德國污泥處置技術(shù)的分析與研究
根據(jù)2004年我國污水處理能力的統(tǒng)計，我國現(xiàn)有近800座污水處理廠，平均每天處理污水近4600×104t，每天從各個污水廠產(chǎn)生約7000t的污泥餅，并以每年15%的速度增長。在我國污泥處理處置的方法中，現(xiàn)有70%以上是棄置，20%是填埋，不到10%的是通過堆肥等技術(shù)處理后回用于土地。由于污泥中一般都含有病菌和過量的重金屬，沒有經(jīng)過無害化處理的污泥大量的棄置，最終作為資源用于土地，常常造成二次污染，嚴重影響了環(huán)境的綜合整治。而德國城市污水處理廠對污泥處理有85.4%以上首先采取污泥中溫厭氧消化，然后脫水，最后作農(nóng)用堆肥和焚燒熱處理。通過污泥消化可以抑制病菌，改善污泥的衛(wèi)生狀態(tài)；同時，還可用產(chǎn)生的甲烷氣發(fā)電，基本可供污水處理廠的生產(chǎn)運營；脫水后的消化污泥還可作為發(fā)電廠或水泥廠的輔助燃料。因此，很有必要對德國的污泥處置技術(shù)進行了解和研究，為我國污泥無害化和資源化處置開辟一條新的途徑，F(xiàn)以德國KA helmstedt（sewagentreatment plant helmstedt）為例（日處理污水能力10×104t）進行分析研究。
1 德國污泥處置技術(shù)應(yīng)用的條件
據(jù)德國聯(lián)邦政府統(tǒng)計：2001年由10188個城市和社區(qū)污水處理廠中排出的243×104t干污泥（TS），其中大約57.6的污泥得到再利用，如農(nóng)用堆肥、建筑材料；大約22.8的污泥焚燒，作為輔助燃料熱處理；9.6%在其他污水處理設(shè)施里；6.6%的污泥進行填埋；只有3.3%的污泥沒有得到處理。
1.1從制度上規(guī)范污泥的處置利用
德國政府高度重視對污泥的處置利用，有專門的法律、法規(guī)。例如，制定了專門的物資循環(huán)利用和垃圾處置法律（KrW-/AbfG）、污泥處理廠的污泥管理要求（AbfKlaerV）、污泥堆置要求（AbfAblV）等。另外，歐盟也制定了對污泥處理廠的污泥的處置法律。這些法律、法規(guī)對污泥處置提出了詳細、嚴格的要求；同時，還提出在2005年7月以后，禁止對有機物含量超過5%的污泥進行填埋，以進一步提高污泥的綜合利用。
1.2根據(jù)污泥來源的不同，采用不同的處置方法
對于城市污水處理廠的污泥，因其有機成分高，且基本不含重金屬，主要用于農(nóng)業(yè)；而對于工業(yè)污泥，主要進行焚燒處理，最后的爐渣進行填埋，并且強調(diào)企業(yè)必須對存在于污泥中的物資進行循環(huán)利用。這樣既避免了工業(yè)污泥中的細菌和重金屬對生態(tài)環(huán)境的影響，又提高了污泥處理的使用效率。
在工業(yè)污水處理領(lǐng)域，2001年德國共產(chǎn)生約130×104t工業(yè)污泥，其中66×104t產(chǎn)生于生物技術(shù)污水處理，65.7×104t產(chǎn)生于物化技術(shù)污水處理。生物法產(chǎn)生的污泥主要來源于化學工業(yè)、造紙工業(yè)和食品工業(yè)；其中超過54%的污泥（35.8×104t）已經(jīng)過焚燒得到處理。另外，在造紙和食品工業(yè)領(lǐng)域，政府要求大部分存在于污泥的物資必須得到循環(huán)利用，只有大約7.35×104t的生物技術(shù)產(chǎn)生的污泥通過填埋處理。
1.3資金投入量大、技術(shù)先進
資金投入，在我國對污泥處理的投資只占污水處理廠總投資的20%～50%；而在德國，已高達50%～70%。技術(shù)先進，主要是體現(xiàn)在設(shè)備控制上。德國在污泥、污水處理方面已基本實現(xiàn)了全自動控制，而且處理設(shè)備已形成了標準化、系列化。
2 德國污泥處置技術(shù)工藝
2.1污泥來源及去向具體如圖1所示
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圖1污泥的來源及去向
（1）原生污泥（primary sludge）：產(chǎn)生于前澄清池，主要成分為大顆粒不溶性有機物，直接提升進污泥消化池進行處理。原生污泥量平均650m3/d，TR為4.5%，TS為22.7t/d，其中OTR為75%。
（2）剩余污泥（secondary sludge）：產(chǎn)生于活性污泥處理池，指污泥生長量超過維持生物處理池所需要的這部分污泥量，也就是我們所說的再生污泥。主要成分為有機物，這部分污泥一部分進前澄清池處理；一部分進行污泥濃縮后提升進污泥消化池，進行中溫厭氧消化，反應(yīng)時間為18d，溫度為35℃。剩余污泥量平均300m3/d，TR為5.0%，TS為13.4t/d，其中OTR為79%（預(yù)濃縮后的數(shù)據(jù)）。
（3）消化后的污泥：首先進行脫氣，然后濃縮，TR為6.1%，OTR為63%；濃縮后污泥通過板框壓濾機進行脫水，脫水后污泥中的TR為30.5%，外運焚燒熱處理或農(nóng)用堆肥，濾液返回進初沉池。
2.2污泥消化處理設(shè)備
污泥消化處理流程及主要設(shè)備如圖2所示。
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圖2污泥消化的技術(shù)裝備及流程圖
（1）污泥消化罐：共有3個，兩用一備，每個容積為5000m3。平均每個消化罐進泥300m3/d，連續(xù)進泥，反應(yīng)時間為18d，溫度為35℃。每個罐中間配一個污泥混合器，對罐內(nèi)的污泥進行充分攪拌混合。
（2）熱交換器：共有3臺，兩用一備。利用甲烷氣燃燒在鍋爐里產(chǎn)生的熱水，同時在熱交換器里與污泥進行熱交換，保證污泥溫度保持在35℃左右。
（3）混合噴射器：共有2個。經(jīng)過熱交換的污泥在混合噴射器里與原污泥進行充分混合后，再通過熱污泥提升泵打入污泥消化罐。
（4）污泥脫氣塔：共有2臺，同時運行；內(nèi)設(shè)塔板，負壓操作。消化后的污泥首先進入污泥脫氣塔，通過該裝置脫除還混于污泥中的甲烷氣體。
（5）甲烷氣儲存罐：只有一個，容積為3000m3，用于產(chǎn)生的甲烷氣的儲存，作為產(chǎn)生與使用甲烷氣設(shè)施的中間儲罐。
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圖3 污泥中固體物質(zhì)在消化前后的變化情況
2.3甲烷氣產(chǎn)生及其利用
GV為有機物部分；GR為無機物部分。
由圖3可知，在每個居民每天產(chǎn)生的80g原污泥中80%為有機物，20%為無機物；消化后剩下的固體物質(zhì)50g，其中有機物占63%，無機物占37%。進污泥消化罐的原生污泥有機物的量為8.7t/d，再生污泥中有機物的量為6.59t/d，總共進行消化的污泥有機物的量為15.29t/d（GVo）。
3 甲烷氣的產(chǎn)生量及利用
3.1甲烷氣的產(chǎn)生量
首先，確定有機物的轉(zhuǎn)化效率，即
η＝1-GVe×GRo／GVo×GRe；
η＝1-63×20/80×37＝0.5743＝57.43%。
其中：o為原污泥狀態(tài)；e為消化后污泥狀態(tài)。
其次，確定甲烷氣的產(chǎn)生量。根據(jù)經(jīng)驗公式，甲烷氣的產(chǎn)生量為
G＝1.868×TC×（0.014×T+0.28）×η。
式中：1.868=m3甲烷氣/kgTC（m3/kg）；TC為碳物質(zhì)的量≈0.5×GVo=0.5×15290kg=7645kg；T＝反應(yīng)溫度35℃；η＝有機物的轉(zhuǎn)化效率57.43%。
甲烷氣的產(chǎn)生量為G=1.868×7645×（0.014×35+0.28）×57.43%＝6267.65m3/d。
3.2甲烷氣的利用
1m3甲烷氣相當于0.8L熱油。通過污泥消化后平均每天產(chǎn)生的甲烷氣（表1）約6000m3，其熱值為23000kJ/m3，可用于發(fā)電和產(chǎn)熱。其中：30%熱量用于發(fā)電；50%的熱量在鍋爐里進行熱交換；20%為熱損失。如果3臺發(fā)電機同時運行，單機發(fā)電效率為65M，產(chǎn)熱效率約115kW；產(chǎn)生的熱量導入鍋爐產(chǎn)生蒸汽，可用于污泥熱交換和供暖，平均年發(fā)電量120×104kW•h。當CH4含量不足40%時，可通過火炬燃燒后外排；當發(fā)電機需要檢修和出現(xiàn)意外時，可啟用備用的低溫燃燒爐產(chǎn)熱（2臺），可燃油和燃氣。
據(jù)統(tǒng)計，德國KA公司2004全年發(fā)電量總計為120×104kW•h，相當于該污水處理廠全年運行耗電量的90%～95%，且能滿足處理工藝中的供暖及冬季全廠車間、辦公室的供暖。
但是，在甲烷氣進發(fā)電機前，首先必須對其進行凈化。因為在形成的甲烷氣體中有著較高的含有Si的有機化合物，約3～6mg/L，其在燃燒后形成SiO2，該物質(zhì)將對發(fā)電機的正常運行造成危害。采用活性炭吸附技術(shù)對其凈化，可保證凈化后含Si有機物濃度＜0.6mg/L。
表1甲烷氣的成分%
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4 消化后污泥的處置
4.1工藝流程
工藝流程采用德國Haeder Gmbh公司的過程控制系統(tǒng)（圖4），該系統(tǒng)具有自動控制操作界面。
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1-消化后污泥儲罐 2-污泥脫氣塔 3-后污泥濃縮 4-污泥儲罐 5-板框壓濾機
圖4消化后污泥處理流程
（1）消化后的污泥儲罐：共有4個，每個容積為1500m3，根據(jù)液位高低，通過電磁閥控制進出開關(guān)。用于消化后污泥的儲存，污泥自動流入儲罐。
（2）污泥脫氣塔：共有2臺，同時運行；內(nèi)設(shè)塔板，負壓操作。消化后的污泥首先進入污泥脫氣塔，通過該裝置脫除還混于污泥中的甲烷氣體；然后通過污泥泵提升進入脫氣塔，為提高脫氣效率，管線中加入混凝劑K2鐵鹽和鋁鹽的一種混合物），加入量為3L/m3污泥，并可一定程度上去除甲烷氣中H2S雜質(zhì)。
（3）后污泥濃縮池：2個，每個容積為1500m3。用于脫完甲烷氣的污泥，通過污泥泵提升至后濃縮池。提升過程中，在管線中加入高分子有機絮凝劑（POLYMER，質(zhì)量分子為0.6%）。經(jīng)過濃縮后的污泥含水率為93.5%。
（4）污泥儲罐：儲存濃縮后的污泥，通過污泥泵提升至污泥脫水前儲罐（一座，容積1000m3）。提升過程中，在管線中加入混凝劑K2，劑量為20L/m3污泥，以提高污泥的可脫水性能。
（5）板框壓濾機：共有2臺，1臺壓濾容積為2.8m3，1臺為2.06m3。每天平均外運污泥20t，含水率約70%，送往焚燒場或電廠和水泥廠作為輔助燃料。
4.2流化床干燥后焚燒
污泥外運至垃圾焚燒廠如圖5所示。其中：冷卻介質(zhì)為空氣，且空氣壓力為101kPa；流量為900m3/h；污泥輸送壓力為1800kPa；濕度為25%TR。污泥處理能力為2500kg/h。通過該方式處置污泥，既利用了垃圾焚燒煙氣廢熱，又提高了垃圾的熱值。
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圖5流化床干燥后焚燒
5 結(jié)論
（1）德國作為世界上在環(huán)境保護領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的國家，借鑒其處理污泥的經(jīng)驗和技術(shù)對我國的污泥處理具有深遠的現(xiàn)實意義。寧夏有幾十家發(fā)電廠和水泥廠，按該方法完全可以消納本地區(qū)城市污水處理廠的污泥，變廢為寶。
（2）在德國和其他歐盟國家，有85%以上的城市污水處理廠在處理污泥時，采用中溫厭氧消化技術(shù)，不僅能很好地改善污泥地環(huán)境衛(wèi)生狀況，而且還可利用產(chǎn)生的甲烷發(fā)電，并且可基本保證污水處理廠的供電要求。我國作為能源日趨緊張的國家，該污泥處置技術(shù)對我國有著極高的環(huán)境和經(jīng)濟效益。
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