市政污泥資源化處置技術(shù)與關(guān)鍵點(diǎn)探析

李如剛

（中鐵建發(fā)展集團(tuán)有限公司，北京 100000）

引言

隨著國內(nèi)污水處理廠的逐步建設(shè)與完善，污泥的安全處置需求與日俱增，針對于污泥處理與處置的技術(shù)也百花齊放。目前，市場上眾多污泥處置技術(shù)各有特點(diǎn)，但都存在不同的應(yīng)用局限，為了探討解決污泥處置技術(shù)問題的關(guān)鍵點(diǎn)，本文通過對現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行綜述分析，尋找污泥處置技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素，為污泥技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考。

1 研究背景

截至2016 年底，全國處理污水量達(dá)到1.5 億 m3/d，污泥產(chǎn)生量以含水率80%計(jì)，總量近3000 萬t。隨著國內(nèi)大力進(jìn)行污水廠建設(shè)和提標(biāo)擴(kuò)建，2020 年我國的污泥產(chǎn)量突破6000 萬t（含水率80%）[1]，尋求污泥的安全處理處置方法已經(jīng)成為城市環(huán)境安全的迫切需求。

剩余污泥含有大量有機(jī)質(zhì)，水分含量高，在溫度適宜的情況下，極易產(chǎn)生各種危險(xiǎn)氣體，且會造成蚊蟲聚集，傳播疾病，對社會穩(wěn)定和人民生活有著極大的危害。同時(shí)，未經(jīng)處置的污泥隨意堆放，可能會導(dǎo)致地下水污染，重新成為二次污染源。污泥的種種危害，已使得對污泥進(jìn)行安全有效、成本低廉的處置成為一種趨勢。因此，探尋污泥資源化處置的技術(shù)路徑為本文重點(diǎn)討論的內(nèi)容，同時(shí)探討污泥處置技術(shù)路徑的關(guān)鍵點(diǎn)，對實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用起到指導(dǎo)實(shí)踐作用。

2 國內(nèi)外污泥處置現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

2.1 國內(nèi)污泥處置介紹

近5 年，我國脫水污泥年產(chǎn)生量均在7000 萬t 以上。伴隨著逐漸嚴(yán)格的環(huán)保政策，我國污泥處置市場規(guī)模逐步增大，目前已達(dá)到每年新增700 億元的市場容量。

2015 年，國家出臺了“水十條”政策，其中明確要求國內(nèi)地級及以上城市的污泥無害化處理處置率在2020 年底前需達(dá)到90%以上，由此可見，污泥處置已刻不容緩。

2.2 國外污泥處置介紹

美國現(xiàn)在年產(chǎn)約3500 萬t 含水率80%的污泥，通過建設(shè)650 座厭氧消化設(shè)施處理了約58%的污泥，通過建設(shè)700 座好氧堆肥發(fā)酵設(shè)施處理了約22%的污泥，通過焚燒處理了剩余20%的污泥。

歐盟國家年產(chǎn)含水率80%的污泥約4000萬t，厭氧消化設(shè)施承擔(dān)了50%的污泥處理與處置，好氧堆肥解決了30%的污泥處置，另外20%通過焚燒的方式進(jìn)行處置。2016 年，日本污水處理過程產(chǎn)生并處置的固廢為243.7萬t （絕干污泥計(jì)）[2]，多采用填埋、綠化營養(yǎng)土、焚燒等方式。其中，日本政府根據(jù)其國內(nèi)的空間資源條件和技術(shù)水平，比較鼓勵(lì)采用焚燒的方式，特別是和水泥窯的協(xié)同處置。由于水泥窯溫度高達(dá)1000℃，結(jié)合窯內(nèi)的堿性環(huán)境，較好地控制了二噁英的產(chǎn)生，大大提高了環(huán)境友好性，因此日本政府鼓勵(lì)污泥和焚燒灰渣進(jìn)入水泥廠系統(tǒng)焚燒[3]。

綜合來看，國外處理處置污泥的方式主要是采用厭氧發(fā)酵、好氧堆肥、焚燒等技術(shù)手段。

2.3 污泥資源化利用

近幾年，圍繞能源短缺、碳達(dá)峰碳減排、全球氣候變化等熱點(diǎn)問題，國外已經(jīng)轉(zhuǎn)變認(rèn)識，不再定義污泥為廢棄物，而是將污泥作為富含資源的物質(zhì)重新加以研究利用。德國已經(jīng)通過立法及經(jīng)濟(jì)政策扶持開展了污泥中資源提取的技術(shù)研究工作。

污泥的成分中主要有水、黏土、重金屬、營養(yǎng)物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、微生物等。通過去除水、重金屬提取、微生物滅菌等技術(shù)處理后，污泥成分中的有機(jī)質(zhì)、黏性土及大量營養(yǎng)元素（特別是氮、磷、鉀）尤其豐富，同時(shí)含有鈣、鎂、硫、鐵、銅等微量元素，這些都是植物生長的生命元素，為污泥的資源化利用提供了基礎(chǔ)。

從污泥中提取資源，是實(shí)現(xiàn)污泥資源化的重要方向。主要技術(shù)包括超聲波預(yù)裂解污泥、高溫蒸煮熱水解技術(shù)、污泥與餐廚垃圾協(xié)同提取生物沼氣、污泥的氮磷回收技術(shù)、污泥中無機(jī)鹽的提取循環(huán)利用等，這些技術(shù)大大推動了污泥資源化的進(jìn)程。

3 國內(nèi)市政污泥的特點(diǎn)

3.1 活性污泥

本文所指污泥即活性污泥，是一種由有機(jī)質(zhì)、細(xì)菌、無機(jī)質(zhì)和膠體共同組成的非均質(zhì)體，含水率通常在99%～60%不等。污水處理產(chǎn)生的污泥，經(jīng)過壓力壓縮，含水率通常在80%～60%不等。

3.2 市政污泥的特點(diǎn)

市政污泥主要有4 個(gè)特點(diǎn)，即①營養(yǎng)物質(zhì)豐富，污泥中含有氮、磷、鉀等元素，其中氮、磷營養(yǎng)元素通常是造成水體富營養(yǎng)化的主要原因；②熱值豐富，干基污泥的熱值從1800～3000kJ/kg 不等，最大熱值相當(dāng)于0.5 標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值；③污泥中含有豐富的有機(jī)質(zhì)，含量40%～60%不等，充足的有機(jī)質(zhì)含量為污泥的發(fā)酵提供了可能，經(jīng)過發(fā)酵的污泥可以作為綠化種植土等；④含水率高，剩余污泥的含水率通常可達(dá)99%，經(jīng)過機(jī)械壓縮等方法處理，可以實(shí)現(xiàn)80%含水率或低至65%的含水率。

3.3 市政污泥水分的組成分析

污泥脫水為污泥處置的首要問題，在污泥的組分中，水占據(jù)了絕大多數(shù)，其中95%的水分是由于污泥中胞外聚合物的粘性作用而無法實(shí)現(xiàn)有效脫水所致。污泥的水分主要有2 類，即物理性結(jié)合水和化學(xué)性結(jié)合水。這種特性為污泥脫水提供了一個(gè)新的思路，那就是如果能夠有效破壞污泥胞外聚合物的粘性，將大大提高污泥脫水的效率。

3.3.1 物理性結(jié)合水

物理性結(jié)合水主要組成形式是間隙水70%、毛細(xì)水20%、表面吸附水5%，又被統(tǒng)稱為胞外聚合水，需用外力加以去除，如外加熱方式。

3.3.2 化學(xué)性結(jié)合水

化學(xué)性結(jié)合水主要組成形式是細(xì)胞內(nèi)部水5%，微量分子水可忽略不計(jì)，又被稱為平衡水,需打破化學(xué)鍵才能去除。

4 國內(nèi)主流污泥處置技術(shù)路徑

4.1 干化+焚燒的技術(shù)路線

4.1.1 工藝流程

99%含水污泥→帶式壓泥機(jī)（80%含水率）或板框壓泥機(jī)（60%含水率）脫水至一定的含水率→進(jìn)入污泥干化系統(tǒng)（20%含水率）→污泥焚燒系統(tǒng)→煙氣凈化系統(tǒng)→尾渣。

4.1.2 污泥干化

污泥干化根據(jù)熱量交換的接觸方式可分為直接干化和間接干化。

直接干化采用熱空氣與含水污泥直接接觸的方式，通過上下對流換熱，直接將污泥中的水分帶走，可以實(shí)現(xiàn)對熱量的充分利用，但弊端是由于污泥本身具有的污染性質(zhì)，使得帶走的熱氣當(dāng)中含有大量污染性氣體，需要設(shè)置規(guī)模巨大的廢氣處理裝置。

間接干化時(shí)熱介質(zhì)與污泥并不直接接觸，污泥均勻分布于受熱面，通過熱介質(zhì)對受熱面增加熱量從而將污泥中的水分降低。如，薄層干化、槳葉干化、盤式干化等均屬于間接干化。

4.1.3 污泥焚燒

污泥焚燒是在污泥干化的基礎(chǔ)上，利用污泥中可燃有機(jī)物含量較大的特性，通過將污泥在高溫有氧環(huán)境下充分燃燒，從而使大量有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為少許灰燼的處置方式，可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化。目前，污泥焚燒主要使用流化床焚燒爐，基本原理是物料在爐膛內(nèi)部流化氣體的作用下顯現(xiàn)出流化態(tài)，從而使燃燒更加充分。

4.2 好氧堆肥工藝技術(shù)路線

污泥好氧堆肥技術(shù)是利用污泥中的嗜溫細(xì)菌和嗜熱細(xì)菌，以有機(jī)物為生長基質(zhì)，在實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)降解的同時(shí)殺滅病原菌的污泥制肥技術(shù)。好氧堆肥是有氧參與的有機(jī)質(zhì)分解過程，分解的產(chǎn)物主要包括二氧化碳、水和熱量，其反應(yīng)過程屬于放熱反應(yīng)，放熱反應(yīng)提高了污泥的溫度，從而更好地促進(jìn)嗜溫細(xì)菌和嗜熱細(xì)菌的活性，同時(shí)有助于對有害病原菌的殺滅。

影響污泥好氧堆肥的因素主要有污泥含水率、污泥含固率、填充料、有機(jī)質(zhì)、污泥碳氮比、pH 值、通風(fēng)供氧、溫度等。污泥好氧堆肥作為實(shí)現(xiàn)污泥資源化、減量化、穩(wěn)定化的一種技術(shù)，在應(yīng)用地域上有一定的限制。如，在土地充足、光熱充足的地區(qū)因地制宜采用好氧堆肥，可實(shí)現(xiàn)污泥變廢為寶，較好地促進(jìn)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展；對于土地資源比較緊張的地區(qū)，采用好氧堆肥的經(jīng)濟(jì)性就會大打折扣。

4.3 厭氧消化工藝技術(shù)路線

厭氧消化主要是利用厭氧菌的生物作用在厭氧環(huán)境下將污泥中有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生二氧化碳、甲烷、水等產(chǎn)物的過程。為了解決傳統(tǒng)厭氧消化反應(yīng)速率慢、有機(jī)物降解率低、甲烷氣體產(chǎn)率低等問題，普遍采用預(yù)處理的方式對污泥進(jìn)行破壁處理，從而提高厭氧消化的效果，主要方法有高溫蒸煮、超聲波預(yù)處理、臭氧預(yù)處理等。

清華大學(xué)根據(jù)國內(nèi)污泥有機(jī)質(zhì)含量的實(shí)際情況開發(fā)出了適用的熱水解污泥處理工藝，設(shè)計(jì)處理污泥400t/d，協(xié)同餐廚垃圾200t/d，該工藝已成功在深圳運(yùn)營多年，基本實(shí)現(xiàn)了能量自平衡，不需要額外購買能源即可保持工藝系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該工藝主要有8 個(gè)特點(diǎn)，即①污泥厭氧消化產(chǎn)生的高溫可以有效殺滅部分病原菌和有害蟲卵，確保污泥產(chǎn)生的尾端產(chǎn)物容易穩(wěn)定，不會產(chǎn)生腐臭；②污泥厭氧消化過程中的產(chǎn)氣階段能夠產(chǎn)生較多的甲烷等氣體，可以作為能量來源給高溫蒸煮提供熱量；③污泥厭氧消化可以降解揮發(fā)性固體物質(zhì)，大大減少了污泥固態(tài)物質(zhì)的產(chǎn)量，降低了后續(xù)污泥產(chǎn)物的處置費(fèi)用；④污泥厭氧消化需要消耗大量的能量，一般來說僅僅依靠污泥消化無法滿足工藝運(yùn)行，需要外協(xié)餐廚垃圾或者外購能源進(jìn)行能量補(bǔ)充；⑤污泥厭氧消化設(shè)計(jì)的停留時(shí)間較長，需要保持25d 左右；⑥工藝停留時(shí)間的延長導(dǎo)致了處理空間的增大，需要設(shè)置體積龐大的反應(yīng)罐體，操作管理復(fù)雜；⑦污泥厭氧消化主要包括水解、酸化、產(chǎn)氣等幾個(gè)過程，在產(chǎn)氣階段，產(chǎn)甲烷菌對環(huán)境的要求較高，需要在系統(tǒng)啟動階段即開始培養(yǎng)菌種，初期調(diào)試的時(shí)間比較長，對環(huán)境的要求也比較高；⑧污泥厭氧消化后仍有較高含水率，須進(jìn)行后續(xù)處理以進(jìn)一步脫水干化，常用方法包括板框壓榨和熱干化等處理手段。

4.4 碳化工藝技術(shù)路線

污泥碳化指的是通過絕氧環(huán)境進(jìn)行熱解，獲得含碳固體產(chǎn)物，從而使污泥具備燃料功能的處理過程。污泥作為含有大量有機(jī)物的物質(zhì)，在碳化過程中可發(fā)生分解，分解的產(chǎn)物主要為熱解氣體、焦油、碳化物和無機(jī)物，經(jīng)揮發(fā)水分和熱解氣，逐漸形成內(nèi)部及表皮孔隙多且碳含量多的碳化物，具備活性炭的功能。碳化技術(shù)主要分為低溫碳化、中溫碳化和高溫碳化。

低溫碳化不需要進(jìn)行預(yù)先干化，將碳化環(huán)境加壓到10MPa 左右，溫度保持在315℃。碳化后污泥呈現(xiàn)液態(tài)，經(jīng)脫水至含水率50%以內(nèi)，烘干造粒后可作為輔助燃料，國內(nèi)污泥低溫干化后熱值一般在3000kcal/kg 以上中溫碳化是溫度保持在426～537℃，不加壓。預(yù)先對污泥進(jìn)行干化處理，使污泥的含水率保持在90%左右，然后進(jìn)入碳化爐分解。中溫碳化的過程中會產(chǎn)生油、冷凝水、沼氣和固體碳化物。通過中溫碳化，可實(shí)現(xiàn)污泥減量化和資源化的目標(biāo)。

高溫碳化是污泥在溫度649～982℃的情況下，不加壓進(jìn)行的碳化過程。預(yù)先對污泥進(jìn)行干化處理，將污泥的含水率降低至30%，然后進(jìn)入高溫碳化爐進(jìn)行造粒。經(jīng)過碳化的顆?？梢宰鳛槿剂鲜褂茫狈轿勰嗟臒嶂导s2000kcal/kg。

5 污泥處置發(fā)展方向

5.1 污泥資源化的關(guān)鍵點(diǎn)

污泥處置的“四化”原則為資源化、穩(wěn)定化、減量化和無害化。其中，資源化的關(guān)鍵點(diǎn)在于污泥有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)的分離。

污泥作為生命有機(jī)體的復(fù)合體，其內(nèi)部構(gòu)成復(fù)雜，包括有機(jī)質(zhì)、無機(jī)質(zhì)、水、胞外粘性液體等。胞外粘性物質(zhì)的持續(xù)存在是導(dǎo)致污泥含水率居高不下的原因，也是污泥脫水面臨的第一道難題。而通過細(xì)菌滅活解決胞外粘性液體包裹水分的問題后，又面臨有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)的混合存在導(dǎo)致后續(xù)利用效率不高的難題。目前，國內(nèi)污泥的有機(jī)質(zhì)含量在40%～60%不等，這導(dǎo)致了無論采用堆肥還是熱值利用都會存在效率不高或者熱值低下的問題。因此，做好有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)的分離成為污泥資源化的關(guān)鍵。國內(nèi)已有研究人員對此實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的突破，并達(dá)到了工程化應(yīng)用的程度，代表公司為天津壹新，該公司初步解決了污泥資源化利用的關(guān)鍵一環(huán)，并且已有商業(yè)化運(yùn)營的案例。

5.2 污泥產(chǎn)物分離的基本原理與資源化利用分析

污泥分離的產(chǎn)物主要是有機(jī)質(zhì)、無機(jī)質(zhì)和水。產(chǎn)物分離的基本原理為在對原泥進(jìn)行無機(jī)鹽提取的同時(shí)也對污泥進(jìn)行了改性，使微生物、細(xì)菌和病毒全部滅活，滿足污泥病毒消殺的相關(guān)要求。同時(shí)，復(fù)配的藥劑會破壞污泥胞外聚合物EPS 的粘性，使泥砂得到釋放，為重力選砂除砂創(chuàng)造了條件。利用復(fù)配藥劑對無機(jī)組分中的磷鹽、鐵鹽和鋁鹽進(jìn)行最大限度的提取和富集，最終實(shí)現(xiàn)污泥中無機(jī)金屬鹽多組分逐步分離。

污泥經(jīng)過有機(jī)質(zhì)、無機(jī)質(zhì)的分離，為后續(xù)處理處置效率的提高奠定了基礎(chǔ)，這個(gè)突破是推動污泥資源化利用的一個(gè)加速器。經(jīng)過分離處理后的污泥，有機(jī)質(zhì)含量大大提高，可達(dá)85%以上。富集的有機(jī)質(zhì)大大提高了后端污泥處置的效率，有力解決了因有機(jī)質(zhì)含量不足而導(dǎo)致的堆肥效果不好的問題，同時(shí)大大提高了尾端產(chǎn)品的熱值，并為污泥產(chǎn)品的商品化奠定了基礎(chǔ)。另外，分離出來的各種鹽和砂等無機(jī)質(zhì)可以經(jīng)過分選進(jìn)行利用，如可將鹽類提取后投入到污水廠生產(chǎn)的再循環(huán)當(dāng)中，大大降低了鐵鹽、鋁鹽的消耗；分離出來的砂等則可作為建筑材料實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。

結(jié)論

伴隨著環(huán)保技術(shù)的發(fā)展和限制污泥填埋政策的施行，污泥的資源化利用將會作為污泥處置的第一選擇得到長足發(fā)展，污泥資源化是污泥處置的根本出路。當(dāng)然，無論什么樣的污泥處置技術(shù)路線，都需要結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際進(jìn)行綜合分析判斷，因地制宜地采用合適的污泥處理技術(shù)，更好地將污泥進(jìn)行提取利用，從而服務(wù)人類生產(chǎn)生活。

在污泥處置技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和不斷完善當(dāng)中，做好污泥的有機(jī)質(zhì)無機(jī)質(zhì)分離成為關(guān)鍵步驟。分質(zhì)分離為污泥高效率利用提供了非常有效的2 條路徑，1 條是有機(jī)質(zhì)的富集，另1 條是無機(jī)質(zhì)的富集，這2 條路徑可通過不同的提取技術(shù)做出不同的產(chǎn)品原料。因此，分離技術(shù)將會促進(jìn)污泥處置的優(yōu)化和提速，為實(shí)現(xiàn)污泥變廢為寶提供了一把鑰匙。