楊笛音

(上海市浦東新區(qū)排水管理所,上海 200127)

前 言

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，排水管道設(shè)施量不斷增多，管道日常疏浚工作不斷加強(qiáng)，通溝污泥產(chǎn)量逐年增高。根據(jù)上海市浦東新區(qū)排水管理所提供的數(shù)據(jù)，截止到2018年底，浦東新區(qū)排水管道設(shè)施量為19 240.47 km，年清撈污泥量為147 300 m3。未來，隨著排水管道設(shè)施的進(jìn)一步完善，污泥的產(chǎn)生量還會有較大的增長。在這樣的泥量壓力下，傳統(tǒng)的自然風(fēng)干后填埋處理方式已無法適應(yīng)人民群眾對環(huán)境的需求。隨著垃圾填埋場逐步拒收通溝污泥，污泥處理處置矛盾日益凸顯。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

1.1 通溝污泥的性質(zhì)

通溝污泥是指排水管道養(yǎng)護(hù)中疏通清撈上來的沉積物。主要由底層粗顆粒沉積物、有機(jī)層和生物膜三部分組成(圖1)。通溝污泥組成為水與礦化顆粒物的混合物，有機(jī)質(zhì)含量占污泥干重的10%～30%，沉積物質(zhì)中含有重金屬砷和鋅等有害物質(zhì)[1]。通溝污泥既有生活污水和工業(yè)廢水進(jìn)入管道輸送系統(tǒng)的顆粒物和雜質(zhì)，也有道路降塵、垃圾以及一些建筑工地排放的泥漿等，如不及時清理，既容易減少排水管道的輸送功能造成排水不暢，引發(fā)積水和污水冒溢，沉積在管道內(nèi)的淤泥雨天又會隨雨水進(jìn)入河道造成對水體的污染[2]。

圖1 通溝污泥的組成示意圖Fig.1 Composition of sediment in sewer system

通溝污泥和污水廠污泥成分相似，但通溝污泥微生物、有機(jī)質(zhì)含量相對較低，部分重金屬超標(biāo)通溝污泥的固相部分由細(xì)顆粒砂石組成，污泥粒度大，固相部分物質(zhì)主要為基本無活性的、含量達(dá)58%以上的SiO2組成。兩者具體的物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示[3～7]。

表1 通溝污泥和污水廠污泥的物理化學(xué)性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of sediment in sewer system and sewage plant sludge

1.2 通溝污泥處理處置技術(shù)

1.2.1 通溝污泥的焚燒

利用焚燒爐將脫水污泥加溫干燥，再用高溫氧化污泥中的有機(jī)物，使污泥成為少量灰燼的過程[8]。該技術(shù)可利用污泥中儲存的能量，污泥焚燒后的炭渣可生產(chǎn)水泥等建筑材料[9]。徐啟智等[10]利用Fenton/CaO調(diào)理后污泥泥餅的含水率基本在50%以下，污泥中的揮發(fā)分和固定碳減少較多，灰分增加，部分有機(jī)硫、有機(jī)氮被分解或氧化成更穩(wěn)定的形態(tài)。富氧燃燒技術(shù)能夠大大提高低熱值污泥的燃燒效率[11]。然而，污泥焚燒技術(shù)仍然存在初期投資高、運行成本較高、操作管理復(fù)雜、煙氣處理效果不好，且有害重金屬大多數(shù)都富集在殘渣中導(dǎo)致無法直接用于建材制作等問題。

1.2.2 通溝污泥的熱解

污泥在常壓惰性氣體中熱分解使所含的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變成碳?xì)浠衔?，最終產(chǎn)物為熱解水、焦油、熱解氣等。熱解法減容量大，占地面積小，可在很大程度上實現(xiàn)對污泥的減量化處理，而且可以實現(xiàn)初期投資、廢物處理和使用過程的低成本[12]。污泥熱解過程可以降低重金屬的有效性，可以使碳酸鹽結(jié)合態(tài)和可交換態(tài)重金屬向殘渣態(tài)和硫化物結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化從而降低污泥資源化利用的環(huán)境風(fēng)險[13-14]。龔幸等[15]提出了優(yōu)化的工藝方案，優(yōu)化后的工藝條件為熱解溫度400 ℃，持續(xù)時間20min。同時對優(yōu)化得到的工藝條件進(jìn)行了初步的節(jié)能效益評估，表明優(yōu)化后的工藝條件能夠降低熱解過程的能耗，使污泥的處置成本降低26.1元/t，同時能夠提升熱解裝置的產(chǎn)能，提升熱解技術(shù)的市場化能力。熱解前需對污泥進(jìn)行干燥預(yù)處理，使其含水率在5%以下，而脫水、干化程度普遍偏低這就造成了大量的能源消耗，污泥體積的減少不如焚燒法減小得多，熱解液態(tài)產(chǎn)品的燃燒，也會產(chǎn)生少量的有害物質(zhì)。

1.2.3 通溝污泥的農(nóng)用

通溝污泥經(jīng)好氧堆肥化處理可轉(zhuǎn)化為含腐殖質(zhì)堆肥，施入農(nóng)田可提高土壤肥力。生產(chǎn)的有機(jī)肥可限制性地用于農(nóng)作物種植、城市園林綠化或鹽堿土壤改良，但由于通溝污泥本身含有重金屬等污染物質(zhì)很容易形成土壤的二次污染[16]。通溝污泥也可通過厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣。但是由于堆肥和沼氣生產(chǎn)都需要占用大量的土地，生產(chǎn)效率較低，不適用于大型城市大量通溝污泥處置的需求。

1.2.4 通溝污泥制作材料

通溝污泥可用于制造路基、建筑材料和輕質(zhì)隔熱磚等。王志新等[17]用通溝污泥部分替代三渣混合料中的細(xì)集料，制成復(fù)合三渣混合材料。該材料不僅提高了路基材料的路用性能和耐久性能，而且將重金屬有效地加以固化，符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，不會給環(huán)境帶來二次污染。除此之外，上海浦東新區(qū)通溝污泥處理處置工藝設(shè)計粒徑回收0.2～10 mm的可沉砂礫，經(jīng)過洗滌有機(jī)質(zhì)含量低于5%可作為低檔建筑材料回收利用[2]。陳冀渝等[18]利用下水道污泥和粉煤灰為基材料，在污泥焚燒灰和粉煤灰的混合料中加入粘結(jié)劑，拌料、成坯、入窯燒結(jié)成型生產(chǎn)出輕質(zhì)隔熱建筑磚，該磚用于建筑物可進(jìn)一步減輕建筑物負(fù)荷，發(fā)揮良好的隔熱效果。但這些過程中要求控制的條件嚴(yán)格，較傳統(tǒng)的工藝復(fù)雜，可推廣程度低。同時增加了產(chǎn)品成本，有很好的環(huán)境效益但經(jīng)濟(jì)效益較差。

1.2.5 國內(nèi)外通溝污泥處理處置現(xiàn)狀

德國和日本等對通溝污泥處理處置具有較為嚴(yán)格的規(guī)定。德國循環(huán)經(jīng)濟(jì)法律和市政垃圾技術(shù)指南規(guī)定，從下水道取出的固體物質(zhì)如果不進(jìn)行預(yù)處理就不允許進(jìn)行填埋處置。垃圾填埋法明確規(guī)定：只有有機(jī)成分含量低于3%的物質(zhì)才能進(jìn)入填埋廠。德國污水處理協(xié)會規(guī)定，必須采用濕機(jī)械法處理工藝對通溝污泥進(jìn)行整套處理[19]。日本污泥的處理處置方式分處置和資源化利用兩大類。其中處置方式包括填埋、露天堆放及其他方式。資源化利用則主要是用于建材、農(nóng)田、綠地或燃料等[20]。

目前，國內(nèi)通溝污泥處理方式主要為自然晾干后直接填埋處理。僅有北京、上海、天津和武漢等少數(shù)城市設(shè)置通溝污泥處理試驗點，但大多處于探索階段，處理設(shè)施選址及處理規(guī)模確定缺乏相應(yīng)技術(shù)支撐。國內(nèi)通溝污泥處理項目如表2所示。

表2 國內(nèi)通溝污泥處理項目一覽表Tab.2 List of domestic sewage sludge treatment projects

1.3 通溝污泥除臭技術(shù)

通溝污泥處理工程中臭氣主要來源為污泥運輸、處理過程散發(fā)的臭氣。處理過程中發(fā)酵的臭氣主要來源于儲泥池、喂料倉、集渣筐以及污水泵房的臭氣進(jìn)水格柵。

污泥處理過程中臭氣的主要組成分為五大類。一是含硫化合物如硫化氫和二氧化硫等；二是含氮化合物如胺類等；三是鹵素及其衍生物包括氯氣與鹵化烴等；四是烴類如烷烴與烯烴等；五是含氧化有機(jī)化合物主要有醇和酚等。而硫化物、氨和甲硫醇是脫臭的主要對象。

通溝污泥處理過程中釋放的臭氣會造成嚴(yán)重的大氣污染。臭氣首先會影響廠區(qū)周圍居民的日常生活和身體健康，尤其是給廠區(qū)工作人員帶來嚴(yán)重的健康威脅。另外，臭氣中含有硫化氫等腐蝕性氣體，這將會腐蝕通溝污泥處理處置設(shè)備，在一定程度上增加了通溝污泥處理成本。因此，在污泥處理過程中進(jìn)行臭氣的收集、處理以及脫除對于保護(hù)環(huán)境，保障周邊居民身體健康以及降低污泥處置成本等具有重要意義。吸附法、生物吸收法、氧化法和燃燒法是較為有效的應(yīng)用廣泛的脫臭方法。

1.3.1 吸附法

吸附法包括物理吸附和化學(xué)吸附兩大類。物理吸附是利用吸風(fēng)機(jī)將臭氣吸至裝有吸附劑的吸附器中進(jìn)行吸附，吸附劑通常是具有高吸附能力的活性炭，但應(yīng)在吸附量達(dá)到吸附劑的飽和度時更換吸附劑。一般的吸附劑對臭氣中的大部分物質(zhì)如對丁基酸、吡啶、苯、二硫化碳、氯氣、二氧化硫等都具有較好的吸附效果，并且對污水處理過程中產(chǎn)生的部分物質(zhì)也有一定的吸附作用。但定期更換吸附劑產(chǎn)生了較高的日常運行費用。

化學(xué)吸收法主要是通過一些化學(xué)物質(zhì)與臭氣中的組分反應(yīng)，生成對環(huán)境無害的氣體，釋放到空氣中，以去除臭氣?；瘜W(xué)吸收法主要有化學(xué)噴淋塔和原位安裝噴霧噴頭兩種方式。第一種是將臭氣自下而上噴淋，同時將與之反應(yīng)的化學(xué)溶劑反方向噴淋以充分混勻從而進(jìn)行臭氣脫除。第二種方式是在臭氣產(chǎn)生位置安裝噴霧噴頭，使植物提取液經(jīng)過霧化與揮發(fā)形成氣態(tài)，植物提取液含有的多個共軛雙鍵體系和較強(qiáng)的提供電子對的能力，能夠快速與臭味分子反應(yīng)從而消除臭氣。

1.3.2 生物法

生物脫臭法是利用微生物氧化分解臭氣，從而達(dá)到除臭的目的。土壤脫臭法是最常用的生物脫臭方法，當(dāng)統(tǒng)一收集的臭氣通入土壤后，土壤和土壤中的水分能夠分別吸收非水溶性臭氣和水溶性臭氣，此時，土壤中的微生物就能夠分解臭氣進(jìn)而除臭。土壤脫臭法具有運行費用低的優(yōu)點，但同時也存在占地面積大，處理效果不穩(wěn)定、不適用于酸性土壤等缺點。所以，土壤脫臭法的應(yīng)用仍然具有一定的局限性。微生物除臭的原理如圖2所示。

圖2 微生物除臭的原理Fig.2 Principles of microbial deodorization

1.3.3 氧化法

氧化法是利用強(qiáng)氧化劑將臭氣中的化學(xué)成分氧化生成無臭的化學(xué)物質(zhì)的過程。強(qiáng)氧化劑包括臭氧、活性氧和離子氧。高濃度離子氧的氧化能力是氧氣的上千倍，能夠?qū)?、硫化氫、硫醇類、VOC等污染物和其它產(chǎn)生惡臭異味的污染物在常溫常壓下迅速氧化，氧化所需時間只在千分之秒。處理后各廢氣物濃度總量較低，易被大氣環(huán)境所接收并稀釋，對廠區(qū)周邊環(huán)境影響較小。此外，離子氧還能殺死活抑制細(xì)菌與病毒，從而減少微生物對人體的侵害。此方法所用的設(shè)備體積小，運行費用相對較低，在排水泵站等規(guī)模較小、臭氣濃度不大以及場地狹窄的場所具有較好的應(yīng)用價值。臭氣的氧化反應(yīng)原理如下：

+H2O→SO3+H2O

+CO2+H2O

1.3.4 燃燒法

燃燒法很少用于污水和污泥脫臭工程，污水以及污泥中含有大量的水分和非易燃物質(zhì)，這使得污水和污泥脫臭工程運行需要大量的燃料，這必然會導(dǎo)致較高的運行成本。

1.3.5 除臭處理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外用于污泥除臭的工藝主要有以下三種類型。(1)物理吸附除臭。楊建設(shè)等[21]采用添加促發(fā)劑和增素劑的方法，對污水廠污泥進(jìn)行除臭，氣味由最初的腐臭味轉(zhuǎn)變?yōu)榘蔽?，但對污泥的除臭效果并不明顯。Fukuyama等[22]通過利用裝滿吸附材料的吸附罐來去除臭味，性能穩(wěn)定，并且始終都能獲得較高的氣味去除率。陸文龍等[23]研究了EM菌除臭劑對生活垃圾和污水污泥的除臭效果。研究發(fā)現(xiàn)，噴灑除臭劑可使硫化氫和氨氣濃度達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，效果穩(wěn)定可靠。(2)生物除臭。田順等[24]利用太陽能與中水源熱泵相結(jié)合對活性污泥進(jìn)行干化，然后篩選高效除臭菌進(jìn)行除臭，硫化氫和氨氣去除率達(dá)90%以上，有良好的除臭效果，而且具有明顯的成本優(yōu)勢。(3)氧化除臭。謝暢等[25]利用微波輻照和少量Fenton試劑的共同作用，快速同步實現(xiàn)污水污泥脫臭滅菌。用該工藝處理污泥，可以實現(xiàn)處理過程無污染、高效脫水脫臭，污泥高效利用和廢物零排放的清潔生產(chǎn)，將為后續(xù)處理節(jié)約大量成本，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。馮輝等[26]利用臭氧氧化性，實現(xiàn)污泥內(nèi)組分釋放和氧化，然后分離提取，除臭效果明顯，幾乎嗅不到臭味。Xiang等[27]利用過氧化氫的強(qiáng)氧化性通過γ射線對污泥蛋白泡沫溶液進(jìn)行了有效的除臭。

而在實際生產(chǎn)過程中，通常是將上述技術(shù)綜合使用，以達(dá)到更好的效果。天津市污水處理廠針對污水污泥處理綜合利用了不同的除臭工藝，從而達(dá)到聯(lián)合除臭的目的。其中，污水處理系統(tǒng)采用了全過程除臭工藝，污泥濃縮脫水機(jī)房采用了離子除臭工藝，污泥處置中心采用了生物濾池工藝，均發(fā)揮了各處理工藝的優(yōu)勢，取得了較好的處理效果。經(jīng)檢測，廠區(qū)周界下風(fēng)向無組織排放惡臭、氨、硫化氫濃度最高點均達(dá)到天津市地方標(biāo)準(zhǔn)。

2 上海市浦東新區(qū)通溝污泥處理處置

2.1 污泥處理處置技術(shù)選擇

目前，國內(nèi)外可行的通溝污泥處理處置方法主要分為兩類，一是通過預(yù)處理以降低污泥含水率后，將污泥送至生活垃圾衛(wèi)生填埋場填埋。二是將通溝污泥中不宜污水管道運輸?shù)墓绦挝?垃圾、渣石)去除，污水重新納管進(jìn)入污水廠處理[13]。然而，通溝污泥處理的主要目的是達(dá)到填埋要求或為資源化利用創(chuàng)造條件。

綜上所述，和直接填埋、分離回灌和填埋綜合處理等技術(shù)相比，預(yù)處理+回收利用聯(lián)合處理是推薦的處理工藝。污泥經(jīng)收集后運往就近的通溝污泥處理站，經(jīng)過預(yù)處理，污泥大大減量，被分為無機(jī)砂、有機(jī)污泥和污水。有機(jī)成分回到污水處理廠，無機(jī)成分被用于低檔建材等，少量經(jīng)脫水處理后用于填埋。排放的污水進(jìn)行回用，用于洗滌轉(zhuǎn)鼓和洗砂裝置的洗滌水，節(jié)省沖洗水用量同時減低污水處理工藝負(fù)荷，最后污水排放至污水管網(wǎng)。

浦東通溝污泥處理項目位于高科西路科苑路東南角的污水泵站內(nèi)，設(shè)計規(guī)模60 t/d。最終確定的工藝流程如圖3所示。首先將成份復(fù)雜的市政通溝污泥進(jìn)行洗滌篩分處理，分離取出大于10 mm的粗大故障物質(zhì)，然后流化洗滌得到大于0.2 mm 以上的礦化顆粒物質(zhì)，待其砂內(nèi)有機(jī)成分含量降低至5%以下時，這些礦化物質(zhì)可以長期存放并盡可能作為低檔建筑材料回收利用。而小于0.2 mm的顆粒物質(zhì)則隨洗滌液體進(jìn)入附近污水管網(wǎng)，送往市政污水處理廠集中處理。

圖3 浦東新區(qū)通溝污泥處理流程圖Fig.3 Flow chart of sewage sludge treatment in Pudong new district

2.2 臭氣處理技術(shù)選擇

市政污水、污泥項目常用的除臭方法有離子除臭、植物液噴淋除臭、生物濾池等，具體比較見表3。除臭方法主要分為以植物液噴淋為主的現(xiàn)場空間霧化和其它臭氣集中后進(jìn)行處理兩種方法。空間霧化，由于現(xiàn)狀所有裝置均置于開放空間中，除臭效果受外界氣象條件影響較大，但實施簡單；而臭氣集中后進(jìn)行處理，由于空間封閉，正常運營情況下，除臭效果較易得到保證，但封閉工程不僅影響被封閉設(shè)施的正常運行及壽命，而且會改變現(xiàn)有設(shè)施使用性質(zhì)，主要是雨水棚建筑面積等，帶來一系列難題。

表3 常用除臭方法比較Tab.3 Commonly used deodorization methods

上海市通溝污泥，由于現(xiàn)場裝置均已安裝好，封閉不但困難，而且封閉后會影響被封閉設(shè)施的壽命或正常運行，因此推薦采用植物液“現(xiàn)場空間霧化工藝”進(jìn)行除臭，以達(dá)到徹底除臭目的。為保證在項目現(xiàn)場各區(qū)域工作的人員能有一個好的作業(yè)環(huán)境，需要在其間設(shè)置現(xiàn)場空間霧化系統(tǒng)?，F(xiàn)場空間霧化除臭即在每個控制區(qū)域分別布設(shè)霧化裝置，通過設(shè)備控制系統(tǒng)將植物液在現(xiàn)場空間霧化，使其在臭氣散發(fā)源上方形成一層“薄霧”，當(dāng)臭氣散發(fā)時，與植物液霧化層接觸并發(fā)生反應(yīng)，從而實現(xiàn)除臭目的。該方案的優(yōu)點如下。

(1)植物液來源

植物液是從多種可食用植物的花、莖、根、葉中淬取的汁液。根據(jù)臭氣來源的不同，選擇不同來源的植物液進(jìn)行組合，做到“對癥下藥”。

(2)性質(zhì)

植物液的物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，沒有毒性、爆炸性和燃燒性。對皮膚無刺激性；天然植物提取液與異味分子反應(yīng)后不會生成有毒副產(chǎn)品，不會造成二次污染。

(3)凈化效率

植物液除臭技術(shù)對各種臭氣成份具有很高的凈化效率，經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測，已有工程檢測符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

(4)安全性和適用性

經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測，植物液沒有毒性以及刺激性，卻具有一定的殺菌作用。所以，在除臭過程和除臭后，對除臭區(qū)域內(nèi)部以及外圍人員是安全無害的，適用于所有人群。

3 結(jié) 語

本文介紹了通溝污泥的基本性質(zhì)及其處理處置工藝及方法，以上海市浦東新區(qū)為例，分析其通溝污泥的特性，比較了國內(nèi)外通溝污泥處理處置方式，最終推薦預(yù)處理+回收利用聯(lián)合處理工藝。通過對通溝污泥臭氣來源和組成的分析，比較不同臭氣處理技術(shù)的優(yōu)缺點，推薦采用植物液“現(xiàn)場空間霧化工藝”進(jìn)行除臭，以達(dá)到徹底除臭目的。該方案凈化效率高，安全性和適用性良好，可以通過植物液的調(diào)配做到“對癥下藥”，不會造成二次污染。