我國城市污泥處理及利用技術(shù)研究進(jìn)展

周新榮，程樂明，趙 曉，王 青，杜獻(xiàn)亮

（1.張家港密爾克衛(wèi)環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 張家港 215600；2.新地環(huán)保技術(shù)有限公司，河北 廊坊 065001）

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，各大城市的污水處理量不斷提高，城市污泥產(chǎn)生量也逐年增加[1]。污泥可以富集污水中的絕大部分污染物，成分極其復(fù)雜，其中不僅含有大量有機(jī)質(zhì)，還含有一些無機(jī)物、微生物、病原體等多種有害物質(zhì)。宏觀來看，污泥是一種生態(tài)環(huán)境污染物，同時也是一種可被利用的資源，其具備污染和資源的雙重屬性，因此妥善處置污泥是減污降碳的重要任務(wù)。

1 污泥處理及利用的意義

我國污水處理廠2019年所產(chǎn)出的污泥已經(jīng)超過6 000 萬t（以含水率80%計算），預(yù)計2025年將達(dá)到9 000 萬t[2]。污泥處理及其資源化已成為城鎮(zhèn)化發(fā)展和污水處理系統(tǒng)迫切需要解決的問題。我國污泥處理技術(shù)發(fā)展相對滯后，需要在無害化、減量化及資源化方面尋求技術(shù)支持。在全球共同應(yīng)對氣候變化、能源資源短缺的背景下，進(jìn)行污泥的綜合處理和資源化利用、實(shí)現(xiàn)減污降碳和協(xié)同增效是我國污泥處理處置的正確路徑[3]。

2 污泥處理及利用技術(shù)概述

我國傳統(tǒng)的污水處理工藝具有重視污水而輕視污泥的特點(diǎn)。近年來，我國污水處理能力得到不同程度的提高，但是污泥處理能力并沒有得到明顯發(fā)展，結(jié)果就是我國污泥處理能力難以滿足日益增加的污泥處理需求。這已逐漸成為我國城市污染控制領(lǐng)域的一個主要環(huán)境問題[4]。受限于我國城市污泥處理處置技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)比較欠缺，處置方法在各個地區(qū)之間存在差異，污泥處理已成為制約地方環(huán)境及生態(tài)健康發(fā)展的一大瓶頸，污泥的無害化處理必須得到重視。

2.1 厭氧消化

污泥厭氧消化是指在缺氧條件下利用厭氧菌對污泥進(jìn)行厭氧生化反應(yīng)，分解污泥中的各種有機(jī)物及有害物質(zhì)，對污泥進(jìn)行無害化的同時，實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化與減量化。首先，厭氧菌可以對有機(jī)物進(jìn)行有效降解，同時減弱其腐臭氣味，實(shí)現(xiàn)污泥宏觀方面的污染控制；其次，通過厭氧過程降低污泥中有害物質(zhì)的殘余量，同時增強(qiáng)污泥的脫水性能，利用常規(guī)的機(jī)械壓濾即可實(shí)現(xiàn)污泥的高效脫水；最后，該技術(shù)可以副產(chǎn)沼氣，促進(jìn)污泥的資源化利用。高溫?zé)崴忸A(yù)處理的污泥厭氧消化技術(shù)是以高固含量脫水污泥（固含量15%～20%）為對象，經(jīng)過高溫高壓水熱預(yù)處理，利用高溫和高壓對污泥進(jìn)行熱水解和閃蒸，水解污泥中的胞外聚合物和大分子有機(jī)物，破壞污泥中微生物的細(xì)胞壁，增強(qiáng)材料的生物降解性，大幅提高厭氧消化后的沼氣產(chǎn)量[5]。

2.2 污泥熱解

污泥熱解技術(shù)是指在一定的溫度條件下，在惰性氣氛中分解污泥。由于熱解過程中氧氣的隔離和較低的溫度，氮氧化物（NOx）和硫氧化物等二次污染物的產(chǎn)生量大大減少[6]。在較低溫度下，污泥中的水分首先揮發(fā)，300 ℃左右，污泥中的多數(shù)輕質(zhì)有機(jī)物先后分解，600 ℃以上時，少量的重質(zhì)有機(jī)物才會最終分解[7]。目前，污泥熱解技術(shù)可以分為低溫?zé)峤夂透邷責(zé)峤?。低溫?zé)峤獾牟僮鳒囟瓤刂圃?00 ℃以下。低溫?zé)峤獾闹饕a(chǎn)物是焦油?；钚晕勰嗟慕褂彤a(chǎn)量高于消化污泥等其他類型的污泥，最大產(chǎn)油量約為30%。這是因?yàn)闊峤饨褂椭械臍湓刂饕獊碜晕勰嘀械闹荆钚晕勰嗟闹竞枯^高[8]。高溫?zé)峤獾牟僮鳒囟瓤刂圃?00 ℃以上，熱解產(chǎn)物主要由熱解氣體組成。在高溫?zé)峤鈼l件下，熱解氣體的產(chǎn)率可以超過50%，其次是固體產(chǎn)物，熱解焦油的比例最小，為10%～20%。與低溫?zé)峤庀啾?，高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的熱解氣熱值變化較小，但熱解氣的產(chǎn)量可以達(dá)到低溫?zé)峤獾?～5 倍。

2.3 水熱碳化

污泥的水熱碳化技術(shù)是指通過各種方法從污泥中釋放水分，同時保持污泥的碳含量，使產(chǎn)物中的碳得到富集。水熱碳化技術(shù)不需要對污泥進(jìn)行干燥，一方面節(jié)約干燥加熱所需要的能量，另一方面利用污泥料漿中的水分作為溶劑加強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)的物料混合與熱量傳遞，加速污泥碳化反應(yīng)[9]。污泥水熱碳化的基本原理是利用熱量破壞污泥的原有平衡，打破污泥的膠體結(jié)構(gòu)，提升其脫水性能，水熱處理后污泥含水量顯著降低。污泥水熱碳化的工藝路線大多采用漿態(tài)床反應(yīng)器，經(jīng)過氣液閃蒸、攪拌混合、蒸汽加熱等方式對污泥漿液進(jìn)行升溫加熱，機(jī)械化設(shè)備的應(yīng)用提高污泥處理系統(tǒng)的效率。在主流的漿態(tài)床反應(yīng)器中，蒸汽以直混的方式對污泥進(jìn)行加熱，提高傳熱傳質(zhì)效率的同時，有效避免局部過熱和結(jié)焦，蒸汽冷凝釋放的潛熱實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的高效回收。

2.4 干化焚燒

干化焚燒技術(shù)可以在高溫下破壞污泥的組織結(jié)構(gòu)，消滅有害物質(zhì)，并且快速減容，回收熱能。污泥干化系統(tǒng)一般包括3 個單元，即干化單元、焚燒單元和煙氣凈化單元。典型的污泥干化技術(shù)是干化焚燒一體化。相比傳統(tǒng)的污泥處理方法，污泥干化焚燒技術(shù)的優(yōu)勢非常明顯。第一，利用污泥干化焚燒技術(shù)對污泥進(jìn)行處理，能夠最大限度地減少污泥體積，盡可能減少污泥處理過程的空間問題。第二，污泥焚燒能夠分解剩余污泥內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)，焚燒灰可以作為建筑材料。第三，污泥干化焚燒效率很高，污泥不需要長期儲存，就地處理避免運(yùn)輸問題。第四，污泥干化焚燒技術(shù)能夠?qū)δ芰窟M(jìn)行回收利用。

2.5 超臨界水氧化

超臨界水氧化技術(shù)是利用有機(jī)物在超臨界水中具有極佳的傳熱與傳質(zhì)性能，與氧氣可以完全互溶，打破相界面之間的阻礙，徹底進(jìn)行有機(jī)物的氧化分解。高溫高壓大大提高有機(jī)物的氧化速率，使碳?xì)浠衔锟梢栽趲酌雰?nèi)被氧化為二氧化碳和水，氮元素轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，硫元素和磷元素轉(zhuǎn)化為硫酸鹽和磷酸鹽，無機(jī)物不參與反應(yīng)，沉淀在灰渣中。與焚燒相比，其反應(yīng)溫度較低，不會形成NOx或SO2。此外，超臨界水氧化是強(qiáng)放熱反應(yīng)。經(jīng)過設(shè)計與配伍，原料可以配成適宜熱值后進(jìn)入反應(yīng)器，只需要在啟動過程中加入少量熱源，整個反應(yīng)就可以依靠原料中有機(jī)物自身的熱值維持系統(tǒng)的自熱平衡。超臨界水氧化除了能有效降解污泥中易分解的有機(jī)化合物外，對二噁英等難降解物質(zhì)也有良好的處理效果[10]。

超臨界水氧化技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)在于工藝流程簡單，占地面積小，反應(yīng)時間短，有機(jī)物分解徹底。該技術(shù)可以直接處理污泥料漿，預(yù)處理過程相對簡單，可以高效實(shí)現(xiàn)污泥的無害化和減量化[11]。目前，多個國家已建立商業(yè)規(guī)模的示范工廠，對污泥進(jìn)行超臨界水氧化技術(shù)處理，其中以中國新奧集團(tuán)（新地環(huán)保）的240 t/d 污泥超臨界水氧化項目規(guī)模最接近商業(yè)化，如表1所示。

表1 各國污泥的超臨界水氧化項目及其技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)論

污泥的處理及資源化需要考慮社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等綜合因素。資源循環(huán)方面，要突出污泥的資源屬性，加強(qiáng)污泥中資源的回收；支持污泥穩(wěn)定化產(chǎn)物的建材利用，實(shí)現(xiàn)更高效的資源循環(huán)。環(huán)境友好方面，要實(shí)施源頭控制，加強(qiáng)污泥中有害成分的處理；重視末端產(chǎn)物的安全處置與資源化利用，逐步縮減污泥填埋規(guī)模。因地制宜方面，根據(jù)污泥的泥質(zhì)、產(chǎn)生量與分布特點(diǎn)，結(jié)合地區(qū)自然地理條件、環(huán)境承載力以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素，確定適宜的污泥處理處置路徑。目前，應(yīng)該努力補(bǔ)齊污泥穩(wěn)定化處理短板，推動污泥處理設(shè)施建設(shè)，拓寬污泥資源化路徑，因地制宜選擇處理技術(shù)路線。面向未來的污泥處理處置與資源化需求，要突破污泥高效厭氧消化、新型污泥脫水、污泥熱解炭化、超臨界水氧化等一批新技術(shù)，推廣綠色低碳處理技術(shù)，為污水處理行業(yè)減污降碳提供堅實(shí)支撐。