基于分離預(yù)處理的城鎮(zhèn)污泥原位資源化技術(shù)分析

王學(xué)科，陳北洋，周保衛(wèi)，穆童，張春苗，楊再威，汪誠文?

（1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；2.華電水務(wù)科技股份有限公司，北京 100070；3.天津壹新環(huán)保工程有限公司，天津 300403）

0 引言

污水是資源和能源的載體，污水中化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）對應(yīng)有機(jī)物含有大量化學(xué)能，COD 為1 mg/L 時(shí)1 m3污水含化學(xué)能約16.2 kJ，是污水能源利用的主要途徑［1-3］。

然而，我國污水處理長期以來“重水輕泥”，污泥處理設(shè)施能力不足；穩(wěn)定化、資源化利用率低；綠色生態(tài)化處置方式更無從談起。截至2019年年底，全國城市污水處理廠年產(chǎn)含水率為80%的污泥已超6 000 萬t，處置方式中污泥填埋占65%，焚燒占20%，土地及其他方式利用占15%［4］。

2020 年7 月出臺(tái)的《城鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施補(bǔ)短板強(qiáng)弱項(xiàng)實(shí)施方案》要求加快推進(jìn)污泥無害化和資源化利用，在減量化基礎(chǔ)上因地制宜地選擇適宜的處置技術(shù)路線，使污泥處理處置成為城市廢物生態(tài)循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈中的一環(huán)，形成可持續(xù)的污泥利用和消納模式［5］。政策方面，調(diào)整運(yùn)營服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制，將特許經(jīng)營項(xiàng)目污泥處理處置費(fèi)用并入污水處理服務(wù)費(fèi)，旨在將污泥資源化利用的主動(dòng)權(quán)向社會(huì)資本方轉(zhuǎn)移，促進(jìn)污水處理廠深入挖掘污泥的資源屬性，力爭實(shí)現(xiàn)變廢為寶。

1 污泥成分及特點(diǎn)

1.1 污泥成分

污泥是污水處理中有機(jī)污染物的主要富集載體，有機(jī)污染物含量差異大、種類繁多，決定了污泥構(gòu)成的復(fù)雜性［6］。

污泥中的有機(jī)成分主要包括細(xì)菌菌體、有機(jī)殘片及胞外聚合物（extracellular polymeric substance，EPS）等，污水中質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%～50%的COD、20%～30%的氮和約90%的磷轉(zhuǎn)入污泥中，如能夠合理利用，是非常寶貴的資源。

污泥中的無機(jī)成分主要包括無機(jī)金屬鹽、砂等。以處理生活污水為主的污水處理廠初次沉淀污泥與二次沉淀污泥無機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%，含砂率10%～15%。處理工業(yè)廢水占比較高的污水處理廠初次沉淀污泥與二次沉淀污泥中無機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～70%，含砂率高達(dá)22%～44%［7］。

污泥中無機(jī)成分占比高，主要由于無機(jī)質(zhì)占比與污水中工業(yè)廢水比例呈正相關(guān)性。城市污水處理廠多混合工業(yè)廢水，因此污泥中無機(jī)質(zhì)占比一般在50%以上。同時(shí)，我國城市管網(wǎng)建設(shè)雨污分流不徹底，污水處理廠除砂設(shè)備效率低，導(dǎo)致污泥含砂率高。另外，污水處理中投加的化學(xué)除磷藥劑主要為聚鐵或聚鋁等混凝劑，也引入了大量無機(jī)鹽類。污水處理廠污泥成分及各項(xiàng)占比如圖1所示。

圖1 污泥成分及各項(xiàng)占比Fig.1 Composition and proportion of components in sludge

1.2 污泥性狀特點(diǎn)

污泥中50%～90%的有機(jī)物以EPS 和微生物菌體形式存在。EPS 由多聚糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸以及某些小分子類物質(zhì)相互結(jié)合聚集而成［8］。EPS作為有機(jī)聚合體，黏度大、難降解，制約了污泥脫水和資源化利用。因此EPS的降解是實(shí)現(xiàn)污泥高效資源化利用的關(guān)鍵因素［9］。

污泥常溫脫水惡臭污染物來源于污水、污泥及其厭氧產(chǎn)物，主要分為含硫化合物、含氮化合物、含氧有機(jī)物以及烴類化合物［10-11］。眾多污染物中，H2S和NH3的排放濃度最高。污泥加熱干燥惡臭污染物來源還包括不穩(wěn)定化合物受熱分解產(chǎn)物，如CO，SO2，NOx等，其成分和濃度受加熱時(shí)間及溫度影響大。惡臭污染物嗅閾值低，極易損害生活環(huán)境。

污水處理需要加入大量絮凝劑，導(dǎo)致污泥中鋁鐵鹽含量較高。鋁并不是植物生長的必需元素，當(dāng)Al3+被動(dòng)進(jìn)入植物營養(yǎng)器官后會(huì)積累在細(xì)胞壁或細(xì)胞器中并影響植物的營養(yǎng)生長和生殖生長［12］。多數(shù)陸生植物對Al的毒害作用極其敏感，Al抑制植物根尖細(xì)胞生長和細(xì)胞分裂，使植物根變短、變粗，影響根對水分和養(yǎng)分的吸收。Al 還會(huì)抑制植物對P，Ca，Mg，F(xiàn)e，K，Mn 和Cu 等礦質(zhì)元素的吸收、積累和代謝，所以直接用污水處理廠原泥做成的成品肥料不僅肥效低而且不利于植物生長。

污水處理廠進(jìn)水中污泥有機(jī)物含量（VS/TS）約50%，砂含量高、粒度小，平均粒度低于50 μm，粒度為200 μm以下顆粒占90%以上［13］。

1.3 污泥資源化利用的限制因素

由于污泥性狀的特殊性，在資源化利用方面存在諸多問題和弊端。首先，由于污泥有機(jī)物含量低、熱值低，直接干化焚燒處理成本高；厭氧消化產(chǎn)沼率低；好氧堆肥輔料摻加量大；碳化需借助外加熱源，能耗成本極高。其次，由于砂占比較高，磨損增加，影響設(shè)備使用壽命［14］。另外，無機(jī)鹽類占比高，土地利用存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2 污泥分離預(yù)處理技術(shù)

2.1 污泥全面資源化利用思路

根據(jù)污泥成分及特點(diǎn)，結(jié)合污水處理廠生產(chǎn)運(yùn)行情況，提出在經(jīng)濟(jì)合理范圍內(nèi)增加污泥分離預(yù)處理工序段，將污泥的有機(jī)物、無機(jī)鹽類、砂成分進(jìn)行分離，并在污水處理廠內(nèi)分別進(jìn)行“原位”資源化利用的思路。分離出的有機(jī)物經(jīng)脫水干化后制成生物質(zhì)燃料，或經(jīng)過好氧堆肥制成肥料；鋁鐵鹽作為絮凝劑循環(huán)利用；磷鹽制成磷肥；砂經(jīng)脫水并自氧化干化后可作為建材或路基土使用，如圖2 所示。壓濾水及沖洗水回至污水處理廠前端處理后達(dá)標(biāo)排放。污泥的分離預(yù)處理工藝可以直接和污水處理工藝進(jìn)行耦合，將二次沉淀池和生化段產(chǎn)生的污泥直接進(jìn)行預(yù)處理，完成污泥的原位減量化、穩(wěn)定化，分離后的各成分結(jié)合后續(xù)資源化，實(shí)現(xiàn)污泥“源頭減量+梯級(jí)利用+末端資源化”。

圖2 污泥全面資源化利用思路Fig.2 Comprehensive utilization process of sludge

2.2 分離預(yù)處理方法

2.2.1 污泥改性

在含水率約95%的污泥中投加復(fù)合型滅菌劑，滅菌后污泥進(jìn)入菌膠團(tuán)破碎裝置并加入氧化劑（不含鐵鹽、鋁鹽及氯離子）進(jìn)行改性，破壞污泥EPS，使污泥中鐵、鋁、磷的氧化物還原成溶解態(tài)溶入液相。

2.2.2 污泥淋洗

將改性后的污泥進(jìn)行固液分離，對固相污泥進(jìn)行反復(fù)淋洗，目的是將無機(jī)鹽類最大程度溶解、浸提出來，并對分離出的上清液與淋洗液進(jìn)行收集。

2.2.3 磷和鋁鐵鹽的分離

在收集的上清液及淋洗液中加入還原性藥劑，將其中溶解性磷鹽還原成氧化物或氫氧化物并進(jìn)行沉淀反應(yīng)得到含磷的混合物，固液分離后液相為鋁鐵鹽。圖3 為污泥中磷鹽及鋁鐵鹽的分離效果，其中圖3a為沉淀反應(yīng)后的含磷混合物，圖3b為改性后的污泥，圖3c為含鐵、鋁的上清液。

圖3 污泥中磷鹽及鋁鐵鹽的分離效果Fig.3 Separation effect of phosphorus，iron and aluminum salts in sludge

2.2.4 有機(jī)污泥和砂的分離

經(jīng)過淋洗的固相污泥進(jìn)入砂分離裝置，利用有機(jī)污泥與砂的比重差（相差2～3 倍）進(jìn)行旋流分離，分離出輕質(zhì)有機(jī)污泥和重質(zhì)砂組分。圖4為污泥中砂與有機(jī)組分的分離效果，其中圖4a為固相污泥經(jīng)旋流分離后的砂，圖4b 為旋流分離除砂裝置，圖4c為旋流分離后的有機(jī)污泥。

圖4 污泥中砂與有機(jī)組分的分離效果Fig.4 Separation effect of sand and organic components in sludge

2.2.5 脫水

將砂組分與2.2.3步驟分離出的無機(jī)磷鹽混合脫水，脫出泥餅即為無機(jī)泥餅。分離出的輕質(zhì)有機(jī)組分脫水后即為有機(jī)泥餅。

2.2.6 廢液和廢氣的處理

脫水濾液部分回至工藝前段用于污泥調(diào)質(zhì)和沖洗，少量剩余廢水進(jìn)入污水處理系統(tǒng)。污泥在調(diào)質(zhì)滅菌及分離環(huán)節(jié)全部采用密閉罐體或池體，內(nèi)部空間采用負(fù)壓抽氣，氣體處理后達(dá)標(biāo)排放。

2.3 分離預(yù)處理的工藝流程

污泥經(jīng)稀釋調(diào)質(zhì)、滅菌處理后，首先進(jìn)入菌膠團(tuán)破碎裝置進(jìn)行改性，使污泥中EPS徹底失去作用，污泥黏性降低；隨后污泥進(jìn)入有機(jī)無機(jī)分離裝置，分離后的有機(jī)和無機(jī)組分分別進(jìn)行高壓脫水，后續(xù)可對干泥進(jìn)行資源化利用；分離出的鋁鐵鹽等則作為絮凝劑在污水處理廠進(jìn)行回用，如圖5所示。

圖5 污泥分離工藝流程Fig.5 Sludge separation process

3 分離預(yù)處理技術(shù)的應(yīng)用效果

3.1 對EPS的破壞效果

對經(jīng)過滅菌和菌膠團(tuán)破碎處理后的污泥EPS進(jìn)行電鏡掃描觀察，污泥外包裹的絮體結(jié)構(gòu)被徹底破壞，結(jié)構(gòu)變得松散，污泥黏性降低，無法再裹挾大量水分，因此脫水性能有實(shí)質(zhì)性提升。添加少量聚丙烯酰胺助濾劑即可脫水至含水率65%以下甚至更低，脫水效果明顯增強(qiáng)，且?guī)缀醪辉黾游勰囿w量，使后續(xù)處理設(shè)施效率更高，投資更少。

3.2 有機(jī)與無機(jī)成分分離效果

EPS 的破壞可實(shí)現(xiàn)污泥有機(jī)和無機(jī)組分分離，最高可使原泥中80%的無機(jī)物被分離出來。按照原泥中有機(jī)物與無機(jī)物各占50%計(jì)算，最終的分離比例為有機(jī)污泥60%，無機(jī)污泥40%。折合1 t含水率80%的污泥經(jīng)處理后可分離出含水率60%以下的無機(jī)污泥200 kg，含水率65%的有機(jī)污泥343 kg。經(jīng)過檢測，有機(jī)污泥中有機(jī)物含量高于75%，無機(jī)污泥中有機(jī)物含量低于5%，如圖6所示。

圖6 污泥有機(jī)與無機(jī)成分分離效果Fig.6 Separation effect of organic and inorganic components in sludge

3.3 有機(jī)與無機(jī)成分分離對污泥熱值提升效果

污泥中的有機(jī)物含量決定了污泥的熱值和可消化性，有機(jī)與無機(jī)成分分離工藝最直觀的檢測方式是檢測原泥分離后的有機(jī)污泥熱值提升情況。對比天津市武清區(qū)污水處理廠6批次污泥樣品進(jìn)行分離預(yù)處理后的熱值數(shù)據(jù)，見表1。

表1 污泥分離前后熱值對比Tab.1 Comparison of calorific value before and after sludge separationMJ/kg

通過多次取樣檢測，結(jié)果顯示有機(jī)污泥的熱值穩(wěn)定在12 MJ/kg以上，已接近生物質(zhì)燃料的熱值，并且分離后的有機(jī)污泥的性質(zhì)相比原泥更加穩(wěn)定，使后續(xù)工藝的穩(wěn)定性更有保證。分離后有機(jī)污泥的工業(yè)分析見表2。

表2 有機(jī)污泥的工業(yè)分析Tab.2 Proximate analysis of organic sludge%

4 分離組分資源化應(yīng)用

污泥有機(jī)與無機(jī)成分分離工藝可作為現(xiàn)有常規(guī)工藝的預(yù)處理工藝，后續(xù)可對接所有主流工藝，并補(bǔ)足其短板。

4.1 有機(jī)組分資源化

4.1.1 干化焚燒

以10.00 t含水率80%污泥為例，直接干化至含水率30%，需蒸發(fā)水7.15 t；脫水至含水率65%再干化至含水率30%，蒸發(fā)水2.86 t；而先分離無機(jī)組分及壓濾水再深度脫水至含水率65%，最后干化至含水率30%，僅需蒸發(fā)水量1.72 t?？梢姺蛛x預(yù)處理可顯著降低蒸發(fā)水量，降低能耗，如圖7所示［15］。

圖7 蒸發(fā)水量對比Fig.7 Comparison of water evaporation

分離預(yù)處理使焚燒階段不再因存在無機(jī)物而浪費(fèi)熱能，實(shí)現(xiàn)了污泥處理系統(tǒng)的熱能自平衡，污泥的干化焚燒不再需要任何附加燃料。分離出的有機(jī)污泥既可單獨(dú)焚燒，也可在火電廠進(jìn)行燃煤摻燒，如圖8所示。工程應(yīng)用中，污泥焚燒產(chǎn)生廢氣經(jīng)過煙氣處理可滿足GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中排放標(biāo)準(zhǔn)。焚燒后的爐渣滿足GB 25031—2010《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置制磚用泥質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 有機(jī)污泥的焚燒過程Fig.8 Incineration process of organic sludge

4.1.2 好氧堆肥

分離出的有機(jī)污泥無需添加輔料即符合污泥堆肥的要求，可降低好氧堆肥系統(tǒng)的投資及運(yùn)行成本，并使堆肥升溫速率更快。通過對分離后有機(jī)污泥堆肥現(xiàn)場的數(shù)據(jù)監(jiān)測可以看出，堆體溫度在5 d內(nèi)即可上升至71 ℃以上，且在7 d 后含水率降低到52%以下，有持續(xù)水蒸氣外溢，物料非常松散，如圖9及圖10所示。

圖9 污泥堆肥溫度及含水率變化Fig.9 Sludge composting temperature and moisture content changes

圖10 污泥堆肥溫度及狀態(tài)Fig.10 Temperature and state of sludge composting

4.1.3 厭氧發(fā)酵

污泥經(jīng)分離預(yù)處理后，有機(jī)污泥體積可減小至原污泥體積的67%，相當(dāng)于單位時(shí)間內(nèi)的污泥處理量可提高至原來的1.5倍。

分離預(yù)處理后污泥有機(jī)物含量明顯提高，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量從67.5 mL/g 提高到96.0 mL/g 以上。在污泥量充足的前提下，沼氣產(chǎn)量可實(shí)現(xiàn)翻倍。由于分離預(yù)處理過程僅對污泥EPS 進(jìn)行破壞，并不對生物細(xì)胞進(jìn)行破壁，因此脫出沼液COD 及氨氮濃度很低，處理相對簡單。

4.2 無機(jī)組分資源化

分離預(yù)處理得到的鋁鐵鹽回至污水處理廠進(jìn)行二次利用，其除磷效果與市面上常規(guī)的聚合氯化鋁（PAC）相比較，可替代后者50%～70%投加量，可降低污泥處理成本。磷鹽可作為用磷肥原料，外售給綠化或苗木種植企業(yè)［16］。砂組分進(jìn)行高壓脫水后外售給建材廠家，作為建筑基材使用。

5 分離預(yù)處理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益

分離預(yù)處理技術(shù)相比傳統(tǒng)污泥處理工藝，投資和運(yùn)行成本較低。按照污泥處理規(guī)模150 t/d（含水率為80%）計(jì)算，運(yùn)行成本包括藥劑費(fèi)25.0 元/t、電費(fèi)49.0 元/t、人工費(fèi)19.0 元/t、檢測費(fèi)1.0 元/t、飛灰處理費(fèi)0.5 元/t 等，共計(jì)94.5 元/t；設(shè)備投資費(fèi)用77.0 元/t，總投資運(yùn)行費(fèi)用為171.5 元/t，遠(yuǎn)低于市場污泥處理費(fèi)用300.0 元/t，利潤空間較為可觀，符合市場發(fā)展的需求，并且有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

（1）分離預(yù)處理工藝破壞了污泥的EPS，降低污泥黏性，提高污泥溶液中無機(jī)鹽的溶解性，可以實(shí)現(xiàn)污泥有機(jī)物、無機(jī)鹽類和砂組分的分離。

（2）分離得到的有機(jī)污泥中有機(jī)物含量高于75%，熱值穩(wěn)定在12 MJ/kg 以上，可作為生物質(zhì)燃料實(shí)現(xiàn)自持燃燒；或無需添加輔料即可符合污泥堆肥的要求；用于厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)率翻倍。

（3）分離得到的鋁鐵鹽回收至污水處理廠二次利用，其除磷效果與市面上常規(guī)PAC 相比較，可替代其50%～70%投加量。磷鹽可作為園林綠化用磷肥原料。砂組分可作為建筑基材。

（4）分離預(yù)處理工藝最大程度地體現(xiàn)了綠色環(huán)保的先進(jìn)理念，與國內(nèi)主流污泥技術(shù)耦合可補(bǔ)足現(xiàn)有工藝短板，實(shí)現(xiàn)污泥的高效精準(zhǔn)資源化利用。