污泥有机无机分离工艺及产品的资源化利用 天津壹新环保工程有限公司 摘 要：本文分析了国内现有污泥的主要成分，并据此提出了污泥有机无机分离后再进行后续精准资源化利用的新思路。污泥有机无机分离工艺可

污泥有机无机分离工艺及产品的资源化利用

天津壹新环保工程有限公司

摘  要：本文分析了国内现有污泥的主要成分，并据此提出了污泥有机无机分离后再进行后续精准资源化利用的新思路。污泥有机无机分离工艺可将原泥中的有机质分离出来制成生物质燃料；铁铝盐分离出来作为污水厂除磷药剂参与泥水协同处理；磷盐分离出来制成磷肥原料；泥砂等无机物分离出来后制成建材原料或园林绿化土使用。

关键词：污泥成分分离；有机无机分离；污泥资源化利用 

1. 污泥成分分析

污泥固体是产生于污水处理过程中的大量固体悬浮物质，污泥是污泥固体与水的混合物,是污水处理过程中的主要副产物，从污水里转入污泥中的COD（化学需氧量）比例约为30%～50%，转入污泥中的氮约为20%～30%，磷约为90%，如能够合理化利用，则是非常宝贵的资源。据住建部公布的报告显示，2020年全国污泥产量约6000万吨（以含水率80%计）[1]，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中明确提出城市污泥无害化处置率需要达到90%。对污泥进行妥善的处理处置对生态环境和人体健康具有至关重要的作用。

1.1.污泥的干基成分组成

污泥来源繁多，成分复杂。以我国污水处理厂产生的市政污泥为例，其成分包括细菌菌体、有机残片及胞外聚合物等有机物，以及无机金属盐类、磷、泥砂等无机物。按照各成分占比分析，无机物成分占比超过50%，有机物成分一般较理论值偏低，仅在40%-50%之间。造成这种现象的原因，一是我国在城市管网建设时雨污分流不彻底，污水厂除砂设备效率低且进水COD偏低；二是污水厂在除磷阶段投入的聚铁或聚铝等混凝剂引入了无机盐类物质。污泥中无机组分的增多严重制约了污泥的资源化利用出路。

图1 污泥成分示意图

1.2.污泥的含水组成

污泥所含的水分通常分为间隙水（又称自由水）、毛细结合水、表面吸附水和内部水。其中，间隙水约占污泥水分的70%；毛细结合水占污泥水分的20%；表面吸附水约占污泥水分的7%；内部水约占污泥水分的3%[2]。

在污泥的水分中，95%的是由于污泥中胞外聚合物（简称EPS）的粘性作用导致难以脱出，故考虑将污泥中的胞外聚合物进行破坏，从根本上提高污泥的脱水性能。

2. 污泥有机无机分离工艺

2.1.工艺原理

分离技术的原理是首先对原泥进行稀释调质，使污泥恢复成流态（含水率提升至95%左右），再加入不含铁盐、铝盐及氯根的氧化药剂，对污泥胞外聚合物进行破坏，同时使污泥中铁、铝及磷的氧化物还原成溶解态溶入液相中，再依靠重力沉淀，使固相污泥沉淀并排出含有无机盐的上清液，对排出的固相污泥进行反复淋洗，将溶解于液相的无机盐类最大程度的浸提出来，将上清液与淋洗液进行收集并加入还原性药剂，使其中溶解性盐类还原成氧化物或氢氧化物并沉淀，沉淀物即为分离出的无机盐类成分。图2中（a）（b）分别为经过上述处理后分离出的铁铝盐及磷盐。

   （a）                 （b）

图2 污泥中磷盐及铁铝盐的分离效果

（a）分离后磷盐 （b）分离后铁铝盐

淋洗后的固态污泥继续进入泥砂分离装置（该装置借鉴部分矿选行业分砂设备原理），利用固态污泥中，有机污泥颗粒与泥砂颗粒的比重差导致的离心力差异（比重差在2～3倍左右），对其进行旋流分离。  

在分离器的流道截面上，污泥中的无机泥砂颗粒因自身比重大，受到的离心力大，会逐渐被甩到流道的外侧，而有机质颗粒自身比重轻，受到的离心力小的多，会逐渐汇集到流道的内侧，最终在流道的末端内侧即为分离后的轻质部分，就是有机污泥，如图3（a），外侧即为分离后的重质部分，即为泥砂，如图3（b）。

     （a）                 （b）

图3污泥中泥砂与有机物的分离效果

（a）旋流后底物（b）旋流后上物

2.2.工艺流程

市政污泥（含水率80%）在进厂后首先进行稀释调质，在本环节中投加污泥灭菌剂，灭菌后污泥在后续所有处置环节中不再产生硫化氢等恶臭气体，灭菌后污泥进入菌胶团破碎装置进行改性，在该装置中加入污泥改性剂，使污泥中胞外聚合物彻底失去作用，降低污泥粘性，为后续污泥有机无机分离和污泥脱水创造最优条件；处理后的污泥进入有机无机分离装置进行成分分离；分离后的有机污泥加入脱水助剂，充分混合后进入高压脱水机，经高压脱水至含水率65%以下，泥饼经过破碎后可直接进入后续处理工艺段。分离出无机泥砂及磷进行高压脱水后进行资源化使用，分离出的铁铝盐作为絮凝剂回至水厂二次利用。脱水环节产生的滤液部分回至工艺前段，用于下一轮原泥的稀释调质，少量剩余的废水进入污水处理系统，污泥在调质灭菌及分离环节全部采用密闭罐体或池体，内部空间采用负压抽气，气体处理后达标排放。

图4 污泥分离工艺流程

2.3.工艺效果

（1）胞外聚合物的破坏效果

      （a）                  （b）

图5 污泥中菌胶团破碎效果

（a）处理前污泥中的EPS （b）处理后污泥中的EPS

采用有机无机分离工艺并通过实验验证，污泥在经过灭菌和菌胶团破碎处理后，对胞外聚合物（EPS）进行电镜扫描观察，其结构被彻底破坏（如图5）。处理后的污泥脱水性能有实质性提升，经过板框高压压滤后，含水率可降低至65%。且菌胶团破碎后的污泥，结构失稳，为后续污泥的成分分离创造条件。

（2）有机成分与无机成分的分离效果

（a）

（b）                        （c）

图6 污泥有机无机分离效果

（a）原泥（b）无机泥饼（c）有机泥饼

通过验证，采用污泥有机无机工艺，在彻底破坏了污泥中的胞外聚合物、降低污泥粘性后，可实现污泥中有机物及无机物的有效分离，分离比例为有机污泥70%～80%，无机污泥20%～30%。经过检测，有机污泥中有机物含量高于60%，无机污泥中的有机物含量低于5%。

（3）分离工艺对于有机污泥热值提升的效果

通过监测原泥分离后的有机污泥热值提升情况判断有机无机分离工艺在提升原泥有机质含量方面的效果直接且有效。

综合对比热值数据如下表所示。

表1 污泥分离前后热值变化数据表（数值为多次检测后平均值）

通过多次取样实验。从表中数据来看，有机无机分离系统可以保证有机污泥的热值稳定在2900kcal/kg以上，已接近生物质燃料的热值。对比分离后的有机污泥与原泥，其性质更加稳定，对于后续衔接工艺的稳定性更有保证。

3. 分离产物的资源化利用

根据对污泥成分的深入研究，有机无机分离工艺可以实现污泥各成分最大程度的分离。分离出的有机物经过脱水干化后制成生物质燃料；分离出的铁铝盐作为污水厂除磷剂循环利用；分离出的磷盐制成磷肥原料；分离出的泥砂经脱水并自氧化干化后可作为建材原料或路园林绿化土使用。本技术可以充分利用污泥自身物质特点，以低成本的方式实现了污泥稳定化、无害化、减量化、资源化的处置。

图7 污泥处理处置产物出路

3.1.分离出的有机物做生物质燃料

采用有机无机分离工艺分离出的有机污泥，因前置环节改性作用，脱水泥饼含水率降至65%，且因干基热值提升至2800-4300kcal/kg，污泥干化可完全依靠自身焚烧热能即可平衡，最终的焚烧炉渣灼减率小于5%。污泥热值提升后焚烧温度升高，焚烧工况改善，可确保烟气温度在850℃以上停留两秒，以保证二噁英充分分解，最终排放符合国家相关技术要求。图8为应用有机无机分离技术产出的有机污泥燃料检测报告。

图8 有机污泥燃料检测报告

3.2.分离出的铁铝盐做除磷剂

采用有机无机分离工艺分离出的铝铁盐可以作为除磷药剂循环利用，实现污水污泥的协同处理。图9为污泥分离出的铁铝盐制成的除磷药剂。

图9 铁铝盐除磷药剂

将得到的除磷药剂按照不同的比例和污水进行混合后，污水中磷的去除效果显著。对比表2中实验数据可知，污水与除磷剂的混合比例越高，磷的去除效果越理想，当污水与除磷剂的混合比例达到5%时，污水中总磷含量由4.23、4.55降至0.38，去除率大于92%。

表2 除磷药剂除磷效果实验结果

3.3.分离出的磷盐做磷肥原料

磷是动植物生长的必要元素，工业、农业方面对磷资源有很大的需求量。污水污泥处理系统是链接磷的社会应用和自然循环的重要环节，污水厂污泥处置对磷的循环具有重要影响[3]。

图10 回收的磷资源产品

采用有机无机分离工艺分离出的无机磷可以继续进行回收利用作为磷资源产品的原料。利用本工艺，磷回收率可达70%，回收磷资源产品的有效磷（以P2O5计）含量接近30%。打破了国内污泥处理磷难以回收的现状。图11为应用有机无机分离技术回收的磷资源产品检测报告。

（a）

（b）

（c）

图11 磷资源产品检测报告

4. 总结

污泥是一种具有极大潜在利用价值的固体资源，利用有机无机分离工艺在解决污泥污染问题的同时可以实现各部分处置产品的资源回用。另外经过工程分析与实验，污泥有机无机分离技术不仅适用于市政污泥的处理处置，也可用于通沟污泥、河道底泥、化粪池泥、餐厨沼渣等污泥类固体废物的处理处置工程，同样可以兼顾减量化、稳定化、无害化、资源化的处置要求。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.中国城市建设统计年鉴[Z].2020.

[2]周少奇. 城市污泥处理处置与资源化[M]. 华南理工大学出版社, 2002.

[3]孙凡蛟. 污水厂污泥处置对磷循环的影响及污水处理系统技术建议[D].河北建筑工程学院,2021.DOI:10.27870/d.cnki.ghbjz.2021.000069.