我國城鎮(zhèn)污泥資源化利用綜述

黃英才 許丹丹 白少元 劉宇輝

摘要：近些年來，我國在污水處理能力方面取得重大進(jìn)步，已基本實現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化處理，但污泥資源化利用方面卻沒有較大的突破。文章介紹了我國剩余污泥產(chǎn)量與來源，污泥處理技術(shù)及其優(yōu)缺點，而后根據(jù)污泥特性列舉了資源化利用的技術(shù)和工藝。

關(guān)鍵詞：污泥;污泥濃縮脫水;污泥資源化

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）11-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.11.116

Review on utilization of municipal sludge resources in China

Huang Yingcai1， Xu Dandan1， Bai Shaoyuan1， Liu Yuhui2

（1.College of Environmental Science and the Environment of Guilin University of Technology，Guilin Guangxi 541004，China;

2.Guangxi Hengsheng Water Environment Treatment Co.，Ltd.，Guilin Guangxi 541100，China）

Abstract：In recent years， great progress has been made in sewage treatment capacity in China， and sludge reduction and stabilization have been basically realized， but there is no great breakthrough in sludge resource utilization.This paper introduces the production and source of excess sludge， sludge treatment technology and its advantages and disadvantages， and then lists the technology and process of resource utilization according to the characteristics of sludge.

Key words：Sludge;Sludge thickening and dewatering;Sludge recycling

自進(jìn)入21世紀(jì)以來，城市化與污水處理量的增大，使得生活污水排量與城市污泥的產(chǎn)量不斷增加，污水處理廠的剩余污泥處置問題日益突出。大量的存在于污水處理中難以通過物理方式去除的物質(zhì)，在氧化溝、AAO等工藝的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)槲勰?。由于污泥成分十分?fù)雜，包含了大量的污染物、多種微生物、致癌物以及大量水分、富含有機物和N、P、K等無機元素，因此需要被妥善處理，否則會造成生態(tài)環(huán)境污染。將污泥成分資源化利用，即可緩解當(dāng)下城市污水處理廠剩余污泥處置的難題。

1 剩余污泥的來源和產(chǎn)量

污水處理廠的增加與污水處理能力提升會導(dǎo)致大量的剩余污泥的產(chǎn)生。根據(jù)經(jīng)驗估算：污水處理廠在每天處理1萬t污水的情況下會產(chǎn)生6～10t污泥，在每天處理2 000t生活污水的情況下會產(chǎn)生1.0～1.2t污泥。據(jù)《十三五規(guī)劃》要求，在不斷完善我國污水處理基礎(chǔ)建設(shè)的情況下，提出對污泥穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置的更高要求。要求我國城鎮(zhèn)污水處理率進(jìn)一步提高，要求京津冀地區(qū)的污泥無害化處理達(dá)95%，其他地區(qū)達(dá)到90%。預(yù)計2020 年將達(dá)到年

6 000～9 000萬t。

2 剩余污泥濃縮脫水技術(shù)

在經(jīng)過初級沉淀池、二沉池處理后的污泥通常具有較高的含水率，如果不對其進(jìn)行污泥濃縮、脫水，便難以進(jìn)行后續(xù)的處理，進(jìn)行資源化利用。

2.1 污泥濃縮

在污水處理工藝、污泥性質(zhì)等因素影響下，通常采用重力濃縮法、離心濃縮法與氣浮濃縮法等3種方法使污泥濃縮。污泥濃縮可以有效地降低污泥含水率、減少污泥體積并使其稠化。我國主要的污泥脫水工藝與國外污泥處置工藝大致相同，主要有：

2.1.1 重力濃縮法

重力沉降法可以讓污泥在濃縮池中通過重力沉降作用達(dá)到與水分離的目的。重力濃縮法可以使含固率為0.3%～2.5%的稀污泥濃縮至含固率3%～6%，體積縮小2～5倍。在池內(nèi)停留時間為6～8h。此法優(yōu)點是簡便，費用低，但存在面積大，效率低的缺點。重力濃縮法是目前國內(nèi)最主要的濃縮法。

2.1.2 氣浮濃縮法

氣浮法是在氣浮池池底安裝許多納米級的氣孔，通過釋放微小氣泡粘附污泥顆粒，使得氣泡攜帶污泥顆粒上浮并濃縮，可用氣浮法處理疏水性污泥和濃縮時容易發(fā)酵的活性污泥。但由于系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致了其運行管理難度大且運行費用高，因此，氣浮濃縮法并未成為我國污泥處理行業(yè)的主流濃縮工藝。

2.1.3 離心濃縮法

離心法利用污泥中的固體顆粒和水的密度差產(chǎn)生離心力的差異來達(dá)到分離效果。離心濃縮法一般用于難脫水的物質(zhì)，其特點是具有較高的效率、占地面積較小、衛(wèi)生條件較好。

上述3種工藝，在實際處理污泥濃縮過程中暴露了許多問題，如重力濃縮工藝對剩余污泥濃縮效果差、效率低。目前，隨著污泥產(chǎn)生量的增多以及AAO工藝、氧化溝、SBR、曝氣生物濾池法等污水處理新工藝的不斷增多，得到的剩余污泥中所含N、P顯著增加，重力濃縮的缺陷進(jìn)一步放大。近年來，離心濃縮法有著取代重力濃縮的趨勢。氣浮濃縮雖然具有效率高、耗時短等特點，但其昂貴的維護(hù)成本并不適用于目前我國的污水處理廠。

2.2 污泥脫水

要利用、運送、焚燒污泥通常要將污泥含水率降至90%以下。因此，濃縮后的污泥需要進(jìn)行進(jìn)一步進(jìn)行脫水，有效地降低污泥中的含水率。

2.2.1 自然干化法

在自然干燥的過程中，污泥干化場中的污泥通過在薄層礫石和沙子上的滲透和蒸發(fā)而減少其含水率。下滲過程通常需要2～3d，才能將含水率降低至80%左右。污泥干化場的脫水效果受濕度、蒸發(fā)量和氣溫的影響，它通常受用于干旱、少雨和沙土地區(qū)。

2.2.2 機械脫水法

通過機械作用的方式脫去污泥中的水分。目前我國污泥脫水的常用的污泥脫水設(shè)備主要有疊螺脫水機、板框脫水機、帶式脫水機、離心機脫水機?？筛鶕?jù)不同設(shè)備的原理，在不同情況下選擇合適的脫水設(shè)備，如疊螺脫水機占地小且能耗低適用于小型的污水處理廠。雖然目前我國在機械脫水設(shè)備上與其他國家并無太大差距，但在脫水效率和處理藥劑的投加量方面仍有較大差距。

3 剩余污泥穩(wěn)定化處理

將污泥中腐敗不穩(wěn)定物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定物質(zhì)的過程稱為污泥穩(wěn)定化處理。有研究表明[7]：在穩(wěn)定化處理的過程中，有機物質(zhì)經(jīng)過厭氧消化或好氧消化的產(chǎn)物中富含腐殖酸，污泥中的微生物在腐殖酸的作用下對有機物的分解速率減慢，因此經(jīng)穩(wěn)定化處理的產(chǎn)物不再腐爛發(fā)臭。污泥消化按照微生物的內(nèi)源代謝過程可分為污泥厭氧消化與污泥好氧消化兩類。通過污泥穩(wěn)定化處理可減少致病菌、污染物的含量，提高污泥穩(wěn)定性。

3.1 厭氧消化

污泥厭氧消化的原理是在無氧的條件下，利用兼性菌與厭氧菌進(jìn)行消化反應(yīng)，將污泥中的有機質(zhì)分解為甲烷等氣體以資源化利用。厭氧消化是實現(xiàn)污泥穩(wěn)定化的基本方式，在國內(nèi)污泥進(jìn)行厭氧處理過程中存在著以下問題：有機物的含量偏低，有機物厭氧消化分解率偏低，產(chǎn)氣量偏低;污泥停留時間長和反應(yīng)器體積大[1]。

3.2 污泥好氧消化

微生物自身內(nèi)源呼吸作用可以有效地將污泥中的有機質(zhì)進(jìn)行降解，污泥好氧呼吸便是利用了這一原理。雖然好氧消化法需要不斷曝氣、功耗較大，但由于其投資少、運行方便、工藝簡單的優(yōu)點許多小型的污水廠傾向于選擇污泥好氧消化。

4 剩余污泥資源化技術(shù)、工藝

4.1 污泥制農(nóng)肥

污泥在一定的重金屬含量的范圍內(nèi)通過預(yù)處理、好氧發(fā)酵、厭氧發(fā)酵、烘干、添加料的方式進(jìn)行污泥堆肥。不同的地區(qū)，不同的城市可根據(jù)當(dāng)?shù)氐奈勰喑煞种瞥刹煌挠袡C復(fù)合肥，選擇經(jīng)濟(jì)有效的方法對污泥進(jìn)行農(nóng)肥利用。這樣既可以減少城市污染，污泥處理的負(fù)擔(dān)，又可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

污泥中的大量水分、有機物及氮、磷、鉀等無機元素經(jīng)過處理，可作為土壤改良劑參與農(nóng)田林地的土壤改良。要形成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)堆肥產(chǎn)品，需要利用微生物的發(fā)酵作用，發(fā)酵時的溫度可達(dá)到將污泥中的寄生蟲和病原菌滅除的效果。污泥堆肥處理有著土壤改良、改善污泥處理方式、提高土地利用、生產(chǎn)出可出售的產(chǎn)品等優(yōu)點。但同時也存在著費時、占用土地、臭氣污染等因素制約著污泥堆肥進(jìn)一步應(yīng)用在污泥資源化利用上。并且，如有機物和重金屬等難降解物質(zhì)無法通過堆肥去除，導(dǎo)致重金屬會在土壤中下滲，對環(huán)境造成二次污染。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的擴(kuò)大必然會形成對有機肥料的大量需求。同時，也會有效地拉動污泥堆肥的發(fā)展。

4.2 厭氧消化產(chǎn)沼氣

污泥厭氧消化通過分解污泥中有機質(zhì)，得到CH4等可能源利用的氣體。通過利用不同的厭氧消化工藝和菌種，可產(chǎn)生如CH4、H2、C2H5OH等不同的代謝產(chǎn)物。為了改善我國污泥有機質(zhì)相比發(fā)達(dá)國家較低，可生化性較差、有機物的轉(zhuǎn)化程度較低等問題，各種工藝，如預(yù)處理工藝、混合消化工藝、多級多相消化工藝、生物酶及菌種工藝等應(yīng)運而生。污泥厭氧消化可以回收生物質(zhì)能、降低污水處理廠能耗、減少溫室氣體排放、穩(wěn)定性較高、運行管理方便的優(yōu)點實現(xiàn)了污泥處理的減量化、無害化、資源化，但消化殘渣的后續(xù)處理、產(chǎn)氣量偏低等仍是當(dāng)下我國污泥厭氧消化的主要問題。

4.3 污泥制磚

經(jīng)研究，污泥在經(jīng)焚燒后的泥灰與黏土成分相似。目前可以通過焚燒污泥和污泥干化兩種方法來實現(xiàn)污泥制磚[5]。根據(jù)市場的不同要求，需要選擇合適的制磚工藝，調(diào)節(jié)污泥的混合比例得到不同性能的磚塊。

4.4 污泥制水泥

在水泥的生產(chǎn)過程中，需要經(jīng)過高溫?zé)?。?jù)調(diào)查，污泥中存在著大量的Al、Si、Ca等元素，經(jīng)焚燒過后污泥在化學(xué)性質(zhì)上與黏土類似，可將污泥用作水泥的生產(chǎn)，同時為了進(jìn)一步對污泥進(jìn)行資源化利用，可將污泥在制水泥時作為燃燒物從而進(jìn)最大化利用其熱值。但由于污泥中包含了大量的污染物，所以需要對燒制過程產(chǎn)生的大量酸性有害氣體進(jìn)行特別處理[2]。

4.5 污泥制陶粒

利用污泥制作陶粒需要經(jīng)過混合、造粒、焙燒、冷卻等一系列流程。對于含重金屬率較高的污泥，將其制作成陶?？梢云鸬街亟饘俟袒饔谩Ｌ樟Ｙ|(zhì)量輕、強度高、具有良好的保溫性，將污泥制作成陶粒資源化利用可以對我國污泥產(chǎn)量大的問題進(jìn)行一定程度的緩解，具有較好的商業(yè)前景。

5 剩余污泥綜合利用

一般來說，一種合適的污泥處理方式的可行與否取決于其能否兼顧到環(huán)境效益、成本和經(jīng)濟(jì)效益三者之間的平衡。污泥的最終處理方式有以下方面：

5.1 土地利用

土地利用是指將污泥用作農(nóng)用、林業(yè)、景觀綠化、土壤修復(fù)、沙化治理等方面上。在進(jìn)行土地利用之前，需要對污泥進(jìn)行穩(wěn)定化處理，否則會導(dǎo)致土壤二次污染產(chǎn)生。污泥堆肥處理有著土壤改良、改善污泥處理方式、提高土地利用、生產(chǎn)出可出售的產(chǎn)品等優(yōu)點。但同時也存在著重金屬難以去除、臭氣污染等因素制約著污泥堆肥進(jìn)一步應(yīng)用在污泥農(nóng)田林地利用上。

以桂林市為例，據(jù)調(diào)查指出[7]：桂林市污水處理廠中的污泥含氮、磷等成分與有機物成分較為豐富，用作農(nóng)肥有明顯的增產(chǎn);且重金屬含量符合國家標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)適當(dāng)處理后可避免產(chǎn)生二次污染。

5.2 干化焚燒

在對含有較高含水量的污泥進(jìn)行干化處理后，干化后，污泥顆粒保持了較高的熱值（90%），可以對其進(jìn)行焚燒處理。焚燒處理可以使污泥體積減量，得到的焚燒灰可用作制作建材。近幾年來由于污泥焚燒的簡便操作性、焚燒污泥成了國際上的主流。經(jīng)過消化提取的甲烷或其他氣體用作化工原料可用作燃煤的輔助燃料與煤摻燒。在高溫的爐膛內(nèi)，隨著污泥與煤一起燃燒，既可以充分利用污泥的熱值，又得到了安全的處理。

5.3 建筑材料化

污泥中含30%無機物，富含Al、Si、Ca與其他微量元素。是制磚、制水泥的理想原料。工業(yè)廢水中的污泥和沉渣經(jīng)妥善處理后也可制建筑材料。經(jīng)過焚燒后制磚、添加木屑、玻璃纖維后壓制板材以及用于鋪路和填坑。

建筑材料利用可以緩解我國污泥產(chǎn)量大的問題，同時節(jié)省資源與能源損耗。但是，目前我國存在著利用率低、強度低因素影響了污泥在建筑材料的進(jìn)一步利用。國外發(fā)達(dá)國家已得到初步發(fā)展，我國污泥建筑材料應(yīng)用占污泥處置方式比例較低（3%～6%），未來需要規(guī)范污泥處理行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，提升污泥資源化利用的可行性、加大研發(fā)力度。

5.4 衛(wèi)生填埋

由于我國大部分地區(qū)發(fā)展還較落后，且受限于人口多、污水處理量大、污泥產(chǎn)量大等因素，我國大部分地區(qū)在最終處置污泥方法上仍采用了衛(wèi)生填埋的形式。衛(wèi)生填埋可根據(jù)填埋場地的特性和污泥的含固率分為溝填、平面式填埋、筑堤填埋3種。衛(wèi)生填埋不需要過多的投資，處理簡單，由于污泥可降解，若干年后可以重新騰出空間用于填埋新的污泥，衛(wèi)生填埋占我國污泥處置方式比例較大（60%～65%），是我國主要的污泥處置方式。

6 國內(nèi)外污泥處置現(xiàn)狀

經(jīng)調(diào)查得出[3]：發(fā)達(dá)國家如日本由于土地資源缺乏，其污泥處置方式主要為焚燒后資源化利用，農(nóng)用、衛(wèi)生填埋占比較小。歐洲各國污泥處置方式與其經(jīng)濟(jì)條件、土地資源、氣候條件有關(guān)，對污泥形成循環(huán)利用優(yōu)先、焚燒利用、土地填埋為次。美國在污泥處置方式上積極探索，逐步降低土地填埋占污泥處理的主要比例，轉(zhuǎn)而向土地利用、其他有效利用的方面發(fā)展[3]。

在我國，由于法律監(jiān)管體系不完善、資金緊缺和投資不足，導(dǎo)致了我國污水處理廠與污水處理行業(yè)存在著嚴(yán)重的“重水輕泥”的現(xiàn)象。雖然我國已經(jīng)基本實現(xiàn)了減量化，但是距離實現(xiàn)無害化、穩(wěn)定化、資源化尚且存在一定差距。例如：在污泥焚燒處理中，產(chǎn)生的二噁英、二氧化硫等有害氣體無法得到有效解決，導(dǎo)致對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。發(fā)達(dá)國家處理污泥的方式和途徑值得我們借鑒。隨著未來污泥處理技術(shù)、工藝的開發(fā)應(yīng)用與我國污泥性質(zhì)的改善，加之污泥厭氧消化效率及產(chǎn)氣率的提高、未來能源價格與需求的上漲，污泥處理設(shè)備成本的降低，我國污泥處理也會向資源化利用方面發(fā)展。

7 思考與展望

經(jīng)過調(diào)查，我國污水處理量與污泥產(chǎn)生量十分龐大。我國污泥處理行業(yè)受限于經(jīng)濟(jì)、監(jiān)管制度、污泥處理技術(shù)水平等因素影響，并未形成對城市、工業(yè)污泥的綜合利用與循環(huán)利用。此外，由于對污水廠建設(shè)投資不足，“重水輕泥”的問題得不到解決。簡而言之，我國的污水處理能力已經(jīng)接近國外發(fā)達(dá)國家，但是對剩余污泥的處理距離發(fā)達(dá)國家仍存在一定的差距。在實際處理中，無法做到污泥的穩(wěn)定化、無害化、資源化處理。《“十三五”規(guī)劃》中提出要加快污泥資源化、多污染協(xié)同處理方面的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，生態(tài)環(huán)境部將污泥妥善處理處置納入污水總量減排考核，由此可看出，我國近年來對污泥資源化越加重視。在未來，我國社會的經(jīng)濟(jì)形勢決定了我國處理污泥形式仍然是以土地填埋為主，并且借鑒發(fā)達(dá)國家處理污泥的方式，積極向能源化利用、建筑材料化利用、土地利用方面發(fā)展。同時需要制定相應(yīng)的制度、建立污泥處置管理機制予以支持污泥資源化利用。

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收稿日期：2020-08-02

作者簡介：黃英才（2001-），男，漢族，本科，研究方向為水污染控制。

通訊作者：許丹丹（1989-），女，漢族，博士，講師，研究方向為水污染控制及環(huán)境功能材料。