上海城市污水厂污泥处理与利用系统分析

　　　　　　　　　　　　2002年5月ResourcesandEnvironmentintheYangtzeBasinMay2002文章编号:100428227(2002)0320255205

上海城市污水厂污泥处理与利用系统分析何品晶,顾国维,邵立明,李国建(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092)

Ξ

摘　要:上海市城市污水处理规划的实施,将在2020年前使该市的城市污水厂污泥产生量从现状的85tDS/d增长至1300～1500tDS/d,将形成可观的污泥消纳压力。预期了该市的污水污泥产生状况;以现有污水污泥处置与利用技术为基础,测算了可行的污泥处置与利用方向及相应的容量,以及满足容量利用的前处理要求。以此为基础,推荐了适宜的容量利用方案,并建议以生物稳定化干化处理作为污泥处置与利用前的改性处理步骤,且可在适当的条件下增加厌氧消化环节,提高处理体系的水平与容量宽余度。此污泥处理与利用体系可达到污泥消纳运行的柔性化和可靠性,兼具环境安全性与经济合理性。

关键词:污水厂污泥;污泥处置与利用;污泥消纳;污泥管理策略;生物稳定化;污泥干化;上海市文献标识码:A

　　上海市目前的总人口为1400万(其中50%以上的人口居住在面积约600km2的中心城区)。该市1999年产生的污水量为578×104m3/d,大部分来自中心城区,其他来源包括郊县城镇和工业区。至1999年底该市的污水处理设施能力达到520×104m3/d,其中净化处理能力(二级处理后,排入内河)87×104m3/d,外排(东海:长江口或杭州湾)处置能力433×104m3/d。1999年污水处理设施实际处理量为315×104m3/d,其中净化处理约×104m3/d,外排处置约251×104m3/d;污水净

上海市污水处理规划的执行完成基准年是

2020年,至该年的全市污水产生状况预期见表1。污水处理设施体系的建设与运行分为两个部分,第一部分是就地分散处理,规划保留现有中心城区45×104m3/d和郊县中心镇20×104m3/d的分散二级污水处理容量,再规划在非中心城区新建约80×104m3/d的分散二级污水处理容量;第二部分是集

中处理,至2020年将由6条污水输送干管和6座排放口污水二级以上处理厂组成。污水处理设施各组成部分的容量见表2,集中污水处理设施的区域分布见图1。由上述各部分组成的上海市污水处理体系规划总处理容量>900×104m3/d,2020年规划污水处理率>90%。1.2　污泥的产生

(1)产生量　污泥产生量一般由污水的处理量、

化处理产生的污水污泥约85tDS/d(外排处置仅产

生极少量的格栅废弃物)。污水污泥中有20tDS/d的量得到厌氧消化或机械脱水处理,其它污泥,包括上述处理后的产物,被运往郊外堆存。

为进一步改善上海市水环境质量,在2020年前,上海市将规划建成较完善的污水处理体系,其重点是:①提高污水收集率;②提高污水净化处理设施容量;③提升污水处理深度。实施此规划必将使该市的污水污泥产生量出现相应的大幅度增加。污泥的预期增量与目前容量十分有限的处理与利用能力之间的矛盾,必然要求进行污泥消纳能力建设,而能力建设的有效性,应以系统的策略分析为前提。

进水状况、处理工艺与处理深度来决定,其中除污水处理量以外的产生量影响因素可归结为污泥产率系数。据相关文献,上海市现有和规划污水处理设施的污泥产率系数为0.016～0.018tDS/104m3污水。表3列出上海市污水处理规划各执行基准年的

预期污水处理量与污泥产生量。

(2)产生分布　在上述污泥产生量中,约15%来自分散处理系统,其产生位置离散地分布于中心城区与郊县(区)内;其余约85%来自六个集中处理系统,其产生点位于上海市的滨海地带,具体产生量

1　污水处理规划与污泥的产生

1.1　污水处理规划①

Ξ收稿日期:2001-06-27

),浙江省诸暨人,教授,博士,主要研究方向为固体废物处理与资源化.作者简介:何品晶(1962～　

　①上海市市政工程管理局.上海市污水排水系统专业规划(2020年).1999.12.

256　　　　　长江流域资源与环境　　　　　　　　　　　　　　第11卷

与产生点分布可参见表2和图1。

表1　2020年上海市污水产生量预测

Tab.1　EstimatedSewageProductionofShanghaiin2020生活污水

区域中心城区新城区中心镇集　镇农　村合　计

预测人口

(10person)8002901101602401600

4

工业废水工业用地面积(km)70N/Aa)N/Aa)N/Aa)

---300230b)

2

预测污水量

(10m/d)314100313936520

4

3

预测污水量(10m/d)70

4

3

发展余量

(104m3/d)

30----30

分区污水量

(104m3/d)

414

400b)

36850c)

　　a)目前无相应数据;b)数据包括新城区、中心镇和集镇;c)管系收集后,由于地下水渗入(按污水量10%计),实际的管端污水量预计为935×104m3/d.

表2　2020年上海市污水处理体系构成

污水处理量3

(104m3/d)

801701451701307076545100

表3　上海市规划污水处理量与相应污泥产生量

Tab.3　PlannedSewageTreatmentCapacityandCorrespondingSludgeProductionofShanghai年份

200520102020

Tab.2　PlanedSewageTreatmentSystemsofShanghaiin2020序号

1234567

体系名称

石洞口系统

竹园第一系统竹园第二系统白龙港系统新和系统中港系统集中系统小计中心城区分散系统非中心城区分散系统

服务面积

(km2)148112180200300N/A-N/AN/A

污水处理量

(104m3/d)

3205910

污泥产生量污泥年均增长率

(tDS/d)510～5801030～11601460～10

(%)

～34.9～15.0～3.5

　　3　含地下水渗入量.

　污泥的总体组成状况,可由现

有污水处理设施的污泥组成调查数据①来估测。表4和表5总结了上海市现有污水污泥的一些组成性质。由于作为数据来源的这些污水处理设施,从进水组成、处理工艺与处理深度方面,相对于规划的污水处理设施均有相当的代表性,因此,相关数据可作为分析上海市规划污水处理设施污泥组成的依据。

　　(3)污泥的组成

2　污水污泥处理与利用可行方向分析

2.1　污泥处置与利用的载体及其潜在容量

污泥处理与利用体系由两部分组成:首先是处理,其作用是对污泥的物理、化学或生物特性进行转化;另一个部分是处置与利用,其作用是接受处理后的物流,并最终完成其进入环境的任务[1]。因此,处置与利用的最基本问题是选择合适的载体以消纳污泥物流。可行的处置与利用载体是与一定的技术过程相对应的,表6给出了上海市污泥适用的处置与利用技术过程与载体资源状况[2～4]。

图1　上海市集中污水处理系统分布

Fig.1　DistributionofPlannedCentralSewageTreatment

SystemsofShanghai

①何品晶.城市污水厂污泥低温热化学转化过程工艺特性与转化机理研究.同济大学.1998.2～5.

第3期　　　　　　　　　何品晶等:上海城市污水厂污泥处理与利用系统分析

表4　上海市污水污泥的基本组成①

Tab.4　InvestigationofSludgeCompositionfromSewageTreatmentPlantsofShanghai处理设施曲阳污水厂金山污水厂

VS(%).884.5

C54.1-H9.5-3

257

元素分析daf(%)

O29.5-N5.5-S1.4-Al2O335.6515.61无机物组成da(%)CaO14.8111.04Fe2O34.468.21

MgO2.843.84

N

植物养分d(%)

P1～3

热值daf

K

(MJ/kg)23.224.2

3～60.1～0.3

　　daf:干燥无灰基;da:干燥灰分基;d:干基;3　上海市现有各污水处理厂均值范围.

表5　上海市污水处理厂污泥重金属含量①(mg/kgDS)

Tab.5　HeavyMetalsConcentrationsinSludgefromSewageTreatmentPlantsofShanghai

处理设施曹阳污水厂

东区污水厂金山污水厂三厂均值

As19.010.7-14.9

Cd3.051.25<0.0051.44

Cr48.6148.555.984.3

Cu159290663371

Ni43.255.426.541.7

Pb29.773.0151.084.6

Zn1286143026071774

工业污水比

(vol.%)

0

～25～50

-

表6　上海市适用的污泥处置与利用载体资源[2～4]

Tab.6　SuitableSludgeDisposalandUtilizationResourcesinShanghai

技术过程载体可用载体量单位消纳容量d)潜

在总容量

2005年2010年2020年

农用

新辟

农田

(hm)

2

绿地利用

既有

(hm)3000c)10tDS/hm2

500005000050000

2

垃圾填埋场表面覆盖新增填埋表面

(hm/a)22.51000tDS/hm2

225002250022500

2

水泥制造辅料水泥制品

(10t/a)

3

平均日容量

(tDS/d)

---

绿地

(hm/a)400/800b)100tDS/hm2

400004000040000

2

～900a)

10tDS/hm2・a

900009000090000

～3000

0.05tDS/t-潜在总容量(tDS/a)150000150000150000

97910351340

利用风险条件

(控制风险)

食物链污染污泥质量控制进行无害化处理

公共卫生问题植物生长迟滞污泥质量控制进行无害化处理

覆盖面的力学稳定性、场地卫生问题干化、生物稳定化和无害化处理

产品质量损害用量配料控制

　　　　a)仅计与产生点相距12km半径范围内的旱田面积;b)2001～2010年为400hm2/a;2011年～2020年为800hm2/a;c)1999年的统

计值;d)此项各数据来源于文献[5～11];e)潜在总容量单位为tDs/a.

2.2　消纳容量利用的适宜方案

列于表6中的分析,其载体选择的特征是尽可

能地减少污泥处置专业设施的建设,使上海市的污泥处置与利用体系达到运行上最大限度的柔性化。利用此消纳容量潜力的原则是:①在容量总值有一定的余量的前提下,尽可能地利用环境风险较小的技术过程,其优先次序为:填埋场覆盖>绿地利用>水泥制造>农用;②尽可能地利用较为集中的处置与利用容量,其优先次序为:填埋场覆盖>水泥制造>绿地利用>农用;③当容量总值不足时(比较表6

和表3,可发现2010年以后处置与利用容量略低于

产生量),应优先采用污泥减量处理的技术,其中主要是污泥生物消化技术。以上海市预期的污泥组成为依据(参见表4),当消化率为50%时,污泥干固体(DS)的减量率可达30%以上,可使2010～2020年的污泥利用与处置容量明显大于产生量。

以上述原则,可确定各基准年度的消纳容量利用方案:①2005年:填埋覆盖11%,绿地利用45%,水泥制造30%,农用14%;②2010年:填埋覆盖8%,绿地利用39%,水泥制造25%,农用28%;③

①何品晶.城市污水厂污泥低温热化学转化过程工艺特性与转化机理研究.同济大学.1998.2～5.

258　　　　　长江流域资源与环境　　　　　　　　　　　　　　第11卷

术过程关键进口特性要求见表7。总结表列要求,

可见其包含三个方面:①除填埋场覆盖与水泥制造外,污泥应达到农用污泥有害物质控制要求;②除水泥制造外,污泥应达到卫生无害化要求;③除农用外,污泥应达到比现行机械脱水水平更高的干度。

2020年:填埋覆盖6%,绿地利用56%,水泥制造18%,农用20%。

2.3　消纳容量利用的可行性要点

使上述消纳容量利用方案具有实施可行性的关键是使污泥具有满足相关处置与利用过程进料条件(进口特性)的物性,据相关文献[4～10]归纳的上述技表7　潜在处置与利用载体的进口特性要求Tab.7　InletQualityRequirementsofPotentialSludgeDisposalandUtilizationProcesses农用

①符合农用污泥有害物质控要求

制标准a)

②卫生无害化b)　

制标准a)

②卫生无害化b)

③土力学稳定性(相当于污泥含水率<40%)　

绿地利用①符合农用污泥有害物质控填埋场覆盖

①卫生无害化a)

②土力学稳定性(相当于污泥含水率≤50%)

水泥制造辅料

①土力学稳定性(相当于含水率≤40%)

②可磨性(污泥含水率≤

30%)

③低位热值>4500kJ/kg

(污泥含水率≤45%)

a)GB4284-84农用污泥污染物控制标准;b)参照GB8172-87城镇垃圾农用控制标准.

元素,其来源与上海市给水末端管系中大量使用的

3　适宜的污泥源控制与治理技术

3.1　源控制

对于已经提出的污泥处置与利用方案(消纳容

量利用方案),其可行性关键如前述。分析这些要求,其中有害物质控制(主要是重金属)只能由源控制的方案来实施。具体为实施按污水收集(处理)管系分区,进行工业项目布点的规划调整:①将工业项目分为两类,重点污染型和一般污染型;②重点污染型项目布置于郊县,其污水纳入非中心城区分散系统处理;③一般污染型项目,布置于郊县中心镇和中心城区北翼,污水纳入石洞口、竹园第二和中港系统处理。据表2的数据测算,这将使上海市60%以上的污水处理设施不接受工业污水,从而保证相应产生的污泥中以Cd为代表的毒害重金属浓度处于农用限值下[5,6]。将表5的数据与有关的污泥农用重金属控制限值[5,6]比较,Zn是另一个需重点关注的

镀锌铁管有关。由于1990年代以来,上海市已大量使用复合材料管道替代该管材,污泥中Zn含量的大幅度下降是完全可以预期的。因此,通过源控制使上海市污泥中的大部分符合农用要求,从而满足实施上述消纳容量利用方案的要求是可望达到的。3.2　处理

据上述讨论,与消纳容量利用(处置与利用)方案实施有关的处理要求有:①减量化;②卫生无害化;③干化。依据对目前可达到上述处理要求的相关技术分析,复合了强化自然干化[7]和条垛式堆肥特点的污泥生物稳定化干化工艺是适用的处理技术,其工艺概念流程如下,主要工艺特性见表8。

可开启塑料膜棚　　(挡雨、保温)　　

↓　　

污泥机械脱水或含水率≤30%

→干化床摊铺→

消化后机械脱水生物稳定的可利用污泥

↑　

定期机械搅拌　

表8　生物稳定化干化工艺的基本特性

Tab.8　MajorCharacteristicsoftheCombinedBiologicalStabilizationandDryingProcess

平均处理周期

(d)45

干固体减量率(%)生污泥

25～30

产物无害化水平

蛔虫卵死亡率(%)

95～100

产物含水率a)

(%)

产物低位热值

(kJ/kg)

消化污泥

10～15

大肠菌值

10-1～10-2

≤30≥5000

　　　　a)处理含水率65%污泥饼时.

　　上海市污泥补充的减量化处理措施(建议在

2005年和实施),可采用中温厌氧发酵工艺,其干固体减量率可达到30%,与生物稳定化干化工艺联用时(先消化后稳定化干化),可累计达到40%的干固

体减量率,应可充分满足上海市污水污泥处理与利用系统运行的柔性化和可靠性要求。

第3期　　　　　　　　　何品晶等:上海城市污水厂污泥处理与利用系统分析259

径探讨[J].上海环境科学,2000,19(11):508～510.

4　结论

上海市未来20年的污水污泥将处于一个高速的增长期,必须发展一个有效的处理与利用技术体系以应对这一挑战。鉴于污水污泥处理与利用技术体系的发展尚存在极大的不确定性,其发展的基本思路是充分利用既有的处置与利用载体资源,达到系统运行最大可能的柔性化和可靠性。污泥处置与利用的容量方向与分配比例为:填埋场覆盖6%～11%;水泥制造18%～30%;绿地利用39%～56%;农业利用14%～28%。

实施处置与利用方案的源控制与处理方案为:①工业污水纳管,按排水干线服务分区相对集中的原则安排,使60%的城市污水处理容量中无工业污水进入;②污泥进入处置与利用体系前进行机械脱水与生物稳定化干化处理;③2005年后大部分污泥脱水前建议先进行中温厌氧消化处理。

此污泥消纳系统符合我国相关的环境法规及经济化原则(处置设施建设费用节约),是具有环境安全与经济可承受性的适宜污泥处理与利用系统。

[2]　上海市统计局.2000上海统计年鉴[Z].北京:中国统计出版

社,2000.

[3]　杨　芸,祝龙彪.上海城市绿地系统建设与规划的原则和对策[J].上海环境科学,2000,19(4):159～161.

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Surveyofsludgeproduction,treatment,qualityanddisposalintheEuropeanUnion[M].AnjouRecherche,1994.187～217.[5]　GB4284-84,农用污泥中污染物控制标准[S].[6]　GB8172-87,城镇垃圾农用控制标准[S].

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mentlibrary(volume4):Municipalsewagesludgemanagementprocessing,utilizationanddisposal[M].WesternHemisphere:TechnomicalPublishingCo.,1992.302～327.

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[10]　DavidHF,LiuB,LiptákG.Wastewatertreatment[M].PA:

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参考文献:

[1]　何品晶,邵立明,顾国维.城市废物流自然循环消纳及实现途

MANAGEMENTSTRATEGYOFSEWAGESLUDGE

FORTHECITYOFSHANGHAI

HEPin2jing,GUGuo2wei,SHAOLI2ming,LIGuo2jian

(StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:TheimplementationoftheShanghaisewagetreatmentplanwillresultinadrasticincreaseofsewagesludgeproductionfrompresent85tDS/dto1300-1500tDS/din2020,resultinginagreatpressurefortreat2inganddisposinglargequantitiesofsludge.Accordingtotheplan,sludgeproductionanditsspatialdistributioninthecityareestimatedinthispaper.Basedonexistingsludgedisposalandutilizationprocesses,feasibleoutletsarediscussedaswellasrelatedcapacitiesandpretreatmentrequirements.Asuitablecapacityutilizationschemeispresented.Acombinedbiologicalstabilizationanddryingprocessisproposedpriortosludgedisposalandutiliza2tion.Anaerobicdigestioncouldbeemployedinthisprocesstoimprovesludgequalityandtoreducesludgepro2ductionafter2005.Thissludgetreatmentandreusesystemisfairlyflexibleandreliable,anditisenvironmen2tallyacceptableandaffordedeconomicallyaswell.

Keywords:sewagesludgesludgedisposalandutilization;sludgeoutlets;sludgemanagementstrategy;biological

stabilization;sludgedrying;thecityofShanghai