剩余污泥處理技術研究綜述

劉曉靜，夏 楊，張云富，張 翀，袁敏航，馬鑫垚

（中建生態(tài)環(huán)境集團有限公司，北京 100037）

近年來，隨著城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，人們對水資源的需求逐年提升，同時伴隨的水污染問題也層出不窮。為了滿足快速增長的污水處理需求，污水處理設施數(shù)量不斷增加[1]，到2020年，我國污水日處理能力已達1.93億m3[2]。污水處理量的增多必然會產(chǎn)生大量剩余污泥[3]。目前，剩余污泥處理技術的研究越來越多，相關政策及標準也趨于規(guī)范，但部分技術仍面臨成本高、污染重等問題[4]。如何對剩余污泥進行高效處理，實現(xiàn)減量化、穩(wěn)定化、無害化與資源化，已成為當前環(huán)境領域急需解決的關鍵問題。

1 剩余污泥處理現(xiàn)狀

剩余污泥是指污水處理廠活性污泥系統(tǒng)從二沉池排出的活性污泥[5]，主要由4部分組成，即微生物、難生物降解的有機物、附在污泥表面的無機物以及微生物內(nèi)源代謝的殘余物等。作為污水處理過程的主要產(chǎn)物，剩余污泥富含C、N、P、K等營養(yǎng)元素[6]，也不乏重金屬、有機污染物、微塑料等污染物，其主要物質(zhì)組成如表1所示[7]。剩余污泥中污染物含量高，隨意排放會嚴重影響地表水、地下水及土壤環(huán)境，威脅人體健康，因此，對剩余污泥進行消減處理、綜合利用已成為環(huán)保領域的重要舉措。一方面，要高度重視剩余污泥處理，從根源上避免污染物對環(huán)境造成二次污染[8]，另一方面，剩余污泥含有的營養(yǎng)元素、有機物可以通過一定方式進行回收，將放錯位置的垃圾變成資源重新利用，例如，可以通過厭氧消化處理制取甲烷、氫氣等熱值較高的燃料。

表1 剩余污泥的物質(zhì)組成

隨著我國污水處理技術的快速發(fā)展，污水處理量不斷提升，剩余污泥產(chǎn)生量逐漸增多[9-10]。據(jù)統(tǒng)計，2021年我國剩余污泥產(chǎn)生量超過7 000萬t，預計到2025年將超過1億t[8]。目前，我國超過80%的污水處理廠實現(xiàn)了剩余污泥的初步減量，但根深蒂固的“重水輕泥”觀念仍然存在，導致剩余污泥處理法規(guī)與制度尚不完善，已建成設施設備的處理水平也參差不齊[11-12]，大量剩余污泥未能得到安全有效的原位處理。近年來，剩余污泥產(chǎn)生量呈井噴式增長，我國頒布了一系列政策。2015年，國務院出臺《水污染防治行動計劃》，就剩余污泥處理提出穩(wěn)定化、無害化和資源化三重目標，并明令禁止不達標的污泥進入耕地[13]。2021年，國家發(fā)展和改革委員會等部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》，提出要破解污泥處理難點和痛點，全面實現(xiàn)污泥無害化處置，并要求新增污泥處理設施規(guī)模不少于2萬t/d，穩(wěn)步推進剩余污泥的資源化利用[14]。

2 剩余污泥的處理技術

剩余污泥的處理是指采用濃縮、脫水、堆肥、熱干化等工藝，降低或消除污泥外運引起的二次污染風險，實現(xiàn)減量化、穩(wěn)定化、無害化與資源化。目前，我國常用的污泥處理技術主要包括濃縮脫水、厭氧消化、高溫好氧發(fā)酵和熱干化等。

2.1 濃縮脫水

2.1.1 污泥濃縮

污泥濃縮是通過減少污泥間隙水的方法達到增稠效果，縮小污泥體積，進而實現(xiàn)污泥的減量化。目前，最常用的濃縮方法有重力濃縮、離心濃縮、氣浮濃縮以及濃縮脫水一體化處理等。重力濃縮法具有易操作、低成本等優(yōu)點，已成為應用最廣泛的處理方法之一；離心濃縮法是在離心力的作用下使污泥與水分離，達到濃縮的目的，該方法處理效果好，但運行成本高；氣浮濃縮法是依靠附著在污泥顆粒上的微小氣泡降低顆粒密度而使其上浮，實現(xiàn)污泥與水的分離，僅適用于顆粒易于上浮的疏水性污泥或難沉降、易凝聚的懸濁液；濃縮脫水一體化處理法是將污泥濃縮和脫水過程相結(jié)合，在簡化工藝的同時提高處理效率，具有良好的應用前景[15]。

2.1.2 污泥脫水

污泥經(jīng)濃縮處理后，含水率仍然較高，需要對其進行脫水處理，以進一步減小污泥體積[16]。污泥脫水主要是采用機械方法去除污泥顆粒間的毛細水和顆粒表面的吸附水。脫水后，污泥含水率可降至65%～85%，體積可縮減為原來的1/6～1/3，大大降低了運輸成本及后續(xù)污泥處置難度。污泥脫水主要分為自然干化和機械脫水兩種方式[4]。一是自然干化。自然干化是利用自然滲濾及蒸發(fā)作用降低污泥的含水率，該方法占地面積大，處理效率低，易污染土壤環(huán)境，僅適用于土地資源豐富的特定地區(qū)，逐漸被市場淘汰。二是機械脫水。機械脫水是通過機械力的作用去除污泥中的水分，實現(xiàn)污泥的初步減容，主要包括真空吸濾、離心脫水及壓濾三種方式，其中壓濾又分為板框壓濾和帶式壓濾，后者應用較為廣泛[17]。機械脫水具有處理效率高、占地面積小、維修成本高等特點。目前，常用的機械脫水設備主要有疊螺脫水機、板框脫水機、帶式脫水機和離心脫水機，要根據(jù)工作環(huán)境及脫水要求選擇適宜的脫水設備。

2.2 厭氧消化

厭氧消化是利用厭氧菌及兼性菌，在厭氧條件下，經(jīng)過水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸及產(chǎn)甲烷等階段，將污泥中的有機物分解成有機酸、甲烷等穩(wěn)定物質(zhì)[18]，進而縮減污泥體積，實現(xiàn)資源化利用[19]。其具有經(jīng)濟、低耗、高效等優(yōu)點，現(xiàn)已成為國內(nèi)外污泥處理的主流技術，并被廣泛使用。但是，該技術目前仍然存在厭氧消化分解率低、設備投資及運行成本高等問題，只能應用于大中型污水處理廠。

2.3 高溫好氧發(fā)酵

高溫好氧發(fā)酵是指在有氧條件下，利用污泥中的嗜熱菌將有機物分解轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，亦被稱為好氧堆肥技術。污泥含有大量的N、P、K等營養(yǎng)元素，經(jīng)堆肥處理后，產(chǎn)物可實現(xiàn)土地利用，提升土壤肥力，實現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化與資源化[20]。目前，我國常用的好氧發(fā)酵技術主要有條垛式發(fā)酵、靜態(tài)槽式發(fā)酵、容器發(fā)酵等。

2.3.1 條垛式發(fā)酵

條垛式發(fā)酵是最簡單的好氧發(fā)酵技術。該技術利用人工或堆垛機將物料堆垛成長條，并通過翻堆供氧方式進行發(fā)酵，具有設備簡單、操作方便、施工和運行成本低等優(yōu)勢。但是，它存在占地面積大、衛(wèi)生條件差等劣勢，僅適用于用地限制小、環(huán)境要求低的地區(qū)[21]。

2.3.2 靜態(tài)槽式發(fā)酵

靜態(tài)槽式發(fā)酵采用地上或地下式發(fā)酵槽，通過強制通風對槽內(nèi)污泥進行供氧發(fā)酵。該技術具有單次處理量大、無害化程度高、衛(wèi)生條件好、設施設備投資高等特點，適用于大規(guī)模的養(yǎng)殖場[22]。

2.3.3 容器發(fā)酵

容器發(fā)酵是一種采用溫度、通風、攪拌均可人為控制的塔式筒形密閉發(fā)酵倉進行發(fā)酵的技術。它具有二次污染小、發(fā)酵周期短、營養(yǎng)物質(zhì)損失少等優(yōu)勢，但由于反應設備造價高且單次處理量小，僅適用于小型養(yǎng)殖場及污水處理廠[23-24]。

2.4 熱干化

熱干化是指利用熱能使污泥表面及內(nèi)部的水分蒸發(fā)，以達到烘干目的。根據(jù)處理后污泥含水率的不同，該技術可分為半干化和全干化兩種類型。前者是指干化后的污泥含水率低于40%，使其處于一種半干狀態(tài)，后者則是將含水率降至10%甚至更低，采用何種方式取決于干化污泥的后續(xù)出路。該技術能夠消滅病原體和寄生蟲，熱干化處理后的污泥性狀得到顯著改善，其產(chǎn)物可用于生產(chǎn)肥料、土壤改良劑和建材等。

2.5 小結(jié)

每種污泥處理技術各有千秋，無論是環(huán)境影響還是經(jīng)濟效益，都各有利弊，不盡相同。不同污泥處理技術的比對分析如表2所示。要因地制宜，綜合考慮多種因素，合理選擇剩余污泥處理技術。

表2 不同污泥處理技術的對比

3 結(jié)論

近年來，圍繞污泥減量化、穩(wěn)定化、無害化與資源化，我國剩余污泥處理技術研究取得一定的進展，相關政策和標準也日趨完善。隨著污泥處理技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的高能耗、低效率技術的使用率正逐漸降低，取而代之的是新型處理技術。它能夠根據(jù)污泥特性進行物質(zhì)循環(huán)和能量利用，有效處置剩余污泥，實現(xiàn)其資源價值。新時代，要聚焦生態(tài)環(huán)境綜合整治，對標綠色低碳經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展的要求，培養(yǎng)一支專業(yè)素養(yǎng)過硬的人才隊伍，推進我國環(huán)境保護取得質(zhì)的飛躍，為碳達峰碳中和貢獻力量。