南宁城市污泥处理处置工艺路线分析探讨
1 南宁市污泥处理处置现状
目前南宁市主城区有4座污水处理厂, 分别为埌东污水处理厂、江南污水处理厂、五象污水处理厂和三塘污水处理厂;郊区县有5座污水处理厂, 分别为横县污水处理厂、马山县污水处理厂、武鸣污水处理厂、宾阳县污水处理厂和上林县污水处理厂。另外规划2座再生水厂, 分别为埌东和江南再生水厂。
1.1 污泥产量
随着南宁市污水处理厂的扩建及配套管网设施的完善, 近年污水处理量逐年增加, 接近甚至超过设计规模, 并有望实现2020年的规划目标。
表1为各污水处理厂水量数据, 表2为近年各污水处理厂污泥产量数据, 随污水处理量增加而增加。
2017年, 埌东和江南污水处理厂脱水污泥产率分别为5.5 t/万m3和4.1 t/万m3, 已接近我国南方城市平均水平。图1为南宁部分污水处理厂各年污泥产率变化情况, 可知城区污水处理厂的污泥产率基本高于郊区县污水处理厂, 且城区污泥产率与国内其他污水处理厂数据相近。随着南宁市另外2座再生水厂的投产, 污泥产率还将进一步提高。
1.2 现况污泥处置情况
目前, 南宁市污水处理厂污泥经浓缩脱水至含水率80%后运送至某农用复合肥料公司, 经进一步脱水, 投加特种菌种和营养成分, 制成生物复合肥。
表1各污水处理厂日均处理水量
Tab.1The average wastewater treatment capacity of sewage treatment plants
|
污水处理厂 |
2014年 /万m3/d |
2015年 /万m3/d |
2016年 /万m3/d |
2017年 /万m3/d |
2018年 /万m3/d |
现况设计规模 /万m3/d |
2020年规划 规模/万m3/d |
| 埌东污水处理厂 | 28.7 | 31.0 | 32.2 | 32.6 | 35 | 30 | 35 |
|
江南污水处理厂 |
34.3 | 43.5 | 50.8 | 52.5 | 52.6 | 48 | 96 |
|
横县污水处理厂 |
1.3 | 1.7 | 1.7 | 1.9 | 1.93 | 2 | 3 |
|
马山县污水处理厂 |
0.5 | 0.6 | 0.63 | 0.76 | 0.82 | 0.6 | 0.6 |
|
武鸣污水处理厂 |
2.7 | 2.7 | 3.67 | 3.84 | 3.65 | 5 | 5 |
|
宾阳县污水处理厂 |
1.7 | 1.7 | 2.03 | 2.13 | 1.93 | 2 | 2 |
|
上林县污水处理厂 |
0.4 | 0.2 | 0.35 | 0.46 | 0.5 | 0.6 | 0.9 |
|
合计 |
69.6 | 81.4 | 91.38 | 94.19 | 96.43 | 88.2 | 142.5 |
注:2018年数据为1～5月的平均值。
表2各污水处理厂日均脱水污泥产量
Tab.2The dewatered sludge output of sewage treatment plants
|
污水处理厂 |
2016年 /t/d |
2017年 /t/d |
2018年 /t/d |
|
埌东污水处理厂 |
115.4 | 179.52 | 220 |
|
江南污水处理厂 |
314.3 | 213.67 | 265.13 |
|
横县污水处理厂 |
4.07 | 5 | 6.24 |
|
马山县污水处理厂 |
1.62 | 1.9 | 3.15 |
|
武鸣污水处理厂 |
8.38 | 13.7 | 23.45 |
|
宾阳县污水处理厂 |
5.3 | 4.8 | 8 |
|
合计 |
449.07 | 418.59 | 525.97 |
图1南宁市部分污水处理厂污泥产率变化
Fig.1The variation of sludge yield from segmental sewage treatment plants in Nanning City
但受季节和销售情况的影响, 肥料公司无法保证长期稳定地接纳污泥。污泥在处理厂内部堆积的现象时有发生, 增加了厂区周边的环境安全风险, 同时影响各污水处理厂正常运行。考虑处置出路的持续稳定, 需要找到符合南宁污泥特点的处理处置方法。
2 污泥处理处置工艺选择
2.1 污泥性质
南宁市各污水处理厂污泥检测数据见表3和表4。
我国针对城镇污水处理厂污泥的各类处置方式制定了一系列泥质标准, 按照园林绿化、林地、土地改良、农用、混合填埋、制水泥、制砖、单独焚烧等污泥处置途径分别对污泥泥质提出了要求
表3中心城区污水处理厂污泥性质
Tab.3The characteristics of sludge from the sewage treatment plants of central city
|
序号 |
检测项目 | 埌东一期 | 埌东二期 | 江南一期 | 江南二期 |
|
1 |
含水率/% | 75.3 | 75.8 | 82.8 | 78.7 |
|
2 |
总镉/mg/kg | 1.6 | 1.56 | 1.8 | 2.1 |
|
3 |
总汞/mg/kg | 0.296 | 1.21 | 0.514 | 0.392 |
|
4 |
总铅/mg/kg | 14.2 | 29.7 | 22 | 21.6 |
|
5 |
总铬/mg/kg | 21.8 | 49.5 | 48.6 | 51.6 |
|
6 |
总砷/mg/kg | 8.2 | 7.7 | 10.5 | 12.1 |
|
7 |
硼/mg/kg | <4.00 | <4.00 | <4.00 | <4.00 |
|
8 |
总铜/mg/kg | 68.4 | 47.9 | 60.3 | 61.9 |
|
9 |
总锌/mg/kg | 368 | 503 | 441 | 454 |
|
10 |
总镍/mg/kg | 9.4 | 12.8 | 22.2 | 19.3 |
|
11 |
总钾/g/kg | 2.68 | 1.59 | 0.926 | 1.75 |
|
12 |
总氮/g/kg | 22.03 | 18.97 | 33.66 | 18.28 |
|
13 |
总磷/g/kg | 9.2 | 4.93 | 6.56 | 5.29 |
|
14 |
总铍/mg/kg | 0.72 | 0.75 | 0.63 | 0.71 |
|
15 |
总钡/mg/kg | 397 | 216 | 318 | 357 |
|
16 |
六价铬/mg/kg | <0.50 | <0.50 | <0.50 | <0.50 |
|
17 |
挥发酚/g/kg | <0.10 | <0.10 | <0.10 | <0.10 |
|
18 |
pH | 6.11 | 6.49 | 6.38 | 6.73 |
|
19 |
EC值/mS/cm | 1.11 | 0.74 | 2.53 | 2.02 |
|
20 |
有机质含量/% | 36.1 | 24 | 25.8 | 35.8 |
| 21 | 细菌总数/CFU/g | 1.0×108 | 1.5×107 | 3.5×107 | 2.9×107 |
|
22 |
粪大肠菌群/个/g | 1.4×107 | 5.3×106 | 2.9×106 | 2.1×106 |
|
23 |
臭度 (6级臭度) |
4级, 强 腥臭味 |
4级, 强 腥臭味 |
5级, 很强 腥臭味 |
4级, 强 腥臭味 |
|
24 |
种子发芽指数/% | 401 | 391 | 370 | 459 |
|
25 |
总氰化物/mg/kg | <0.20 | <0.20 | <0.20 | <0.20 |
|
26 |
苯并 (α) 芘/μg/kg | 0.5 | 6.9 | ||
|
27 |
低位发热量/MJ/kg | 4.49 | 5.75 |
注:本表数据为2014年5月采样所得, 其中埌东二期1～13项数据为2017年平均值。
(1) 中心城区污水处理厂有机质含量为24%～36%, 与国内其他大城市污泥有机质含量相比较低, 单独焚烧要求有机物含量大于50%, 因此不适合单独焚烧, 但满足其他处置方式对有机质含量的限值。
表4郊区县污水处理厂污泥性质
Tab.4The characteristics of sludge from the sewage treatment plants of surrounding suburbs
|
序号 |
检测项目 | 宾阳 | 横县 | 马山 | 武鸣 |
|
1 |
含水率/% | 75.2 | 80.6 | 73.3 | 67 |
|
1 |
总镉/mg/kg | 2.2 | 2.2 | 3.8 | 1.7 |
|
2 |
总汞/mg/kg | 0.235 | 0.302 | <0.04 | 0.162 |
|
3 |
总铅/mg/kg | 17.2 | 37.8 | 17.8 | 10 |
|
4 |
总铬/mg/kg | 87.8 | 37.6 | 91.8 | 74 |
|
5 |
总砷/mg/kg | 18.2 | 14.1 | 6.2 | 12.3 |
|
6 |
总铜/mg/kg | 38.3 | 64.4 | 55.4 | 37.8 |
|
7 |
总锌/mg/kg | 301 | 233 | 361 | 242 |
|
8 |
总镍/mg/kg | 32 | 42.8 | 38.2 | 54.4 |
|
9 |
总钾/g/kg | 1.868 | 1.99 | 1.70 | 1.37 |
|
10 |
总氮/g/kg | 12.71 | 21.01 | 9.36 | 11.76 |
|
11 |
总磷/g/kg | 14.02 | 11.77 | 16.11 | 13.21 |
|
12 |
总硼/mg/kg | 7.4 | 32.9 | 12.8 | 14.3 |
|
13 |
总铍/mg/kg | <0.40 | <0.40 | <0.40 | <0.40 |
|
14 |
总钡/mg/kg | 381 | 311 | 259 | 228 |
|
15 |
六价铬/mg/kg | <0.50 | <0.50 | <0.50 | <0.50 |
|
16 |
挥发酚/g/kg | 0.5 | 0.64 | 0.46 | 0.40 |
|
17 |
pH | 7.17 | 6.97 | 7.07 | 7.50 |
|
18 |
EC值/ms/cm | 1.21 | 1.33 | 0.91 | 0.82 |
|
19 |
有机质含量/% | 27.3 | 39.5 | 26.9 | 24.3 |
| 20 | 细菌总数/MPN/kg | 5.0×108 | 5.2×109 | 4.3×109 | 1.4×1010 |
|
21 |
臭度 |
3级, 明显 臭味 |
4级, 强腥 臭味 |
4级, 强腥 臭味 |
5级, 很强 腥臭味 |
| 22 | 种子发芽指数/% | 156 | 86 | 159 | 113 |
|
23 |
总氰化物/mg/kg | <0.20 | <0.20 | <0.20 | <0.20 |
|
24 |
苯并 (α) 芘/μg/kg | <0.1 | 2.9 | 2.4 | 13.7 |
|
25 |
低位发热量/MJ/kg | 4.96 | 7.39 | 6.28 | 5.94 |
注:本表数据为2014年8月采样所得。
(2) 中心城区污水处理厂污泥的各类重金属指标均远低于限值, 满足各种污泥处置方式的要求。郊区县中只有马山县污水处理厂的总镉略高于农用污泥A级标准, 其他指标符合各处置方式的要求。
(3) 关于低位热值, 埌东一期和宾阳污泥的低位发热量低于污泥单独焚烧中自持焚烧用泥质要求, 其他厂污泥符合单独焚烧中的各种焚烧模式对低位发热量的要求。
(4) 各污水处理厂污泥中的总养分基本满足土地改良用泥质标准, 但只有埌东一期、江南一期和横县的污泥总养分满足园林绿化和农用泥质。总体上, 污泥的养分含量不高。
综上, 南宁市污泥呈现有机质较低, 重金属含量少, 发热量不高, 营养成分不高的特点。
2.2 工艺路线确定
2.2.1 污泥脱水预处理方式的确定
污泥脱水前往往先进行预处理, 其目的在于改善污泥脱水性能。常用的方法有物理法、化学法和污泥生物降解工艺等。物理法成本较高, 压滤液COD和氨氮高, 增加水处理负荷。化学法引入大量无机物, 增加污泥干重, 降低污泥有机质和热值, 影响污泥处置方法的选择。生物沥浸是脱水预处理的方法之一, 可改善污泥脱水性能
试验选用浓缩污泥, 含水率在96%～98%, 营养剂投加约12%, 经44 h曝气, 生物沥浸反应完全后进行板框脱水, 试验数据见表5。从表5中可看出, 经生物沥浸后, 脱水污泥含水率均在60%以下, 平均为50.9%, 大大降低了污泥体积;处理前后污泥有机质仅有微小损失。对压滤液进行抽样检测, COD和氨氮平均浓度分别为33 mg/L和25.63 mg/L, 不会对厂区污水处理产生冲击。通过试验验证, 采用生物沥浸进行预处理, 脱水效果良好, 可再经进一步实际运行后, 考虑在南宁推广。
表5生物沥浸试验数据
Tab.5The experimental data of bioleaching
|
批次 |
原污泥 含水率/% |
脱水污泥 含水率/% |
原污泥 有机质/% |
脱水污泥 有机质/% |
|
1 |
98.0 | 46.9 | 23.9 | 23.6 |
|
2 |
98.0 | 48.8 | 23.9 | 24.6 |
|
3 |
97.6 | 50.4 | 27.2 | 29.0 |
|
4 |
97.7 | 52.1 | 28.1 | 27.2 |
|
5 |
97.8 | 54.6 | 28.9 | 26.5 |
|
6 |
97.2 | 52.1 | 29.3 | 28.7 |
|
7 |
96.8 | 50.2 | 28.7 | 27.9 |
|
8 |
97.3 | 51.6 | 30.1 | 29.8 |
|
9 |
97.1 | 49.6 | 29.7 | 28.8 |
|
10 |
96.3 | 52.3 | 30.3 | 30.3 |
|
平均值 |
97.4 | 50.9 | 28.0 | 27.6 |
2.2.2 污泥处理方式的确定
无论哪种污泥处置方式均对污泥含水率有限值要求, 污泥含水率降低, 体积减小, 便于运输, 有利于后续处置工艺的运行。因此考虑以污泥深度脱水工艺作为其他处置方式的前处理工艺。深度脱水的方式有板框脱水、热干化、石灰干化稳定等。热干化设备复杂、投资较高, 石灰干化稳定限制了污泥处置方式的选择, 板框脱水既可达到较低的污泥含水率, 又投资适中, 加上正确选择调理剂, 污泥pH也不会有很大改变, 因此深度脱水工艺选择板框脱水。
如果污泥处置方式选择土地利用, 通常采用厌氧消化或好氧发酵 (堆肥) 为处理方式。南宁市污泥的有机质含量低, 厌氧消化不适用, 可采用好氧发酵。对于好氧发酵, 南宁的相关运营单位有多年的运行管理经验, 已经形成了好氧发酵土地利用的产业链, 因此推荐采用好氧发酵作为污泥土地利用的预处理工艺。
2.2.3 污泥处置方式的确定
污泥填埋近年来已逐步减少, 国家和地区也都出台一系列政策, 如《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策 (试行) 》“土十条”“水十条”《广西城镇污水处理厂污泥产物土地利用技术规范》等, 严格控制污泥填埋的条件, 未达标的污泥禁止填埋, 以防二次污染。污泥填埋不是被鼓励推荐的处置方式, 尤其不适合以绿水青山著称的南宁。
污泥焚烧可以使污泥减量化、稳定化、无害化、资源化, 是一种高效的污泥处置方法。但南宁污泥有机质含量低, 热值低, 若采用此种方式, 需投加大量辅助燃料, 运营成本高, 炉渣和飞灰量大, 整个系统需要持续能量输入, 显然不是一种经济的处置方式, 故不适合采用污泥焚烧。
南宁市尚无较大规模的建筑材料烧制企业, 且污泥用于制砖、制轻质骨料和路基材料等建材的生产条件不易控制, 因此该处置方式不适用。
南宁多山地, 森林覆盖率高, 林地1 650万亩 (1亩≈667 m2) , 肥料需求量大, 此外还有大量因矿山开采等原因产生的砂土地、废弃矿区的贫瘠土地急需改良, 南宁市污泥重金属含量低, 可用于土地利用和土壤修复。自2010年以来, 南宁市城市污水处理厂污泥主要用于制作生物肥料的辅助原料以及农用堆肥, 污泥的产生、运输、储存及处置利用均参照工业危险废物进行管理。定期检测表明, 污泥各项指标达到《农用污泥中污染物控制标准》。值得注意的是, 2018年5月, 南宁市环保局发布《关于进一步明确城镇生活污水处理厂污泥管理要求的通知》, 不再将污泥划定为危险废弃物, 这个通知的发布为污泥土地利用的发展奠定了坚实的基础。
在南宁污泥土地利用积累了多年的经验, 管理模式和操作流程已成熟, 根据相关企业的生产设施建设规模, 污泥好氧发酵处理规模可达1 000 t/d。污泥土地利用应用前景广阔, 得到国家和地方的污泥处理处置政策支持, 但也存在一些局限性, 如肥料使用受季节性变化影响, 需添加营养成分才能符合肥料标准, 因此需发展多种污泥处置方式, 土地利用可作为处置方式之一。
污泥水泥窑协同处置可使污泥在高温下完全焚烧, 在水泥生产过程中的熟料温度在1 250～1 350 ℃, 污泥作为燃料燃烧, 实现了有机物的彻底分解, 焚烧产物经固化最终进入水泥熟料中, 从而实现污泥的安全处置
综合以上论述, 并结合污泥性质, 对南方城市污泥处理处置推荐两条工艺路线:生物沥浸+板框脱水+好氧发酵+土地利用和生物沥浸+板框脱水+水泥窑协同处置。
3 不同处置方式的投资与成本
根据机械化和自动化水平、工程规模的不同, 好氧发酵的投资成本可按25～30万元/ (t·d) 进行估算 (以含水率80%脱水污泥计, 不含征地费) 。考虑人工、能耗、调理剂、药剂、设备折旧、维修等因素, 运行成本大致为120～160元/t (以含水率80%的脱水污泥计) 。
水泥窑协同处置的投资成本是由系统复杂程度、设备国产化率等因素决定的。一般情况下, 若采用脱水污泥不经干化直接投加入窑尾烟室, 投资为10～20万元/ (t·d) , 对于采用将脱水污泥在水泥厂内干化后再进入系统的规模较大项目, 投资为20～40万元/ (t·d) 。国内污泥水泥窑协同处置实际运行的项目较少, 采用的设备和配套的烟气处理设施标准差异较大, 因此目前的运行费用统计尚不具有典型性, 据不完全统计, 经营成本为160～330元/ (t·d) 。比较这两种方式的投资和成本, 水泥窑协同处置的经营成本较高, 对于具体的处理厂来说, 还需再结合泥量、泥质和处理工艺的选择等因素进一步研究和优化。
4 结论
通过对南宁市城市污泥泥质的分析, 结合实际情况, 推荐两条工艺路线:生物沥浸+板框脱水+好氧发酵+土地利用和生物沥浸+板框脱水+水泥窑协同处置。两种处置方式各有利弊, 不同水厂可根据具体情况选用。由于水泥窑协同处置运行成本较高, 建议采取分期实施的办法, 经过一段时间运行, 再确定后期技术路线, 最终形成多元化的解决方案, 为安全稳定处置污泥保驾护航。
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