淺談城市污水處理廠污泥處理技術(shù)現(xiàn)狀
行業(yè)動態(tài)
1 污水處理廠污泥發(fā)展現(xiàn)狀
隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平不斷提高，城市生活污水處理飛速發(fā)展，導(dǎo)致污水處理的“衍生品”——污泥的產(chǎn)量每年大幅度增加。根據(jù)住建部相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2014年我國干污泥產(chǎn)生量為813.4萬t，2020年達(dá)到1459.5萬t，2014年以來，干污泥產(chǎn)量復(fù)合增速為10.23%。截至2020年，全國污水處理率達(dá)97.53%，但與污泥產(chǎn)量連續(xù)遞增趨勢相背，我國污泥有效處理率還很低，大量污水處理廠采取直接傾倒或簡單填埋處置手段處理污泥，全國有效處理率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于30%。而且，在我國污水處理過程中，“重水輕泥”現(xiàn)象普遍存在，使得污水處理發(fā)展迅速而污泥處理行業(yè)卻停滯不前，污泥處理處置缺口巨大，污泥大量積壓。污泥的大量堆積不僅占用大量土地，造成環(huán)境污染，還會造成污水處理廠的嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。此外，在城鎮(zhèn)污水處理過程中，污水中30%～50%的污染物會富集到污泥中，其中含有病原菌、寄生蟲（卵）、有毒有機物、重金屬，甚至一些抗生素成分。沒有經(jīng)過穩(wěn)定化處理的污泥，無論以后以什么形式存在，大量污染物富集的污泥都會給環(huán)境帶來二次污染的風(fēng)險。
污泥是污水處理后的產(chǎn)物，是由有機殘片、細(xì)菌菌體、無機顆粒、病原體、膠體及重金屬等組成的復(fù)雜的、易腐爛的混合物。污泥中含有有利用價值的有機質(zhì)、氮、磷和各種微量元素，以及致病菌和重金屬等有毒有害物質(zhì)。因此，如果不對其進(jìn)行專業(yè)的處理處置，將對周圍環(huán)境、地下水等造成二次污染，也會對人類健康產(chǎn)生有害影響，同時，有必要對污泥中的有利用價值的有機質(zhì)和微量元素進(jìn)行資源化利用。
針對污泥處理處置問題， 相關(guān)部門也不斷出臺相關(guān)政策及法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，包括《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)）（GB 24188-2009）、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策（試行）》等，推動了污泥處置減量化、無害化和資源化的進(jìn)程，特別是生態(tài)環(huán)境部已將污泥妥善處理處置納入污水總量減排考核。但是，我國污泥處理處置技術(shù)尚處于起步階段且發(fā)展緩慢。截至2020年底，我國在污泥處理處置設(shè)施建設(shè)方面，污泥處理能力僅達(dá)到576.7萬t/a。因此，加快完善污水處理廠的污泥處理設(shè)施，實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化、減量化、無害化和資源化，已成為我國迫切需要解決的問題。
2 城市污泥處理處置技術(shù)
目前，污泥的處理方式主要包括堆肥、厭氧消化、脫水干化等，處置方式主要包括土地利用、填埋和焚燒等。堆肥和厭氧消化是近年來國內(nèi)外污泥安全處置應(yīng)用較多的處理工藝。
2.1 堆肥
堆肥是通過一定的人工條件，利用自然界的微生物，有控制地將可被微生物降解的有機廢物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。堆肥分為好氧堆肥和厭氧堆肥，通常所說的堆肥一般指高溫好氧堆肥，好氧堆肥堆體溫度一般可達(dá)到50～70℃。高溫好氧堆肥可以通過高溫滅菌殺死污泥中的病原菌、寄生蟲（卵）等有毒有害物質(zhì)，從而使污泥達(dá)到無害化。高溫堆肥具有微生物活性強、有機質(zhì)分解速度快、發(fā)酵效率高、穩(wěn)定化時間短等特點。針對高溫堆肥技術(shù)，中國城市科學(xué)研究會于2021年11月24日發(fā)布了《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥高溫好氧發(fā)酵技術(shù)規(guī)程》，并于2021年12月27日開始實施。在好氧堆肥過程中，較難分解的纖維素、木質(zhì)素和新形成的腐殖質(zhì)與灰分混合形成肥料。雖然堆肥一定程度上可以使污泥穩(wěn)定化和無害化，但是污泥堆肥后體積減小不明顯，占據(jù)的空間仍較大，給其后續(xù)處置帶來困難。堆肥過程中存在發(fā)酵不均、局部厭氧、臭氣污染、能耗高等問題，近年來傳統(tǒng)的污泥堆肥已無法滿足污泥處理的要求。為了滿足污泥氣味與消毒的規(guī)定，傳統(tǒng)的堆肥工藝需進(jìn)行優(yōu)化。
在傳統(tǒng)堆肥工藝中微生物自然生長，而動態(tài)高溫好氧快速堆肥技術(shù)（DAYIN-RDB技術(shù)）對堆肥工藝中的微生物進(jìn)行優(yōu)化，采用特定的有效微生物群（effective microorganisms，EM）強勢生長，這些微生物能快速有效地分解有機物，提高堆肥效率。DAYIN-RDB技術(shù)采用的EM具有以下特點：
（1）繁殖快、代謝快，4h增殖4000多倍，而標(biāo)準(zhǔn)菌4h僅可增殖200多倍，因此，發(fā)酵周期縮短為7～9d。
（2）生命力強，耐高溫（80℃）、耐低氧，即使在低含氧量下，也可以繁殖增長。
（3）體積大，篩選的EM分解有機物的酶系全、含量多、分解能力強，因此，繁殖的速度快，對有機物的降解也快。
DAYIN-RDB技術(shù)也成功應(yīng)用于工程項目，黑龍江北安市污泥處理采用該堆肥技術(shù)。該項目專用的DAYIN-RBD微生物可將發(fā)酵時間由傳統(tǒng)發(fā)酵的25d縮短至8d（同類工藝發(fā)酵周期較短），升溫快，有機成分降解率高，同時，可有效減少發(fā)酵時間和占地面積，大大降低投資成本和運行費用，運行費用大約為80元/（t泥）。目前，DAYIN-RDB技術(shù)已成功應(yīng)用于20余座污泥及有機固廢處置的項目，主要應(yīng)用于東北、華北、內(nèi)蒙古自治區(qū)等高緯度、寒冷地區(qū)的污泥處理。
2.2 厭氧消化
厭氧消化是污泥穩(wěn)定化和減量化的常用工藝之一，在歐美 已被普遍應(yīng)用，目前我國也在大力發(fā)展，但發(fā)展較為緩慢。全國一共建成約60座厭氧消化工程，但在正常運行的僅為20座不到。造成這種現(xiàn)象的原因是我國污泥有機質(zhì)含量低、含砂量高的特點使得污泥在厭氧消化過程中運行效率差、產(chǎn)氣量低。此外，在常規(guī)厭氧消化工藝中，進(jìn)泥含固率較低導(dǎo)致厭氧罐體積龐大、設(shè)備投資較高。因此，基于常規(guī)厭氧消化工藝中暴露的問題，提出了厭氧消化聯(lián)合工藝。目前，已被應(yīng)用的處理技術(shù)主要包括“高溫?zé)崴?厭氧消化”技術(shù)和污泥餐廚協(xié)同厭氧消化技術(shù)。
熱水解是一種污泥預(yù)處理技術(shù)，可有效破壞污泥中的微生物結(jié)構(gòu)，釋放胞外聚合物、細(xì)胞內(nèi)水和細(xì)胞內(nèi)有機物，并將大分子組分轉(zhuǎn)化為較低分子量的衍生物或可溶性單體物質(zhì)釋放。污泥熱水解可有效提高污泥中的有機質(zhì)含量，改善污泥流動性能和脫水性能，從而可促進(jìn)后續(xù)厭氧消化效率和脫水效率。因此，可將其作為厭氧消化的預(yù)處理，改善厭氧消化過程中有機物含量低的問題。此外，熱水解可以作為高含固率厭氧消化工藝（厭氧消化罐中的含固率為8%～12%）的預(yù)處理，提高厭氧消化容積負(fù)荷，改善高含固污泥厭氧消化效率和產(chǎn)氣率。傳統(tǒng)厭氧消化和“高溫?zé)崴?高含固厭氧消化”技術(shù)工藝對比如下表所示：
指標(biāo) | 傳統(tǒng)厭氧消化 | 高溫?zé)崴?/span>+高含固厭氧消化 |
提高污泥濃度/DS | 3%～5% | 8%～12% |
縮短停留時間/d | 22～25 | 15～18 |
增加容積負(fù)荷/（kg/m3/d） | 1 | 4 |
減少消化池容積/（m3/t/d） | 500 | 150 |
提高單位容積產(chǎn)氣率/（Nm3/m3） | 0.5 | 1.5～2.0 |
降低沼氣中H2S質(zhì)量濃度/（mg/L） | ≥1000 | ＜200 |
截至2017年，餐廚垃圾產(chǎn)量已達(dá)到1億t，可見產(chǎn)量之大，有必要對其進(jìn)行有效的處理。有機物在餐廚垃圾中含量高，若將餐廚垃圾厭氧消化會具有很好的產(chǎn)甲烷潛能，但在其單獨厭氧消化過程中，易發(fā)生酸抑制和氨氮抑制現(xiàn)象，造成消化過程進(jìn)行緩慢。而我國污泥由于含砂量高、有機質(zhì)含量低，單獨厭氧消化時會造成運行效率差、產(chǎn)氣量低的問題。如果兩者混合厭氧消化則能夠建立一種優(yōu)勢互補的處理系統(tǒng)，不僅可以使污泥中的重金屬和餐廚垃圾中的鹽分濃度得到稀釋，還可以補充污泥和餐廚各自成分中缺少的營養(yǎng)成分，將C/N調(diào)節(jié)至厭氧消化的適宜范圍，同時可使得污泥和餐廚垃圾都得到有效處理。此外，餐廚和污泥協(xié)同厭氧消化技術(shù)建設(shè)和運行成本比餐廚和污泥各自建設(shè)一套處理系統(tǒng)低，避免了多次征地且具有良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。
目前，“高溫?zé)崴?厭氧消化”技術(shù)已在實際工程中得到了應(yīng)用。比如，長沙市污水處理廠污泥集中處置項目，該污水廠污泥協(xié)同處理餐廚垃圾，總處理規(guī)模為500t/d，分別為434t/d濕污泥（含水率為80%）和66t/d餐廚垃圾（含水率為60%），整體工藝流程為“污泥熱水解+高含固厭氧消化+脫水+熱干化”。污泥和餐廚垃圾由廠外運輸至廠區(qū)后，在進(jìn)料車間進(jìn)行稱重卸料，同時對原料污泥進(jìn)行調(diào)質(zhì)，然后混合物通過料泵送至熱水解站進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理后的污泥流動性、衛(wèi)生性、可生化性能得到大幅提高。污泥通過高含固厭氧消化單元生物處理，有機物降解的同時產(chǎn)生生物質(zhì)能源沼氣。消化后的污泥經(jīng)脫水和干化后，部分用于園林綠化用土，其余部分用作填埋覆蓋土；沼氣經(jīng)過脫硫預(yù)處理后，一部分用作廠內(nèi)能源，另一部分用于發(fā)電上網(wǎng)，產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益。西安市污水處理廠污泥集中處置項目設(shè)計總處理規(guī)模為1000t/d（含水率為80%），是我國中西部地區(qū)設(shè)計規(guī)模較大的污泥處理項目。項目采用“污泥高溫?zé)崴?高含固厭氧消化+脫水+干化”工藝，沼氣用于發(fā)電及鍋爐燃料，降低廠區(qū)運行費用，干化后的沼渣用作建材原料，實現(xiàn)污泥資源化利用。此外，“高溫?zé)崴?厭氧消化”技術(shù)還成功應(yīng)用于北京高安屯污泥處理中心項目、小紅門污泥項目、黑龍江省牡丹江市及佳木斯市的污泥處理項目等。
餐廚協(xié)同污泥處理技術(shù)也得到了應(yīng)用。例如，鎮(zhèn)江餐廚廢棄物及市政污泥協(xié)同處理項目是國內(nèi) 采用污泥和餐廚協(xié)同處理并已成功運行的項目。該項目餐廚廢棄物一期建設(shè)規(guī)模為140t/d[其中餐廚垃圾為120t/d（含水率以85%計）、油脂為20t/d]，污泥處理規(guī)模為120t/d（含水率以80%計）。采用“污泥高溫?zé)崴?餐廚廢棄物及污泥協(xié)同厭氧消化+深度脫水+太陽能干化+沼氣提純”工藝，處理后的污泥作為生物碳土用于園林種植，產(chǎn)生的沼氣提純后并入天然氣管網(wǎng)，壓濾液排入污水處理廠處理。目前，鎮(zhèn)江市餐廚廢棄物及市政污泥協(xié)同處理二期工程也在實施中，設(shè)計規(guī)模為360t/d，其中，污泥規(guī)模為180t/d（含水率為80%）、餐廚廢棄物規(guī)模為150t/d（含水率為85%）、油脂規(guī)模為30t/d，核心工藝為“污泥及餐廚預(yù)處理+厭氧消化+深度脫水”。但總的來說，目前餐廚協(xié)同污泥處理技術(shù)應(yīng)用相對較少。
2.3 脫水干化
不管是原生污泥還是濃縮或消化后的污泥，其含水率都很高，給后續(xù)處理造成困難，因此，需要對其進(jìn)一步脫除水分，可通過脫水干化來實現(xiàn)。污泥通常需要調(diào)理改善脫水性能后再脫水，常用的調(diào)理方法是投加藥劑，主要投加無機鹽或高分子混凝劑。目前，我國所使用的污泥脫水機械主要有帶式污泥脫水機、板框式污泥脫水機和離心式脫水機等。帶式污泥脫水機是由上下兩條張緊的濾帶夾帶著污泥層，從一連串有規(guī)律排列的輥壓筒中呈S形經(jīng)過，依靠濾帶本身的張力形成對污泥層的壓榨和剪切力，把污泥層中的毛細(xì)水?dāng)D壓出來，獲得含固量較高的泥餅，從而實現(xiàn)污泥脫水。脫水過程一般分為預(yù)處理、重力脫水、楔形區(qū)預(yù)壓脫水及壓榨脫水4個重要階段。帶式污泥脫水機可連續(xù)工作、單位時間內(nèi)物料處理量大、經(jīng)濟(jì)可靠、使用壽命長，目前使用普遍、技術(shù)相對成熟，但脫水效率和泥餅固含率一般，由于處理后含水率較高，后期還需再二次處理，并且機器后期保養(yǎng)維護(hù)不方便。對于帶式污泥脫水機， 環(huán)境都出臺了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，《環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求 污泥脫水用帶式壓榨過濾機》（HJ/T 242-2006）規(guī)定了污泥脫水用帶式壓榨過濾機的定義、分類命名、要求、試驗方法、檢驗規(guī)則標(biāo)志、包裝、運輸和貯存等要求。板框式污泥脫水機工作流程為：進(jìn)料泵進(jìn)料-過濾-壓榨物料-卸料。經(jīng)過板框壓濾機處理之后的污泥含水率較低，過濾效果好，而且板框壓濾機結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，保養(yǎng)方便。但相比帶式污泥脫水機，板框壓濾機單次過濾時間較長，屬于間歇工作類型，運行一個完整的流程后才進(jìn)入下一個運轉(zhuǎn)，且有些設(shè)備需要人工配合才能完成，濾餅需要人工取出，同時還需要更換濾布，濾框給料口容易堵塞，從而影響壓濾機設(shè)備效率。離心式污泥脫水機由轉(zhuǎn)筒和帶空心轉(zhuǎn)軸的螺旋輸送器組成，污泥由空心轉(zhuǎn)軸送入轉(zhuǎn)筒，在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力下，立即被甩入轉(zhuǎn)鼓腔內(nèi)，由于比重不一樣，形成固液分離。污泥在螺旋輸送器的推動下，被輸送到轉(zhuǎn)鼓的錐端由出口連續(xù)排出；液體則由堰口連續(xù)“溢流”排至轉(zhuǎn)鼓外，靠重力排出。離心式脫水機可實現(xiàn)連續(xù)運行，處理能力大，占地面積小，但其脫水效率一般、耗電大、噪音大、振動劇烈、維修管理困難、不適于比重接近的固液分離。
污泥的進(jìn)一步脫水稱為污泥干化，污泥干化技術(shù)的特點為污泥顯著減容、干化后污泥氣味小河病原體少，干化后污泥用途廣泛，如作肥料、土壤改良劑等。因此，在后續(xù)處置（填埋、焚燒、土地利用等）過程中，污泥干化是重要的一步。目前應(yīng)用的技術(shù)主要包括熱干化和太陽能干化。熱干化和太陽能干化各有其特點：熱干化占地小、干化速率快，但能耗較大，技術(shù)要求高；太陽能干化具有節(jié)能、運行費用低、對環(huán)境污染小等優(yōu)點，但存在占地面積大、受天氣條件制約等缺點。脫水干化技術(shù)目前已在實際工程中應(yīng)用，上海石洞口污水處理廠污泥二期工程建設(shè)規(guī)模為128tDS/d，采用“離心脫水+干化”的工藝技術(shù)路線，后續(xù)處置采用單獨焚燒。
一直以來，污泥脫水干化在污泥處理處置領(lǐng)域備受關(guān)注。脫水干化可實現(xiàn)污泥大幅減量化，較大程度地進(jìn)行源頭減量控制，具有較好的社會效益。目前，出現(xiàn)了污泥脫水干化一體技術(shù)，可實現(xiàn)污泥的濃縮脫水干化一步處理到位，減少附屬設(shè)備設(shè)施的投資和建設(shè)，實現(xiàn)污泥的就地減量化、無害化、穩(wěn)定化。該技術(shù)占地面積小、自動程度高、投資低、運行成本經(jīng)濟(jì)、兼容性好，適合現(xiàn)有污泥處理設(shè)施的升級和改造。比如，上海老港暫存庫區(qū)污泥處理處置服務(wù)項目中，處理規(guī)模為2000t/d（含水率以80%計），進(jìn)泥含水率為90%～95%，處理后出泥含水率≤30%，實現(xiàn)污泥大幅減量化。
2.4 污泥處置技術(shù)
污泥處置是指處理后污泥的消納過程，確保污泥中有毒有害物質(zhì)不會對人類及環(huán)境造成危害。常見的污泥處置技術(shù)主要包括填埋場填埋、土地利用、焚燒、建筑材料利用等。
填埋雖然能消納一定量的污泥，但隨著污泥量的增加，大面積選址更加困難，而且污泥中的水分滲漏易污染地下水，因此，長期來說污泥填埋這一處置方式不利于可持續(xù)發(fā)展?！冻擎?zhèn)污水處理廠污泥處置 混合填埋用泥質(zhì)》（GB/T 23485-2009）中規(guī)定：污泥用于混合填埋時，其含水率應(yīng)＜60%，污泥用作垃圾填埋場覆蓋土?xí)r，其含水率應(yīng)＜45%。研究表明，目前我國大部分地區(qū)仍然采用填埋處理污泥，占比達(dá)到了66%。但在將來，污泥填埋由于多重因素的限制，使用的場所會越來越少。
土地利用可以使污泥中含有的有機養(yǎng)分和微量元素重新回到環(huán)境中，可用于園林綠化、農(nóng)田施肥、貧瘠地的修復(fù)及改良等。但污泥中含有大量致病菌、重金屬等難降解的有毒有害物質(zhì)，如果處理過程不徹底，進(jìn)行土地利用可能引起二次污染。因此，土地利用目前主要集中于園林綠化，《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 園林綠化用泥質(zhì)》（GB/T 23486-2009）中規(guī)定：污泥用于園林綠化含水率應(yīng)＜40%。目前，污泥用于園林綠化在國內(nèi)已有應(yīng)用案例。在鎮(zhèn)江餐廚廢棄物及市政污泥協(xié)同處理項目中，污泥經(jīng)過熱水解、厭氧消化和脫水干化后，產(chǎn)生的生物碳土被當(dāng)作培植土使用。如果生物碳土過剩，則可用來種植移動森林，但在用于園林綠化過程中，污泥消納數(shù)量有限，仍有部分污泥需要尋求其他處置方式。因此，若考慮土地利用作為污泥的處置方式，需要使污泥處理徹底，保證其無害化，擴(kuò)大其土地利用的領(lǐng)域。
污泥焚燒可以較大程度地減少污泥的體積（減容可達(dá)90%以上），破壞有害物質(zhì)，回收熱能，迅速實現(xiàn)無害化和減量化。該技術(shù)成為了日本、歐洲的主要污泥處理方式。但污泥焚燒系統(tǒng)工藝設(shè)備多，管理要求高，工程一次性投資和運營成本高，燃燒過程可能產(chǎn)生煙氣、二惡英等物質(zhì)，對公眾、環(huán)境影響大，碳足跡高。污泥焚燒適用于大中型城市且經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)、大型城鎮(zhèn)污水處理廠或部分污泥中有毒有害物質(zhì)含量較高的城鎮(zhèn)污水處理廠。關(guān)于污泥焚燒我國也制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置污染防治可行技術(shù)指南（試行）》（HJ-BAT-002）規(guī)定：污泥用作水泥窯、發(fā)電廠和焚燒爐燃料時，須將污泥含固率提高至80%～95%。國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)已采用污泥焚燒工藝，例如，上海竹園污泥處理工程、成都市 城市污水污泥處理廠工程。但是，目前污泥焚燒工程中，由于污泥含水率、熱值等，很難達(dá)到自身自持燃燒。因此，在未來，污泥焚燒工藝需要在污泥熱值和含水率之間尋求平衡，在達(dá)到自身系統(tǒng)能量平衡的基礎(chǔ)上，向外輸出能量，達(dá)到能源工廠的目標(biāo)。
污泥在建材利用方面一直有研究，也制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 制磚用泥質(zhì)》（GB/T 25031-2010）中規(guī)定：污泥用于制磚時，污泥含水率應(yīng)≤40%。但是，污泥建材利用存在重金屬浸出及放射性污染物、有機污染物的影響，且建筑材料消納有限，限制了其發(fā)展。
3 結(jié)論
綜上，污泥的處理處置工藝多種多樣，除了一些傳統(tǒng)工藝，還有很多新型污泥處理技術(shù)。對傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，使其不僅適用于我國的污泥泥質(zhì)現(xiàn)狀，而且有更好的處理效果，包括高溫堆肥、高溫?zé)崴饴?lián)合厭氧消化、污泥餐廚協(xié)同厭氧消化、低溫真空脫水干化一體化技術(shù)等。此外，優(yōu)化后的污泥處理工藝實現(xiàn)了工程化應(yīng)用，并且工廠運行效果良好。因此，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，一些傳統(tǒng)污泥處理工藝已無法滿足當(dāng)下污泥處理需求，應(yīng)尋求傳統(tǒng)工藝的改進(jìn)優(yōu)化，不斷探究新型污泥處理工藝。探究過程中，應(yīng)根據(jù)我國國情、地區(qū)發(fā)展水平、污泥性質(zhì)等綜合確定，以此推動污泥減量化、無害化、資源化進(jìn)程，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。
