污水处理厂中积累的残留物被称为污泥（或生物固体）。污水污泥是污水处理过程中产生的固体、半固体或浆料残余物质。这种残留物通常分为初级污泥和次级污泥。初级污泥是由化学沉淀、沉淀和其他初级过程产生的，而次级污泥是由生物处理产生的活性废物生物质。一些污水厂也接受来自家庭现场污水处理系统的分离物或化粪池固体。通常，污泥被混合在一起进行进一步的处理和处置。
污水污泥的处理和处置是所有污水处理厂设计和运营的主要因素。在最终处置之前处理污泥的两个基本目标是减少其体积和稳定有机物质。稳定污泥没有难闻的气味，可以在不造成滋扰或健康危害的情况下进行处理。较小的污泥体积降低了泵送和储存的成本。
处理方法
污水污泥的处理可以包括浓缩、消化和脱水过程的组合。
增稠
浓缩通常是污泥处理的第一步，因为处理薄污泥（一种悬浮在水中的固体浆料）是不切实际的。增稠通常在一个称为重力增稠器的储罐中完成。浓缩机可以将污泥的总体积减少到原来体积的一半以下。重力增稠的另一种选择是溶解空气浮选。在这种方法中，气泡将固体带到表面，在那里形成一层增稠的污泥。
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消化
污泥消化是一种将有机固体分解为稳定物质的生物过程。消化减少了固体的总质量，消灭了病原体，使污泥更容易脱水或干燥。消化后的污泥是无害的，具有肥沃盆栽土壤的外观和特征。
大多数大型污水处理厂使用两级消化系统，其中有机物由细菌厌氧代谢（在缺氧的情况下）。在第一阶段，将增稠至约5%的干固体（DS）含量的污泥在封闭罐中加热并混合几天。产酸细菌水解蛋白质和脂质等大分子，将其分解成较小的水溶性分子，然后将这些较小的分子发酵成各种脂肪酸。然后，污泥流入第二个槽，在那里溶解的物质被其他细菌转化为沼气，即二氧化碳和甲烷的混合物。甲烷是可燃的，用作燃料加热第一个消化罐以及为工厂发电。
厌氧消化对温度、酸度和其他因素非常敏感。这需要仔细的监测和控制。在某些情况下，在第一个消化阶段开始时，用额外的水解酶接种污泥，以补充细菌的作用。已经发现，这种酶处理可以破坏污泥中更多不需要的病原体，也可以导致在消化的第二阶段产生更多的沼气。
传统的两阶段厌氧消化过程的另一个增强作用是热水解，或通过加热分解大分子。这是在消化之前的一个单独步骤中完成的。在一种典型的情况下，该过程从脱水至DS含量约为15%的污泥开始。污泥在碎浆机中与蒸汽混合，将这种热的均化混合物送入反应器，在约165°C（约330°F）的压力下保持约30分钟。在这一点上，随着水解反应的完成，一些蒸汽被排出（进入碎浆机），仍处于一定压力下的污泥被突然释放到“闪蒸罐”中，在那里，泡沫状的压力下降使大部分固体物质的细胞壁破裂。将水解后的污泥冷却，用水稍微稀释，然后直接送往第二阶段的厌氧消化。
污泥消化也可以在有氧条件下进行，也就是说，在有氧的情况下，污泥在开放式罐中曝气约20天。在这个过程中不会形成甲烷气体。尽管有氧系统比厌氧系统更容易操作，但由于曝气所需的功率，它们的操作成本通常更高。好氧消化通常与小型扩展曝气或接触稳定系统相结合。
好氧和常规厌氧消化将约一半的有机污泥固体转化为液体和气体。热水解和厌氧消化可以将约60%至70%的固体物质转化为液体和气体。不仅产生的固体体积比传统消化法小，而且沼气产量的增加可以使一些废水处理厂实现能源自给自足。
脱水
消化后的污水污泥通常在处理前进行脱水。脱水污泥仍然含有大量的水，通常高达70%，但即使有这样的含水量，污泥也不再表现为液体，可以作为固体材料处理。污泥干燥床提供了更简单的脱水方法。将消化后的污泥浆摊铺在开放的砂床上，并使其保持干燥。干燥是通过蒸发和通过沙子的重力排水相结合的方式进行的。在沙子下面建造的管网收集水，然后将水抽回工厂的顶部。经过大约六周的干燥后，所谓的污泥饼可能具有大约40%的固体含量。然后可以用干草叉或前端装载机将其从沙子中移除。为了减少潮湿或寒冷天气下的干燥时间，可以在砂床上建造一个玻璃外壳。由于干燥床需要大量的土地面积，这种脱水方法通常用于农村或郊区城镇，而不是人口稠密的城市。
污泥干燥床的替代方案包括转鼓真空过滤器、离心机和带式压滤机。这些机械系统比污泥干燥床需要更少的空间，并且它们提供了更大程度的操作控制。然而，通常必须先进行一个称为污泥调理的步骤，在该步骤中，将化学物质添加到液体污泥中，以凝结固体并提高排水能力。
处置
经过处理的污水污泥的最终目的地通常是土地。脱水后的污泥可以埋在卫生填埋场的地下。它也可以分布在农业用地上，以利用其作为土壤改良剂和肥料的价值。由于污泥中可能含有有毒的工业化学品，因此不会在种植供人类食用的作物的土地上传播。
在没有合适的土地处置场地的情况下，如在城市地区，可以焚烧污泥。焚烧使水分完全蒸发，并将有机固体转化为惰性灰烬。灰烬必须处理掉，但体积的减少使处理更经济。在焚烧污泥时，空气污染控制是一个非常重要的考虑因素。必须使用适当的空气清洁设备，如洗涤器和过滤器。
将污泥倾倒在海洋中，曾经是许多沿海社区的一种经济处理方法，但现在已不再被认为是可行的选择。它现在在许多其他沿海国家被禁止。
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