我國(guó)城鎮(zhèn)污泥處理與處置新型技術(shù)研究

牛存穩(wěn) ，王 浩 ，周祖昊 ，范田億 ，2，劉 琳

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，430072，武漢；3.中建集團(tuán)水務(wù)環(huán)保有限公司，100037，北京）

一、我國(guó)污泥處理處置概況

隨著我國(guó)污水處理能力不斷增強(qiáng)、污水處理量不斷增加，隨之產(chǎn)生的污泥總量也在逐年激增，若不能及時(shí)妥善進(jìn)行處置處理及合理有效再利用，易對(duì)大氣、水體、土壤造成二次污染和危害，且其危害程度和持久性遠(yuǎn)大于廢水，使人們的生存環(huán)境進(jìn)一步惡化，生態(tài)環(huán)境難以修復(fù)。

我國(guó)污泥處理處置存在技術(shù)較落后、處理成本較高、占地難以解決等問題，處理水平整體偏低。2014年我國(guó)城鎮(zhèn)污泥產(chǎn)生量為2 801.47萬t，同比增長(zhǎng)11.57%。截至2015年年底，我國(guó)已建成將近4 000座城鎮(zhèn)污水處理廠，污水處理能力接近1.67億m3/d，產(chǎn)生的污泥量達(dá)3 400萬t（以含水率80%計(jì)）。

“十三五”規(guī)劃將環(huán)境治理擺到了非常重要的位置，“綠色”成為五大發(fā)展理念之一，迫切需要針對(duì)我國(guó)污泥處理處置的技術(shù)、路線和原則等問題進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，把控污泥處理處置各個(gè)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

二、我國(guó)污泥處理處置存在的主要問題

污泥是在污水處理過程中產(chǎn)生的半固態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，作為污水處理的副產(chǎn)物，含有多種重金屬、有機(jī)物和病原菌，不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，還會(huì)危害人類健康。污泥處理是將城市污水處理廠產(chǎn)生的污泥減容、減量并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定以及無害化的過程。污泥處置是指經(jīng)由處理的污泥以某種方式長(zhǎng)期穩(wěn)定存在于環(huán)境中，但對(duì)生態(tài)環(huán)境無不良影響的消納方式。目前我國(guó)污泥處理處置存在的主要問題如下：

1.處理處置能力不足

我國(guó)污泥年產(chǎn)生量已達(dá)3 400萬t，經(jīng)填埋處理的污泥占65%，未處理的污泥則進(jìn)行外運(yùn)，處理處置能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。污泥處理處置的彈性小，一旦設(shè)備檢修或者損壞，就會(huì)滯留大量污泥，嚴(yán)重影響污水處理廠的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.處理處置程度整體不高

近年，我國(guó)市縣污水處理率越來越高，污水處理出廠標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，對(duì)排放污水中污染物的強(qiáng)制性約束指標(biāo)也不斷增多，污水處理已日漸成熟。但是從各方面看，污泥的處理處置遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于污水處理，2015年國(guó)內(nèi)污泥無害化處置率低于30%，距“十二五”70%的目標(biāo)有很大差距，而“十三五”規(guī)劃城市污泥處理率應(yīng)達(dá)90%，因此污泥處理處置率亟待提高。

3.處理處置效果評(píng)價(jià)難

污泥處理處置技術(shù)路線復(fù)雜，且大部分污水處理廠缺乏對(duì)初沉污泥、剩余污泥等指標(biāo)的單獨(dú)計(jì)量，不利于率定剩余污泥表觀產(chǎn)率系數(shù)、合成系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，難以對(duì)污泥處理處置效果進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)。

4.部門協(xié)調(diào)配合難度大

污泥處理處置需要與農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保、建設(shè)等部門協(xié)調(diào)配合，客觀上增加了污泥處理處置在實(shí)際操作中的難度。

三、新型污泥處理處置方案

目前我國(guó)常規(guī)污泥處理方式主要有填埋、堆肥、自然干化、焚燒等，占比分別為 65%、15%、6%、3%，另外還有熱解和燒結(jié)建材等。近年，國(guó)內(nèi)外污泥資源化利用技術(shù)快速發(fā)展，開發(fā)了污泥超聲波破解、污泥高溫高壓熱水解、污泥與有機(jī)物協(xié)同消化制生物燃?xì)狻⑽勰酂峤馓蓟?、污泥熱解氣化、污泥協(xié)同焚燒、污泥磷回收等新技術(shù)，揭示了未來污泥處置的發(fā)展方向——污泥資源化。在污泥資源化領(lǐng)域，涌現(xiàn)出大量新型污泥處置方案，為流域綜合治理提供了新的技術(shù)參考。

1.超臨界水氧化處理技術(shù)

（1）技術(shù)概況

超臨界水指溫度在374℃、壓力在22.1 MPa以上狀態(tài)的水。超臨界水氧化處理技術(shù)是利用反應(yīng)原料在超臨界水中良好的傳質(zhì)、傳熱性能，使氧化劑和有機(jī)物完全溶解在超臨界水中并發(fā)生均相氧化反應(yīng)，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化成無害化的 CO2、N2、H2O 等潔凈小分子化合物，適用于市政污泥、高濃度難降解廢水和危廢液體處理。

（2）技術(shù)特點(diǎn)

超臨界水氧化處理技術(shù)的特點(diǎn)是：①低能耗自熱式超臨界水氧化工藝，克服了傳統(tǒng)廢棄物處理技術(shù)（如焚燒）的高耗能過程；②高壓分布式加氧及反應(yīng)溫度控制技術(shù)，通過工藝參數(shù)的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物料的處理；③超臨界水換熱系統(tǒng)，超臨界水處理工藝具有良好的傳熱性能，可實(shí)現(xiàn)高效熱回收；④關(guān)鍵設(shè)備材質(zhì)的防腐蝕技術(shù)，利用新型耐腐蝕材料作為耐腐蝕涂層，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；⑤無二次污染：污泥中有機(jī)污染物完全降解，轉(zhuǎn)化率超過99%，重金屬轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定氧化態(tài)，重金屬浸出試驗(yàn)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。表1對(duì)傳統(tǒng)污泥處理處置技術(shù)和超臨界水氧化處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

（3）處理效果

污染物經(jīng)超臨界水氧化處理后效果良好，無二次污染，污染物零排放，處理產(chǎn)生的氣體主要為CO2、N2和少量氧氣，不產(chǎn)生二英、SOx、NOx、臭味等，產(chǎn)物中的CO2氣體可以用于食品行業(yè)或微藻養(yǎng)殖（氣體產(chǎn)物經(jīng)第三方檢測(cè)結(jié)果與焚燒相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比如表2所示），而且出水清潔，可達(dá)國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，COD＜50 mg/L，可作為系統(tǒng)中水回用，或作為園區(qū)綠化用水。有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率超過99%，重金屬轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定氧化態(tài)，污泥中磷元素以磷酸鹽形式富集，磷回收后的惰性灰泥可做建材。

表1 超臨界水氧化處理技術(shù)與傳統(tǒng)污泥處理技術(shù)對(duì)比

表2 超臨界水氧化處理后氣體排放與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

2.污泥免燒結(jié)制建材技術(shù)

（1）技術(shù)概況

污泥原位資源化處理法是利用河道底泥的無機(jī)礦物成分含量大、主體成分化學(xué)組成與混凝土構(gòu)成材料的細(xì)砂高度一致等特點(diǎn)，以底泥替代部分砂，用作混凝土砌塊原材料生產(chǎn)砌塊的一種處置方式，具體技術(shù)流程見圖 1。

（2）技術(shù)特點(diǎn)

從圖2可以看出，污泥免燒結(jié)制建材技術(shù)的特點(diǎn)在于重金屬離子鈍化劑，對(duì)重金屬離子進(jìn)行首次固封，形成不可逆沉淀，而且水泥的水化產(chǎn)物CaO-SiO2-H2O凝膠通過吸附、層間置換方式二次固封重金屬離子，從而形成了重金屬離子 “鈍化穩(wěn)定-混凝土固封”雙重鈍化技術(shù)，杜絕了二次污染。

（3）處理效果

取坪山河的底泥為例制作砌塊，其中1 m3混凝土中摻入底泥500 kg，占混凝土總質(zhì)量的22.7%，從底泥混凝土制品抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果看，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1天、1周和1個(gè)月，平均抗壓強(qiáng)度 分別為 33.8 MPa、46.3 MPa和57.3 MPa，其強(qiáng)度性能優(yōu)于普通混凝土砌塊。

圖1 污泥免燒結(jié)制建材技術(shù)流程

圖2 底泥中重金屬離子“鈍化穩(wěn)定-混凝土固封”技術(shù)流程

3.基于污泥資源化利用的處理處置系統(tǒng)

污泥處理處置的主要工藝流程為污泥的藥劑調(diào)理和板框壓濾，經(jīng)干化后，再視具體情況進(jìn)行制肥、填埋、焚燒、建材利用等。從國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀看，污泥深度脫水是實(shí)現(xiàn)污泥減量、緩解污泥快速增長(zhǎng)壓力的有效途徑之一。對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，破壞細(xì)胞壁，釋放結(jié)合水、吸附水和細(xì)胞內(nèi)水，改善污泥的脫水性能，使脫水處理后的污泥含水率達(dá)到50%～60%以下，實(shí)現(xiàn)污泥深度脫水，對(duì)于污泥減量和后續(xù)處置意義重大。

（1）基于污泥深度脫水的新型復(fù)合調(diào)理技術(shù)

污泥過濾脫水性能不僅與污泥絮體本身的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，很大程度上受到污泥清液中高分子生物聚合物的影響。采用團(tuán)隊(duì)自主研制的HQZK型復(fù)合化學(xué)調(diào)理劑，具有比傳統(tǒng)混凝劑更強(qiáng)的電中和及架橋能力，不僅可以使污泥顆粒迅速團(tuán)聚，形成具有高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的污泥絮體，同時(shí)可以使污泥清液中黏性的高分子轉(zhuǎn)入固相，從而為污泥高壓脫水創(chuàng)造有利條件。主要分為復(fù)合污泥調(diào)理劑HQZK-DS系列和基于溶胞同步脫水干化復(fù)合調(diào)理劑等兩種類型。

①?gòu)?fù)合污泥調(diào)理劑HQZK-DS系列。HQZK-DS系列復(fù)合化學(xué)調(diào)理劑屬于復(fù)合型納米金屬鹽，具有比傳統(tǒng)混凝劑更強(qiáng)的電中和及架橋能力，同時(shí)復(fù)合溶胞、助濾組分，不僅可以使污泥顆粒迅速團(tuán)聚，形成具有高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的污泥絮體，還可以有效破壞污泥中黏性高分子類生物聚合物，從而為污泥高壓脫水創(chuàng)造有利條件，經(jīng)HQZK-DS系列調(diào)理前后的污泥微觀結(jié)構(gòu)變化明顯。該復(fù)合調(diào)理劑的主要特點(diǎn)：一是干固體增加量?jī)H為污泥干基的5%～8%左右 （氯化鐵和石灰為25%～30%），可最大程度保持污泥的原有性質(zhì)，有利于后續(xù)堆肥和土地利用；二是氯離子含量?jī)H為石灰和氯化鐵的1/10～1/5；三是調(diào)理后污泥的pH值可以維持在中性，且濾液COD較低；四是調(diào)理反應(yīng)速率快，過程操作簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

②基于溶胞同步脫水干化復(fù)合調(diào)理劑。該種藥劑主要通過破壞污泥絮體中胞外聚合物，促使結(jié)合水釋放，污泥顆粒變小，同時(shí)其顏色由原來的深黑色轉(zhuǎn)變?yōu)樽攸S色。通過大量中試和生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)可知，采用該方式調(diào)理和隔膜壓濾脫水后，泥餅含水率降至50%甚至40%以下。非常適宜進(jìn)行基于焚燒和制磚的前調(diào)理過程，高效的污泥脫水有利于降低干化過程的能耗。此外，采用幾種藥劑調(diào)理后的污泥臭味消失，這對(duì)污泥脫水車間惡臭控制具有重要意義。該藥劑主要用于焚燒和制磚的前調(diào)理方式，其技術(shù)特點(diǎn)包括：一是可以按照實(shí)際工程的污泥干化要求控制脫水后泥餅的含水率，最低可以控制在40%左右；二是投加的干基量控制在10%左右；三是兼有除臭功用。

（2）污泥深度脫水系統(tǒng)

典型的污泥深度脫水主要由化學(xué)調(diào)理和高壓脫水兩個(gè)環(huán)節(jié)組成，是傳統(tǒng)技術(shù)的升級(jí)，能夠達(dá)到更高的操作壓力（18～20 MPa壓力），部分設(shè)備可以達(dá)到50～100 MPa壓力。隔膜壓濾機(jī)分離物料的過程分為兩個(gè)階段，第一階段是泵壓壓差過濾，和真空過濾機(jī)相似，不同之處在于泵壓壓差過濾為正壓，能實(shí)現(xiàn)壓差高達(dá)4 MPa甚至更高，而真空過濾機(jī)是負(fù)壓過濾，所產(chǎn)生的壓差有限，一般小于0.1MPa，且功耗較大。第二階段是隔膜壓榨過濾，對(duì)第一次過濾后的物料進(jìn)行二次隔膜壓榨，通過濾室容積的變化進(jìn)一步分離出液體，實(shí)現(xiàn)固體和液體的深度分離。當(dāng)對(duì)濾餅含水率要求更高時(shí)，帶式壓榨機(jī)由于壓榨能力有限而無法滿足要求。在采用合適的化學(xué)調(diào)理技術(shù)條件下（不包括石灰調(diào)理），隔膜壓濾機(jī)可以獲得低于60%的含水率。

（3）污泥深度優(yōu)化運(yùn)行和管理

污泥深度脫水系統(tǒng)的運(yùn)行管理是決定處理效率的關(guān)鍵因素之一。污泥深度脫水運(yùn)行管理的措施主要有4種。一是提高污泥濃縮效率或選擇高效的濃縮方式，通過提高高壓脫水系統(tǒng)的進(jìn)泥濃度，有效降低化學(xué)調(diào)理的成本，縮短進(jìn)泥時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。二是化學(xué)調(diào)理的精細(xì)化控制，針對(duì)不同來源和性質(zhì)的污泥，采用個(gè)性化的調(diào)理方案，同時(shí)在藥劑投加過程中實(shí)現(xiàn)投加量的精細(xì)化控制，以避免由于濃度變化而導(dǎo)致的過量投加，引起污泥過濾性差，脫水泥餅含水率高。三是編輯人工智能的PLC程序，目前設(shè)備生產(chǎn)商只將PLC系統(tǒng)作為正常運(yùn)行的工具，而無法實(shí)現(xiàn)智能判定，也無法實(shí)現(xiàn)無人值守和產(chǎn)能優(yōu)化。四是濾布選型和清洗，一方面對(duì)濾布進(jìn)行化學(xué)改性，強(qiáng)化濾布的親水性，避免污染，另一方面依據(jù)濾餅層過濾原理可以選擇孔隙較大且抗蛋白污染的濾布材料，同時(shí)開展化學(xué)清洗，提高污泥處理能力。

四、結(jié) 論

當(dāng)前國(guó)內(nèi)污泥處理處置壓力較大，但不能直接套用國(guó)外污泥處理處置的路線，而應(yīng)因地制宜，在常用污泥處理處置技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展適合我國(guó)國(guó)情的污泥處理處置新技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)污泥資源的最大化，為流域水環(huán)境的綜合治理提供新思路。