自来水污泥处理

自来水污泥

城市自来水厂在生产饮用水的同时，也产生了大量的污水。这部分污水约占总净水量的4%~7%?，其中包括浓缩后的悬浮物和有机物，以及残存在泥中的混凝剂。自来水厂的污水主要来自沉淀池的排泥水和滤池的反冲洗废水。如果污水不经处理直接排人水体，不但严重污染水体，而且浪费了大量的水资源和能源。在当前水资源严重紧缺，水环境污染日益严重的情况下，针对我国当前约有95%以上的给水厂排泥水未经处理的现状，排泥水处理和污泥处置的重要意义越来越受到人们的重视。与净水技术相比，自来水厂污泥处理技术仅处于初级阶段，早期建造的污泥处理设施大多是照抄和套用污水处理厂的处理方法。经过实际操作，技术人员了解了两者的共同点和不同点，在调查研究的基础上不断完善了自来水厂污泥处理技术。??

1?自来水厂污泥的种类与性质

自来水厂污泥主要来自沉淀池排泥水和滤池反冲洗排水。

沉淀池排泥主要有石灰软化污泥和化学絮凝沉淀污泥两种。软化污泥主要产生于地下水软化，其主要成分是CaCO3, Mg(OH)2,淤泥、过剩石灰和有机物。其中Ca, Mg与胶状污物的比率决定了污泥的脱水性质,比率越高，越易脱水。化学沉淀污泥大约占原水量的0.5%~3%，是水厂污泥处理的主要对象。它是由原水中的悬浮物、溶解状胶质、有机物、微生物及加入的净水药剂组成。污泥的脱水性能好坏与污泥固体中用作絮凝剂的Al的含量有关，含量越高,脱水性能越差。与软化污泥相比，絮凝沉淀污泥不易脱水。

至于滤池反冲洗排水据估计约占原水量的1%-2.5%，其含固率比沉淀池排泥水低得多。主要由悬浮胶体、粘土、有机物及化学药剂残余物组成。反冲洗废水澄清一般需加入有机絮凝剂，处置方法有：直接排放、作为原水回用、单独处理。作原水回用不但可回收利用废水，对低浊水而言，更可提高絮凝效果。如果采用该方法造成滤池出水浊度升高，影响滤池出水质量，则应考虑对其单独加药处理，上清液回用，底泥与沉淀污泥一起再行处理。

由上述可知，给水厂的污泥主要由从原水中去除的有机物、无机物、重金属元素等杂质及水处理过程中投加的混凝剂组成。污泥的BOD与COD比值很小，无机物占污泥组分的绝大部分。混凝剂的品种和投加量对给水厂中污泥的数量和性质有很大影响。目前，我国给水厂大部分仍使用传统的硫酸铝等无机盐类混凝剂。在欧美等国，已有相当数量的给水厂采用有机高分子絮凝剂（聚丙烯酰胺），部份或全部替代铝盐等无机混凝剂。高效的混凝剂和助凝剂在给水工艺中的应用日益增加，也就减少了混凝剂投放量，这样，所产生的污泥体积和数量会**减少，而且污泥更易脱水和焚烧。所以，采用合适的混凝剂对给水厂排泥水的处理和处置非常关键。

2?国内外自来水厂污泥处理发展历史和现状

国外对自来水厂污泥处理的研究开展较早，一些经济发达国家经过几十年的发展，现在已有较系统、完整的排泥水处理技术工艺和有关的法律法规，自来水厂有污泥处理设施的也较为普遍。

早在1937-1938年，美国芝加哥实验性自来水厂就开展了自来水厂污泥处理研究。1946年，美国给水协会(AWWA)任命了一个8人工作委员会?( Committee E5. 8)，分别对“石灰-石灰苏打软化污泥处理”、“沸石法离子软化处理再生盐水”和“水厂滤池反冲废水、沉淀池排泥水处理”展开了调查和研究。

五六十年代，在美国和其它国家（如英国、日本）开始有人对自来水厂的废弃物处理进行了少量研究。日本于1975年6月颁布了《水质污浊防止法》，规定设有沉淀池和滤池的自来水厂，其排水必须经处理至符合水质排放标准才能排出，从而在法律上规定了自来水厂必须进行排泥水处理,污泥处理同样日益得到重视。七十年代国外自来水厂污泥处理的技术发展很快，尤其是新型污泥脱水机械的出现，使带式压滤机、离心脱水机和板框压滤机开始在实际工程中得到应用，真空过滤机已不再是脱水机械的唯一选择。自来水厂采用机械脱水处理工艺的实例也逐渐增多。这一时期对自来水厂污泥处理研究的内容非常广泛，公开发表的综述文献和专门研究文献也非常丰富，内容包含有机高分子絮凝剂、污泥调质、污泥性质、污泥干化床、污泥浓缩、冰冻-解冻污泥调质、污泥处理工程实例和铝铁回收等。

进入八、九十年代，国外自来水厂污泥处理工艺已形成一个较完善的系统。在污泥处理技术得到完善的同时，这些国家自来水厂污泥的处理率也迅速提高。欧洲许多国家的自来水厂污泥处理量已占总量的70%，日本则为80%以上。

到目前为止，欧美、日本等发达国家的水厂一般均设有完备的污水污泥处理处置设施。欧美及日本等国家和地区的新建水厂，尤其是大型给水厂，已将净水设施与其污水污泥的处理设施一起进行设计施工，布置了很完善的污泥处理设施。老的水厂则根据其净水工艺流程、用地情况和有关的法令法规，因地制宜地制定出适宜的污泥处理流程。目前各国对自来水厂排泥水处理的研究，也由工艺流程、设备应用及污泥调质药剂选择等方面逐渐延伸到微观理论和脱水泥饼的处置和综合利用上来。如欧洲国家推行的“3R”原则(Reduction，Recycling，Reuse)。

我国开展自来水厂排泥水处理研究始于八十年代末。1987年，上海市公用事业局向上海市自来水公司下达了题为“水厂排泥水处理研究”的重点科研项目。上海市自来水公司成立了专门的科研小组进行专项研究，并于1991年提交了四份研究报告。1998年至1999年，程曦[5]对福州市西区自来水厂采用干化床污泥处理工艺进行了小试研究。目前，自来水厂污泥处理技术的研究和设施的建设已成为国内市政建设的重要内容，北京、上海、石家庄、深圳等城市的自来水厂都设置了较为完善的污泥处理系统。

3?自来水厂污泥处理技术

自来水厂污泥处理主要包括污泥收集、浓缩、调质、脱水和泥饼处置等几个环节。[2,6]但是，不是所有自来水厂的污泥的处理和处置都要包括这几个环节，根据具体情况，有的自来水厂可省略其中的某些环节。但要实施排泥水处理工程，首先必须确定自来水厂产生的污泥量。

3.1?污泥量的确定

自来水厂产生的污泥量受多种因素的影响，这些因素包括原水水质、水处理药剂的投加量、采用的净水工艺和排泥方式等。确定经济合理的污泥量设计值是广大排泥水处理工作者面临的一个难题。污泥量确定包括两方面内容：一是排泥水总量的确定，它将决定排泥水截留池和浓缩池的设计规模；二是总干泥量的确定，它用来确定污泥脱水设备的设计规模。可见，污泥量的确定直接影响整个排泥水处理工程的设计规模，从而影响整个工程的设备配置和投资规模。

3.2?污泥调质

自来水厂排泥水处理一般在污泥脱水前需进行预处理，即污泥调质。尤其是采用铝盐(或铁盐)处理低浊度原水产生的污泥，由于污泥成份中金属氢氧化物的比例很高，污泥的脱水性能很

差，更需要进行污泥调质。污泥调质有两方面的目的:其一是改善污泥性质和污泥的脱水性能，使污泥可以更快、更容易地脱水，大部份污泥调质是为实现这一目的;其二是防止脱水过程中过滤介质的堵塞，使污泥脱水可以保持稳定运行。

污泥调质的方法很多，一般分为物理调质和化学调质两大类。物理调质是用物理方法达到污泥调质的目的，包括加热调质冰冻-解冻调质和硅藻土预涂调质。化学调质是向污泥中添加化学药剂，使污泥的脱水性能得到改善。包括加酸、加碱、加石灰、加无机或有机高分了絮凝剂调质等。

目前，有机高分子絮凝剂用于污泥调质处理非常普遍。有机高分子絮凝剂有多种，它们在结构组成、分子量和电荷种类及密度上存在差别，其中应用最广的是聚丙烯酰胺

( polyacrylamide，PAM )，按照絮凝剂所带电荷，可将其分为阳离子、阴离子和非离子三大类。大部分阳离子絮凝剂的电荷密度接近100%，但分子量比阴离子和非离子型均小。Novak

等研究认为，用于污泥调质的有机高分子絮凝剂，其分子量大小比所带电荷类型及其密度更重要，因此一般认为，具有长分子链、高分子量的有机高分子絮凝剂用于污泥调质更好。

不同水厂的污泥可能需要不同种类的絮凝剂进行调质，而且当前市场上有机高分了絮凝剂种类多，价格和性能不一，因此每一个自来水厂都应进行有机高分了絮凝剂选型和最佳投药量的试验研究。

3.3?污泥减容

污泥减容是污泥处理系统优化中的重要环节。改进制水工艺可以**减少污泥的生成量，从而减少污泥处理系统的投资与运行费用。污泥成分主要是原水中的有机、无机污物和净水药剂。药剂在净化水的同时，也产生了大量的化学污泥。尤其在原水浊度较低、无机混凝剂用量大时，污泥的脱水性能恶化，处理难度增加。

采用有机助凝剂以减少无机混凝剂的用量，可以提高净水效率。佛山市供水总公司从1991年开始，对饮用水生产中使用聚丙烯酰胺作为助凝剂进行了研究，不但解决了生产中原水水质变化幅度大带来的问题，而且在保证供水水质和不增加净水成本的前提下，使生产能力显着提高。

[8]采用有机助凝剂更重要的是可减少污泥的产生量。助凝剂的使用减少了无机絮凝剂的用量，使污泥中亲水氢氧化物含量减少。同时，沉淀池去除效率提高可减轻滤池负荷，减少滤池反冲洗排水。水处理药剂费用的增加可以从污泥处理费用的减少中得到补偿。国外高聚物助凝剂已得到普遍采用，其中阳离子型聚丙烯酰胺应用最多。不同情况下，还可用阴离子型或非离子型聚丙烯酰胺作为助凝剂。助凝剂品种及剂量可以通过实验室搅拌试验以及中试加以选择。

另外，当原水硬度高时，软化原水将产生石灰软化污泥。AWWA杂志在一篇报告中提出，可以通过对原水的选择性软化——只去除水中的Ca硬度，而不去除Mg硬度来减少污泥量，提高软化污泥的脱水性能，但是应当考虑这种选择性软化对不同原水的适应性。从污泥处理角度考虑，沿海地区可以选用离子交换来软化原水并用海水来再生交换树脂。

3.4?污泥浓缩

沉淀池排泥水的含固率（絮凝污泥）通常仅有0.5%-1%。浓缩的目的是提高污泥的含固率，减少污泥体积和后续处理设备的负荷。特别是对于机械脱水，浓缩通常是污泥脱水工艺必不可少的环节。

最常用的浓缩方法是重力式浓缩池。根据处理水量的大小，可设计为间歇式和连续式两种运行方式。对小型水厂，可使用带浮动式撇水装置的间歇式浓缩池。一般是采用带搅拌装置的连续流重力浓缩池。对污泥进行慢速搅拌造成的扰动有利于污泥颗粒之间的空隙水和气泡上升逸出，加速污泥的浓缩。慢速搅拌所采用的线速度一般控制在0.4-0.5m/min,速度太快容易打碎已凝结的污泥颗粒，反而造成污泥浓缩性能恶化。工程上常用的搅拌方法是在刮泥机的水平桁架上设置垂直搅拌栅。为保持不同半径圆周上的搅拌强度均匀，栅条的间距沿径向逐渐增大。

浓缩池的设计负荷和出泥浓度，由污泥的性质和后续脱水方法决定。连续流重力浓缩池的设计，目前比较多地采用固体通量（面积负荷），可由沉降试验确定。沉降试验是根据小型的沉降柱间歇试验，推断在大型的连续流条件下，浓缩池达到一定浓缩效果所需的时间。对最常见的铝盐絮凝污泥，重力式浓缩池可达到的出泥浓度一般在3%-5 %，而浓缩池的设计负荷与出泥浓度的选择，应根据后续脱水工艺和使整个系统的投资和运行费用最小化决定。比如干化场对进泥浓度的要求就比较宽。机械脱水中，离心法也可接受比较低的进泥浓度，而带式压滤则对进泥浓度要求最高，进泥浓度太低（<2%），就会形不成泥饼。

3.5?污泥脱水

污泥脱水是污泥处理最关键的环节，它将流动性质的泥水转变为不具流动性、可进行处置的泥饼。它也是自来水厂排泥水处理现场的最后一道工序，也是排泥水处理工程中投资和维护费用较高的部分，因此正确选择污泥脱水工艺十分重要。

污泥脱水一般分为非机械式污泥脱水和机械式污泥脱水两大类。非机械式污泥脱水又可以分为污泥塘和污泥干化床等，其中污泥干化床的应用和研究较多。机械式污泥脱水包括真空过滤机、离心机、带式压滤机、滚压式脱水机和板框压滤机等几种主要形式。其中真空过滤机是早期使用较多的脱水机械，由于真空过滤机效率低，真空系统对管路密封性要求很高，滤布容易堵塞而需采用预涂工艺，使整个系统比较复杂，因此，现在新建的污泥处理工程已基本上不采用真空过滤脱水。表1对几种脱水方法的优缺点进行了比较。

干化床适用于气候干燥，土地便宜的地区。几种脱水机械中，板框压滤机适用于污泥较难脱水的情况，离心机则适用于相对较易脱水的情况。污泥脱水的难易可以根据污泥的比阻值进行判断，比阻高的污泥较难脱水。

表1 ?几种污泥脱水方法的优缺点比较

3.6?泥饼处置

脱水以后泥饼的处置是污泥处理的关键问题，污泥的最终处置费用高，环境影响大，处置方法多。脱水污泥也是一种资源，至少可以作为填土或垃圾填埋场的覆盖土，有些还可以制砖、烧水泥，不投加PAM富含有机物的脱水污泥还可以作为肥料。目前主要有泥饼的农用、泥饼的焚烧处理、泥饼的卫生填埋、泥饼的海洋投弃、泥饼资源化等。[9-11]

3.6.1?泥饼的海洋投弃

该方法较为简单，不用花费大量的投资，但是污染海洋，可能会引起全球性的环境问题。进行海洋投弃时，要注意有关的法规。随着泥饼陆上埋弃用地越来越困难，海洋投弃被更多地作为污泥处置的选择。投海污泥最好是经过消化处理后的污泥。投海的方法可用管道输送或船运。但是，由于近海的污染逐年加剧，甚至影响到海洋的生态平衡，因而污泥的海洋投弃也会越来越多地受到限制。在选用海洋投弃时,应估计到有关法令的修改和进展。[12]

3.6.2?泥饼的焚烧处理

对于有机物含量较大的自来水厂污泥，可以采用焚烧处理。

3.6.3?泥饼的卫生填埋

污泥干化后，含水率约为70％-80％，用于填埋的污泥含水率以65％左右为宜，可以保证填埋体的稳定与有效压实。在填埋前可添加适量的硬化剂，一方面调节含水率，另一方面可以加速固化。选择填埋场地的需要考虑因素有：当地的水文地质条件，污泥量和运距，周边环境以及填埋地的开发利用等。

3.6.4?泥饼的农用

虽然给水污泥中含有粘土、腐殖质以及其他悬浮物质，其肥效很低。但是，不投加PAM，富含有机物的脱水污泥也可以作为农业肥料。污泥中含有的有机物质又可以作为土壤改良剂。当污泥适度用于土壤中后，发生类似于水处理过程中的絮凝反应可提高土壤的凝聚程度，改善土壤的结构，改良土壤的物理化学性质，增加土壤养分，提高可耕作性。因此可将给水厂污泥用于农业或园林中。[13]?但是污泥中也含有有毒物质，其中重金属含量是决定污泥是否可以农用的主要因素。因此，污泥农用时必须符合：（1）满足卫生要求，即不得含有病菌、寄生虫卵与病毒，故在污泥农用前应该进行消毒处理或者是季节性使用。（2）因重金属离子，如Cd、Hg、Pb、Zn和Mn等容易被作物吸收并在植物的根、茎、叶与果实内积累，所以污泥的重金属离子含量必须符合相关部门的指定农用标准。

3.6.5?泥饼的资源化

随着污泥处置用地日益紧张，很多国家的自来水厂及有关环保部门，都在致力于用泥饼制造有用物品的研究。这些物品包括建筑用骨料、研磨料、陶瓷工业原料等。研究证明，自来水厂泥饼的资源化利用在技术上是可行的，但是，目前污泥的资源化利用还存在污泥品质成本、数量不足等方面问题。污泥资源化还需注意两点，[12]一是产品的市场性；二是加工过程中是否会产生二次污染。由于工艺复杂、成本昂贵，泥饼综合利用目前还较难实施。但是从环境保护的长远观点来看，会有广阔的前途。因此，如何将泥饼综合利用过程简单化、实用化、商品化，是一个急待解决的课题。

4?总结和展望

自来水厂污泥中含有大量的悬浮物和其它污染物，直接排放会对环境造成一定的污染。为保护环境，实现水资源的可持续发展，应该对自来水厂污泥进行处理。经过几十年的发展，不同城市和地区已形成比较完善的自来水厂污泥处理工艺系统，自来水厂污泥处理也已达到相当的比例。实施水厂污泥处理首先需要确定水厂产生的污泥量，包括排泥水量和干污泥产量，其中确定干污泥产量较为困难，需要进行较长时间对水厂原水的浊度SS相关关系分析。污泥处理包括收集、浓缩、调质、脱水和处置几个重要环节。污泥浓缩池的设计参数可通过污泥沉降试验获得。目前最常用的污泥调质方法是投加有机高分子絮凝剂PAM，每个排泥水处理项目应进行PAM选型和最佳投药量的试验。常用的污泥脱水方法有污泥干化床、板框压滤、带式压滤和离心机等法，应根据水厂的环境条件、污泥脱水性能等因素决定选用何种脱水工艺。泥饼处置目前应用最广的是填埋，泥饼的土地利用和综合实施则有一定困难，需要进一步进行研究开发。由于污泥处理的费用昂贵，会**增加水厂的投资和制水成本。因此，在污泥处理过程中综合利用污泥处理中各种副产物，回收部分污泥，以及使污泥无害化、资源化备受关注。

（1）从给水污泥中再生铝盐和铁盐

硫酸铝、聚合氯化铝等铝盐混凝剂目前被广泛地用于去除原水中的浊度，消耗量从30 mg/L 到60mg/L，因此混凝剂费用在制水成本中占很大的比重。铝盐投加到待处理水中，通过絮凝沉淀形成化学污泥。污泥固体中铝含量较高，含铝率为15%-40%，可以考虑从中回收铝盐用作给水处理的混凝剂。在给水处理中，铁盐也常被用作混凝剂。铁盐经使用后，基本上变成沉淀物，混合在沉淀污泥中。铁盐的回收和铝盐的回收一样，对给水厂污泥处理具有相似的优越性。以类似于铝盐的再生办法，用酸来再生铁盐。

（2）泥饼的综合利用

将自来水脱水泥饼作填埋处理是一种消极方法，而通过对泥饼进行加工制作成有用的物品是值得推广的变废为宝的资源化工程。给水污泥粘结性较好，将其用作制砖、煅烧水泥熟料等，不仅得到了资源化利用，而且节地、节水、保护环境和自然资源。用给水厂排泥水处理后的脱水污泥替代天然粘土烧结普通转，既能解决水厂脱水污泥综合利用问题，又能弥补烧结普通砖所需天然粘土资源不足问题，发展前景很好。在给水污泥-粉煤灰-粘土砖中掺入30%-45%给水污泥，可烧制成品符合国家标准要求。