城市污泥好氧發酵處理技術應用
一、前言
上海市政府在發展經濟建設的同時，十分重視城市環境和保護，尤其是對水環境的治理與完善，40 多年來市政府在污水治理方面投入了巨額資金，上世紀60-70 年代相繼完成上海市西區污水輸送干線和南區污水輸送干線；70-90 年代建成天山、曲陽、龍華、長橋、程橋等中心城區污水處理廠；1985～1993 年，建成了合流污水治理一期工程；1994 年開始建設污水治理二期工程和吳涇閔行污水北排工程；2003 年完成蘇州河綜合整治一期工程建設；2003 啟動蘇州河綜合整治二期工程；2004 年啟動中心城區污水處理廠達標改造工程；2004 年正式啟動西區污水輸送干線改造工程可行性研究工作。到2004 年末，上海市中心城區污水處理量將達到430 萬m3/d，達到污水收集處理率70%以上，這對減輕黃浦江和蘇州河的污染作出了重要的貢獻。
但是，在城市污水處理過程中必然會產生大量的污水污泥，它容量大、不穩定、易腐敗、有惡臭，如不加妥善處理和處置，將造成堆放和排放區周圍環境嚴重的二次污染，更有甚者，將污泥任意施于農業，導致農作物污染，土壤受到不可逆轉的中毒受害。
國家環境保護總局發布的“城鎮污水處理廠污染物排放標準”（GB18918-2002）對污泥的處理處置作了具體要求，即“城鎮污水處理廠的污泥應進行穩定化處理”，并對穩定化處理后的控制指標作了詳細規定。上海市結合新標準的出臺，對污泥穩定化處理技術的研究與應用作了全面思考，其中對好氧發酵工藝進行了一次實用性研究，取得了一些經驗。本文結合排水公司已開展的污泥穩定化處理技術的研究工作，就好氧發酵工藝的生產試驗情況，向大會作一簡要匯報，供參考。
二、背景
1、上海市區污水廠污泥處理處置的現狀
根據《上海市污水系統專業規劃》，上海市屬12 座污水廠的規劃方向為：東區污水廠、北郊污水廠、程橋污水廠和曹楊污水廠將被廢棄；曲陽污水廠、天山污水廠和龍華污水廠、吳淞污水廠、泗塘污水廠、長橋污水廠、閔行污水廠和桃浦污水廠長期保留。這幾個污水廠除桃浦廠屬工業廢水廠外，其余各廠均為生活污水廠，污泥處理處置現狀見表1。
表1 市屬污水廠污泥處理處置現狀
| 序號 | 廠名 |
設計規模 （萬m3/d） |
污泥處理方式 | 出路 |
| 1 | 曲陽污水廠 | 7.5 | 重力濃縮＋帶式脫水 | 外運 |
| 2 | 天山污水廠 | 7.5 | 重力濃縮 | 船運 |
| 3 | 龍華污水廠 | 10.5 | 重力濃縮＋離心脫水 | 外運 |
| 4 | 吳淞污水廠 | 4.0 | 重力濃縮＋帶式脫水 | 外運 |
| 5 | 泗塘污水廠 | 2.0 | 重力濃縮 | 船運 |
| 6 | 長橋污水廠 | 2.2 | 重力濃縮＋離心脫水 | 外運 |
| 7 | 閔行污水廠 | 5 | 重力濃縮＋帶式脫水 | 外運 |
| 8 | 桃浦污水廠 | 6 | 重力濃縮＋帶式脫水 | 焚燒 |
| 9 | 東區污水廠 | 3.4 | 重力濃縮＋離心脫水 | 外運 |
| 10 | 北郊污水廠 | 2.0 | 重力濃縮 | 船運 |
| 11 | 曹楊污水廠 | 3.0 | 重力濃縮＋離心脫水 | 外運 |
| 12 | 程橋污水廠 | 0.5 |
重力濃縮＋離心脫水＋好氧發酵 |
農用 |
從上述方式可以看出，目前市區各污水廠污泥均沒有進行減量化、無害化和穩定化處理，這顯然不符合國家關于污泥處理處置的戰略思想，也與上海這個大都市的環境政策不符，因此結合現狀對污泥進行“三化”處理已成為各污水廠面臨的主要問題。
2、市區污水廠污泥穩定化處理工藝的選擇
決定污泥處理工藝時，不僅要從環境效益、社會效益和經濟效益全面權衡，還要對各種處理工藝進行探討和評價，根據實際情況進行選定，對環境整體而言，要具有安全性和可持續性。
國內外常用的污泥穩定化技術有：厭氧消化、好氧消化、堆肥、堿法穩定和干化穩定。堿法穩定因無法長期使污泥穩定僅做應急之用；干化穩定因投資運行費用高應用很少；好氧消化需要較高的動力能耗，寒冷季節處理效率降低，副產品沒有實用價值僅適用于小型污水廠；厭氧消化應用最為廣泛，但有安全隱患、運行管理要求高，市區如曹楊、北郊等廠曾有過厭氧消化措施，因種種原因廢棄；堆肥是一種生物處理方法，因其充分利用污泥中有用成分，可變廢為寶，有利于建立循環型經濟而受到廣泛關注。這些方法各有千秋，具體選擇要綜合考慮，杜絕不確定因素對環境可能造成的沖擊和意想不到的污染物在不同介質之間的轉移。
上海市排水公司對市區污水廠污泥性質進行了系統的調研，查閱了大量的文獻資料，在參考國外發達國家經驗的基礎上，結合上海的實際情況，編制了《上海城市污泥處理處置規劃》。根據規劃，市區污水廠除桃浦工業廢水廠污泥焚燒外，其余各廠污泥無害化、穩定化處理后回收利用。
鑒于市區污水廠不應用厭氧消化工藝，排水公司在對國內外應用污泥好氧堆肥的設備及應用調研的基礎上，借鑒畜禽糞便發酵原理，自2001 年起應用好氧堆肥工藝原理制成成套技術設備對城市生活污泥分別進行了小試、中試，摸索出了一套少加甚至不加摻合料、工藝簡單、便于操作管理的封閉式好氧堆肥處理工藝，該發酵設備引進了日本的專利技術，該技術原用于畜禽糞便好氧堆肥，經簡單改進后應用于污水廠污泥的好氧發酵工藝的試驗研究。該工藝的成果率先在程橋水質凈化廠得到應用，有效解決了長期突出的廠群矛盾，實現了設備成套化、系統化，為污泥的處置走出了一條新路，在國內屬于首創。
三、試驗研究
好氧發酵的一般工藝過程主要分為前處理、一次發酵、二次發酵和后處理四個過程。其技術主要分為條垛系統、強制通風靜態垛系統和發酵槽系統。堆肥處理工藝近幾年發展較快。綜觀國內各地污泥高溫好氧堆肥方面的研究，主要集中在后續制肥工藝的研究，而堆肥基本采用自然通風或強制通風條垛式，這種方式占地面積大，操作環境差，在上海這個環境要求較高的城市顯然是不太合適的。上海排水公司進行了機械化堆肥技術的試驗研究，并在程橋污水廠進行了生產性應用。下面對該生產試驗進行簡要介紹。
1、泥質評價
程橋廠污水來源主要是生活污水，污泥主要來自兩個方面：初沉池污泥和剩余活性污泥。污泥主要成分見表2。
表2 污泥主要成分表
| 品種 | 有機質 | N | P | K | 含水率 | 重金屬 |
| 程橋廠污泥 | 65%～70% | 5.44% | 3.21% | 0.51% | 80% | 未超標 |
| 豬廄肥 | 25.0 | 0.45 | 0.083 | - | - | - |
| 牛廄肥 | 20.0 | 0.34 | 0.070 | - | - | - |
| 羊廄肥 | 31.8 | 0.84 | 1.100 | - | - | - |
從表中可以看出，污泥中的營養成分遠高于農家肥，適合植物生長之需，如對污泥進行穩定化、無害化處理，制成有機肥料，則能變廢為寶，既節約資源又維護環境，符合可持續發展戰略要求。
2、工藝流程
程橋廠實施的污泥固態好氧發酵工藝日處理量2t/d（80％含水率）。其工藝是脫水污泥與輔料、菌種攪拌混合后通過螺旋輸送料斗進入立式發酵器好氧發酵，菌種在運行初始一次性投加，以后留存接種。經過48h 的一次發酵后，初步達到無害化、穩定化，含水率可降至50％以下，體積大大減少，便于運輸、基本無臭味。但尚未達到腐熟，需要繼續二次發酵，采用發酵袋發酵，25 天后達到熟化，成品可以資源化利用。一次發酵過程中產生的臭氣由抽風機集中收集后經除臭系統處理后達標排放。
3、該工藝的特點：
（1）設備簡單，可以完全國產化。
（2）一次發酵在封閉容器內完成，通過反應放熱產生高溫，污泥中的水分隨抽風設備排出室外，不會產生污水外排的污染問題，達到了安全、衛生的要求。
（3）一次發酵時間短，僅需48h 即可完成。
4、生產運行及效果
該工程自2002 年運行至今，基本正常，所有運行設備均實現自動控制。污泥發酵后，可得到含水率低于30％的熟化成品， 成品指標如下：
表3 污泥發酵成品檢測結果
| 項目 | 單位 | 指標 | 標準值 |
| 水分 | ％ | 25 | ≤32 |
| N、P、K 總養分含量 | ％ | 6.5 | ≥6.0 |
| 有機質含量 | ％ | 40 | ≥35 |
| EC 值 | mS/cm | ＞7.0 | － |
| 糞大腸菌值 | 無量綱 | ＞0.11 | 10-1～10-2 |
| 蛔蟲卵死亡率 | ％ | 100 | 95～100％ |
污泥發酵成品達到無害化、穩定化要求，經市園林所檢測，污泥發酵成品中可利用的氧、鎂等離子含量充分，利于植物生長吸收，因此市場銷售情況良好，實際應用中用戶普遍反應良好，不僅倉庫全部清倉，而且有機肥使用旺季還出現了供不應求的局面。
5、工程效益分析
（1）經濟效益
程橋廠實施污泥好氧發酵后，不僅解決了污泥出路問題，改善了作業環境，還使污泥得到資源化利用，產生一定的經濟效益。經過生產實際應用，污泥（80%含水率）年運行費用為21.9 萬元（不計折舊），污泥發酵成品年銷售收入5.50 萬元，可部分回收運行成本，基本實現循環經濟。對污水廠而言，實施污泥好氧發酵工程還可節省污泥外運費、占地費、排污費等。
（2）社會及環境效益
程橋廠污泥好氧發酵工程實施以來，產生了巨大的社會及環境效益，改善了廠區及廠外周邊環境，提高了環境質量水平。更重要的是此工程有利于推動污泥穩定化、無害化、資源化處理，為市中心城區污水廠無害化、穩定化處理提供了一條可供參考的途徑。
6、工程取得的主要成就
（1）程橋污水廠污泥好氧發酵處理工程充分利用了有效資源，又保護了環境，對污泥這一固體廢棄物基本實現了從產生、收集、處理到最終處置的全面管理。
（2）解決了該廠的污泥無害化、穩定化及污泥出路問題，并產生一定的經濟效益。
（3）工程采用立式發酵器，克服了中心城區污水廠普遍存在的場地狹窄的問題，無需另征地，且運行自動化程度高，安全衛生。本工程為污泥的處置開辟了一條新路，在國內污泥處理領域位于前列，具有較高的科學性和先進性，為市中心城區污水廠污泥處理提供了很好的借鑒。
7、存在問題
（1）該套設備原用于畜禽糞便發酵，用于污泥發酵時根據污泥性質經過一定的設計改進，但由于是首次應用，加上污泥泥質與畜禽糞便差別較大，實際應用時仍產生很多問題，主要體現在進泥含水率偏高、不穩定、設備材質與動力系統需要進一步優化設計。
（2）盡管本套工藝采用了PLC 自動控制，但對操作人員的運行管理仍有較高的要求，試驗中曾經發生過數次因操作不當引起的工藝紊亂現象，影響正常工藝運行。
（3）發酵設備消納量有限，運行成本偏高，推廣應用有一定的局限性。
四、結論
1、從程橋廠污泥好氧發酵工藝的運行情況看，市區污水廠實施污泥好氧發酵工藝是可行的，既可以解決污泥無害化、穩定化處理問題，還可以產生一定的經濟效益，既充分利用了資源，又保護了環境。
2、污泥堆肥處理既可制取腐殖質含量較高的肥料，又可使廢物體積減少25％，但由于堆肥過程中需添加一定比例的調理劑，因此堆肥化技術比較適用于中小規模的污水廠。
3、任何一種新的工藝都會帶來較高的運行管理水平上的要求，因此盡快提高污水廠操作人員的管理水平以適應不斷革新的污水及污泥處理工藝的需要是十分必要的。
4、程橋廠污泥好氧發酵工藝基本解決了污泥穩定化問題，但運行成本偏高，且穩定后的污泥仍存在最終出路問題，因此加快研究開發高效節能、操作方便、因地制宜的污泥資源化處置成套技術是解決污泥處置問題有效而又現實的途徑之一。
5、本工程中發酵系統與除臭系統雖然均能實現自控，但兩個系統之間的協調控制還有待于進一步優化。
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