我国城镇污泥处理与处置新型技术研究

牛存稳 ，王 浩 ，周祖昊 ，范田亿 ，2，刘 琳

（1.中国水利水电科学研究院，100038，北京；2.武汉大学水利水电学院，430072，武汉；3.中建集团水务环保有限公司，100037，北京）

一、我国污泥处理处置概况

随着我国污水处理能力不断增强、污水处理量不断增加，随之产生的污泥总量也在逐年激增，若不能及时妥善进行处置处理及合理有效再利用，易对大气、水体、土壤造成二次污染和危害，且其危害程度和持久性远大于废水，使人们的生存环境进一步恶化，生态环境难以修复。

我国污泥处理处置存在技术较落后、处理成本较高、占地难以解决等问题，处理水平整体偏低。2014年我国城镇污泥产生量为2 801.47万t，同比增长11.57%。截至2015年年底，我国已建成将近4 000座城镇污水处理厂，污水处理能力接近1.67亿m3/d，产生的污泥量达3 400万t（以含水率80%计）。

“十三五”规划将环境治理摆到了非常重要的位置，“绿色”成为五大发展理念之一，迫切需要针对我国污泥处理处置的技术、路线和原则等问题进行统筹规划，把控污泥处理处置各个环节可能出现的风险。

二、我国污泥处理处置存在的主要问题

污泥是在污水处理过程中产生的半固态或固态物质，作为污水处理的副产物，含有多种重金属、有机物和病原菌，不仅对生态环境构成严重的威胁，还会危害人类健康。污泥处理是将城市污水处理厂产生的污泥减容、减量并实现稳定以及无害化的过程。污泥处置是指经由处理的污泥以某种方式长期稳定存在于环境中，但对生态环境无不良影响的消纳方式。目前我国污泥处理处置存在的主要问题如下：

1.处理处置能力不足

我国污泥年产生量已达3 400万t，经填埋处理的污泥占65%，未处理的污泥则进行外运，处理处置能力远远达不到要求。污泥处理处置的弹性小，一旦设备检修或者损坏，就会滞留大量污泥，严重影响污水处理厂的正常运转。

2.处理处置程度整体不高

近年，我国市县污水处理率越来越高，污水处理出厂标准不断提升，对排放污水中污染物的强制性约束指标也不断增多，污水处理已日渐成熟。但是从各方面看，污泥的处理处置远远滞后于污水处理，2015年国内污泥无害化处置率低于30%，距“十二五”70%的目标有很大差距，而“十三五”规划城市污泥处理率应达90%，因此污泥处理处置率亟待提高。

3.处理处置效果评价难

污泥处理处置技术路线复杂，且大部分污水处理厂缺乏对初沉污泥、剩余污泥等指标的单独计量，不利于率定剩余污泥表观产率系数、合成系数等相关参数，难以对污泥处理处置效果进行合理的评价。

4.部门协调配合难度大

污泥处理处置需要与农业、林业、环保、建设等部门协调配合，客观上增加了污泥处理处置在实际操作中的难度。

三、新型污泥处理处置方案

目前我国常规污泥处理方式主要有填埋、堆肥、自然干化、焚烧等，占比分别为 65%、15%、6%、3%，另外还有热解和烧结建材等。近年，国内外污泥资源化利用技术快速发展，开发了污泥超声波破解、污泥高温高压热水解、污泥与有机物协同消化制生物燃气、污泥热解碳化、污泥热解气化、污泥协同焚烧、污泥磷回收等新技术，揭示了未来污泥处置的发展方向——污泥资源化。在污泥资源化领域，涌现出大量新型污泥处置方案，为流域综合治理提供了新的技术参考。

1.超临界水氧化处理技术

（1）技术概况

超临界水指温度在374℃、压力在22.1 MPa以上状态的水。超临界水氧化处理技术是利用反应原料在超临界水中良好的传质、传热性能，使氧化剂和有机物完全溶解在超临界水中并发生均相氧化反应，将有机物转化成无害化的 CO2、N2、H2O 等洁净小分子化合物，适用于市政污泥、高浓度难降解废水和危废液体处理。

（2）技术特点

超临界水氧化处理技术的特点是：①低能耗自热式超临界水氧化工艺，克服了传统废弃物处理技术（如焚烧）的高耗能过程；②高压分布式加氧及反应温度控制技术，通过工艺参数的改变，实现对不同物料的处理；③超临界水换热系统，超临界水处理工艺具有良好的传热性能，可实现高效热回收；④关键设备材质的防腐蚀技术，利用新型耐腐蚀材料作为耐腐蚀涂层，延长设备使用寿命；⑤无二次污染：污泥中有机污染物完全降解，转化率超过99%，重金属转化为稳定氧化态，重金属浸出试验符合国家标准。表1对传统污泥处理处置技术和超临界水氧化处理技术的优缺点进行了总结。

（3）处理效果

污染物经超临界水氧化处理后效果良好，无二次污染，污染物零排放，处理产生的气体主要为CO2、N2和少量氧气，不产生二英、SOx、NOx、臭味等，产物中的CO2气体可以用于食品行业或微藻养殖（气体产物经第三方检测结果与焚烧相关标准对比如表2所示），而且出水清洁，可达国家一级排放标准，COD＜50 mg/L，可作为系统中水回用，或作为园区绿化用水。有机质转化率超过99%，重金属转化为稳定氧化态，污泥中磷元素以磷酸盐形式富集，磷回收后的惰性灰泥可做建材。

表1 超临界水氧化处理技术与传统污泥处理技术对比

表2 超临界水氧化处理后气体排放与标准对比

2.污泥免烧结制建材技术

（1）技术概况

污泥原位资源化处理法是利用河道底泥的无机矿物成分含量大、主体成分化学组成与混凝土构成材料的细砂高度一致等特点，以底泥替代部分砂，用作混凝土砌块原材料生产砌块的一种处置方式，具体技术流程见图 1。

（2）技术特点

从图2可以看出，污泥免烧结制建材技术的特点在于重金属离子钝化剂，对重金属离子进行首次固封，形成不可逆沉淀，而且水泥的水化产物CaO-SiO2-H2O凝胶通过吸附、层间置换方式二次固封重金属离子，从而形成了重金属离子 “钝化稳定-混凝土固封”双重钝化技术，杜绝了二次污染。

（3）处理效果

取坪山河的底泥为例制作砌块，其中1 m3混凝土中掺入底泥500 kg，占混凝土总质量的22.7%，从底泥混凝土制品抗压强度测试结果看，养护时间为1天、1周和1个月，平均抗压强度 分别为 33.8 MPa、46.3 MPa和57.3 MPa，其强度性能优于普通混凝土砌块。

图1 污泥免烧结制建材技术流程

图2 底泥中重金属离子“钝化稳定-混凝土固封”技术流程

3.基于污泥资源化利用的处理处置系统

污泥处理处置的主要工艺流程为污泥的药剂调理和板框压滤，经干化后，再视具体情况进行制肥、填埋、焚烧、建材利用等。从国内现状看，污泥深度脱水是实现污泥减量、缓解污泥快速增长压力的有效途径之一。对污泥进行调理，破坏细胞壁，释放结合水、吸附水和细胞内水，改善污泥的脱水性能，使脱水处理后的污泥含水率达到50%～60%以下，实现污泥深度脱水，对于污泥减量和后续处置意义重大。

（1）基于污泥深度脱水的新型复合调理技术

污泥过滤脱水性能不仅与污泥絮体本身的物理化学性质有关，很大程度上受到污泥清液中高分子生物聚合物的影响。采用团队自主研制的HQZK型复合化学调理剂，具有比传统混凝剂更强的电中和及架桥能力，不仅可以使污泥颗粒迅速团聚，形成具有高强度结构的污泥絮体，同时可以使污泥清液中黏性的高分子转入固相，从而为污泥高压脱水创造有利条件。主要分为复合污泥调理剂HQZK-DS系列和基于溶胞同步脱水干化复合调理剂等两种类型。

①复合污泥调理剂HQZK-DS系列。HQZK-DS系列复合化学调理剂属于复合型纳米金属盐，具有比传统混凝剂更强的电中和及架桥能力，同时复合溶胞、助滤组分，不仅可以使污泥颗粒迅速团聚，形成具有高强度结构的污泥絮体，还可以有效破坏污泥中黏性高分子类生物聚合物，从而为污泥高压脱水创造有利条件，经HQZK-DS系列调理前后的污泥微观结构变化明显。该复合调理剂的主要特点：一是干固体增加量仅为污泥干基的5%～8%左右 （氯化铁和石灰为25%～30%），可最大程度保持污泥的原有性质，有利于后续堆肥和土地利用；二是氯离子含量仅为石灰和氯化铁的1/10～1/5；三是调理后污泥的pH值可以维持在中性，且滤液COD较低；四是调理反应速率快，过程操作简单，便于实现自动化控制。

②基于溶胞同步脱水干化复合调理剂。该种药剂主要通过破坏污泥絮体中胞外聚合物，促使结合水释放，污泥颗粒变小，同时其颜色由原来的深黑色转变为棕黄色。通过大量中试和生产实验可知，采用该方式调理和隔膜压滤脱水后，泥饼含水率降至50%甚至40%以下。非常适宜进行基于焚烧和制砖的前调理过程，高效的污泥脱水有利于降低干化过程的能耗。此外，采用几种药剂调理后的污泥臭味消失，这对污泥脱水车间恶臭控制具有重要意义。该药剂主要用于焚烧和制砖的前调理方式，其技术特点包括：一是可以按照实际工程的污泥干化要求控制脱水后泥饼的含水率，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）污泥深度脱水系统

典型的污泥深度脱水主要由化学调理和高压脱水两个环节组成，是传统技术的升级，能够达到更高的操作压力（18～20 MPa压力），部分设备可以达到50～100 MPa压力。隔膜压滤机分离物料的过程分为两个阶段，第一阶段是泵压压差过滤，和真空过滤机相似，不同之处在于泵压压差过滤为正压，能实现压差高达4 MPa甚至更高，而真空过滤机是负压过滤，所产生的压差有限，一般小于0.1MPa，且功耗较大。第二阶段是隔膜压榨过滤，对第一次过滤后的物料进行二次隔膜压榨，通过滤室容积的变化进一步分离出液体，实现固体和液体的深度分离。当对滤饼含水率要求更高时，带式压榨机由于压榨能力有限而无法满足要求。在采用合适的化学调理技术条件下（不包括石灰调理），隔膜压滤机可以获得低于60%的含水率。

（3）污泥深度优化运行和管理

污泥深度脱水系统的运行管理是决定处理效率的关键因素之一。污泥深度脱水运行管理的措施主要有4种。一是提高污泥浓缩效率或选择高效的浓缩方式，通过提高高压脱水系统的进泥浓度，有效降低化学调理的成本，缩短进泥时间，提高生产效率。二是化学调理的精细化控制，针对不同来源和性质的污泥，采用个性化的调理方案，同时在药剂投加过程中实现投加量的精细化控制，以避免由于浓度变化而导致的过量投加，引起污泥过滤性差，脱水泥饼含水率高。三是编辑人工智能的PLC程序，目前设备生产商只将PLC系统作为正常运行的工具，而无法实现智能判定，也无法实现无人值守和产能优化。四是滤布选型和清洗，一方面对滤布进行化学改性，强化滤布的亲水性，避免污染，另一方面依据滤饼层过滤原理可以选择孔隙较大且抗蛋白污染的滤布材料，同时开展化学清洗，提高污泥处理能力。

四、结 论

当前国内污泥处理处置压力较大，但不能直接套用国外污泥处理处置的路线，而应因地制宜，在常用污泥处理处置技术的基础上，发展适合我国国情的污泥处理处置新技术，从而实现污泥资源的最大化，为流域水环境的综合治理提供新思路。