【技术精华】污泥处理处置及资源化途径与新技术

截至2015年9月底，全国城镇累计建成污水处理厂3830座，污水处理能力已达到1.62亿m3/d，伴生的污泥已突破3000万t/年(含水率80%计)。根据住建部统计数据，截至2014年底，通过建材、焚烧、制肥、卫生填埋等无害化处置的污泥约为56%，近半数污泥尚未做到无害化处理，约三分之一污泥采用“临时手段”处置，百分之十几的污泥不明去向，未能达到国务院《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》中要求的80%污泥无害化处理处置目标。污泥问题已成为污水处理领域的瓶颈。与国外发达国家相比，我国的污泥成分泥砂和重金属含量相对较高、有机质含量少，致使污泥厌氧发酵产气率低、焚烧处理热值偏低、土地利用环境风险大。因此，开发适合我国污泥泥质特征的污泥处理处置与资源化技术意义重大。

近几年，随着全国城镇污水处理设施的大规模建设、国家水体污染控制与治理科技重大专项的全面实施，我国污泥处理处置及资源化技术和装备得到了快速发展，储备了系列原创技术，形成了一批代表性示范工程，为污泥问题的解决提供了技术支撑。

1污泥处理处置的基本原则和技术路线

1.1基本原则

对污泥进行处理处置与资源化利用时应遵循“安全环保、循环利用、节能降耗、因地制宜、稳妥可靠”的基本原则。其中，安全环保是必须坚持的基本要求;循环利用是应努力实现的重要目标;节能降耗是应充分考虑的重要因素;因地制宜是方案比选决策的基本前提;稳妥可靠是贯穿始终的必需条件。

在制订污泥处理处置规划时，应根据污泥处理处置阶段性特点，同时考虑应急性、阶段性和永久性三种方案。充分利用其他行业资源来进行污泥处理处置可作为阶段性方案，并应具有应急的处理处置方案，防止污泥随意弃置，保证环境安全。在选择污泥处理处置技术时，应按照“处置决定处理、处理满足处置”的要求，在确定了污泥处置方式的基础上选择适宜的污泥处理技术。同时优先采用先进成熟的技术，对于研发中的新技术，应经过严格的评价、生产性应用以及工程示范，确认可靠后方可采用。

1.2技术路线

污泥处理处置的目标是实现污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化。减量化、稳定化、无害化可以降低处理费用、避免二次污染;资源化可以实现污泥中有机质和营养元素的循环利用。污泥处理处置及资源化方式，要充分考虑污泥的泥质特征、所处地区的环境条件和经济水平。鼓励发达城市以资源化利用为主要目标，欠发达城市和地区以稳定化、无害化为近期目标，同时考虑未来污泥资源化利用的可能性。鼓励符合标准的污泥进行土地利用。有条件的地区，可推广污泥制建材等综合利用;不具备相应条件的可采用填埋处置。

污泥处理以满足土地利用时，鼓励采用厌氧消化或高温好氧发酵(堆肥)等方式处理污泥;污泥以填埋为处置方式时，可采用高温好氧发酵、石灰稳定等方式处理，也可添加粉煤灰对污泥进行改性;污泥以建筑材料综合利用为处置方式时，可采用热干化、焚烧等处理方式。鼓励大中型城市采用干化焚烧和建材利用为主的技术路线，中型城市或大城市区县采用“厌氧消化+土地利用”的技术路线，小型城市或区县采用“好氧发酵+土地利用”的技术路线。

2污泥处置及相关要求

2.1污泥土地利用

污泥的土地利用包括农用、园林绿化、土地改良，也是污泥有机质、氮磷钾营养物质最重要的资源化利用方式，鼓励经稳定化无害化处理且符合国家相关标准要求的污泥进行土地利用。当泥质满足《城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质》(GB/T 23486-2009)要求时，可以用于园林绿化;当泥质符合《城镇污水处理厂污泥处置 土地改良用泥质》(GB/T 24600-2009)规定时，可以用于盐碱地、沙化地和废弃矿场等土地改良。禁止不达标污泥进入耕地，当把污泥用于农田、果园或牧草地时，除了泥质达到《农用污泥中污染物控制标准》(GB 4284-84)和《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》(CJ/T 309-2009)规定外，还应根据当地的土壤环境质量和农作物特点，结合《土壤环境质量标准》(GB 15618-2008)，研究提出包括施用范围、施用量、施用方法及施用期限等内容在内的污泥农用方案，经污泥施用场地适用性环境影响评价和环境风险评估后，进行污泥农用并严格施用管理。

2.2污泥建材利用

污泥的建材利用包括制水泥添加剂、制砖、制轻质骨料等。当污泥泥质满足《城镇污水处理厂污泥处置 制砖用泥质》(GB/T25031-2010)要求时，污泥可直接作为制砖原料;当污泥泥质满足《城镇污水处理厂污泥处置 水泥熟料生产用泥质》(CJ/T 314-2009)要求时，污泥可直接作为水泥熟料生产的原料。污泥建材利用时应严格防止生产和使用过程中的二次污染。

2.3污泥焚烧

污泥的焚烧包括单独焚烧、与垃圾混合焚烧、利用工业锅炉焚烧和利用火力发电厂焚烧。污泥焚烧应在调查本地区可资利用的垃圾焚烧、水泥及热电等窑炉状况的基础上，鼓励利用现有窑炉对污泥进行协同焚烧，以降低污泥处置设施的投资。当泥质满足《城镇污水处理厂污泥处置 单独焚烧用泥质》(GB/T24602-2009)要求时，污泥可以单独焚烧，并与干化联用，以提高污泥的热能利用效率。焚烧后的灰渣，首先考虑建材利用，也可直接填埋;经鉴别属于危险废物的灰渣和飞灰，应纳入危险固体废弃物管理。采用污泥焚烧技术方案时，应参照《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485-2014)防止二次污染。

2.4污泥填埋

当污泥泥质不适合土地利用，且当地不具备焚烧和建材利用条件时，可采用填埋处置。污泥的填埋包括单独填埋、混合填埋和特殊填埋。污泥填埋前需进行稳定化处理，可采用石灰稳定等工艺，也可通过添加粉煤灰或陈化垃圾对污泥进行改性处理，处理后泥质应符合《城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋用泥质》(GB/T 23485-2009)的要求。污泥填埋处置应考虑填埋气体收集和利用，减少温室气体排放。

3污泥处理处置及资源化新技术

3.1污泥原位减量技术

污泥原位减量技术是通过降低污水处理过程中细胞合成量、增强微生物自身内源呼吸能力、促进微生物的自身分解，最终达到减少剩余污泥产生量的目的。因此，污泥原位减量与污泥减容减量有本质上的区别，后者只是通过降低污泥含水率缩减污泥。实质上，传统的污水处理工艺通过延长曝气时间、增加污水在曝气池内的停留时间，可提高微生物内源代谢反应的自身氧化率，减少污泥的产量。但是，这种方式会增大池容和曝气量。近年来，国内外学者基于溶胞-隐性生长、解偶联代谢、生物捕食以及内源代谢/维持代谢等理论，对污泥原位减量技术进行了大量研究，污泥减量可达到21%~87%。在这些基础研究成果的指引下，对传统成熟工艺进行组合、改进，可以在满足原有污水处理功能的基础上，同时获得较好的污泥减量效果。“好氧-沉淀-厌氧”是一种基于解偶联机制的改进活性污泥系统，在污泥回流过程中加一个厌氧池，使好氧微生物在好氧段产生的ATP 在底物缺乏的厌氧段被消耗，不能用于细胞合成，从而降低污泥产量。嵌入式旁路污泥减量是在CASS反应器的基础上，通过控制反应区低溶解氧、碱解污泥使其碳源化、回流碳源化污泥强化生物反硝化能力等手段，可使系统的污泥减量率大于25%，其中有机污泥减量率大于55%，有效达到污泥原位减量。水蚯蚓原位消解污泥技术是在传统污水处理系统生化池中引入更高营养级的后生动物水蚯蚓，延长系统中的生物链，促进物质循环和能量流动，利用水蚯蚓和微生物的协同作用原位消解污泥，实现污泥原位减量。

3.2污泥减容减量技术

污泥减容的目的就是降低污泥含水率、减小污泥体积，实现污泥最基本的减量化。在减容过程中污泥的生物固体量几乎没有改变。传统的污泥减容减量技术包含了污泥浓缩和污泥脱水两个过程。浓缩是减缩污泥间隙水，脱水是减缩污泥毛细水和表面附着水。在技术原理上，污泥浓缩和脱水没有重大突破，主要方法包括重力浓缩、机械浓缩、离心脱水、带式脱水和板框压滤脱水等，装备也已经国产化，今后的研究重点是如何进一步降低药耗、电耗和降低污泥的含水率。由于在机械脱水过程中污泥的压密方向和水的排出方向一致，压力愈大，压密越甚，水分流动的通路将逐渐被堵塞，因此传统的机械脱水技术较难进一步降低污泥的含水率。

为了进一步提高污泥的脱水效果，近年来电渗透、射流、真空等有别于传统机械脱水的新技术逐渐得到应用，也建立了一批示范工程，泥饼的含水率可达到60%以下，被称为深度脱水。污泥深度脱水是我国特有的一种污泥脱水工艺，就电渗透脱水技术而言，它是基于污泥中细菌的主要成分蛋白质在pH接近中性的环境中通常带负电荷，在电场作用下，带电颗粒将在分散介质中作定向运动。电渗透脱水技术就是利用带电颗粒和周围介质的电渗透和电泳实现污泥深度脱水。在电渗透过程中，水的流动方向和污泥絮体流动方向相反，水分可不经过泥饼的空隙通道。因此，电渗透脱水不受污泥压密引起的通道堵塞或阻力的影响，脱水效率比一般方法提高10%~20%。桑德环保将“电渗透”与“板框压滤”进行耦合开发的“污泥电渗透高压干化机”，在不投加任何化学药剂的情况下，可将城市污泥含水率从80%~85%降至40%~60%。

3.3污泥干化技术

污泥干化是在污泥脱水后，利用热能进一步减少污泥含水率的方法。通过干化处理后，污泥的含水率可降至40%~10%。污泥干化是一个能量净支出的过程，能耗费用在系统运行成本中的比例大于80%，因此发展节能低碳污泥干化技术具有重要的现实意义。近年来，污泥干化技术发展较为迅速，主要聚焦在三个方面，一是利用太阳能、生物质能等新能源进行污泥干化;二是对干燥机或反应器等装备进行优化;三是对污泥干化新技术的研发，比如水热干化、生物干化、污泥低温射流干化、低温真空脱水干化、微波干化、超声波干化和热泵干化等。

污泥水热干化是将污泥在密闭容器内加热，在一定温度和压力下破坏污泥的胶体结构，降低污泥粘度，提高污泥的脱水性能，经压滤脱水即可得到含水率为60%的泥饼。污泥生物干化是利用微生物高温好氧发酵过程中有机物降解所产生的生物热能，通过过程调控手段促进水分蒸发，从而实现快速去除水分的一种干化处理工艺。太阳能污泥干化是利用太阳能提升温室内部气体温度，扰流风机将上部未饱和的热空气吹到污泥表面，打断污泥表面形成的饱和冷空气层，形成混流效应，将污泥水分吸收带出温室。污泥低温射流干化系统能够在常温下利用音障原理，采用高速风机产生超高速气流冲击波对污泥进行破碎，污泥和水在粉碎的过程中分离，然后再经过气、液、固三相分离装置进行脱水和固体颗粒的回收。低温真空脱水干化成套技术利用通过真空系统将腔室内的气压降低，使滤饼中水的沸点降低，同时通过隔膜板和加热板对滤饼加热，使水分蒸发的速度加快，比在常压下加热干化的效率更高。

3.4污泥焚烧技术

污泥焚烧是最彻底的减量化技术，通过焚烧污泥，污泥的体积缩减至原污泥10%以下，焚烧产物为稳定的惰性灰渣，可以进行建材资源化利用，实现了真正意义上的稳定化、无害化和资源化，更为重要的是焚烧污泥产生的热量可回用于湿污泥的干化，有利于污泥生物质能源的循环利用，是国际上大型城市的主流污泥处理工艺。但是，由于污泥干化焚烧工程规模大、工艺复杂，建设成本和运行成本均较高，现阶段大力推广和应用该技术还显得较为困难。以上海某污泥处理工程为例，规模为150 tDS/d的污泥干化—焚烧—烟气处理工程，工程投资高达6亿元，其中建安费为4亿元，折合单吨污泥建设成本约53万/t湿泥(含水率80%计)，直接运行成本为200元/t湿泥。因此，从降低污泥处理处置设施的建设和运行成本角度考虑，鼓励利用现有窑炉对污泥进行协同焚烧。

近年来，随着一批示范工程的建设，污泥焚烧技术和装备得到了快速发展，具有代表性的成果包括异重流化床污泥清洁焚烧技术、湿污泥循环流化床一体化焚烧技术以及污泥协同焚烧技术等。其中，异重流化床污泥清洁焚烧技术采用石英砂床料，通过在流化床中添加钙基物质，并结合炉内燃烧温度控制等手段，有效防止了大污泥凝聚团在流化床内的沉积。湿污泥循环流化床一体化焚烧技术是在循环流化床燃烧技术和污泥流化床干化技术的基础上，把相对独立的污泥干化和焚烧过程耦合在一起，回收热灰和高温烟气热量进行湿污泥的预干化，在一个系统中完成湿污泥的干化和焚烧，大大降低了污泥处置的能耗和成本。污泥协同焚烧技术则将污泥与其他物质利用现有的工业焚烧炉进行混合焚烧，目前已经在火力发电厂、垃圾焚烧厂、水泥窑焚烧实现了工程示范，进一步研发的重点是添加量对炉体影响和烟气的污染控制。

3.5污泥厌氧消化技术

厌氧消化是最常见的污泥稳定化和资源化处理技术，能够实现污泥中碳、氮、磷等自然资源的循环利用。在发达国家，规模化污水处理厂大都设置了污泥厌氧消化装置，在解决污泥处理的同时还可以利用沼气提供污水处理厂40%~60%的电耗。由于我国污泥的泥砂含量高、有机质含量低，沼气产量低、品质差，能量化效率低，再加上建设成本高，致使污泥厌氧消化设施长期处于建造和运行双困难的状态。近年来，厌氧消化技术取得了较好进展。基于我国污泥特征，就提升厌氧消化效率的途径展开了大量研究，开发了高含固厌氧消化、有机质协同厌氧消化、预处理+多级多相厌氧消化等创新技术，部分技术已经形成示范工程或装备，如高温高压热水解技术装备、污泥浓缩/消化一体化技术装备。典型工艺有初沉污泥与剩余污泥水解碳源回收和利用技术、分级/分相厌氧消化技术、污泥与城市有机质协同厌氧消化技术等。其中，高含固厌氧消化技术是基于污泥细胞破解技术，通过污泥细胞破裂、有机物溶出，提升厌氧消化速率和转化效率，提高沼气产量和品质。常见的细胞破解预处理技术有热水解、碱处理、超声波预处理、臭氧预处理等。目前，高温高压热水解技术已建立稳定的示范基地，通过污泥细胞破解预处理，使含固率高达10%~20%的污泥可以顺利进行污泥的厌氧消化处理，为污泥的集约处理奠定了技术基础。长沙市某污泥集中处理项目，将湿污泥(含水率80%)和餐厨垃圾(含水率60%)进行共同发酵，总处理规模为500 t/d，采用污泥热水解+高含固厌氧消化+脱水+干化工艺，处理后产物为生物碳土(40%含水率)和沼气(68%甲烷)，实现了城市污泥与餐厨垃圾的协同处理和脱水污泥热水解预处理，提高了污泥降解率和产气率。围绕厌氧消化技术的应用，今后将在提高厌氧消化有机质的转化效率、缩短停留时间、提高沼气中甲烷含量、开发沼渣沼液的高品质利用途径等方面展开研究。

4结语