污泥的處理和處置—歐洲一些高效工藝的回顧
摘要： 由于城市污水和工業污水截留率的提高和污水處理效率的改進（如化學法除磷可使污泥量增加30%），使得在世界范圍內污泥總量戲劇性地增加。
1 污泥的挑戰
由于城市污水和工業污水截留率的提高和污水處理效率的改進(如化學法除磷可使污泥量增加30%)，使得在世界范圍內污泥總量戲劇性地增加。
土地應用仍是污泥處置中可持續發展的一條出路，主要理由如下：
●碳和營養物的回用；
●農業用地的有無和遠近；
●低投入和運行花費；
●嚴格的法律規定和控制程序以保證安全和有肥效。
然而，根據一些情況或當地規定，污泥生產者在土地應用前不得不進行高級，更昂貴的處理以滿足進一步的要求，如堆肥、高溫消化處理或高溫消毒。
但是，很大一部分污泥因為顯而易見的原因而不能用于農業，如微污染物、病菌超標或缺乏肥效、距離太遠等等。有時可能由于公眾的不信任。這樣，污泥或者被填埋或者通過高溫氧化銷毀。
2 污泥處理和處置的可持續性戰略
在進行任何技術研究之前，應先對公眾是否接受進行估計。即使是從技術，成本和環境影響方面來講都是最好的處理方法，也可以由于沒有向鄰居進行很好的解釋而遭到否定。不管最終處理方法是什么，應該記住的是將來的處理應是安全，環保(保護人，動物植物)并且應當增值(物質和／或能源的回收)。為了這些目的，污泥處理應減小污泥體積，改進污泥質量，減少公害的排放。
在這篇文章中，我們將簡介一些重要工藝，以滿足運行者的需要，并且涉及到其他技術或法規約束問題。
2.1 土地應用的可持續發展戰略
作為一個起始條件，污泥應當至少是穩定的，在實際運行上既是要求沒有臭味。當地的要求或將來的法律可能會更高：污泥可能被要求消毒／巴式除菌。消毒要求一個強制的結果：即根據法國的規定，病源體如腸道病毒，傷寒菌，線蟲，寄生蟲卵等在處理后的樣品中應當檢測不到。巴式除菌成為一種趨勢：如丹麥實行在70度條件下一小時。
根據處理方法(生物、化學或物理方法)和污泥的狀況(液體或粘狀物)，不同的工藝描述如下：
表1 穩定(消毒)污泥的工藝
| 處理方法 | 處理目標 | 威望迪的處理工藝 | |
| 液態(濃縮后) | 粘著態(脫水后) | ||
| 生物處理 | 根據控制的生物工藝處理揮發性污泥 |
厭氧消化(AD)自熱好氧消化ATAD BioPasteur TM＋AD Biotherm®(AD thermophilic) |
堆肥或共同堆肥IPS® |
| 化學處理 | 抑制腐敗揮發性有機物的降解 | 酸性亞硝酸鹽SAPHYR® | 石灰 |
| 物理處理 | 抑制腐敗揮發性有機物的降解 |
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干化 |
| 通過熱氧化去除揮發性污泥 | 濕式空氣氧化法ATHOS® | 污泥焚燒PYROFLUID® | |
這些工藝大部分都有穩定和消毒，但是消毒的程度取決于一些參數如HRT(水力停留時間)或化學投加量。
顯然熱氧化工藝遠遠超出了污泥穩定，消毒和巴式消毒的要求。因為有機物被完全或幾乎完全消解(這些工藝將在下一節介紹)。
下面對一些工藝做專門介紹：
2.1.1 生物污泥穩定
(1)液態(濃縮后)
我們最熟悉和傳統的污泥處理方法是消化，它可以減少產泥量。無論好氧或厭氧，它都涉及到很多的能量。考慮到多數較大的處理廠或地區污泥中心，此種工藝還是在數量上領先的。然而，其他一些操作或在消化前或在消化后，提供了增強的處理能力，以滿足法律的要求。
① 厭氧消化
厭氧消化是一種有效的減少污泥量的方法，因為它把揮發性固體轉換成沼氣。它可以在中溫范圍(一般HRT＝15～20天，35度)或高溫范圍(一般HRT＝10～12天，55度)。
注釋：因為它可以減少污泥的量，所以也可以作為熱氧化的預處理工藝，以減小這一昂貴的步驟(見2.2和2.3)。
中溫范圍：威望迪水務在世界范圍內有幾百個業績。一般用沼氣攪拌，但是也有機械攪拌。因為在中溫范圍“只”有污泥穩定，眾所周知，我們不在此過多描述。
高溫范圍：在80年代，在丹麥，水處理工藝的進步增加了污泥的體積。他們通過增加污泥齡和池子的體積來穩定二沉污泥。并且，考慮到二沉污泥的低能量和它不易在重力濃縮池中濃縮，它被排除在厭氧消化池之外。很多消化池被停用，或他們只被用來消化初沉。
中溫范圍運行的系統(停留時間為20～30天，在33～35攝氏度)可以轉成高溫消化工藝(10～15天，在53～55攝氏度)。這意味著用于處理初沉污泥的消化池，只要有足夠的容積也可以處理剩余污泥，如果從中溫轉換成高溫。當消化池有足夠的容積，改裝成高溫消化池的費用可以根據污泥處置的費用，在幾年內收回。
另一個主要的優點是與傳統的中溫消化相比，較小的占地面積。消化產生的沼氣通常用來發電和加熱。工藝消耗的熱量應盡可能的減小，用熱交換器可以保證部分熱量回收。圖1介紹典型的高溫厭氧消耗的流程和熱回收系統。
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50到70％的熱量在泥／泥熱交換器中從消化的污泥中回收。排放的污泥量減少35%。
在Holbæk 污水廠，對污泥中病原體的含量在換成高溫消化前后進行測量。結果見表2：
表2 Holbæk(Denmark)污水處理廠污泥中病原體的含量
| 項目 | 消化前的污泥 | 中溫消化后 | 高溫消化后 | 丹麥對“控制”污泥的要求 |
| 傷寒菌數量每100 ml | 100～2000 | 100～250 | ＜2(檢測極限) | 不能有 |
| 糞鏈球菌數量每 ml | 3000～30000 | 250～400 | ＜10 | ＜100 |
根據其他廠的經驗，如布拉格中心污水處理廠的實驗表明，由于把消化池從中溫消化改高溫消化后泡沫的問題得到明顯改善。
2) 粘著態污泥(脫水后)：堆肥
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堆肥是現有的唯一可以把污泥從廢物變成產品的工藝，并被很多嚴格規定或標準認可。因為污泥變成一種輕產品，容易操作(可堆積)而無味，消毒良好和較干燥。這種工藝越來越流行。另一方面，由于它不減少最終的體積，需要很大的占地面積，并且需要較多人員。而且，為了滿足新規定中(臨時EU標準或EPA A級)關于消毒和氣味的要求，需要更先進的工藝如“攪拌式反應廊道”它影響最終的花費，與傳統的“粗糙”工藝如曝氣靜態堆相比。
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在這個工藝中，一個移動的輪子攪拌并推動混合物，同時鼓風機在曝氣。加速的生物降解產生一個均勻的堆。總的停留時間可以減小到2周，消毒效果非常好。
2.1.2 污泥的化學穩定
污泥的化學穩定包括一個投加化學藥劑的裝置，以防止發酵和氣味。大計量投加可使病原體衰減。如此這樣的工藝一般投資便宜并且容易操作。另外，固體的減少是不可能的，并且運行費用也是可觀的。
兩個可能的工藝，但他們不是競爭者，因為填埋土地的質量決定了工藝：顯然如果土壤是酸性的，則可以選擇加石灰，否則SAPHYR™工藝可能更適合，因為它實施簡單，便宜。
(1)液態：亞硝酸鹽穩定――Nitrite stabilisation
SAPHYR™ 工藝由威望迪公司開發，它基于NOx在酸性條件下的作用(一般pH 2～3)使污泥穩定和消毒，此外污泥的脫水性能也得到改進。并且，無需投加其它固體。最后，處理后的污泥在不能用于農業用途時可以焚燒，相反，投加石灰的污泥不能焚燒。
(2)粘性態污泥：石灰
這還是最常用的穩定污泥的方法，特別是在法國，但是農民的要求(提供免費石灰)和消毒的要求使投加量可高達50%或者在有些情況下更多。
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2.1.3 污泥的物理穩定――加熱干燥thermal drying
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照片2 Toulouse 污水處理廠直接干燥器(處理能量＝4噸蒸發／小時)
加熱干燥包括通過熱驅動力除去剩余的自由水和鍵連接的水。加熱的媒介或者是氣態(直接加熱)在高溫和湍流狀態下流過干燥器，或者用加熱液體(通常是蒸汽或加壓的水)傳遞熱量給污泥，通過干燥器的加熱壁(間接干燥)。加熱干燥的目的是達到下游污泥焚燒的熱持續性(一般30～35%)或者得到團狀物(60%)或干燥的容易處理和儲存的污泥。如果要達到長時間的穩定(幾個月)，干固體含量應達到90%或更多(最終干燥)，而且，一種顆粒的狀態是容易操作的(包括農田應用)。另一個終級干燥的優點是它可以方便的等待各種最好的處理方法，如農田應用、焚燒后用于水泥生產、或城市垃圾焚燒。它的缺點：第一是花費，尤其是能源消耗，一般在熱干燥中，每蒸發一噸水需要3400MJ的熱量。但在脫水步驟中，除去一噸水只要6MJ(電力)；第二需要很多工作人員來清除死角中的粉末以防止火災。
2.2 可持續性熱氧化戰略
2.2.1 焚燒
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照片 圣彼得堡的 PYROFLUID™的三維圖象
流化床焚燒爐(FBF)就工藝性能來講，被證明是焚燒污泥最好的方法(湍流方式，燃燒后高達850度的溫度)。而且它運行可靠(在爐內沒有轉動部分)。因此威望迪已經在世界范圍內40年的時間里建了幾十座流化床焚燒爐(歐盟、俄羅斯、土耳其)。
通常，在穩定狀態不需要添加額外的燃料。熱平衡的持續性是可以達到的。如果污泥的熱值LCV太低(低揮發性固體和/或固體含量)，尾氣／氣熱交換器應該足夠大以增加風室的溫度。如果達不到(如延時曝氣的污泥含20%DS)則需要在前面加熱干燥。
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注：在圖4中粘性污泥直接進入FBF焚燒爐，圖5中在沙泥混合器中進行污泥予干燥以適合中等處理能力。
因為水在100度的條件下已經除去，熱量需求減少，因此在低DS含量時可獲得熱平衡。
如以前提到的，需要有效的尾氣處理，包括：
(１)通過熱交換器回收熱量用于予熱空氣或其它目的(預干燥加熱、建筑取暖、下游處理)；
(２)通過除塵器除去灰塵(污泥的礦物部分在這一步除去)；
(３)通過濕式設備捕獲酸性化合物(噴淋＋洗滌器)；
(４)后續處理包括 如催化去除NOx和反煙羽加熱器。
很多污水廠的分析表明，結果很好的符合歐洲標準和規定。
關于干灰的處置，對于沒有工業污染的純市政污泥，重金屬不是問題。因為灰是以氧化物形式存在，他們滲透性不強，所以可以回用作水泥，用于工業和道路建設。
最后的副產物是酸步驟的清除。由于重金屬的污染，他們只能填埋在特殊的地方，但數量很小。
2.2.2 與城市固體廢物共同焚燒
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為了減少投資，城市垃圾和市政污泥通常用一個焚燒爐。通常，一個人口當量每天產生150～250克的脫水后粘性污泥和1～3公斤的垃圾。根據焚燒爐的設計，可以通過10～25%(泥／垃圾)的粘性污泥來控制爐子的溫度。為了達到最優化的燃燒，并且不會由于未燃燒的有機污泥污染熟料, 可以用處理能力為1 m3／h的 Pyromix™ 設備，通過壓縮空氣把污泥轉成滴狀污泥。實際上，這種運行方式只有在污水廠離城市垃圾焚燒爐較近時有利，否則處理運輸的費用將很高。此時污泥只在系統需要時作為控制流使用。
2.2.3 濕式空氣氧化法
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威望迪水務系統研發的ATHOS™ 在“中性”溫度(240度)和壓力(45巴)條件下被證明是高效的。80%的總COD被氧化，剩下20%是可溶的和高度可生物降解的。不需要后續脫水步驟，廢氣沒有毒性，固體礦物副產品包含重金屬是以一種不可滲透形式存在的。他們可以用于道路建設。而且液態部分，含有可生物降解的COD，可以很方便的用作污水廠的反硝化的碳源。
污泥中的有機氮先降解成可溶性的氨。這些氨，部分被吹脫后通過催化反應轉換成氮氣進入大氣。
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這種工藝可以應用于中等大小的污水廠，由于沒有污染物排放，所以容易被公眾接受。
2.3 先進的處理工藝
這些工藝融合了傳統的和革新的工藝，以正在建設的布魯塞爾北污水處理廠污泥流程為例(規模1.1M PE)。
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此流程包含了一座濃縮后污泥(脫水后達16%)的脫水裝置，然后經熱水解(一般180度半小時)反應以降低粘度，增強潛在可消化性。消化后的污泥含固率為8%(不是傳統消化的5%)COD含量為50 g／l。COD可以滿足濕式氧化單元的熱平衡要求而不用添加其它燃料。這樣整個處理系統足以自己提供能量，而且即沒有煙氣，也沒有飛灰。它滿足客戶的特殊要求，即不愿意焚燒，也不用填埋。
最后，與傳統的布局相比，大大減小了占地面積。
3 結論
激烈的競爭，嚴格的規范和環境的要求迫使像威望迪這樣的公司開發新的工藝或用更為有效的工藝(包括來自美國的工藝)。對每個項目，通過對工藝的適當合理安排可以滿足用戶的要求。需要考慮的是保護大眾和環境，優化物質和能源的回收利用，以達到可持續性的發展。
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