市政污泥處置研究進展*

魏子凱，楊昂超，張文學，甘棟元

(1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510000；2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510000)

市政污泥是城鎮(zhèn)污水處理廠進行污水處理后產(chǎn)生的沉淀物質(zhì)，具有含水率高、孔隙率和比表面積大等特點。市政污泥一般含有大量的重金屬、有機物、細菌以及病原微生物等有毒有害物質(zhì)[1-2]。隨著我國城市化進程的加速，城鎮(zhèn)快速的發(fā)展，污水處理廠日處理量的不斷增加，市政污泥產(chǎn)量與日俱增。2020年我國市政污泥的總產(chǎn)量達6000～9000萬噸[3]。如何安全、經(jīng)濟、高效地處置市政污泥已成為當前各城市的迫切需求和難題[4]。本文綜述了目前市政污泥的處置現(xiàn)狀，并對其未來研究需要解決的問題提出展望，以期對市政污泥高效減量化、無害化、資源化處置提供堅實的理論基礎。

1 市政污泥的特征

在城市污水處理的過程中會產(chǎn)生大量的市政污泥，市政污泥是污水處理過程中最大的副產(chǎn)物。盡管不同污水處理廠產(chǎn)生的市政污泥成分各有不同，但都存在著一些共同的特征：1)市政污泥含有超過 90% 的水，這些水通常很難從污泥中分離出來[5]；2)市政污泥是小污泥顆粒的膠體系統(tǒng)，可在水中形成穩(wěn)定的懸浮液[6]；3)形狀不規(guī)則，孔隙率高，比表面積大[4]；4)是有機污染物、無機污染物、微生物病原體和寄生蟲卵的混合物[7]。

幾十年來，一些學者已經(jīng)對污水污泥中存在的有機污染物進行了研究，并發(fā)現(xiàn)：脂肪族和芳香族烴、有機氯化合物、亞硝胺、苯酚、鄰苯二甲酸鹽、有機磷農(nóng)藥、有機磷酸酯及其代謝物、壬基酚聚乙氧基化物、多環(huán)和硝基麝香、直鏈烷基苯磺酸鹽和全氟化合物經(jīng)常出現(xiàn)在處理不同工業(yè)來源污水的污水處理廠產(chǎn)生的市政污泥中[8]。此外，揮發(fā)性有機化合物(VOC)和半揮發(fā)性有機化合物(SVOC)是在各種有機化合物的分解過程中以及在廢水生物處理過程中微生物的代謝形成的[9]。市政污泥中主要的VOC包含正烷烴、支鏈、環(huán)狀和不飽和脂肪烴、芳香烴和鹵代脂肪烴[10]。由于市政污泥的這些特性，如果不對其進行無害化處置，勢必將造成嚴重的環(huán)境污染，甚至危害人類健康。

2 市政污泥處置現(xiàn)狀

無論國內(nèi),還是國外，目前在市政污泥處置方面還存在著一些較為突出的問題。首先，相關立法不夠完善且較為陳舊。監(jiān)管力度不夠，長期忽視市政污泥的處置，監(jiān)管部門也沒有完善的制度及對策來很好地監(jiān)管污水廠對市政污泥的處置[11]。目前，我國現(xiàn)行的污泥管理有2部法律、2部行政法規(guī)和32部標準。在法律上，《中華人民共和國環(huán)境保護法》和《固體廢物環(huán)境污染防治法》為污泥污染防治提供了依據(jù)。然而，我國尚未建立合理的污泥全過程監(jiān)管機構。此外，污泥管理標準在我國的實際指導意義較弱。部分污泥管理標準修訂不及時，不符合現(xiàn)狀。由于缺乏足夠的監(jiān)管處罰措施，一些污水處理廠在郊區(qū)傾倒污泥。這類事件引起了公眾的極大不滿。其次，處理設備不完善?，F(xiàn)今運行的污水處理廠大部分建于早期，只有針對污水的處理設施，并未設置污泥處理設備，導致市政污泥隨意堆放，并未得到妥善處置和資源化利用[12]。我國污泥處置狀況不佳,80%以上的污泥傾倒不當，造成了嚴重的二次污染。我國最常用的處置方法是衛(wèi)生填埋，其次是土地應用、焚燒和建筑材料。我國衛(wèi)生填埋、焚燒、建筑材料和土地應用的成本為(干污泥)：72～96、240～360、240～360和240～280美元/噸，不當處置的成本僅為(干污泥) 16～24 美元/噸[13]。污水處理廠及相關企業(yè)為了降低成本，通常采取廉價的處置方式。最后，市政污泥處置未得到重視。投入預算不夠，可處理市政污泥的處理廠數(shù)量嚴重不足，市政污泥處理技術并未隨著污水處理技術的發(fā)展取得長足的進步，反而長期停滯不前。

3 常用市政污泥處理處置方法

市政污泥處理技術種類繁多，常用的包括脫水、好氧發(fā)酵、厭氧消化等[14]，是污泥穩(wěn)定化、無害化和減量化的過程[15]。市政污泥處置技術則是將市政污泥置于自然環(huán)境或?qū)ζ滟Y源化再利用的過程，常用的包括衛(wèi)生填埋、農(nóng)業(yè)堆肥、焚燒處置等。在歐盟等國家通過農(nóng)業(yè)堆肥、填埋和焚燒等方式處理市政污泥，占到了污泥總產(chǎn)量的近 90%。

3.1 市政污泥脫水

市政污泥的含水率一般超過90%，有的甚至可達99%[16]。在進行資源化和無害化處理前，市政污泥的含水率必須降到60%或者更低[17]。因此，高效地脫去市政污泥中的水分是污泥處理過程中的關鍵環(huán)節(jié)。然而，由于其特殊的理化性質(zhì)，使脫水變得很困難。傳統(tǒng)的污泥脫水方法只能去除20%～25%的游離水[18]。傳統(tǒng)的市政污泥脫水方法主要采用物理和化學方法，國內(nèi)外應用最廣泛的是帶式過濾機和轉(zhuǎn)筒離心機。但這種方法脫水效率低，脫水后污泥含水量仍然不滿足要求，高達70%～85%[19]，同時還需要添加一些有毒的化學物質(zhì)如氯化鐵等進行預處理，添加劑的加入會造成二次污染。熱干化脫水技術和水熱脫水技術脫水效率高，脫水后污泥含水量在30%～60%，但能耗大成本高、應用有局限性[16]。

3.2 衛(wèi)生填埋處置

衛(wèi)生填埋是大多數(shù)國家處置市政污泥的主要方法。其優(yōu)勢在于成本低，處理量大，方式簡單高效[4,11]。但缺點也十分明顯：運輸成本高，填埋場占地面積大，受填埋環(huán)境影響大等。由于運輸和填埋過程中市政污泥會與空氣接觸，污泥里的微生物好氧呼吸還可能產(chǎn)生惡臭氣體，所以對填埋場的選址有一定的要求，并且為了防止?jié)B漏造成二次污染，填埋場建設時要充分考慮周圍的水文地質(zhì)條件以及做好防滲措施。

由于國內(nèi)土地資源稀缺，長期使用衛(wèi)生填埋場是不現(xiàn)實的。此外，由于缺乏系統(tǒng)科學的評價體系和管理方法，城市污水污泥中存在的活性成分不能得到充分利用，從而使市政污泥成為許多地區(qū)的突出污染源。北京、南京、青島、烏魯木齊和其他城市都報告了市政污泥污染事件[13]。在填埋之前，污泥的穩(wěn)定化是一個重要的先決條件。用石灰處理可以穩(wěn)定地消毒污泥并增加其固體含量，然而，該過程需要大量消耗材料，無法實現(xiàn)資源回收。

3.3 土地利用堆肥處置

市政污泥的土地利用包括三個板塊，污泥農(nóng)用、土地改良和園林綠化。市政污泥的土地利用通常是通過好氧堆肥來實現(xiàn)。市政污泥中含有豐富的氮、磷、鉀、鈣等元素和有機質(zhì)、腐殖質(zhì)等，能夠改善土壤狀況，為植物生長提供微量元素，起到保水保肥作用[20]。但其中有害的有機物、重金屬等則會對土壤造成污染，影響耕地的正常使用。因此，將市政污泥進行堆肥處理，向其中添加一定量的微生物，構建合適的微生物生長環(huán)境，通過微生物的生命活動分解有毒有害物質(zhì)，降低市政污泥的毒性和有害性，使其在土地中得到合理的利用，是實現(xiàn)市政污泥資源化利用的方法之一。市政污泥里的有機物腐熟后制成的產(chǎn)品含有豐富的有機質(zhì)，能為作物的生長提供營養(yǎng)。堆肥產(chǎn)物添加到土壤中能夠提高土壤透氣性，增強肥水滲透力，提高土壤微生物活性[21]。在堆肥過程中的高溫能有效殺滅市政污泥里的病原菌[22]，但市政污泥中的重金屬離子并不能被微生物降解或完全轉(zhuǎn)化，因此存在一定的環(huán)境風險。

近年來，隨著市政污泥農(nóng)用標準(如重金屬含量)日益嚴格，許多國家，如德國、意大利、丹麥等，逐漸降低了市政污泥農(nóng)用的比例。2021年5月7日，我國新頒布的《有機肥料》NY/T525-2021已明確規(guī)定污泥不能作為有機肥原料。但污泥堆肥后土地利用的土壤改良和園林綠化的產(chǎn)品化路線還是通暢的，而且從資源化利用角度來講，隨著城市雨污分流管網(wǎng)建設的越來越完善，重金屬帶來的環(huán)境風險降低，投資運營成本較低的污泥土地利用之路可能才是污泥處置的最好歸途。

3.4 焚燒處置

焚燒是一種熱處理過程，它利用市政污泥和輔助燃料中存在的熱量來顯著降低廢物的危險特性和固體質(zhì)量。市政污泥的熱值和可燃性是決定該過程可行性的關鍵因素。由于污泥中含有大量有機物，所以先脫水，在燃燒器中焚燒，然后發(fā)電，最后無機成分變成灰燼，有機成分變成氣相物質(zhì)，如 CO2和 H2O。這個過程確實能夠從污泥中回收能量。

對市政污泥進行焚燒處置是目前最有效、最直接的污泥減量方式之一[12,14]。市政污泥焚燒技術用于發(fā)電廠等，在有機物燃燒的過程中釋放的熱量用于發(fā)電，同時還能殺滅污泥中的病原微生物?？雌饋矸贌抢硐氲奶幹梅绞剑撨^程會產(chǎn)生高重金屬含量和毒性的灰燼，如果不對其進行處理就會污染大氣環(huán)境。再加上焚燒對設備等要求較高，需要投入較大的成本。污泥焚燒分為單獨焚燒和摻雜焚燒2種，含水量較高的市政污泥直接進入焚燒爐，會造成一些燃燒問題，如降溫、點火延遲、爐溫波動等。為了穩(wěn)定市政污泥焚燒，通常將機械脫水后的濕市政污泥轉(zhuǎn)移到干燥機中干燥，然后在焚燒爐中燃燒。由于濕污泥或半干污泥的熱值低于干污泥，通常將污泥與其他燃料一起燃燒，被稱為摻雜燃燒。由于市政污泥含有較多的揮發(fā)性物質(zhì)，其燃燒不僅取決于炭燃燒，還取決于揮發(fā)性物質(zhì)燃燒?？焖冱c火的揮發(fā)性物質(zhì)可以加強市政污泥燃燒過程，縮短燃燒時間。然而，市政污泥中的水在蒸發(fā)過程中會吸收熱量，導致混合燃料的著火溫度更高，著火時間更長。但在某些情況下，摻雜燃燒會更加環(huán)保。分級空氣燃燒、低氧稀釋燃燒等方式可優(yōu)化燃燒，有效控制污泥燃燒過程中氮氧化物的排放。

4 結論和展望

我國市政污泥處理和處置技術還處于起步階段，各種方面都不成熟，缺乏有力的監(jiān)管措施，穩(wěn)定運行的市政污泥處理設施較少，處理工藝配套設備不夠完善，還存在運行管理經(jīng)驗缺乏造成設備閑置、負荷低等問題。因此應積極引進其他先進的技術手段，同時發(fā)展更加高效綠色的污泥處理處置方法。

1)從源頭減排，在理想情況下，在廢水處理中減少污泥產(chǎn)量，而不是對產(chǎn)生的污泥進行后處理。如更大限度的在水處理過程中進行污泥回用，盡可能減少市政污泥的產(chǎn)生，開發(fā)基于溶胞-隱性生長、能量解偶聯(lián)代謝、維持代謝和動物捕食的污泥減量技術。

2)在市政污泥脫水方面，構建操作簡單、安全高效的物理、化學、生物多方面耦合優(yōu)勢互補的脫水技術。

3)在污泥堆肥再利用方面，應該結合采用先進污泥處理技術，實現(xiàn)更高的病原體的去除、氣味控制和有毒化合物的去除。堆肥產(chǎn)物雖然不能作為農(nóng)用肥料，但能在園林綠化方向和鹽堿地、沙化地等土壤改良、土壤修復方向的運用。加上堆肥本身投資運營成本較低，還是能讓這個處置方式保持良好的活力。

4)還應針對不同特性的市政污泥制定相應的處理處置策略，如對重金屬含量較高的市政污泥就不應采用土地利用的處置方式，可通過焚燒等方式制備陶粒、水泥等既起到了固定重金屬的作用，又變廢為寶節(jié)約資源。對于工業(yè)少或雨污管網(wǎng)完善的地區(qū)，重金屬含量低的市政污泥就應多采用土地利用的方式，做到精準處置，降低處置成本。