聚焦“污泥的中国式处理”

2010-12-15 08:50 来源: 科学时报
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  “京城环保第一大案”让污泥处置再次进入人们的视线。“中国城市污泥已造成二次污染”,北京大学环境科学与工程学院教授刘阳生和中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心主任陈同斌等专家都表达了相同的忧虑。

  污泥如何才能减量化、无害化和资源化妥善处理?中国的污泥处理有何特殊之处?

  近日,在由北京大学环境科学与工程学院主办的中韩活性污泥处理共同技术开发研讨会上,中韩专家各抒己见。专家认为,从城市污泥中提取氨基酸微肥可以实现污泥中部分组分的资源化,是污泥资源化方面的一项重要尝试。但是从固废的减量化方面来看效果不理想,从污泥中提取的氨基酸毕竟仅占污泥的一小部分,处理后还会遗留大量固体废物,需要进一步处置……

中国城市污泥已造成二次污染
 

  10月22日,“京城环保第一大案”终于尘埃落定。北京市门头沟法院作出一审判决,承包北京市清河、酒仙桥污水处理厂污泥无害化处置的北京环兴园环保科技有限公司法人何涛等人均被法院认定犯重大环境污染罪,何涛被判有期徒刑3年6个月,罚金3万元,刘永祥和蒋小兵被处以缓刑,吴建华和刘书力则被免予刑事处罚。

  此前,何涛等人将北京市清河、酒仙桥污水处理厂6500吨含有多种重金属和大量细菌的污泥,倒进北京地下水水源保护区的永定河旧河床沙坑内,造成重大污染事故,损失高达上亿元。

  污泥处置再一次进入人们的视线——鼎沸京城的“京城环保第一大案”是偶然还是必然?至少30多个城市先后爆发过污泥污染事件,广州《万吨污泥埋进林场》、《深圳污泥坑管涌威胁自然生态》等报道一再见诸媒体。由此引发出的我国污泥处理处置面临哪些问题?

  污泥的破解之道又是什么?!

污水处理厂遭遇污泥尴尬

  上世纪90年代,中国40个城市有78个污水处理厂。

  1995年,污水处理厂增加到122个。

  2000年,超过400个污水处理厂如雨后春笋般冒出来。

  今年6月,这个数字变成惊人的2389个。

  污水处理量增加后,随之而来的是产生的大量污泥。中韩活性污泥处理共同技术开发研讨会上,北京大学环境科学与工程学院教授、北京市固体废物重点实验室常务副主任刘阳生说:“之前韩国环境产业技术部全炯律介绍韩国2008年一年产湿污泥28.2万吨,而中国目前一年就产干污泥900万吨,我很羡慕他们。”中国干污泥占总垃圾量的0.3%,而且每年以10%以上的速度递增。

  湿污泥含水量高达80%;而且有机质含量高,很容易发臭。本来城市污泥是很好的农业肥料,氮、磷、钾含量远高于农家肥,可惜污泥含有寄生虫、病菌等,而且臭味问题很突出,并不太适合直接做肥料。

  这让污泥处置陷入进退两难的困境。

垃圾填埋场不接受污泥

  “垃圾填埋场一般很不喜欢污泥。”中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心主任陈同斌给《科学时报》记者一口气列举了好几条理由:首先,脱水后的污泥黏稠得就像稀汤一样,不能堆积,而且影响垃圾填埋场的机械作业,缩短垃圾填埋场的使用寿命。

  2007年建设部出台的《城镇污水处理厂污泥处置—混合填埋泥质》标准和2008年环境保护部出台的《生活垃圾填埋污染控制标准(GB16889—2008)》中都明确规定,污泥混合填埋含水率应小于60%。尽管如此,污水处理厂的脱水污泥含水率仍普遍达80%左右。

  其次,污泥很容易堵塞垃圾填埋场的渗沥管道,影响其排水系统的正常运行。

  再次,有机物含量高的污泥散发恶臭,还会产生甲烷等温室气体,影响垃圾填埋场的稳定性,延长封场的时间。污泥引发的恶臭招致居民抗议,影响社会安定。

  “深圳黄涌的垃圾填埋场、广州垃圾填埋场,这些接受污泥的垃圾填埋场,很快就废了,而且还出现过垃圾填埋场垮塌事件。”陈同斌展示了很多调查图片,蚊蝇成堆,臭不堪言。

  近年三峡库区的“污泥填埋危机”就是突出反映。成千上万吨没有处置的污泥成为影响三峡库区水环境安全的最大污染源,数额庞大的污泥处理处置费用成为污水厂正常运行的沉重负担,直接影响三峡库区污水的有效治理。有人耸人听闻夸张,如果资金再不到位,或者技术上处理不当,三峡水库将成为一个“活性污泥储存库”。

  刘阳生也展示了他到某污水处理厂调查的图片,黑漆漆的污泥堆得像小山一样,等待着雨水的冲刷。“一到夏天,庞各庄这个污泥堆肥厂蚊虫苍蝇铺天盖地,每年光灭蚊就需要农药三四吨。”也就是说,没有及时处理的污泥可能对环境造成二次污染。

  曾在湖南省益阳市农药厂工作过三年的刘阳生甚至为这个堆肥厂出谋划策,要杀死这些蚊虫苍蝇,可能要三四种农药联合发力,才能奏效。

  刘阳生的调查还显示,北京某污水处理厂的污泥汞超标。但北京没有排放含汞废物企业,究其原因,可能是生活源的含汞废物进入了污水系统。他拍摄的照片显示了全国污泥乱倒乱放的可怕现状,北京市的污泥已流入河北廊坊等地。

中国“重水轻泥”

  “中国做污水处理的专家不计其数,但做污泥处置的屈指可数,更何况,做污泥处置的队伍中,专业的又有几人呢?”陈同斌毫不客气地指出,中国的现状就是典型的“重水轻泥”。

  主要还是由于政府投资偏颇造成的。“处理1万吨城市污水,大约产生8~10吨污泥,污泥与污水的产生比例是万分之一。但是‘十一五’期间,污泥处理设施的投资很少,少了一大截”。

  在国外,污水处理厂污泥处理设施的投资一般占污水处理设施投资的40%~60%。

  陈同斌介绍说,现有污水厂很少有符合国家标准的污泥处置设施。污泥的安全处置率小于10%,未经无害化处理的污泥随意乱丢现象严重。过去由于不重视污泥无害化处理问题,加之存在缺少投资和技术不过关等多方面原因,东部某市、河北等省市的堆肥设备闲置,厂区空无一人。甚至投资巨大的中部某省污泥堆肥厂被关闭。污泥问题已成为制约污水行业发展的瓶颈。

  当然,这也有历史原因。“需求决定技术。因为中国近年才加快城市化进程,兴起冲水马桶等,之前一直以旱厕为主,所以这方面的技术没有跟上。而欧美发达国家不一样,他们使用冲水马桶的时间较长,对污水和处理污泥的问题重视得更早一些。”陈同斌表示。

  “污泥和污水处理同等重要,如果污泥不妥善处置,就像污水不经处理直接排放一样。解决不好污泥的问题就不可能从根本上实现水环境的改善!”陈同斌呼吁政府部门、更多的专家、污水处理厂都来关注污泥的处置。中国水协排水专业委员会理事长杨向平、中国人民大学环境学院副院长王洪臣教授等人认为,“治水不治泥,等于未治水”。

韩国镜鉴:治污不可忽视畜禽养殖业
 

  人们对环境污染问题的关注,常常聚焦于能够直观感受到的大气污染、水污染、噪声污染、光污染和固体废弃物污染等,而土地污染则因其隐蔽性而被称作“看不见的污染”。

  与此同时,从污染源的角度来看,人们习惯于紧盯高排污的工矿企业、建筑垃圾及城市等,而畜禽养殖业则似乎被忽略。

  而现实情况却是,最易被人忽视的土地污染与想象中“田园牧歌”式的畜禽养殖业以难以忽视的方式联系在一起,成为污染的一大重灾区。

畜禽粪便藏隐患

  近日,中科院南京土壤所教授骆永明在参加“污染场地修复:政策、技术与融资机制”国际研讨会时介绍说,蔬菜、畜禽养殖基地的土壤受到污染,其出处是动物粪便,“由于现在很多畜禽饲料中含有重金属,例如铜、镉等,这些粪便被用于菜地上,蔬菜基地的土壤同时也会被污染”。

  值得注意的是,据《扬子晚报》报道,南京土壤所一项持续2年的调查显示,畜禽的粪便还含有抗生素,而且抗生素种类多达十几种。

  据介绍,江苏污染土壤调查只是全国污染土壤调查的一部分。畜禽养殖业带来的污染问题,之前已经引起了国家的重视。

  今年年初,农业部在介绍第一次全国污染源普查的基本情况和普查成果时曾指出,在农业源污染中,比较突出的是畜禽养殖业污染问题,畜禽养殖业的化学需氧量、总氮和总磷分别占农业源的96%、38%和56%。

 
畜禽粪便与污泥如出一辙

  11月21日,“中—韩活性污泥处理共同技术开发研讨会”在北京大学举行,来自韩国环境产业技术部水质政策处的全炯律介绍了韩国畜禽养殖业污染物排放及治理现状。

  污泥处理技术的会议,为何讲起了畜禽粪便?

  参加研讨会的北京大学环境科学与工程学院教授刘阳生介绍了污泥的“三高”特点,一是含水率达80%之高,二是有机物含量非常高,很容易发臭,三是重金属含量较高。

  而据全炯律介绍,由于在畜禽饲料中添加了大量钙、磷等矿物元素以及铜、锌、锰等微量元素,同时含有浓度极高的有机物质,使得畜禽粪便具有与污泥几乎相同的组成特征。

  这些特征,恰是畜禽粪便和污泥同样难以治理的根本原因。全炯律说,畜禽粪便所含的氨、磷浓度非常高,污染负荷量很大,铜、锌、锰等微量元素随畜禽粪便排出后若未经处理,就会引发重金属污染。

  同时,畜禽粪便若不经处理就直接用于堆肥,进入土壤的酸性化畜禽粪便会分解成氨乙烯醇、甲基硫醚、二甲胺等恶臭气体。这与污泥露天堆放带来的恶臭如出一辙。

韩国绝大部分畜禽粪便被资源化利用

  高速增长的集约化、规模化、专业化畜禽养殖业所带来的环境风险,似乎已经超过了人们的预期和想象。

  研讨会上,全炯律给出了一份韩国国立环境科学院发布的2007年度全国水质污染调查结果,韩国畜禽粪便产量占全国污水、废水总量的比例仅为0.8%,可是其污染物负荷量则高达23.6%,超过了来自生活污水和产业废水的污染负荷。

  对于畜禽养殖业污染排放的治理,由韩国环境部、农林水产食品部、农振厅、国土部等中央部委协作承担起畜禽粪便管理、肥料管理、治理技术和海洋排放等细分职责。并按照养殖规模,采取主体不同的自行处理、公共处理和个别处理等层级化处理方式。

  从处理技术手段来看,主要有资源化、净化、海洋排出等处理办法。据介绍,2008年韩国85%的畜禽粪便得到了资源化利用,其中,用作堆肥的占79.8%,另有6.3%用于产生沼液。除此,还可利用较为复杂的工艺流程和设施产生生物燃气用于发电。

  地方政府修建的公共处理设施,则采用厌氧、缺氧、好氧组合工艺流程,以达到更高的排放标准。“据我所知,目前韩国为公共处理设施设定的排放标准是最为严格的。”全炯律说。同时,他也指出公共处理存在运转率低,处理效率低等问题。

  全炯律介绍说,为了应对当前畜禽污染物排放的现状,韩国将从扩大修建并强化管理公共处理设施、改善畜禽粪便管理制度、加强净化处理设施管理等方面入手,进行一系列的管理政策调整。值得一提的是,《家畜粪尿法》于2009年2月提交韩国国会。

  我国已将畜禽养殖业污染防治提上日程。2010年6月,农业部办公厅发布《关于进一步加强重点流域农业面源污染防治工作的意见》。意见强调,“在第一次全国污染源普查农业源普查结果的基础上,摸清农业源污染的组成、发生特征和影响因素,全面掌握农业面源污染状况,提出农业面源污染防治对策。”

污泥的中国式处理
 

  污泥产生量的与日俱增与污泥处理能力的严重不足、处理手段的严重落后形成尖锐的矛盾,大量的湿污泥随意外运、简单填埋或堆放,致使许多城市“污泥围城”。

  污泥处理问题已经成为我们无法回避的城市环境问题。

困境:污泥填埋、堆肥、焚烧还是脱水?

  污泥处置无非是填埋、堆肥、焚烧几种。刘阳生一一介绍了各种处置方式的利弊。

  城市污泥填埋优点是投资少、容量大、见效快、处置成本低。对前期的污泥处理技术要求较低,一般进行消化减容或让其自然干化即可。但是原生污泥不能直接与垃圾混合填埋;虽然国家新的填埋标准允许在污泥含水率低于60%的情况下与生活垃圾混合填埋,但是将导致填埋场渗滤液收集系统的堵塞,以及渗滤液中重金属的进一步升高。因此,填埋场一般不愿意接受城市污泥。

  堆肥方式呢?堆肥可以利用污泥中的有机质改善土壤物理结构,增加土壤氮磷含量,实现资源利用。但是氨、硫化氢等恶臭难以控制,重金属含量一般超标,肥效较低,受销售半径和季节的影响。因此,城市污泥堆肥一般适合于重金属含量满足要求、且具备应用市场的区域。“堆肥方式要慎重,污泥里也有病菌、寄生虫、毒性有机物,一定要经过严格的无害化处理才能利用,否则存在环境污染风险。”刘阳生建议说,堆肥处置的规模应该由其应用市场的规模来决定,而不是由污泥的实际产生量来决定。

  相对而言,刘阳生比较肯定城市污泥焚烧,认为是“彻底的无害化、最大程度的减量化”。该技术在德国应用很广,但中国污泥焚烧的成本达到六七百元1吨,关键问题是会产生二 英,“前不久全国形成反对大浪潮,我也被拉去到处讲课,包括给市长们科普”,他坦陈目前这种方式在我国现阶段很难推广。

  还有一种选择是脱水。污泥脱水是污泥处理处置的前提。无论是板框压滤机、带式脱水机还是离心脱水机,处理后的污泥含水率仍有百分之七八十。1吨80%含水率的污泥其固体含量为20%,要脱出200公斤的水分才能成为75%含水率的污泥。刘阳生算了一笔账,如果采用热能蒸发的方法需要消耗25公斤煤或者18.3立方米的天然气,能耗很高,不太可取。

曙光:从城市污泥中提取氨基酸微肥

  天然气干化、高温蒸汽干化、尾气余热干化、太阳能干化、石灰干化,刘阳生介绍了这5种城市污泥干化技术。“这5种干化技术各有所长,也有所短,我都曾参与过技术评审”e。

  每吨湿污泥利用天然气干化的成本至少为412元,经过天然气干化后的污泥可以进行焚烧处理,或者进入水泥窑处置。

  高温蒸汽干化可以将污泥脱水到含水率40%~50%,但在污泥高温蒸汽处理过程中产生的大量废水中溶解了原始污泥中的有机污染物,如果这部分污染物又回到污水处理系统,是否意味着一种无休止的污染物循环处理?脱水后的污泥其热值是否适合于焚烧处理?其有机质含量是否适合于堆肥处理?残余污泥该如何处置呢?

  刘阳生也透露说,他们独立开发了制备氨基酸微肥技术,这或许能给污水处理厂提供一条生财之道,能够自己养活自己,而不再是摆设,不再需要向政府要钱。

  具体而言,就是将剩余污泥经酸化、水解以及离子交换等工艺过程,得到氨基酸含量为90%的氨基酸盐。氨基酸盐既有农药杀虫作用,又有肥料作用。10吨干污泥能得到1吨氨基酸微肥。再从氨基酸微肥衍生出氨基酸铜等多种氨基酸药肥产品。实验表明,污水处理效果较好。

  “从城市污泥中提取氨基酸微肥,污泥中的重金属能提供植物所需要的微量元素,细菌蛋白质正好是植物所需要的氨基酸,残余污泥制作成了污水处理需要的生物陶粒,一举多得,能实现污泥的减量化、无害化和资源化。”刘阳生表示。

主流:生物处理应主导城市污泥处理

  “北大的老师也来关注污泥的处理,这很好,但我认为从城市污泥中提取氨基酸微肥可以实现污泥的资源化利用,10吨干污泥能得到1吨氨基酸微肥,但是从固废的减量化方面来看效果不理想,从污泥中提取的氨基酸毕竟仅占污泥的一小部分,处理后还会遗留大量固体废物,需要进一步处置。生物处理应主导城市污泥处理,这也是当下的国际主流。”陈同斌向《科学时报》记者重点介绍了基于实时在线监测的智能控制工艺(CTB)及其工程应用。

  “恶臭控制是污泥处理的关键”。污泥堆肥的臭气问题可以借助从工艺角度控制出其产生的源头,并辅以末端的生物除臭方法来解决。

  例如在秦皇岛的工程中,通过在国际上率先采用温度—氧气的实时在线监测系统,及时反馈调控发酵过程中的温度和氧气,促进嗜高温微生物的快速生长和繁殖,并保证发酵过程的氧气供应,从而抑制硫化氢等臭气的产生;此外,还使用了生物除臭装置作为控制臭气排放的辅助手段不但很好地解决了臭气问题,还做到了显著节能和降低除臭成本的效果。该技术先后被科技部、国家发改委、工信部等6个部委和北京市评选为“国家重点新产品”、“国家鼓励发展的重大环保技术装备”、“北京市自主创新产品”、“北京市2010年节能节水减排技术推荐目录”等。

  陈同斌说:“臭气污染问题之所以突出,是因为没有考虑除臭问题,或缺乏低成本的臭气控制手段。我们与北京中科博联环境工程有限公司合作研发出一种新的智能控制工艺(CTB),通过合理曝气来抑制臭气的产生。不能等臭气产生了再去除臭,应该在源头控制臭气的产生。我们先将污泥预破碎,把秸秆、锯末和腐熟料充分混匀到污泥里面,让它静态发酵,通过自动曝气系统调控氧气,防止堆体厌氧,调理堆体结构,便于及时补充氧气,匀翻后熟,鼓风曝气,智能控制引风生物除臭,废气完全可以达标排放。”

  臭气的主要成分是硫化氢,而硫化氢的释放主要集中在堆肥前期。必须要掌握好硫化氢和氧气的关系。在工程上,还专门设置了混料车间,避免污泥长时间储存。另外,装置了在线监测和智能控制系统,通过智能监控实现高效、低耗的生物除臭。

  一整套工艺下来,秦皇岛项目的车间臭气严格控制在0.08ppm,一般是0.2ppm。“这都是第三方监测,天津环科院恶臭物质监测重点实验室现场取样监测的结果。”陈同斌对监测结果很满意,“既不影响操作人员的健康,除臭成本和能耗降低80%以上,不招蚊蝇,降低对设备的腐蚀性,延长使用寿命,不靠翻抛供氧,避免翻抛导致大量产生粉尘。而且发酵时间20天,缩短67%,在-25℃的低温下也能稳定运行。”陈同斌列举了CTB智能控制工艺的诸多优点。“就像酿酒一样,虽然大家都认为是一项很传统的古老技术,但是如果一批酒出来是52度,另一批酒出来是48度,说明控制工艺还不到位。我们就是要让每批污泥发酵时间都严格控制在20天,否则就占地,现在城市用地多紧张啊,而且耽误时间。”陈同斌说。

  CTB智能控制工艺的第一个工程应用是2002年的漯河污水处理厂(2万吨),从源头控制臭气产生,没有除臭设施。“一个工艺,既要具备技术可行性,也要经济合理性,才有生存空间!”陈同斌说。他最为得意的是去年4月刚竣工的秦皇岛市污泥生物堆肥工程,技术上从堆肥进而升级为制肥,规模为日处理量200吨,运行成本80元/吨,政府投资4950万元。

  “毫不夸张地说,秦皇岛市绿港污泥处理厂已成为中国污泥处理人的朝拜圣地!我也陪同国际水协会(IWA)污泥管理专业委员会原主任李笃忠博士专程去参观过。”采访时,陈同斌的电话响起,这个区号为0335的电话是秦皇岛污泥处理厂的马达厂长打来的。他半是抱怨,半是骄傲,“又有美国的团队前来参观、学习。我们的污泥工程建成后,接待任务很大,接待费超支很多,你们应该补偿一下”。

  陈同斌也介绍了上海松江污泥生物处理工程,“上海水务局立志把这个工程做成最严格控制臭气的污泥发酵处理工程,一楼处理污泥,二楼喝咖啡,这该多好!”

  陈同斌乐观地估计,国家会在“十二五”期间加大对污泥行业的扶持力度,通过政策出台、技术标准制定、资金支持等多途径促进污泥处理处置整个产业链的发展。

跨国技术合作促污泥脱水走向低碳
 

  中国目前每年产生的干污泥达900万吨,而其含水率则普遍高达80%。

  在“中—韩活性污泥处理共同技术开发研讨会”上,北京大学环境科学与工程学院教授刘阳生介绍了中国污泥处理的现状。污泥的最终处置,基本采用填埋、堆肥、焚化等几种方式,以力图实现污泥的减量化、无害化和资源化。

  俗话说“拖泥带水”,不论采取何种方式,脱水都是污泥处理处置的必要前提。然而想办法从污泥中尽可能“榨出水分”却也并非易事。

  刘阳生举例说,1吨80%含水率的污泥,要脱出200千克水分才能成为75%含水率的污泥,而采用热能蒸发的方法,就需要消耗25千克煤,或者18.3立方米天然气。

  除了采用天然气干化、蒸汽干化、石灰干化等主要干化技术,以使得污泥最终能够用于填埋或焚烧,另一种常用的脱水方式,便是利用脱水机进行处理。主要的污泥脱水设施有:板框压滤机、带式脱水机和离心脱水机。因需要与浓缩池配合使用,这些设施常常固定建设在污泥处理场,且多有耗能量高、噪声大、占用空间大等弊端。

  而通过微生物高温发酵蒸发水分的生物干化,主要是利用微生物分解有机质的过程中释放的生物能来完成蒸发脱水的过程,是一条前景看好的污泥深度脱水途径。这一过程不需要消耗化石燃料,因此能耗和处理成本较低,而且可以显著减少碳排放,如将污泥发酵产品用于草皮种植,不仅不会产生碳排放,而且每吨污泥固定650 公斤的碳。秦皇岛污泥生物干化工程就是一个运行效果的大型示范工程。

  2008年,北京大学环境科学与工程学院与韩国ARK(株)股份有限公司展开合作,共同开发利用螺旋压榨技术的“移动式污泥脱水机”。两年内,分别在河北保定污水处理厂、深圳观澜污水处理厂和南山污水处理厂进行试验测试。在保定的测试结果显示,脱水滤饼含水率可达70%至65%。

  据ARK公司员工朴允成介绍,他们采用了污泥处理方式发展的一种新变化,就是将污泥通过水与高分子聚合体冲淡形成的凝聚剂,加工为易于机器处理的絮状物。

  除此,据ARK公司介绍,这种新型的脱水机除了具有安装所需空间小,脱水效率高等优势,更重要的在于消耗更少的电量、降低二氧化碳排放。

  朴允成认为,使用脱水设备使得污泥饼含水率降低以增加最终处理效率、资源化利用、防止污泥二次污染、发展污泥低排放系统,这些都是未来污泥处理的主流方向。

  因此在ARK公司看来,随着中国环境标准的强化、相关法律法规的出台,中国必然需要配备更多的污泥处理装置。

  中韩合作项目的中方负责人、北京大学环境科学与工程学院教授栾胜基希望,双方的合作项目能够在快速城市化发展过程中的农村和城郊地区得到应用,进行分散式生活污水的处理,并提高污泥脱水率。