用前景。关于污泥微波脱水干化过程中是否伴随有机物的挥发和分解等相关问题仍在进一步研究之中。四、市政污泥处置技术关于处理后生物固体的处置，通常有两种观点：一种观．去认为对经过处理后的生物固体进行填埋、海洋倾弃、焚烧、堆肥、热解、制建材等均可视为“处置”；另一种观点认为只确填埋或海洋倾弃才是真正意义上的“处置”，其他如堆肥农用焚烧、热解及制建材等均可认为是生物固体的资源化利用。不管何种观点更为正确，这里只足填埋与海洋倾弃作简单讨论。污泥的填埋处置填埋是废弃物的中间处理及最终处置方法。根据美国土木工程学会的定义：“垃圾卫生填埋是指一种不产生公害，或对公众健康及安全不产生危害的废弃物处置方法，该法使用工程原理将废弃物局限在最小的区域内，每H废弃物倾倒处理完毕后加覆土壤。”生物固体卫生填埋法是一种自然生物处理法。它是在自然条件下，利用土壤微生物，将生物固体中的有机物质分解，使其体积减少而渐趋稳定的过程。生物固体经过基本处理运到垃圾卫生填埋场后，和城市垃圾及其他固体废弃物按卫生填埋要求和程序填埋起来，在填埋层内的生物化学变化过程大致分为3个阶段。1.1好氧阶段在填埋初期(填埋后数十日内)及在填埋场中有通风设施者，土壤微生物中的好气性微生物利用填埋层中的氧气，在适当的含水情况下，将垃圾中的一部分有机物质分解成水、二氧化碳及稳定细胞质，并产生氨化作用。1.2厌氧阶段大多数填埋场以厌氧为主要工艺。在缺氧或无氧条件下，土壤与垃圾中的厌氧微生物群落，主要有纤维素分解菌、蛋白质水解菌、脂肪分解菌、醋酸分解菌、产氢菌、产甲烷菌等相继起作用，将生物固体和有机垃圾先“液化”，使固体物质变成可溶性有机物，然后经过“酸性发酵”和“碱性发酵”两个阶段，把有机物质转变成甲烷((：H4)、二氧化碳((b)和水及相当一部分稳定细胞质，含氮有机物中的氮发生氨化作用。1.3填埋稳定阶段对整个填埋场而言，垃圾中较易分解的有机物历时约500d后多数能被分解而接近稳定状态，其生物转化的化学反应详见厌氧堆肥一节。正常情况下，在最初的两年里产气量达到最大，以后逐渐降低，其持续产气期可达10～20年之久或更长。生物固体含有机质高，含水率也高，其本身又含有大量的微生物群落，进入填埋层后，是最易进行生物化学反应并实现转化的对象。生物固体在填埋过程中，其物质转化是：所以，既有一部分转变成气态物质(甲烷、二氧化碳)，又有一部分仍然以细胞质存在，还有一部分变成水分和氨。甲烷和二氧化碳可作为填埋气加以利用，特别是其中的甲烷经收集处理后可用于发电或变成清洁燃料；稳定细胞质留在填埋层中可以作为潜在肥料或燃料；水和氨流出填埋区作为垃圾渗滤液的一部分，经过渗滤液处理设施而实现无害化。因此，运用现代化卫生填埋技术处理生物固体，可以达到稳定化、无害化和资源化的目的。当然，由于填埋场地日益受限，生物固体填埋处置的资源化利用价值及效益不及直接堆肥农用或其他资源化利用。2.污泥的投海处理投海是固体废弃物综合利用后的另一种最终处置方法。沿海城市将生物固体投海处置，已有多年历史，有成功的经验，也有造成严重污染影响环境卫生和海洋生态的失败教训，值得引以为戒。生物固体的投海有两种方法，一种是驳船装运；另一种是用管道把污泥输送到深海区域，利用海洋的潮流作用将其迅速扩散、稀释。生物固体投海后，必须保证其所投海区不受污染。生物固体投海后控制的主要卫生指标是投海区的大肠菌群值、浑浊度、油脂及悬浮物浓度。在生物固体的排口处或倾倒点处，难以掌握和控制的有3个因素，即生物固体的腐烂、初期稀释程度和扩散程度。因此，海域的潮汐与流动状态、深海生态与自净能力、生物固体的性质决定了污泥投海后的环境影响行为。依据英国的经验，生物固体投海应离海岸10km以外，深度25m，潮流水量为污泥量的500～1000倍。由于海域的自净作用与稀释作用较好，污泥投海