据统计, 2016年我国城镇污泥产量达到4 300万t (以含水率80%计) 。污泥处理处置的目标是减量化、稳定化、无害化和资源化, 其中稳定化是保障污泥安全处置和资源化利用的重要前提, 而统一完善的指标体系是评价污泥稳定处理效果的必要依据。

根据住房和城乡建设部建标函[2015]274号文下达的编制任务, 通过研究国内外污泥稳定处理工艺和要求, 上海市政工程设计研究总院 (集团) 有限公司主编了《城镇污水处理厂污泥处理稳定标准》 (CJ/T 510-2017, 以下简称“标准”) , 于2017年9月1日起正式实施。

国外发达国家对于污泥稳定有明确定义, 如:美国水环境联合会 (WEF) 和美国土木工程师学会 (ASCE) 将其定义为:将污泥在腐败前变成稳定的产品, 以利于使用或处置, 换言之, 稳定过程减少了污泥中的病原体, 使之成为臭味很少的有使用价值的产品^[1]。欧洲环境署 (EEA) 和国际固体废物协会 (ISWA) 认为污泥稳定是污泥在一段时间内保持稳定的性质, 主要涉及生物和化学方面^[2]。英国相关标准提出, 污泥稳定是将可降解的有机质转化为矿物质, 或者转化为缓慢降解的有机质的过程^[3]。概括起来, 污泥稳定主要包含两方面的含义:一是降低污泥有机物含量, 使其不易腐败发臭;二是减少污泥中的病原体。“标准”对污泥稳定的定义为:污泥通过生物、化学或物化处理, 使处理产物达到不易腐败发臭、控制病原体等要求。

污泥稳定处理工艺包括生物、化学或物化方法, 生物处理工艺包括厌氧消化、好氧发酵和好氧消化等;化学或物化处理工艺包括热碱分解、石灰稳定、热干化和焚烧等。“标准”的污泥稳定处理工艺包括厌氧消化、好氧发酵、好氧消化、热碱分解和石灰稳定。其中, 石灰稳定工艺需要消耗大量石灰, 污泥减量化程度较差, 也不利于后续资源利用, 但考虑到污泥用于生产水泥熟料、路基建材或填埋时, 石灰稳定仍是可选择的处理方法之一, 为规范现有设施的运行, 仍将石灰稳定纳入标准范围。

此外, 当污水处理工艺采用长泥龄方式运行时, 产生的污泥在污水处理阶段就能达到稳定。参照污泥好氧消化工艺的稳定指标^[2,4,5], 当污泥的比耗氧速率低于2.5 mgO₂/ (g VSS·h) 时, 可判定该污水处理系统产生的污泥达到稳定要求。

污泥稳定指标根据污泥处置利用途径、稳定处理工艺的不同而有所区别, 因此无法提出类似污水污染物排放一级A、一级B、二级这样统一的标准, 需针对不同的稳定处理工艺提出各自适用的指标。

“标准”将污泥稳定指标分为产物控制和过程控制两类:前者是对污泥稳定处理产物的控制要求, 结合污泥稳定定义, 主要从有机物去除率和粪大肠菌群两方面提出控制指标;后者是污泥稳定处理过程中的控制参数, 包括温度、时间、脂肪酸、总碱度等指标。可以根据具体情况, 选择其中一类指标进行稳定评价。同时, 考虑到技术进步的可能, 对于改良工艺要求处理产物达到控制指标, 对过程控制指标则不作要求。

污泥厌氧消化控制指标如表1所示。

污泥经常规厌氧消化处理后, 控制指标包括有机物去除率和粪大肠菌群菌值。

美国环保局在PART 503中提出要减少污泥对病媒吸引, 厌氧消化必须达到以下两个目标之一: (1) 污泥中可挥发性固体降解率大于38%。 (2) 若未达到目标 (1) , 可通过实验室的小规模单元试验, 将少量此厌氧消化后的污泥在30~37℃的温度下再消化40d, 若可挥发性固体降解率不超过17%, 则达到减少病媒吸引的要求。

加拿大各省采用的污泥厌氧消化稳定指标与美国基本类似^[6]。此外, 欧洲环境署指出, 污泥稳定指数可采用VS/TS或VS降解的百分比表示, VS/TS低于0.60, VS降解百分比超过40%, 表示污泥达到稳定^[2], 这与我国现行标准中污泥厌氧消化有机物降解率大于40%的规定基本一致。“标准”要求污泥厌氧消化处理后有机物去除率达到40%以上, 并参照美国EPA的近似质量平衡法^[7]提出了有机物去除率计算方法。对于因进泥有机物含量较低而去除率无法达标的情况, 则可采用过程控制指标评价污泥的稳定效果。

在粪大肠菌群方面, PART 503将污泥病原体减少要求分为A级标准和B级标准, 满足A级标准污泥的粪大肠菌群小于1 000 MPN/gDS, 其应用基本不受限制, 可以直接供给公共场所或作土地利用;B级标准污泥的粪大肠菌群小于2×10⁶MPN/gDS, 应用场所受限制, 厌氧消化污泥可达到B级标准。加拿大各省对于污泥病原体减少要求的分级和每级对应的粪大肠菌群指标与美国类似^[6]。我国《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南》 (试行) 提出消化污泥的粪大肠菌群数量一般为1.2×10⁵个/gDS, 同时根据实际检测结果, 厌氧消化污泥的粪大肠菌群数量在3.9×10³~1.6×10⁵个/gDS, 可以满足B级标准。因此, “标准”要求厌氧消化污泥的粪大肠菌群菌值应大于0.5×10^-6。

常规污泥厌氧消化的过程控制指标包括温度、固体停留时间、脂肪酸 (VFA) 、总碱度 (ALK) 以及脂肪酸和总碱度之比 (VFA/ALK) 。常规厌氧消化的温度应控制在 (35±2) ℃, 固体停留时间大于20d。脂肪酸和总碱度反映了产酸菌和产甲烷菌的平衡状态, 是厌氧消化系统是否稳定的重要指标。根据国内外运行经验^[1,5], 厌氧消化污泥的VFA应小于300mg/L, ALK应控制在2 000~5 000mg/L, VFA/ALK控制在0.1~0.2。

污泥经高温热水解-厌氧消化处理后, 控制指标及限值与常规厌氧消化一致。但由于高温热水解的厌氧消化进泥含固率通常更高, 有时还含有餐厨垃圾等成分, 其过程控制参数与常规厌氧消化相比更为宽泛。“标准”规定高温热水解的污泥厌氧消化温度控制在35~55℃, 固体停留时间大于15d。由于消化污泥脂肪酸和总碱度与消化池内污泥浓度有关, 过程指标中对高温热水解厌氧消化的脂肪酸和总碱度不作要求, 只保留VFA/ALK比例要求。

污泥高温好氧发酵控制指标如表2所示。

污泥经高温好氧发酵处理后, 控制指标包括耗氧速率、粪大肠菌群菌值和种子发芽指数。由于污泥好氧发酵过程需要加入大量辅料, 而这些辅料的VS/TS一般远高于污泥, 因此考察污泥有机物去除率的意义不大, 取而代之以耗氧速率作为污泥有机物降解方面的评价指标。耗氧速率是指微生物消耗氧气的速度, 它直接反映微生物分解有机物的快慢和有机物的降解状况。在高温好氧发酵的升温阶段前期, 耗氧速率呈迅速增加的趋势;升温阶段后期和高温阶段前期, 耗氧速率维持相对稳定;高温阶段中后期, 耗氧速率下降并逐渐趋于稳定^[8]。高温好氧发酵处理后, 污泥耗氧速率应小于0.1 (O₂%) /min。

在粪大肠菌群方面, 我国的污泥高温好氧发酵运行条件与PART 503进一步减少病原体数量的方法 (PFRP) 中的堆肥相当, 即可以达到A级标准。加拿大《好氧发酵质量导则》要求好氧发酵污泥粪大肠菌群小于1 000 MPN/g DS^[9]。我国现行标准和技术指南则提出了更为严苛的要求:粪大肠菌群菌值大于0.01, 即粪大肠菌群小于100个/gDS。根据对国内生产性好氧发酵设施的取样结果, 好氧发酵污泥很难达到这一要求, 但鉴于调研数据有限, 为保持与现行标准的一致性, “标准”仍采用粪大肠菌群菌值大于0.01这一限值。

种子发芽指数是一项综合性的生物学指标。当未稳定化的污泥施用到土壤中, 通过微生物降解产生的一些低分子有机酸会对植物产生毒害作用, 通过测定污泥的种子发芽指数, 可反映好氧发酵污泥的腐熟度和稳定化程度。美国加利福尼亚州堆肥质量委员会 (CCQC) 将种子发芽率作为污泥腐熟度测定的指标之一, 并提出该指标在90%以上表示高度腐熟;介于80%~90%表示腐熟;低于80%表示未腐熟。日本下水道协会认为种子发芽率在80%以上是污泥腐熟的必要条件^[10]。我国现行标准对污泥种子发芽指数的要求基本介于60%~70%。由于不同土地利用方式对于污泥腐熟度的要求也不尽相同, “标准”规定, 当高温好氧发酵处理后的污泥用于农用地时, 种子发芽指数应大于70%;用于园林绿化或林地时, 应大于60%。

污泥高温好氧发酵的过程控制指标包括温度和时间。为了保证有机物的去除和病原体的杀灭, 好氧发酵过程必须保证在高温条件下持续一定的时间。当发酵时间达到20d以上, 其中温度达到55~65℃的持续时间达到3d以上, 可以认为该处理过程达到了稳定标准。

污泥经高温好氧消化处理后, 控制指标包括有机物去除率和粪大肠菌群菌值。高温好氧消化的有机物去除率稳定边界一般认为是38%~40%^[11]。美国PART 503对于好氧消化污泥的病媒吸引减少要求与厌氧消化相似:污泥可挥发性固体降解率应大于38%, 若未达到这一目标, 则通过小试试验, 将少量此好氧消化后的含固率不高于2%的污泥在20℃温度下再消化30d, 若可挥发性固体降解率不超过15%, 则达到了对病媒吸引减少的要求。此外, PART 503还将污泥高温好氧消化列入进一步减少病原体数量的方法 (PFRP) , 出泥可以达到A级标准。“标准”要求污泥高温好氧消化处理后, 有机物去除率应达到40%以上, 粪大肠菌群菌值应大于1.0×10^-3。

污泥高温好氧消化的过程控制指标包括温度和时间。当处理过程的温度达到55~60℃, 固体停留时间达到10d以上, 该处理过程达到了稳定标准。

污泥热碱分解是指在碱性条件下, 污泥在一定温度和压力作用下发生分解反应的过程, 加热能加速污泥有机物的分解, 同时碱的加入加快了污泥细胞的破解进度。污泥经热碱分解处理后, 有机物去除率应达到40%以上。在高温和强碱性条件下, 污泥中的病原体也将大大减少, 根据实际运行经验, 热碱分解处理后污泥的粪大肠菌群菌值应大于1.0×10^-3。需要注意的是, 污泥经热碱分解作用后, 有机物从固相转移至液相, 但未从污泥处理系统中去除, 因此若热碱分解后的污泥直接进行脱水, 脱水滤液应进一步处理并达到相应的排放标准。

污泥热碱分解的过程控制指标包括温度、压力、pH和时间。当处理过程的温度达到110~140℃, 压力达到0.15~0.40MPa, pH达到10~12的持续时间大于1h, 该处理过程达到了稳定标准。

石灰稳定作用机理主要是通过投加石灰造成强碱性的环境条件, 杀死和抑制病原体的生长, 减少臭气, 同时该过程中温度的升高也可以起到杀菌作用。因此, 对于石灰稳定后的污泥, 控制指标主要考察粪大肠菌群菌值。美国PART 503将污泥石灰稳定列入显著减少病原体数量的方法 (PSRP) , 出泥可以达到B级标准。“标准”规定污泥经石灰稳定处理后, 粪大肠菌群菌值应大于0.5×10^-6。

污泥石灰稳定的过程控制指标包括pH和时间。石灰稳定过程中, pH的升高可以起到灭菌和抑制污泥腐化的作用, 一般来说, 污泥的pH应通过投加石灰升高至12以上并保持2h, 之后在11.5以上再保持22h, 即pH达到11.5以上的持续时间应超过24h。

我国一般仅要求采用多点取样, 样品具有代表性, 自所取样品难以真实反映泥质情况。“标准”参考国内外标准规范和运行经验, 针对5种污泥稳定处理工艺和长泥龄污水处理工艺的污泥, 分别规定了取样方法。对于以反应器形式运行的厌氧消化、好氧消化、热碱水解等工艺, 明确了进、出泥取样点的位置;对于以堆体形式运行的静态好氧发酵工艺, 则提出根据堆体长度均匀选择取样断面, 在每个断面上均匀设置取样点, 并对所取样品进行四分法缩分的取样方法。“标准”还明确规定了采样方式 (瞬时/混合泥样) 、采样量、保存条件和其他注意事项, 具有很强的可操作性, 对于我国污泥取样可起到规范、引导的作用。

“标准”针对各项控制指标, 均提出了监测频率, 由于污泥处理工艺可能有多条生产线, 监测频率是对于单条生产线而言的。对于温度、压力、pH和耗氧速率等具备自动在线监测条件的指标, 进行自动在线监测;对于厌氧消化、好氧消化、长泥龄污水处理等连续运行的工艺, 除粪大肠菌群菌值的监测频率为1次/周外, 其余指标为1次/d;对于间歇运行的工艺如好氧发酵, 以批次出料时间为取样时间;热碱分解、石灰稳定等工艺一天内可运行多个批次, 为降低劳动强度, 监测频率与连续运行工艺的规定相同。需要注意的是, “标准”规定的监测频率是基于评价需求设置的, 即在评价周期内应符合上述监测频率, 从而得出可信的稳定评价结论, 因此并不完全等同于污水处理厂的运行要求。

“标准”还明确提出了污泥稳定的评价标准和方法, 对于不同污泥稳定工艺的产物控制指标和过程控制指标, 分别给出了稳定达标率的计算公式。稳定达标率是达标天数与运行天数的比值, 其中达标天数按照不同指标达标天数的加权平均得出。“标准”针对不同的污泥稳定工艺, 分别规定了评价周期, 评价周期内设施运行天数不应小于评价周期的80%。当满足这一基本条件, 表明该设施在正常运行, 才有进行稳定评价的意义。对于稳定达标率达到多少可判定污泥达到稳定处理要求, “标准”则不设统一限值, 各地管理部门可以根据当地实际需求确定限值, 对污泥稳定处理设施运行效果进行评价。

污泥稳定化程度是否能够达到要求, 不仅直接关系到污泥的处理处置效果, 而且对生态环境和公众健康也有重要影响。“标准”针对不同污泥稳定处理工艺, 提出了具备可操作性的控制指标、取样、监测方法以及评价方法, 用于指导城镇污水处理厂污泥稳定处理设施的建设和运行管理, 有助于提高我国污泥处理的管理水平。在实施过程中, 将根据相关科研成果、运行经验和反馈建议, 及时修订完善, 以提高其实用性。