污水處理廠污泥處理與處置探究

譚杞安 王 奎

（1 清遠(yuǎn)市清環(huán)環(huán)保有限公司 廣東清遠(yuǎn) 511500 2 清遠(yuǎn)市供排水處理中心 廣東清遠(yuǎn) 511500）

引言

2021 年我國常住人口城鎮(zhèn)化率超過了60%，達64.72%，較2020 年增長了0.82 個百分點。隨著城鎮(zhèn)化進程的持續(xù)增長，我國城鎮(zhèn)居民生產(chǎn)生活污染防治工作也在持續(xù)推進，無論是城鎮(zhèn)污水處理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，還是相應(yīng)的污水管網(wǎng)系統(tǒng)配套，均在不斷的完善。且隨著環(huán)境污染防治領(lǐng)域投入的不斷增大，全國城鎮(zhèn)居民生活污水處理能力也在逐年增長。根據(jù)2022 年住建部發(fā)布的上一年《2021 年度城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》所公布的數(shù)據(jù)顯示，截至2021 年底，我國城市共建成了2827 座污水處理廠，污水處理能力達到2.0767 億m3/日，全國城市建成的排水管道總長度達到了87.228 萬公里，年污水排放量625.076 億m3/年，分別較2020 年增長了109 座、1500 萬m3/日、6.96 萬公里、53.7 億m3/年。無論是污水排放量、處理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以及污水處理能力均實現(xiàn)了大幅提升。由此所產(chǎn)生的污泥量也不斷增加，2021 年全國污泥產(chǎn)生量達8818.5 萬噸。加強污水處理廠污泥處理處置，實現(xiàn)污泥處理處置的“三化”，變廢為寶，成為研究的主流。城市污水處理廠污泥量、泥質(zhì)受自然條件、生活習(xí)慣等因素影響，其差異性也較大。因此，要認(rèn)真研究污水處理廠污泥特點、處理處置方法，采取適宜的處理處置措施，提升處理處置的針對性、實效性[1]。

目前，城市污水處理廠污泥處理處置過程中還普遍存在一些相對突出的共性問題：處理處置基礎(chǔ)設(shè)施投入不足。一些污水處理廠沒有污泥干化設(shè)施和專門的污泥處理設(shè)備，年處理處置能力無法滿足日益增長的污泥量。每年所產(chǎn)生的污泥大多是經(jīng)過簡單濃縮-脫水處理，含水率依然較高；污泥未經(jīng)無害化處理處置，環(huán)境影響隱患大。尤其是臨時堆場周邊沒有進行專門的防滲漏處置，臭味、滲濾液等對周邊大氣、土壤、地下水等污染風(fēng)險較大。污水處理廠運行費用保障不足。污水處理廠污泥運行費用主要用以滿足污泥外運，相應(yīng)的深度處理處置費用保障不足，限制了污泥處理處置，以及資源化再利用[2][3]。

1 污水處理廠污泥特性分析

完整的二級處理系統(tǒng)與污泥處理系統(tǒng)組成了城鎮(zhèn)污水處理廠典型工藝流程。其中，格柵、沉砂池、初次沉淀池組成了污水處理廠一級處理系統(tǒng)。通過初次處理，實現(xiàn)固體污染物，以及非溶解性、溶解性懸浮物去除；膠體和溶解狀有機污染物經(jīng)二級處理系統(tǒng)處理。通過某污水處理廠污水處理產(chǎn)生的污泥特性進行分析，其主要表現(xiàn)出如下特點[4～6]：污水處理后，產(chǎn)生的大量污泥，污泥中含有的污染物營養(yǎng)物豐富，經(jīng)檢測，污泥中富含氮磷、有機物等營養(yǎng)物質(zhì)；熱值高，焚燒處理可實現(xiàn)熱能再利用；污泥含水率較高，需要對其進行預(yù)處理后，降低含水率；污泥處理需應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.1 營養(yǎng)物豐富

2022 年3 月，對廣東省某市污水處理廠產(chǎn)生的污泥進行泥質(zhì)化驗分析，污泥中的營養(yǎng)物十分豐富，城區(qū)與城郊地區(qū)污泥泥質(zhì)營養(yǎng)物含量均豐富，且存在一定差異性。如，中心城區(qū)污水處理廠產(chǎn)生的污泥，其氮、磷、鉀，以及有機質(zhì)含量較高。經(jīng)檢測分析，污水處理廠污泥中氮含量為3.5%，磷含量為2.1%，鉀含量為4500mg/kg，有機質(zhì)含量為61%。城鎮(zhèn)郊區(qū)污水處理廠產(chǎn)生的污泥泥質(zhì)，其中，氮含量為4.3%，磷含量為2.8%，鉀含量為750mg/kg，有機質(zhì)含量為55%。

1.2 較高的熱值

經(jīng)過對某城市污水處理廠污泥泥質(zhì)的熱值進行研究發(fā)現(xiàn)，城區(qū)污水處理廠含水率10%的干污泥，其污泥燃燒的熱值達到了2800 卡路里/千克，相當(dāng)于熱值為6000 卡路里/千克標(biāo)準(zhǔn)煤的0.47 千克燃燒產(chǎn)生的熱值。污水處理廠較高的污泥熱值，使其在后期的處置處理中面臨著更多的選擇，具有較高的資源再利用價值。

1.3 污泥理化性質(zhì)

從全市污水處理廠污泥的相關(guān)理化分析，其pH值大多在6.0-7.6 之間，污泥的含水率主要在60.1%-84.5%之間，污泥平均含水率在72%左右。污泥資源化利用過程中，對生活污水焚燒及建筑材料資源化利用過程中的污泥含水率均有一定要求，通常，需要根據(jù)其理化性質(zhì)做相應(yīng)的預(yù)處理，進一步降低其含水率。

1.4 符合標(biāo)準(zhǔn)要求

隨著全市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)調(diào)整、優(yōu)化，城區(qū)工業(yè)廢水的排放量持續(xù)減少。城鎮(zhèn)居民人數(shù)的增加，生活污水排放量占比也在逐年增加，無論是城區(qū)還是城郊，污水處理廠中的污泥重金屬含量均在持續(xù)降低，已經(jīng)滿足了《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》等相關(guān)現(xiàn)行資源化利用標(biāo)準(zhǔn)。

從上述情況分析來看，該市污水處理廠污泥熱值較高、養(yǎng)分豐富，且，重金屬離子及有毒有害有機物含量低，污泥后期處理處置可供選擇的途徑多。例如，熱值可作為焚燒發(fā)電實現(xiàn)利用；有機養(yǎng)分又可以作為土地資源化種植利用。

2 污水處理廠污泥處理處置方法

目前，處理城市污水處理廠產(chǎn)生的污泥方法主要有厭氧消化、好氧消化、濃縮和脫水等。而處置的方法則主要有土地利用、建材利用和填埋、焚燒等。具體來說，其處理處置應(yīng)遵循減量化、無害化、資源化原則，選擇濃縮、厭氧消化、好氧消化、脫水等方法處理，并將處理后的污泥作為土地利用、建筑材料、污泥填埋或者焚燒等處置方式，不同的處理方法和處置方式，均對污泥的進一步處理提供技術(shù)方案支持和選擇[7～10]。

2.1 應(yīng)用原則

鑒于污水處理廠污泥的理化特性，對其污泥進行減量化、無害化和資源化處理處置，實現(xiàn)污泥處置和資源再利用。

（1）減量化

從減量化來說，鑒于城市污泥中普遍具有較高的含水率，通過提高含固率，降低污泥體積，為后期處理處置奠定基礎(chǔ)。此外，還需要對污泥進行脫水處理，進一步做好減量化。

（2）無害化

此外，城市污水廠污水處理產(chǎn)生的污泥，還含有一定的重金屬元素，使其在處理過程中具有一定有毒有害性，無害化處理是防止污泥二次污染。

（3）資源化

此外，污泥中含有較高有機質(zhì)，具有較高的資源再利用價值，選擇厭氧消化產(chǎn)生沼氣，實現(xiàn)資源再利用，也可通過堆肥處理獲取有機肥，實現(xiàn)污泥的資源化利用。污泥較高熱值，可作為焚燒發(fā)電原料。

2.2 處理方法

（1）濃縮

污泥含有較高水率，需要通過污泥濃縮處理，初步實現(xiàn)污泥減容。濃縮處理能夠提升后續(xù)設(shè)備利用容量，以及構(gòu)筑物容積。污泥濃縮法主要有重力濃縮、帶式濃縮、隔膜濃縮、生物浮選濃縮等等，經(jīng)污泥濃縮處理，可使其含水率實現(xiàn)大幅降低。

（2）厭氧消化

即，在無氧背景下，由兼性菌、專性菌細(xì)菌分解污泥中有機物，將污泥有機物進一步分解成甲烷氣、二氧化碳，穩(wěn)定污泥特性。厭氧消化污泥技術(shù)包括中溫厭氧消化、高負(fù)荷消化及兩級消化。

（3）好氧消化

在有氧條件下，采取好氧堆肥處理污泥，利用好氧菌吸收、氧化、分解污泥廢物，利用微生物將污泥中的有機物氧化為無機物，釋放能量，可供污泥中微生物活動，以及將有機物合成新的細(xì)胞質(zhì)，使有機物不斷繁殖，產(chǎn)生更多生物體，進行污泥處理。

（4）脫水

污泥含水率高，將污泥中的吸附水、毛細(xì)水及細(xì)胞內(nèi)水分離，實現(xiàn)污泥脫水效果，可極大地降低污泥體積，為進一步處理處置提供便利。

2.3 處置方法

處置主要是決定污泥的去向，從其去向不同，可將污泥的處置分為：

（1）土地利用

生活污水處理后的污泥，可用于市政園林綠化，土壤修復(fù)。例如，將無害化處理后的污泥，用做草坪、花卉、灌木，以及人行道樹木栽種過程中基質(zhì)、營養(yǎng)土或肥料。而土壤修復(fù)，則需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，使其經(jīng)處理后，重金屬含量達到土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)背景值，符合應(yīng)用條件。

（2）建筑材料

生活污水處理后產(chǎn)生的污泥，經(jīng)無機化處理，可將其作為水泥添加料，制磚或市政路基建設(shè)材料，實現(xiàn)資源化再利用。

（3）污泥填埋

根據(jù)生活污水處理廠產(chǎn)生的污泥特性及實際，選擇單獨填埋或混合填埋。前者，就是將污泥單獨填埋至相應(yīng)專業(yè)填埋場；后者，則是將污泥與其他生活垃圾進行混合填埋。

（4）污泥焚燒

污水處理廠產(chǎn)生的污泥具有較高的熱值，利用焚燒爐將經(jīng)脫水處理的污泥進行加溫干燥，通過高溫焚燒，去除污泥中的有機物。最終，污泥成為少量灰燼。

3 污水處理廠污泥處理處置方式

以某市污水處理廠為例，設(shè)計污水處理量為5 萬m3/d，實際污水處理量為6 萬m3/d，產(chǎn)生的污泥量約為150-200m3/d，含水率為98%-99%。其污泥處理處置的工藝：采用CASS 好氧工藝，濃縮、脫水后外運填埋。即，“污泥—濃縮（重力）—脫水（機械）—填埋（外運）”。但，這樣的處理處置也存在一些現(xiàn)實問題：生活污水處理廠污泥含有寄生蟲等病原體，少量重金屬經(jīng)吸附、沉淀轉(zhuǎn)至污泥中，由于沒有對重金屬做相應(yīng)的處理，外運填埋易造成環(huán)境二次污染，填埋滲濾液會加重周邊環(huán)境污染（見表2）。為此，選擇對原處理處置工藝做進一步優(yōu)化處理。

從表1 可知，某市污水處理廠產(chǎn)生的污泥中，其有機物養(yǎng)分含量高，可滿足植物、農(nóng)作物生長所需。且，該污水處理廠位于城郊地區(qū)，與外運填埋相比，將其污泥進行無害化處理，并作為農(nóng)用土地處置，既可節(jié)約日常外運運輸所需費用，也可實現(xiàn)了污泥的資源化再利用。但從表2 中的數(shù)據(jù)顯示來看，該污水處理廠處理產(chǎn)生的污泥，含有一些重金屬元素，這些重金屬元素使其不能超過了農(nóng)用地標(biāo)準(zhǔn)，因此，需要對其進行進一步處理，防止在土地利用過程中產(chǎn)生二次污染，經(jīng)食物鏈進入人體，危害人類健康。此外，污泥中還含有寄生蟲等病原體，也會造成污染風(fēng)險。

表1 某污水處理廠污泥理化情況一覽表

表2 某污水處理廠污泥重金屬情況一覽表（mg/kg）

3.1 處理

根據(jù)對污水處理廠污泥處理的工藝方法進行比選，針對污泥中豐富的營養(yǎng)物質(zhì)含量，以及氮、磷等元素，厭氧發(fā)酵、好氧堆肥均符合污泥處理應(yīng)用。但與厭氧發(fā)酵相比，好氧消化在實際應(yīng)用中，工藝技術(shù)更為成熟。將污水處理廠產(chǎn)生的污泥，為滿足堆肥處理農(nóng)用，可先對其進行臭味消除，殺死污泥中的寄生蟲及病原體，降解有機物毒性，固化、鈍化污泥重金屬，進一步改善污泥物理性狀，并降低污泥中的含水率。目前，好氧消化主要有反應(yīng)式、發(fā)酵槽式和多垛式。鑒于該污水處理廠位于工業(yè)園區(qū)，附近有其他工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，綜合不同工藝技術(shù)的情況，選擇發(fā)酵槽式堆肥處理，該工藝技術(shù)處理污泥具有處理自動化程度高，處理周期短、效率高，日處理污泥量大，且污泥處理后質(zhì)量十分穩(wěn)定的優(yōu)點，滿足資源化再利用。此外，該工藝技術(shù)還可以有效控制臭氣[11]。

3.2 處置

從污水處理廠處理后的污泥排放量來看，選擇好氧堆肥，經(jīng)脫水處理后，其含水率由98%降至70%，污泥具有較高黏性，沒有結(jié)構(gòu)強度，氧氣難以通入污泥，因此，難以直接對其進行堆肥。為此，還需要進一步調(diào)整其含水率。鑒于污水處理廠處于城郊地區(qū)，周邊農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)生大量秸稈等有機輔料，可將其作為堆肥調(diào)理劑，增強資源化利用效率。具體來說：污泥脫水進入發(fā)酵槽，再通過通風(fēng)及機械翻堆供氧、排氣，溫度達到35℃-45℃，利用中溫菌分解物質(zhì)，并產(chǎn)生能量，進一步升高污泥溫度，當(dāng)溫度達到65℃左右，高溫菌進一步分解有機物含量，此時，污泥熱量逐步下降，經(jīng)此2-10d的第一次發(fā)酵，可去除有機物。為進一步去除其中的有機質(zhì)含量，再進行二次發(fā)酵，并添加一定比例的氮、磷、鉀等原料，將二次發(fā)酵污泥制成顆粒肥，用于施用場地所需[12]。在處置時，選擇容器式高速發(fā)酵工藝，這也是目前新開發(fā)的一種用于加速污泥發(fā)酵新技術(shù)。在污泥一次發(fā)酵過程中，由于在密閉容器中進行，該容器配備有自動排氣、供氣、除臭、攪拌、加熱，以及相應(yīng)的溫度控制系統(tǒng)，在污泥處置過程中，可有效供應(yīng)其水分、供氧量，以及相應(yīng)的發(fā)酵溫度，使污泥發(fā)酵始終控制在最佳環(huán)境，縮短污泥發(fā)酵時間，提高污泥發(fā)酵質(zhì)量。經(jīng)過發(fā)酵后，污泥可用于有機肥，實現(xiàn)污泥的二次再利用。

結(jié)語

綜上，按照“減量化、資源化、無害化”的處理原則，以及資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設(shè)的需要，利用資源循環(huán)利用為導(dǎo)向，統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，城市污水處理廠污泥處理處置綜合考慮其污泥產(chǎn)生量、污泥特性，以及鄰近熱源的情況等，確定相應(yīng)的處理處置方案：

首先，城市發(fā)展規(guī)模大，日處理污泥需求量大，附近又有相應(yīng)的工業(yè)熱源。針對這類情形，可將城市污水處理廠產(chǎn)生的污泥作為發(fā)電等干化熱源，將污泥進行干化處理，并將其制作鍋爐焚燒發(fā)電的替代燃料，將污泥作為發(fā)電廠的熱源，最大限度地發(fā)揮污泥的資源化再利用。

其次，城市發(fā)展規(guī)模較小，日產(chǎn)污泥量較少的污水處理廠，且周邊沒有相應(yīng)的工業(yè)熱源，周邊有距離較近的水泥廠。針對此情形的，可直接將污水處理后產(chǎn)生的濕污泥運至水泥廠，利用水泥廠相關(guān)污泥干化設(shè)施，利用水泥窯生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱進行污泥干化，待污泥干化后，又可將其作為水泥廠水泥窯燃料來源，實現(xiàn)污水處理廠污泥的資源化再利用。

再次，城市發(fā)展規(guī)模小，污水處理廠日產(chǎn)污泥量小，且布局十分分散的污泥處理廠，尤其是城郊周邊的小型污水處理廠，應(yīng)將這些處理廠產(chǎn)生的污泥集中運往專門的污泥堆肥場所進行處理處置。與城市相比，城郊地區(qū)土地資源相對豐富，為污泥堆肥集中處理處置提供了廣袤場所，實現(xiàn)就地消納。

最后，除了上述相應(yīng)的處理處置措施外，城市污水處理廠污泥處理處置還需要進一步加大基礎(chǔ)資金投入力度，鼓勵走市場化之路，鼓勵更多第三方企業(yè)參與城市污水處理廠污泥處理處置。政府相關(guān)部門應(yīng)進一步完善運營機制，從市場準(zhǔn)入、稅收減免、考核監(jiān)管等方面，完善市場化運行機制。加大科技創(chuàng)新力度，鼓勵引進先進的技術(shù)工藝，積極推廣國內(nèi)外成熟、先進的技術(shù)、設(shè)備，不斷提高城市污水處理廠污泥處理處置效率，實現(xiàn)無害化和資源化處理。