城镇污水厂污泥处理处置技术的研究进展

张丽霞

（中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102 )

1 引言

城镇污水处理厂污泥主要是在污水处理过程中产生的沉渣与沉淀物，主要来源于初次沉淀池、二次沉淀池等工艺环节。城镇污泥属于有机污泥，其特点是有机物含量高，容易腐化发臭，颗粒较细，密度较小，含水率高且不易脱水，便于管道运输。

城镇污泥兼具资源性和危害性双重特性。一方面，污水中约40%～50%的污染物最终进入城镇污泥中，据美国环保署(以下简称USEPA)对污泥中污染物定向调查分析，在2006～2007年间对3 337座国有污水处理厂污泥中145种目标污染物进行了调查，包括4种阴离子污染物(亚硝酸盐、硝酸盐、氟化物、水解磷)、28种金属、4种多环芳烃、2种半挥发性物质、11种阻燃剂、72种药品、25种激素和类固醇等，调查结果表明，上述污染物中129种污染物存在于污水处理厂的污泥中，由此表明城镇污泥中存在大量污染物，环境风险较高[1]。另一方面，污泥中还含有大量的有机质、氮、磷等营养物质，其资源化、能源化潜力巨大。如欧洲一些污水处理厂通过城镇污泥中生物质能源的回收和综合利用，能够满足污水处理过程60%的电耗需求。污泥中的磷具有潜在利用价值，因此如果将污泥中的磷提取出来进行综合利用将缓解磷资源匮乏的现状。此外，对污泥中蛋白质和腐殖酸资源进行提取和开发，作为动物饲料和新型农业肥[2]，也是实现污泥资源化的重要途径。

2 污水处理技术

污泥处置技术主要包括污泥热水解技术、协同消化技术、好氧发酵技术、污泥热解技术、污泥富氧混烧技术等。

2.1 污泥热水解技术

污泥热水解技术(Thermal Hydrolysis Pre-Treatment)是以含固率15%～20%脱水污泥作为处理对象，采用处理温度150～200℃、压力600～2 500kPa情况下对污泥进行处理[3]。污泥热水解可能发生以下四个变化：污泥絮体分解、细胞破碎及有机物释放、有机物水解及发生美拉德反应。热水解处理实现污泥无害化、减小污泥体积、提高污泥脱水性，促进污泥厌氧消化；同时污泥在高温状态时易生成难降解的多聚氮，一定程度上降低了污泥生化性。

热水解工艺流程主要包括混匀预热、水解反应和泄压闪蒸。具体操作步骤分为：①通过传输泵从浓缩池中将待处理污泥输送到热水解反应器中；②闪蒸蒸汽对热水解反应器中的污泥进行预加热，使其温度提高到80℃；③反应器温度150～170℃、压强0．6～2．5MPa、保持20～30min，由蒸汽锅炉提供热水解所需温度和压力；④反应结束后，蒸汽被释放到污泥预热反应器中；⑤热水解污泥被释放到缓冲池中贮存。此循环过程不需要泵，仅利用反应器内剩余压力即可完成。

陶梅平等[4]研究热水解预处理促进污泥厌氧消化方面，表明热水解预处理能有效水解污泥中的有机质，当热处理温度为150℃和170℃时，挥发性悬浮固体(VSS)水解率分别为38．1%和41．2%，溶解性碳水化合物水解率分别为37．9%和42．9%，温度变化对氨氮影响较小。张琦东[5]试验结果表明170℃是热水解的最佳温度，且热水解促进挥发性脂肪酸的累积和挥发性悬浮固体的减量化，挥发性悬浮固体最大减量率为34%。提升与甲烷有关关键酶活性，促进微生物群落结构硬壁菌门和抗菌微生物的相对丰度分别为35．6%和3．9%。

2.2 协同消化技术

协同消化指两种或两种以上不同来源的物料混合进行厌氧消化处理。共消化的主要优势有：①提高甲烷产率；②提高系统稳定性；③废弃物得到很好处理；④不同来源的废弃物使用同一套处理设施，提升设备使用效率；⑤多种废弃物合并处置，有利于形成规模化效应。

目前我国产生的脱水污泥和餐厨垃圾的含固率在15%～24%，适于进行高含固厌氧消化处理。一般而言，垃圾单独消化存在Na+抑制问题，Na+浓度过高会影响甲烷菌的活性，从而导致VFA(挥发性脂肪酸)持续积累最终导致系统酸化[6]。而污泥单独消化时氨氮浓度较高，也会对甲烷菌产生影响，使系统酸化；而污泥和餐厨垃圾共同处理则很好的解决这一问题。当脱水污泥和餐厨垃圾按4∶1进行混合共消化时，与二者单独消化处理时相比，在相同的停留时间下，共消化系统内VFA浓度下降40%，单位体积产气率提高57%。

共消化的工艺流程：在共消化工艺中除利用污泥，另一部分主要是厨余垃圾、动物粪便以及一些工业有机废弃物。这些有机垃圾先通过碾磨机粉碎后进行分选，其他干扰物质通过筛子去除，剩下的有机垃圾先在稀释池中被稀释，然后被输送到消毒稳定池内杀菌消毒，再和一定量的市政污泥混合在一起加入到消化池中进行厌氧发酵，产生的沼气用于发电。主要设备包括预处理系统、消化池、沼气收集系统、沼气发电系统等。

秦文娟等[7]选用有机负荷1．0消化污泥样1#、有机负荷1．0餐厨垃圾与污泥混合样2#、有机负荷1．5餐厨垃圾与污泥混合样3#、有机负荷3．0餐厨垃圾与污泥混合样4#，1#～4#的单位生物气产量分别为0．18L/gVs、0．85L/gVs、0．69L/gVs和0．66L/gVs，甲烷含量分别为56%、69%、57%和66%，混合厌氧消化后的剩余物比原消化污泥具有更好的生物降解能力。陈恒宝等[8]采用“餐厨预处理+污泥热水解+高含固/协同厌氧消化”组合处理工艺，系统运行表明挥发性固体平均降解率达53．5%，沼气产率约0．45m3/kgVS投加，即0．84m3/kgVS去除。

2.3 好氧发酵技术

目前好氧发酵技术主要有膜覆盖好氧发酵技术和超高温好氧发酵技术。

膜覆盖好氧发酵工艺是将带有微孔功能的膜覆盖在发酵的污泥堆体上，发酵过程产生的水蒸汽和二氧化碳可以向膜外排出，而病原微生物、气溶胶等隔离在膜内；同时通过底部风机通风，在膜内形成一个低压腔体，使堆内的氧气分布均匀，温度交换平衡，从而促使污泥发酵过程中有机质的充分降解和升温灭菌[9]。在发酵堆体结构上，膜覆盖技术并未限制堆体结构的形式，要求每个堆体配备单台风机。与常规发酵技术相比，其控制臭气的效果更好，同时不需要过多的设置堆体间作业通道，因此单位面积上污泥处理效率比更高。邹锦林等[10]研究了纺织用PTFE膜、改性PTFE膜覆盖及无膜覆盖时污泥好氧发酵时对臭气的阻隔试验，表明相对于无膜覆盖污泥好氧组，有膜覆盖时对发酵初期硫化氢浓度降低64%左右；改性PTFE膜对氨气的阻隔作用相当于无膜覆盖和纺织用PTFE膜覆盖发酵累积氨气挥发量的0．5倍左右。朱海伟等[11]研究采用两阶段共24d的膜覆盖高温好氧发酵工艺，通过调节物料含水率和C/N，经高温好氧发酵处理的污泥有机质降解、含水率下降至45%左右，且堆体内部维持60℃温度8d以上，实现灭菌除杂的作用。

超高温处理污泥技术是直接向污泥堆体中引入嗜热微生物，同时引入性激发物质，活化堆体内源微生物；实现污泥堆体内外源微生物协同代谢作用，从而促进污泥堆体的发酵进程。周普雄[12]研究污泥超高温好氧发酵(HTC)和传统高温发酵(TC)工艺特点比对，表明HTC能快速进入≥80℃的超高温阶段并持续9d，堆体最高温度93．4℃，整个堆肥过程中50℃以上高温维持21d，有效促进堆体中有机质降解和污泥熟化；堆肥结束HTC中有机质和全氮含量分别减少了21．2%和11．6%，TC有机质和全氮含量分别减少了15．9%和19．5%。且分析指出HTC超高温和高温阶段的微生物群落组成与堆体温度呈现显著正相关关系，表明栖热菌科和高温放线菌科等嗜热微生物是导致HTC出现超高温并加速有机质降解和促进堆肥腐熟的主要原因。

2.4 污泥热解新技术

污泥热解新技术主要有湿式氧化技术、污泥高温碳化技术和热干化新技术三种。

湿式氧化技术用于在高温及一定压力下处理高浓度废水和难生化降解废水处理时产生的污泥。在密闭反应器中通入空气或氧气促使污泥中有机物氧化分解。有关试验表明污泥在300℃以上氧化30min后，污泥中82%的有机物被降解，70%以上的悬浮物被去除。该技术特点是杀灭污泥中病原菌等微生物，可实现土地利用，实现污泥减量化，改善污泥脱水性能。李维成等[13]对污泥湿式氧化反应条件及产物进行研究表明，污泥的有机质分解率达90%以上；固相产物残渣的热失重率小于10%；液相产物中含有COD可返回污水厂处理；气相产物无SO2和NOx；重金属富集于残渣中。徐岩[14]研究经湿式氧化处理后的污泥含水率降至10%左右，有机质含量为18%左右，pH值上升至8左右，重金属含量大幅下降，且反应后污泥中有机质含量满足土地改良泥质标准要求。

污泥高温碳化技术是在一定温度和无氧或缺氧条件下，通过裂解等方式将生化污泥中挥发分强制脱出，同时保留污泥中的碳值，使最终产物中的碳含量比例大幅提高的过程[8]。污泥碳化系统主要包括污泥储仓、干化炉、碳化炉、冷凝器、旋风除尘器、二次燃烧炉、废热锅炉、洗涤塔及螺旋输送机、风机、烟囱等。根据鲁涛等[15]以10t/d污泥碳化系统运行的研究表明，排放的烟气污染物含量：烟尘0．01mg/m3、烟气黑度1级格林曼黑度、CO为30mg/m3、NOx为16．9mg/m3、SO2为37．3mg/m3、HCl为4．2 mg/m3、汞为0．003 4mg/m3、镉为0．002mg/m3、铅为0．02 mg/m3。最终产物类似于木炭固状物可以作为低级燃料或用于土地改良用泥质回归土壤，实现污泥的减量化和资源化。

热干化技术中采用电场协同进行污泥干化技术属于其中一项创新性技术，该技术是通过加入电场防止污泥干化过程中粘壁现象发生，外加电场时的污泥粘壁仅为无外加电场时的1/16，主要由于外加电场提高了污泥内部传热效率，降低了污泥和加热面之间的传热阻力；另外在电场作用下，带负电荷的微生物向阳极运动，带阳离子的水分向阴极运动，使泥水分离，改善了污泥的干化效果[16]。当污泥含水率大于50%时，电场协同污泥热干化速度较传统方法明显提高。孙启元等[17]对采用热干化技术污水厂运行效果分析表明热干化技术能快速降低污泥含水率至30%以下，污泥减量率达71%，且干化尾气中恶臭及二恶因排放符合相关标准限值。

2.5 富氧混烧污泥新技术

传统污泥焚烧分为单独焚烧和混合焚烧，存在的问题主要有：对污泥含水率要求较高，掺混率要求严格，限制工程推广应用，产生的尾气治理成本高、能耗大等。

富氧混烧污泥新技术是在湿污泥中加入新型助滤剂后脱水至含水率50%左右，与少量秸秆混合制成衍生燃料，秸秆与污泥掺混比例一般为1∶5～1∶3。制得的衍生燃料与生活垃圾掺混焚烧，同时通入氧气助燃，焚烧炉内为富氧燃烧，生成的热能可回收综合利用。氧气供应量根据生活垃圾的含水率、不燃成分含量及污泥热值的不同进行调整，一般情况下，助燃风含氧量为21%～25%[18]。上述技术特点是通过调整氧气供应量，实现处理物料充分燃烧，避免了掺混比例调节，放宽污泥含水率限制，可以实现规模化处置固体废弃物。王梓桓[19]研究表明污泥在O2/CO2气氛中燃烧，氧气浓度升高，污泥更容易着火，燃尽时间缩短，失重速率和综合燃烧特性参数均增大，整体燃烧性能改善。燃烧之后，重金属在灰渣中富集，重金属的富集量及种类受温度和气氛的影响。万嘉瑜[20]热重试验表明，随氧浓度的提高，着火温度降低，反应速率加快，综合燃烧性能随之提高，并得出富氧燃烧的理想工况为氧浓度在25%～35%。

3 展望

近年来，随着我国城镇污水处理效率不断提升，污泥产生量也呈现逐年增长的趋势。截至2017年12月底，全国城市、县累计建成污水处理厂5 027座，污水处理能力达1．88亿m3/d，年产生含水量80%的污泥5 000多万t。特别是2015年发布的《水污染防治行动计划》规定，地级市及以上城市污泥无害化处置率应于2020年底前达到90%以上。因此，城镇污水处理厂污泥的安全处置问题将日益突出，污泥处置存在巨大的市场空间和机遇挑战。