西安地区市政污泥泥质分析及其处置方式探讨

张 喻，樊英杰3,，杨鹏程，李学强，刘今乾，党敏辉

（1.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710070；2.国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室，陕西 西安 710070；3.西安交通大学化工学院，陕西 西安 710049）

0 引言

市政污泥是污水厂产生的固态、半固态的具有恶臭的废弃物，成分包括微生物菌体、重金属、微生物虫卵、致病菌等，必须得到妥善处置，但不同地区污泥泥质不同，且受到当地经济条件、科技水平、农田林地面积、民众意识等限制，宜采用的污泥处置方式也会不同。

截至2017年3月，西安市共有污水厂27个，日污泥产量约1 900 t。虽然西安在2015年与当地3家公司签订了污泥处置协议[1]，分别采用蚯蚓处置、粘土混合制砖、水泥窑协同焚烧来处置污泥，但三种工艺未在全国推广，处置效果有待进一步考量。2017年6月爆出的污泥在田间堆放引发村民抗议的新闻，从侧面反映了当地污泥处置仍存在问题。

1 西安地区典型市政污泥泥质分析

为了探讨适合西安地区市政污泥的处置措施，首先对西安主城区5个污水处理厂（以下称为1污、2污、3污、4污、5污）的污泥泥质进行检测。

1.1 收到基含水率、pH、有机物含量

含水率、pH、有机物含量是污泥处理处置最基本的检测参数，按照《城市污水处理厂污泥检验标准》CJ/T 221-2005要求执行检测，结果见表1。

表1 污泥含水率、pH、有机物含量

西安地区市政污泥普遍为二沉池剩余污泥经重力沉淀、机械压滤所得，并未经过厌氧消化、热水解、深层脱水等环节，含水率高。2污、3污使用工艺为氧化沟，1污、4污、5污为A2/O工艺，且各厂均在市区，工业排水少，进水特性相似，故pH值、有机物含量接近。

后续检测本体为经过烘干、冷却、研磨的空干基污泥粉末，粒径为80%通过200目筛。

1.2 元素分析、工业分析、发热量

元素分析、工业分析、发热量是污泥热处理的重要参数。按照《煤中碳氢氮的测定仪器法》（GB/T 30733-2014）、《煤的工业分析方法》（GB/T 212-2008）、《煤的发热量测定方法》（GB/T 213-2008）进行测定，同时神木红柳林煤桦甸大城子矿油页岩进行对比，结果见表2。

如表2，各污泥的N、C、H、S等元素含量接近，与煤相比呈现高N、高S、低C特征，与油页岩相比，污泥的N、S含量高，而C、H含量接近；污泥工业分析接近，平均 Aad、Vad、FCad分别为 32.56%、56.66%、7.84%，与煤相比呈现高灰、高挥发分、低固定碳的特征，与油页岩相比灰分更低，挥发分和固定碳含量更高。污泥平均热值15.23 M J/kg，比油页岩热值高12.58%，但只有煤炭的50%左右。

1.3 重金属含量

重金属含量直接影响着污泥的农用、园林绿化等多项处置措施。参考《生活饮用水标准检测方法 金属指标》GB/T 5750.6-2006对污泥中的重金属进行测量，结果见表3。

可看出，各污水厂的重金属含量差别较大，这是因为其收纳水体包括少量工业废水，而工业废水重金属含量高、差别大。各厂重金属含量相对趋势一致，Zn含量最高，Cu含量次之，同时含有少量的 H g、Cr、As、Pb 及微量的 Ni、Cd，营养元素 P、K含量高。

1.4 格金干馏实验分析

污泥挥发分含量达煤的2～7倍，是优质油页岩的1.5倍，理论上是良好的热解原料。格金试验可检测物质的热解产油性能。依据《煤的格金低温干馏试验方法》GB/T 1341-2007，对污泥进行格金试验分析，同时与红柳林煤、大城子矿油页岩对比，结果见图1。

表2 污泥元素分析、工业分析、发热量

表3 污泥重金属含量

图1 污泥格金分析及其与红柳林煤、大城子油页岩的对比

各市政污泥焦油产率高，最高的5污达到30%，是红柳林煤的近3倍，是优质油页岩的1.6倍；半焦产率约为45%，远低于煤和油页岩的半焦产率。这是因为污泥中的挥发分高于煤和油页岩，而固定碳、灰分含量低于煤和油页岩，热解时挥发分大量逸出，固相残留少。

2 污泥的处置方式

污泥的处理处置方式多样，《城镇污水处理厂污泥处置分类》（GB/T 23484-2009）将污泥处置分为填埋、土地利用、建材利用、焚烧等。堆肥、干化热解资源化利用作为污泥减量化、无害化、资源化的重要手段也受到重视。

2.1 填埋

污泥填埋主要指污泥进入生活垃圾填埋场进行混合填埋，具有工艺简单、成本低的的特点，是我国目前普遍采用的污泥处置措施，但存在运费高、渗滤液量大、有塌陷风险等缺陷。为此国家出台《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质GB/T 23485-2009》，要求污泥混合填埋时含水率不大于60%，但板框压滤、带式压滤等常规脱水技术难以直接达到填埋要求。

2.2 土地利用

污泥有机物含量高，可以作为有机肥料和土壤改良剂，用于农田、林地、废弃矿区等。Xi n等[2]将沈阳北污水厂污泥施用于当地草皮，发现草地有机质含量显著提升，生物量增加，但重金属含量有所升高。Ouyang等[3]将飞灰适量加入污泥并脱水，将污泥含水率降至40%～45%后，理化特性得到提升，可作为废弃矿区的修复材料。但污泥富集了污水中的重金属和致病微生物，同时富含N、P、盐分，如不加处理、不加规划将污泥直接、大量应用于土地利用，可能造成土地不可逆退化，地下水、地表水富营养化。

2.3 堆肥

污泥堆肥，即在一定条件下，污泥中微生物利用空气中的氧气分解污泥中有机质的自然过程[4]。堆肥过程中，污泥中的养分被微生物吸收分解，病原菌被高温杀灭，水分蒸发体积变小，最终得到稳定化的腐殖质[5-7]，正因如此，堆肥技术已成为国内外重要的污泥土地利用前处理技术。即便如此，污泥的土地利用技术的推广仍存在困难。堆肥过程占地大、臭味重，产品缺乏标准、销路不畅等，污泥中不断被报道出的新兴污染物仍存在风险。Bondarczuk[8]指出，不论何种污水处理工艺，得到的污泥中均含抗生素、抗性细菌、抗性基因，污泥的土地利用将助推抗性细菌的扩散，对现代医疗产生冲击。

2.4 材料化利用

污泥的材料化利用，主要包括水泥制品、陶粒、吸附材料、污泥砖等[9]。污泥掺混量过高会影响材料性能，Ingunza[10]将污泥掺混量控制在5%时软泥砖的强度降低了45%，而制屋顶瓦的最大掺混量仅为4%[11]，导致污泥难以大规模处置。污泥中较多的碳含量及挥发分使其作为吸附剂原料成为可能，将污泥炭化后，对Pb（Ⅱ）、有机物、有明显吸附效果[12-13]，而经过适当的活化方式，加入事宜的添加剂均可使污泥吸附性能得到改善[14-16]。然而污泥的预处理、活化等过程较为复杂导致污泥吸附剂成本较高[17]，规模化应用仍需时日。

2.5 焚烧

焚烧减量化效果好，可杀灭寄生虫卵及有害菌，污泥有机组分所含能量得到利用，处理速度快、占地小、无需长期贮存，日本早在2004年焚烧处置污泥量占当年污泥产量的72%[18]。我国东部沿海地区也一直在探索污泥的焚烧处置，已有多家工厂运行，但普遍存在成本高、能耗高、技术不成熟的问题。此外，限制污泥焚烧技术大规模推广的原因还有重金属、二噁英、酸性气体、灰渣、飞灰等的二次污染。M i l l er[19]等将污泥与煤掺混后燃烧，飞灰中Cd、H g含量上升；焚烧产生的飞灰和未燃尽的颗粒给作为活化表面促进了二噁英的生成[20]。我国废弃物焚烧邻壁效应严重，也影响了污泥焚烧的推广。

2.6 干化热解资源化

污泥的干化热解资源化技术，即污泥含水率降至经济水平后热解，并对产物进行再利用。由于热解是在中低温、缺氧的条件下进行，其硫氧化物、氮氧化物、重金属的排放量远低于焚烧过程[21]。邵立明、何品晶[22]通过对上海某污水厂脱水污泥低温热解过程的能量进行分析，认为污泥低温热解的能量平衡状况优于焚烧。焦油中含大量脂肪酸及含氮化合物，可作为燃料和化工原料，半焦与修饰过的硅酸盐化合物特征相似，是廉价的吸附剂[23-24]，且产物分布及产物特性可通过热解条件调节[25]。日本由于土地资源紧张，目前污泥处置主要以焚烧资源化利用为主，但正在逐渐向干化热解资源化方式转变；在中国，目前填埋仍是污泥处置的主要方式，新建的污泥处理厂主要采用焚烧和土地利用技术，而长远来看，更为经济、环保的干化热解资源化利用方式有望成为我国大城市污泥的重要处置措施。

3 西安地区污泥处置方式探讨

从泥质上分析。根据西安地区污泥特性检测结果，其含水率高，无法混合填埋。虽然污泥中P、K含量高，但由于污水厂接纳了工业废水，部分污泥的As、H g等重金属含量超出《农用污泥中污染物控制标准》（GB 4282-1984）、《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》（GB/T 23486-2009）规定，无法直接土地利用还田。污泥的挥发分含量高，热值高，可实现自持燃烧，炭化后空隙结构发达，可以进行材料化、焚烧、干化热解资源化处理，后者可固化稳定化污泥中的重金属[26-27]，进一步降低环境风险。

从技术成熟度分析。污泥材料化利用正处于工程化试验阶段，实施风险大。污泥的土地利用、堆肥、焚烧、干化热解资源化等技术已有工程实例，实施风险小，其中堆肥、土地利用工艺成熟，已在部分生活、工业污水分流完善和土地贫瘠的地区推广。干化技术已相对成熟，如何与填埋、焚烧、热解技术耦合，增效降耗，是新建项目的重点。

从成本分析。张义安等[28]对北京市的污泥处置技术的经济性进行了分析，综合考虑能耗、设备折价、运输、产物处置等因素，每吨干污泥的填埋500～760 元，堆肥 300～350 元，焚烧 771～1 000 元。西安市于2016年启动污泥低温炭化工艺的招标，成交标吨干污泥处置价格为825元，采用焚烧工艺的温州污泥处理厂和上海石洞口污泥处理厂，吨干污泥处理成本分别为1 400元和1 195元[29-30]，相对于焚烧，干化热解资源化技术的年投资回报率更高[31]。

从西安当地地情分析。西安地处狭长的关中平原中部，唯一的生活垃圾填埋场——江村沟填埋场预计3年内填满，要求大场地处置填埋、堆肥及相关技术应用受限。西安地区具有一定经济规模，人口基数大，涨幅明显，污泥产量势必迅速增加，减量化显著、占地面积小、处置速度快的焚烧、干化热解资源化技术应是重点发展方向。但西安邻避效应严重，公众对废弃物焚烧接受度差，高陵垃圾焚烧项目历经19年选址，于2017年才正式启动采购工作。

上述探讨结果见表4。

表4 西安地区污泥处置方式对比

4 结论

（1）西安地区典型市政污泥泥质为：含水率81%～86% ，pH 为 7.03～7.75，有机物含量 60% ～69% ，C含量 34.43%～36.31%，H 含量 4.11%～4.80%，S含量 0.83%～1.10%，N含量 5.55%～7.27%，灰分29.94%～36.26%，挥发分54.39%～59.13%，高位发热量14.73 M J/kg～16.47 M J/kg，少数重金属含量超出土地利用国家相关标准规定，格金焦油产率25%～30%，半焦产率41%～47%。

（2）基于污泥泥质分析及技术成熟度、经济性、当地地情，焚烧和干化热解资源化技术有望成为西安地区重点发展方向，其中焚烧项目的选址需特别关注“邻避效应”。