污水處理廠污泥處理處置的上海經驗及展望
行業(yè)動態(tài)
污水處理廠污泥是污水處理的產物，剩余污泥所攜帶的有機物占比污水有機污染物的30%～50%，氮污染物20%～30%，磷約90%。如果簡單處置污泥，甚至無組織堆放，極有可能重回水體，造成水體的二次污染，導致水環(huán)境治理效果大打折扣，難以達到水環(huán)境治理的目標。由于受經濟發(fā)展水平、社會環(huán)境意識、環(huán)境治理階段目標、城市發(fā)展規(guī)劃等諸多因素制約，水環(huán)境治理重心一直聚焦在污水的達標治理上，而污水處理過程中產生的污泥，僅僅局限于“減量化”的廠內脫水處理，對污泥更為重要的“穩(wěn)定化”、“無害化”、“資源化”等有效處置的科學性、必要性認識不足，得不到行業(yè)、社會應有的重視。尤其是從本世紀前10年開始，國內污水處理設施建設速度迅猛，但對污泥處理處置設施的投資明顯未能與污水處理投資相匹配，污水處理和污泥處置規(guī)劃建設發(fā)展的不同步趨勢進一步凸顯。
針對污泥處置產物指標長期滯后于水環(huán)境治理要求的嚴峻形勢，杜絕脫水污泥第二次污染環(huán)境的重大隱患，2015年4月國務院發(fā)布了《水污染防治行動計劃》（即“水十條”）對污水處理產生的污泥，提出了明確的處理要求和階段性任務完成時間點，指出“推進污泥處理處置。污水處理設施產生的污泥應進行穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置，禁止經處理處置不達標的污泥進入耕地。非法污泥堆放點一律予以取締?，F(xiàn)有污泥處理處置設施應于2017年底前基本完成達標改造，地級及以上城市污泥無害化處理處置率應于2020年底前達到90%以上”。上述要求有利于杜絕剩余污泥無組織堆放亂象，改變過去重水輕泥的治理思路，執(zhí)行泥水并治的治理新理念，對盡快提高污泥的有效處置率，實現(xiàn)污泥“穩(wěn)定化、無害化、資源化”的有效處置，意義重大。
本文將圍繞上海市污泥處置情況，在介紹污泥處置技術應用概況的基礎上，重點介紹污泥干化焚燒的特點、運行成本及優(yōu)化方向；同時，基于上海經驗總結了污泥處理處置在技術方面的瓶頸問題及未來發(fā)展方向。
1 上海市市政污泥處理基本情況
根據城市發(fā)展和環(huán)境治理需要，自2003年起上海市相繼建成了石洞口污泥處理一期工程，處理量64TDS/d（絕干污泥）；竹園污泥處理一期工程，處理量150TDS/d；白龍港污泥處理一期工程，處理量204TDS/d。其中，石洞口和竹園污泥處理項目主要采用干化焚燒處理工藝，白龍港污泥處理項目主要采用厭氧消化工藝。
經統(tǒng)計測算，目前上海市市政污水處理總規(guī)模約800萬t/d，污泥處理總量約7000t/d（含水率80%），到2035年預計污水處理規(guī)模約達到1200萬t/d，污泥總量將增至10500t/d（含水率80%）。根據“水十條”及上海市第6輪環(huán)保3a行動計劃（2015年-2017年環(huán)境保護和建設三年行動計劃），上海市又相繼建成和正在建設的有石洞口污泥處理一期完善工程（處理量為72TDS/d），石洞口污泥處理二期工程（處理量為128TDS/d），白龍港污泥處理二期工程（處理量為486TDS/d，含一期厭氧消化后污泥），竹園污泥處理二期工程（處理量200TDS/d），浦東臨港污泥處理一期工程（處理量80TDS/d）以及青浦污泥處理項目（處理量為60TDS/d）。其中，竹園二期工程為干化工藝（干化后送外高橋電廠摻燒），其余均為干化焚燒工藝。石洞口污泥處理一期完善工程已運行，其余石洞口二期污泥處理工程、白龍港二期污泥處理工程、竹園二期污泥處理工程都在調試中，浦東濱海一期、青浦污泥一期處理工程正處在建設之中。同期，上海的松江、青浦、奉賢等地區(qū)，投資興建過污泥好氧堆肥、污泥干化、污泥摻燒等小規(guī)模污泥處置工程。
截至2017年，上海市污水處理系統(tǒng)已基本形成石洞口、竹園、白龍港、杭州灣沿岸、嘉定及黃浦江上游、崇明三島六大區(qū)域分片處理格局，全市共有污泥處理設施30座，污泥無害化處理處置率達95%以上。
2 上海市污泥處理處置技術應用概況
目前，國際主流的污泥處理處置技術在我國均有應用，各地進行選擇時常因地制宜確定主流及輔助性技術路線。上海市區(qū)經濟發(fā)展水平高，土地資源非常短缺，而污泥日產量卻巨大，干化焚燒作為徹底的污泥“減量化、無害化、資源化”的處置技術，成為《上海市污水處理系統(tǒng)及污泥處理處置專業(yè)規(guī)劃》（2017-2035）中所要求的主要選擇。同樣的道理，因崇明區(qū)規(guī)劃為生態(tài)島，工業(yè)污染極少，城鎮(zhèn)污水處理廠污泥所含重金屬污染有限，污泥采用好氧發(fā)酵后可安全適用于各類綠化、農地，而且崇明島有較多的土地可供使用，因此，上海市形成了以干化焚燒為主，其他方式（如電廠摻燒、好氧發(fā)酵、厭氧消化等）為輔的污泥處理處置技術方案?，F(xiàn)對各處理處置技術的應用概況介紹如下。
2.1 衛(wèi)生填埋
上海市污泥處置的起初主流工藝即為衛(wèi)生填埋，目前已被干化焚燒、厭氧消化等處置工藝所替代。上海市污泥的衛(wèi)生填埋發(fā)展歷程，可能就是全國其他城市污泥處置工藝將來發(fā)展的縮影。但是，作為末端處置技術的衛(wèi)生填埋，在不遠的將來仍然是污泥處置中不可或缺的方法，只是被填埋的污泥不再是脫水污泥，而是經其他工藝處置后的滿足衛(wèi)生填埋條件的其體積較原污泥縮減90%以上，甚至更高比例的殘余物。
2.2 好氧堆肥
好氧堆肥處理技術是對污泥等廢棄物進行高溫好氧發(fā)酵，利用微生物的活性或廢棄物中的有機質進行生物分解，同時高溫殺滅病原體，使其達到“穩(wěn)定化、無害化、資源化”的一種污泥處理技術。經好氧發(fā)酵后，污泥相關指標達到規(guī)范要求后，通過深耕、播撒等方式施用于土壤中或土壤表面。堆肥產物可進行污泥農用、園林綠化、林地利用、土壤修復及改良等。上海市青浦、松江等郊區(qū)建設運行過的好氧堆肥項目，基本沒有達到項目建設的初衷，使污泥通過好氧堆肥實現(xiàn)土地安全、可持續(xù)利用的目標，還有很多的實際問題有待解決。
2.3 厭氧消化
厭氧堆肥消化技術在發(fā)達 應用較為廣泛，由于其污泥有機質含量高（60%～80%），以及分解率較高，發(fā)達 污泥厭氧消化產生沼氣轉化的電能即可滿足污水廠處理時所需電力的33%～100%。由于泥質分析、系統(tǒng)運行管理污泥厭氧消化工藝操作復雜，運行管理難度大、存在消防隱患等因素，到目前為止，我國穩(wěn)定運行的污泥厭氧消化項目并不多，上海白龍港污泥厭氧消化工程是國內較典型的厭氧消化工程之一。
2.4 干化焚燒
污泥干化焚燒是指在一定溫度和有氧條件下，污泥分別經蒸發(fā)、熱解、氣化和燃燒等階段，其有機組分發(fā)生氧化（燃燒）反應生成CO2和H2O等氣相物質，無機組分形成爐灰/渣等固相惰性物質的過程。流化床焚燒爐是目前單獨焚燒技術中應用較多的焚燒裝置，主要有鼓泡式和循環(huán)式兩種，其中尤以鼓泡流化床焚燒爐應用較多。污泥含水率在55%～65%時，熱值為4.8～6.5MJ/kg，可自持燃燒。焚燒是污泥減量化較徹底的處置工藝，也是上海市污泥處理處置的主要方式。污泥干化或焚燒后的無機灰末均可作為建材的原料使用。污泥的建材利用是一個資源化過程，要真正使其進入良性循環(huán)，在降低污泥處理處置成本的同時，能保證建材本身的產品質量，穩(wěn)定消納量，為建材市場所接受。上海市正在推進污泥焚燒灰渣的建材利用，未來有望實現(xiàn)焚燒灰渣全部資源利用。
2.5 干化協(xié)同焚燒/摻燒
借助已有的垃圾焚燒項目或電廠，利用其設施的處理或焚燒能力，將污泥干化至含水率30%后，按一定比例摻入垃圾焚燒爐或電廠焚燒。該技術系統(tǒng)投資少、見效快，在污泥處理設施相對缺乏的特殊時期，對污泥處理可發(fā)揮積極作用。由于污泥與垃圾、煤等物料特性畢竟相差較大，在摻燒過程中，會產生或給已有設施的生成運行帶來較大的影響，如：當污泥摻燒比過高時，容易出現(xiàn)爐膛結焦和鍋爐積灰現(xiàn)象，大大增加了檢修時間和頻次；煙氣處理成本較摻燒前，有較大的增幅，煙氣排放濃度不易控制，操作不當有超標風險；協(xié)同焚燒規(guī)模受到限制，往往難以覆蓋污泥全量處理需求。電廠摻燒是上海市污泥單獨焚燒路線的重要補充。
3 污泥干化焚燒成本及優(yōu)化方向
成本及影響因素是技術選擇的重要考慮因素。到目前為止，污泥干化焚燒技術能夠較為徹底的實現(xiàn)污泥“穩(wěn)定化、無害化、資源化”處置，且是較為成熟的技術，越來越多經濟發(fā)達、土地緊張的城市開始考慮選擇該技術。上海市是國內污泥干化焚燒工程較多、規(guī)模較大的城市，現(xiàn)重點介紹上海市及國內其他城市相關工程在投資和成本方面的經驗，為干化焚燒技術的推廣應用提供參考。
根據全國范圍內已建成并正常運行的同類污泥干化焚燒調研情況分析，扣除財務成本和投資收益，直接運行成本，含人工費、電費、燃料費（天然氣或輕質柴油）、各類藥劑費、大修費及其他相關費用（爐渣、飛灰處置外運、環(huán)保監(jiān)測、資產保險、綠化保安、行政管理等），約為450～500元/t（含水率80%）。費用構成比例大致是：人工費占10%～12%、動力費占16%～18%，燃料費占10%～15%、藥劑占15%～20%，大修占18%～20%，其他相關費用占25%～30%。
經統(tǒng)計分析，污泥處理能耗100～110kW·h/t污泥（含水率80%），對比“新建焚燒廠電耗指標應小于90kW·h/t垃圾”，能耗高約10%～20%。其動力消耗主要工段占比：污泥接收及干化占22%～25%（干化13%）、焚燒占18%～20%，煙氣占25%～30%。
如果項目選址不在污水廠規(guī)劃廠界內，離污水廠有較遠的距離，則這類“孤島”污泥干化焚燒項目，為滿足污水排放環(huán)保要求，還需建設獨立的污水處理系統(tǒng)，確保污水經凈化后達標排放。同時，因無污水廠經凈化的中水利用，干化冷凝過程中需新增部分自來水用量。因此，污水達標處理及自來水使用將新增污泥處理成本約40～50元/t。該類“孤島”污泥干化焚燒廠成本約500～550元/t（含水率80%）。
針對干化焚燒技術特點，結合成本占比數(shù)據，未來可能降低成本的主要措施如下：
（1）隨著生活水平的提高， 污泥中有機質含量將進一步上升，其熱值勢必同步上升。在這種情況下，需補充天然氣（或輕質柴油）量將會降低，當污泥熱值常年超過12MJ/kg后，補充的燃料費用將降至零。
（2）發(fā)展煙氣處理新工藝，降低煙氣處理的能耗和藥耗。
（3）合理規(guī)劃場址，力爭污泥項目在污水廠規(guī)劃廠界內或緊鄰廠界外，避免“孤島”建廠，充分利用污水廠污水處理潛能和中水供給能力，避免污泥項目新增污水處理成本和新增自來水費用的產生。
（4）裝備產業(yè)化成熟、國產化率提高，以及建設理念優(yōu)化等因素引發(fā)財務成本降低。
隨著污泥干化焚燒技術進一步成熟，干化焚燒項目較大規(guī)模建設，干化焚燒裝備量產的增加、國產化率的提高，以及對簡約、有效建設理念的重新認識，建設投資將有較大幅度的下降。參考垃圾焚燒50～55萬元/t垃圾的工程直接投資強度，將污泥干化焚燒處理規(guī)模?。ㄍ諈^(qū)域內，污泥干化焚燒項目一般只有垃圾焚燒項目處理規(guī)模的1/3，甚至更少）、污泥接收系統(tǒng)+干化段設備及相關土建占項目投資約30%的投資增量等因素考慮在內，在可以預見的將來，將污泥干化項目投資強度控制在100萬元/t污泥（含水率80%）以下，甚至更低，完全可以實現(xiàn)。該投資強度較目前的約120萬元/t有近20%的下降幅度，對應的財務成本也將有同幅度的下降。
綜上，如果能順利實現(xiàn)，生成運行成本預計降低30%以上。
4 污泥處理處置技術瓶頸及發(fā)展方向
根據污泥處理理論技術和項目實踐經驗，污泥處理處置的絕大部分技術工藝原理明確、成熟，但由于各個項目在污泥泥性及其變化規(guī)律等方面具有其特殊性，在普遍性的技術理論與項目的特殊性相結合的時候，相關各方包括業(yè)主、設計方以及將來的設備供貨方，對項目的特殊性關注不夠、研究不夠透徹，再加上建設周期的偏緊、同類型項目偏少、可參考借鑒的經驗有限等因素，在諸多細節(jié)方面考慮不周全，常導致項目上馬后不能順利完成調試，很難迅速轉入商業(yè)運營。
例如，干化焚燒技術中的熱干化技術，上海市普遍采用以蒸汽為熱媒的傳導式熱干化技術。原理很簡單，即利用蒸汽熱源，通過干化機傳遞熱量，完成污泥的干化過程，同時干化機將干化污泥順利推出。但是，由于項目策劃時國內在熱干化方面的成熟制造商較少，上海市污泥干化機多為國外進口。而國外進口干化機，是根據該國污泥的含砂量、有機含量、粘滯特性等，研制生產的。一旦干化的污泥特性有不同，在生產過程中，進口干化機在工作穩(wěn)定性、檢修頻次、污泥脫水效率等使用性能方面，在可能有很多不盡人意的方面，甚至因為污泥泥性的不同，導致干化機不能正常工作，從而引起后續(xù)焚燒線的停運。因此，以干化焚燒技術的推廣為例，研制符合國內泥質的干化機，在降低投資成本的同時，提高干化機的工作效能，尤為重要和迫切。
在干化焚燒、厭氧消化、好氧發(fā)酵等傳統(tǒng)技術之外，創(chuàng)新污泥處理處置新工藝、新技術，也是污泥處置事業(yè)發(fā)展不可或缺的關鍵環(huán)節(jié)。例如，未來可考慮更為綠色的熱解技術作為焚燒的替代技術。污泥熱解工藝，在缺氧環(huán)境下，通過間接高溫加熱，切斷固體廢物中有機物質的高分子鏈結構，完全裂解有機物分子，使其分解重組，形成可燃氣體和干燥低分子鏈碳化固體物質。熱裂解過程中產生的可燃氣體，一般為一氧化碳、氫氣、甲烷等低分子碳氫化合物，可被無害燃燒處理（燃燒熱能補充干化熱能），燃燒尾氣二氧化硫濃度低，且煙氣沒有二惡英和重金屬污染風險，較污泥焚燒的尾氣處理工藝簡單、成本低；干燥低分子鏈碳化固體物質為一般固體廢物，整個處理過程沒有危廢產生風險。與污泥焚燒技術相比，該技術在實現(xiàn)污泥“無害化、減量化、穩(wěn)定化、資源化”的處置過程時，運行成本有明顯優(yōu)勢。在取得污泥有效處置的環(huán)境價值或者說削減同等的環(huán)境污染當量時，較少的運行成本意味著更大的環(huán)境價值或更低的碳當量排放，是持續(xù)環(huán)境污染總量下降的重要治理技術和裝備。
