污泥生物處理技術在長江大保護中的應用前景

王先愷， 董 濱,2*， 高 勇， 孫凱麗， 次瀚林

1.中國長江三峽集團有限公司， 北京 100038

2.同濟大學環(huán)境科學與工程學院， 上海 200092

3.上?？睖y設計研究院有限公司， 上海 200434

城市污水廠污泥(簡稱“污泥”)是污水在生化和物化過程中的副產物，富含有機質及營養(yǎng)元素，也可能含有大量的病毒、蟲卵、重金屬和有機污染物[1-3]. 經妥善處理的污泥，其產物可作為土壤改良劑或有機肥；未得到妥善處置的污泥，其中的污染物存在轉移到自然環(huán)境的風險，從而造成二次污染[4-6]. 大量污泥沒有得到妥善處置，將嚴重制約著三峽集團長江大保護工作中“長江水質根本好轉”目標的實現(xiàn). 污泥含水率高，并且含有一定量易腐成分，其性質與餐廚垃圾在生物處理上存在較好的互補性，具有協(xié)同處理處置的潛力[7-9]. 中國共產黨第十九屆中央委員會第四次全體會議通過的《中共中央關于堅持和完善中國特色社會主義制度、推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化若干重大問題的決定》要求“健全資源節(jié)約集約循環(huán)利用政策體系，普遍實行垃圾分類和資源化利用制度”，為污泥與餐廚垃圾的協(xié)同處理處置提供了有力的政策支持.

生物處理技術由來已久，厭氧消化和好氧發(fā)酵是最主流的兩種污泥生物處理技術. 生物處理技術可以實現(xiàn)污泥的無害化、穩(wěn)定化、減量化與資源化，而且投資與運行成本相對較低，因此該技術已有廣泛的工程應用案例[10-13]. 然而，現(xiàn)階段我國的污泥生物處理技術已相對成熟，但尚未形成全產業(yè)鏈的行業(yè)標準，導致污泥處理項目運行不暢，甚至出現(xiàn)停產現(xiàn)象[14-15]. 該研究基于長江經濟帶各省市的泥質情況，梳理污泥生物處理技術的發(fā)展情況，研究污泥生物處理技術在長江經濟帶各省市的應用潛力，以期為解決長江大保護中的污泥處理處置問題提供理論支持.

1 長江經濟帶各省市污泥現(xiàn)狀

1.1 長江經濟帶各省市污泥產量

隨著城市化的快速發(fā)展和水體污染防治力度的提高，我國城鎮(zhèn)污水的產量大幅上升，截至2017年，我國城市污水處理量已達492×108m3，污水處理率不足95%. 在未來一段時間里，我國仍將大力推動城鎮(zhèn)污水的收集與處理工作，污水處理量也會持續(xù)快速增長[16]. 長江經濟帶集聚的人口占全國人口的40%以上，污水處理量也占全國污水總處理量的40%以上，未來長江流域的污水處理量也將持續(xù)提升.

污泥承接了污水中的污染物，是污水處理過程的延續(xù)和必然要求，截至2017年，我國污泥產量已突破 5 000×104t (以含水率80%計)，長江經濟帶11省市污泥產量接近 2 000×104t，約占全國污泥總量的40%(見圖1). 長期以來污泥處理處置工作沒有得到應有的重視，污泥無害化處置率處于較低水平，造成了較大的環(huán)境風險. 因此，污泥處理處置短板已成為制約長江水質根本好轉目標達成的關鍵因素之一，解決污泥處理處置問題是長江大保護工作的重要環(huán)節(jié). 此外，《長江保護修復攻堅戰(zhàn)行動計劃》要求在2020年底前，沿江地級及以上城市污泥無害化處理處置率在90%以上，給推進污泥處理處置工作提出了新的要求[16].

圖1 全國及長江經濟帶污泥產量變化Fig.1 Change in sewage sludge production in China and the Yangtze River Economic Belt

1.2 長江經濟帶各省市污泥產率與性質

從全國范圍看，我國污泥與發(fā)達國家污泥相比，具有有機質含量低、微細砂和金屬含量高、泥齡長等特點[14]. 造成國內外泥質差異的主要原因有： ①我國污水管網存在嚴重的“雨污混接”現(xiàn)象，污水廠進水COD濃度低，導致污泥泥齡長； ②我國城市基礎建設處于蓬勃發(fā)展時期，大量砂礫進入污水管網，導致污泥中微細砂含量高、有機質含量低； ③我國工業(yè)污水重金屬處理系統(tǒng)不完善，部分工業(yè)污水混入城市污水處理系統(tǒng)，導致重金屬及其他金屬含量過高[14].

在長江經濟帶范圍內，各省市之間污泥產率與性質也呈現(xiàn)出較大的差異. 根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設部《2017年城鄉(xiāng)統(tǒng)計年鑒》，2017年我國各省(自治區(qū)、直轄市)平均污泥產率為2.26 t/(104m3)〔以DS(干污泥)計〕，長江經濟帶11省市的污泥產率在0.98～2.75 t/(104m3)區(qū)間浮動，整體來看長江經濟帶各省市的污泥產率遠低于全國平均水平(見圖2).

圖2 長江經濟帶各省市污泥產率Fig.2 The yield of sewage sludge in Yangtze River Economic Belt

表1為長江經濟帶和全國污泥pH、有機質及養(yǎng)分含量抽樣調研結果. 由表1可見：長江經濟帶各省市污泥pH均在中性區(qū)間內，總養(yǎng)分含量(TN、P2O5、K2O含量之和)超過5.0%，具有較好的土地利用潛力；然而，長江經濟帶各省市污泥中有機質含量較低，范圍在30%～55%之間，并不適用于厭氧消化等國外常見的污泥處理工藝. 由于缺乏對長江流域污泥產量與泥質的科學估測，給長江經濟帶各省市污泥處理處置項目的規(guī)劃與設計帶來了較大的困難，也造成了已建成污泥處理處置設施運行不穩(wěn)定的現(xiàn)象.

表2為我國污泥中重金屬含量的抽樣調查結果[17-18]. 由表2可見：長江經濟帶各省市污泥中重金屬含量波動較大，長江中下游污泥中重金屬含量高于長江上游. 長江上游污泥中除As和Cu以外，其他重金屬含量均在GB 4284—2018《農用污泥污染物控制標準》限值以內；長江中下游污泥中除Cr和Ni外，其他重金屬含量均超過GB 4284—2018標準限值，污泥產物農用時存在重金屬含量超過標準限值的風險. 因此，選擇污泥處理處置技術路線時，需充分評估污泥中重金屬對其處置途徑的影響.

綜上，長江經濟帶各省市污泥產率及有機質含量普遍低于全國水平，pH為中性、總養(yǎng)分含量超過5.0%、重金屬含量存在超過GB 4284—2018標準限值的風險.

表1 長江經濟帶和全國污泥pH、有機質及養(yǎng)分含量[17]

表2 長江經濟帶和全國污泥重金屬含量以及農用污泥產物重金屬含量限值

注： 1) 標準值參考GB 4284—2018《農用污泥污染物控制標準》.

2 污泥生物處理技術進展及適用性

2.1 污泥厭氧消化技術進展

厭氧消化是指在無氧條件下，由兼性菌和厭氧細菌分解有機質并產生沼氣的過程[19-20]. 厭氧消化技術是西班牙、英國、意大利、芬蘭和斯洛伐克等國家最主流的污泥處理技術[21-22]；美國和日本大多數(shù)污水廠也采用厭氧消化技術處理污泥[14]. 我國污泥厭氧消化率不足3%，與發(fā)達國家相差較大[14]. 究其原因有以下兩點： ①我國的政策長期以來“重水輕泥”，對污泥的處理處置重視程度低，資金投入不足； ②我國污泥有機質含量普遍較低且微細砂含量較高，直接采用國外成熟設備會出現(xiàn)厭氧消化轉化率低、厭氧消化設備運行不穩(wěn)定的現(xiàn)狀； ③缺乏系統(tǒng)規(guī)劃，導致污泥厭氧消化產物消納途徑不明朗. 對于長江經濟帶各省市而言，其污泥中有機質含量普遍低于55%，污泥厭氧消化工程運行的穩(wěn)定性較差的情況尤為普遍.

“十一五”以來，我國全面推進污水處理廠污泥處理處置政策和標準的編制，進而推動污泥厭氧消化工程的落地，我國污泥厭氧消化技術因此得到了有效的發(fā)展，涌現(xiàn)出了一批新技術. 如針對厭氧消化過程中的產氣率與有機質降解率較低問題，開發(fā)了高級厭氧消化技術，即通過高溫熱水解等預處理手段可實現(xiàn)污泥破壁，降低難降解有機質含量，增加易降解有機質含量，提升污泥厭氧消化效率[23-25]；針對污泥來源不穩(wěn)定以及有機質含量較低問題，開發(fā)了污泥與其他有機固體廢物協(xié)同厭氧消化技術，提升共發(fā)酵基質中易生物降解組分的含量、調節(jié)發(fā)酵底物的理化性質，進而提升厭氧消化過程的產氣率，并且產生規(guī)模效應、降低綜合投資成本[9]；針對厭氧消化工程投資運營成本較高問題，開發(fā)了高含固厭氧消化技術(含固率≥15%)，實現(xiàn)在高含固率情況下污泥厭氧消化設備的正常運行，提升了單位體積反應器的污泥處理能力，進而降低反應器體積和保溫能耗[26-27]. 此外，隨著我國污水管網逐步修復與完善、基礎設施建設進度逐漸放緩，我國污泥泥質呈有機質含量上升、微細砂和金屬含量降低、泥齡縮短的趨勢. 由此可見，制約污泥厭氧消化項目推廣的因素正在逐步被破解，污泥厭氧消化技術已具備大規(guī)模推廣的潛力.

2.2 污泥好氧發(fā)酵技術進展

好氧發(fā)酵是指在好氧條件下，由好氧嗜熱菌分解有機質并形成腐殖質的過程[28-29]. 現(xiàn)代好氧發(fā)酵技術源自傳統(tǒng)堆肥技術，廣泛用于有機固體廢物的處理，可實現(xiàn)有機質的高效降解與穩(wěn)定化，其產物可用作有機肥或土壤改良劑[30-31]. 與厭氧消化技術相比，好氧發(fā)酵技術投資成本、運營與維護難度相對較低，在我國已有較多的工程實踐案例. 在實際工程應用中，污泥好氧發(fā)酵技術所面臨的制約因素主要有以下三點： ①好氧發(fā)酵過程中臭氣控制難度大、成本高，缺乏廉價且可靠的臭氣控制技術； ②好氧發(fā)酵需要穩(wěn)定的調理劑來源，而傳統(tǒng)調理劑的供應受到季節(jié)與地域的制約； ③污泥好氧發(fā)酵產品出路不暢，污泥產品的土地利用缺乏規(guī)劃且可能存在環(huán)境風險[32]. 對于長江經濟帶各省市而言，其污泥中重金屬含量存在超過GB 4284—2018標準限值的情況，污泥發(fā)酵產品的出路不暢問題尤為突出.

“十一五”以來，隨著國家產業(yè)政策的傾斜，越來越多好氧發(fā)酵工程得以落地，好氧發(fā)酵工程的設計標準和規(guī)范趨于成熟[13]. 在基礎科研方面，針對污泥好氧發(fā)酵過程的臭氣及溫室氣體大量釋放問題，研究了臭氣及溫室氣體的產生機制，通過提升易降解有機質含量、添加調理劑等方式，減少好氧發(fā)酵過程臭氣及溫室氣體的排放量[33]；針對好氧發(fā)酵過程有機調理劑來源不穩(wěn)定問題，研究了好氧發(fā)酵過程碳源的作用機制，通過使用無機調理劑及反混料部分替代有機調理劑，減少對有機調理劑的依賴[34-35]；針對好氧發(fā)酵產物土地利用時存在重金屬和有機污染物污染的風險，通過強化微生物活性、添加鈍化材料、改變好氧發(fā)酵過程的通風參數(shù)等方式，實現(xiàn)重金屬鈍化、強化有機污染物降解，降低好氧發(fā)酵產物中重金屬活性與有機污染物含量[36-37]. 在好氧發(fā)酵裝備制造上，智能化的控制系統(tǒng)與一體化設備相繼研發(fā)成功并落地使用，采用新型好氧發(fā)酵設備既可以降低好氧發(fā)酵工程的投資與人工成本，又可以精準調節(jié)好氧發(fā)酵過程中的參數(shù)、提高好氧發(fā)酵效率，還可以在全密閉環(huán)境中處理污泥、減少臭氣和溫室氣體排放對環(huán)境的影響[15,35]. 制約污泥好氧發(fā)酵技術推廣的因素也相繼被破解，污泥好氧發(fā)酵技術也將迎來蓬勃的發(fā)展.

2.3 污泥生物技術的適用范圍

缺乏對污泥產物消納途徑的規(guī)劃是除技術條件限制以外導致現(xiàn)有污泥生物處理項目運行不暢的另一原因. 因此，在污泥處理處置項目的設計階段，需充分調研該項目的污泥處理量、泥質、其他城市有機固體廢物的協(xié)同處理處置潛力以及污泥處置途徑，基于每一座城市的具體情況尤其是污泥具體出路，制定相應的規(guī)劃，優(yōu)化各技術單元之間的銜接關系. 采用污泥厭氧消化和好氧發(fā)酵技術處理污泥的基本前提有以下幾個：

a) 污泥厭氧消化設備運行穩(wěn)定性，其主要受到污泥中有機質含量的影響. 當污泥處理量較少時，采用厭氧消化技術的成本相對較高. 針對污泥處理量大于100 t/d的項目，如污泥有機質含量高于50%，可直接采用高級厭氧消化工藝處理污泥；如污泥有機質含量低于50%，若可通過與有機質含量較高的有機固廢(如餐廚垃圾)協(xié)同處理，使得發(fā)酵基質有機質含量高于50%，適合于采用協(xié)同(高級)厭氧消化技術，若不具備協(xié)同厭氧消化條件，不建議采用厭氧消化技術. 針對污泥處理量小于100 t/d的項目，若有足夠有機固廢可供協(xié)同，即污泥與其他有機固廢處理的處理量之和大于100 t/d時，可采用協(xié)同(高級)厭氧消化技術，否則不建議采用厭氧消化技術.

b) 經厭氧消化后的污泥，可根據(jù)城市實際情況選取污泥產物的消納途徑. 針對污泥產物中重金屬含量不超過標準限值情形(見表2)，若項目所在地具備土地利用條件，可采用好氧發(fā)酵技術對其進行穩(wěn)定化處理，其后進行土地利用；若項目所在地具備建材利用條件，可直接進行建材利用或焚燒后進行建材利用；若項目所在地不具備資源化條件，則需(協(xié)同)焚燒后進行填埋處置. 針對污泥中重金屬含量超過GB 4284—2018標準限值的情況，需(協(xié)同)焚燒后進行填埋處置.

c) 好氧發(fā)酵技術對污泥有機質含量要求較低，而且長江經濟帶各省市污泥養(yǎng)分含量較高(見表1)，然而，僅當污泥中重金屬含量不超過GB 4284—2018標準限值(見表2)且項目所在地具備足夠的土地利用潛力時，才適合采用好氧發(fā)酵技術處理污泥. 針對污泥處理量大于100 t/d的項目，好氧發(fā)酵可作為污泥厭氧消化的后續(xù)工藝，實現(xiàn)厭氧消化污泥的穩(wěn)定化，使之符合土地利用的需求，這也是歐美國家廣泛使用的技術路線[20]；針對污泥處理量小于100 t/d的項目，可采取好氧發(fā)酵后直接進行土地利用技術路線，該技術路線在長江經濟帶農村污水污泥處理處置項目上具有較大的優(yōu)勢和推廣潛力.

綜上，污泥處理處置是一個系統(tǒng)工程，污泥生物處理技術具有其局限性. 但是，通過與上下游技術相協(xié)同，污泥生物處理技術不僅可以實現(xiàn)污泥的資源化，還具備經濟可行、環(huán)保可靠等特點. 因此，經過合適的規(guī)劃與有效的協(xié)同，污泥生物處理技術可在長江保護工作中發(fā)揮較大的作用.

3 結論與建議

a) 長江經濟帶各省市污泥產量約占全國污泥產量的40%，污泥產率普遍低于全國平均水平，長江經濟帶各省市污泥有機質含量低于55%、pH為中性、總養(yǎng)分含量超過5.0%，重金屬含量存在超過GB 4284—2018標準限值的風險.

b) 高級厭氧消化、協(xié)同厭氧消化和高含固厭氧消化等技術的發(fā)展破解了由于長江經濟帶污泥有機質含量普遍較低而導致的污泥厭氧消化穩(wěn)定性低的問題，降低了污泥厭氧消化工程的成本.

c) 污泥好氧發(fā)酵過程重金屬鈍化技術的發(fā)展在一定程度上破解了由于長江經濟帶污泥重金屬含量過高而導致的污泥發(fā)酵產物出路不暢問題.

d) 污泥生物處理技術仍具有一定的局限性，通過合適的規(guī)劃，污泥生物處理技術可與其他污泥處理處置技術高效耦合，具有廣泛應用于長江大保護污泥處理處置項目的潛力.