中国城市污水处理工程污泥处置技术研究进展

谢 昆，尹 静，陈 星

（重庆三峡学院三峡库区水环境演变与污染防治重庆高校市级重点实验室，重庆404100）

据统计截至2017 年底，我国城乡污水处理厂共计3 781 座，污水处理量达553.26 亿m3，产生含水率为80%的污泥约5 000 余万t（按污水量的0.1%计）〔1〕。我国污泥的来源及成分较为复杂，主要分为市政污泥和工业污泥，由于各地区污水处理厂进水水质及处理工艺等因素的不同，致使污泥泥质差异明显〔2〕；此外，泥质随季节性波动大。污泥的最终处置与污泥性质息息相关，弄清污泥泥质对污泥最终处置至关重要。

污水污泥中含有蛋白质、碳水化合物、多羟基烷烃等有机化合物，而且浓缩了污水处理和污泥脱水过程中的重金属等有害物质和生物/化学添加剂。这些有害物质不加处理直接排入环境中，将会对土壤、水体等产生严重威胁，给生态环境带来巨大的压力〔3-4〕。目前，我国城市污泥处置技术还不够成熟，处置设施建设相对滞后〔1〕，技术管理人员专业技能缺失，已建设施运行不佳，经济回报效果不理想。污泥无害化处置新老问题突出显现，“十三五”规划、“水十条”等系列政策、标准和法律法规的出台，让我国污水污泥产业面临前所未有的挑战和机遇。

1 污泥处置技术

我国市政污泥pH 大多在6.5～7.0，含水率一般在95%～99%〔5〕，经过减容处理后含水率可降至60%～80%〔6〕。污泥中含有丰富的N、P、K 和灰分，其中含氮量约为3%，污泥C/N 比为（10～20）∶1，适合厌氧消化〔7〕。我国市政污泥有机物质量分数（干重）低于欧美国家，约为50%～70%，挥发性固体（VSS）、碳水化合物（淀粉、纤维、糖分）质量分数（干重）高于50%，脂肪质量分数（干重）约为20%〔8〕。污泥中还含有无机氧化物（SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等）〔6〕和重金属（As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 等）〔9〕。值得注意的是，不同地区、来源的污泥重金属含量相差较大，在很大程度上影响污泥处置技术路线。

在污泥处理方面，我国采用了多种技术，这些技术与污水处理厂的规模和最终处理方法有关，如图1 所示。其中，稳定填埋和干化+土地利用这两种处置最简单，在我国使用最为普遍。干化+焚烧+填埋是现阶段我国最常用的污泥处置方式。现将各类处置技术的优缺点和研究进展进行综述。

图1 污泥处理处置技术路线

1.1 稳定填埋

污泥填埋只需对污泥进行基本的减量化和无害化处理，操作流程简单、处理量大，而且运行的过程中成本耗费较低〔10〕。我国污泥的稳定化处理多通过添加适量石灰实现〔11〕，在小红门、廊坊等多处污水处理厂中应用，污泥（含水率80%）综合处理的价格在100～150 元/t〔12〕，因此曾是处置污泥的主要方法之一。主要有单独填埋和与城市垃圾、工业垃圾混合填埋几种方式。以重庆市为例，除了主城区以外的区县因未建设污泥处置设施，污水处理厂产生的污泥大都混入生活垃圾进行填埋，占污泥处置总量的31.75%〔13〕。污泥（含水率80%）既会影响垃圾填埋场的机械作业，又极易引起渗滤液收集系统的堵塞，缩短了垃圾填埋场的使用寿命。众所周知，填埋场地占地广、选址困难，地理位置偏僻，使得污泥转运成本高，并且污泥填埋处置周期长，城市污泥的有毒成分（有机/无机化合物、重金属细菌和病原体等）经过雨水侵蚀产生的渗滤液进入土壤、地下水，导致土壤、地下水污染〔14〕。因此，污泥填埋正逐步被摒弃。

1.2 干化+焚烧+填埋

干化+焚烧+填埋是我国现阶段最常用的污泥处理处置方式之一，经简单脱水处理的污泥含水率、灰分和重金属含量高，热性能差，燃烧效率不高，通常不能被完全处理〔10〕。因此，还需对脱水后的污泥进行半干化处理。污泥干化焚烧后填埋相比于直接填埋具有减容减重效果好、占地少的优势。且焚烧利用高温燃烧对污泥中的有机物、虫卵及病原体进行处理，使污泥成为稳定的灰渣。国内常用的污泥焚烧方式分别包括熔渣式回转窖焚烧、水泥窖协同焚烧和独立流化床焚烧、循环流化床焚烧。合肥市中心城区污泥焚烧，主要采用垃圾焚烧厂协同焚烧〔15〕。不同焚烧方式各有优缺点见表1。

表1 不同污泥焚烧技术对比

焚烧后填埋相比直接填埋其优势在于占地面积小，焚烧处理可全天操作，不易受天气影响。污泥焚烧不仅能降低污泥的体积〔10〕（剩余体积约机械脱水污泥体积的10%），降低污泥的后处理成本，还能分解35 种有机污染物〔16〕，降低毒性〔10〕，杀死病原体和细菌。此外，焚烧能减少污泥恶臭气味的产生〔10〕。焚烧所产生的高温烟气热能可用来供热及发电。灰分中固持的部分营养物质，可分离提取，达到污泥资源化利用的目的。

焚烧能减小污泥体积，使后续处理成本降低，但基建投资费用高，能耗大，处理成本高，焚烧设备维护费用高。如800 t/d 干化焚烧工程的建设费用约4.8亿元〔17〕，当污泥干基热值高于15 MJ/kg 时，焚烧成本约为116 元/t〔18〕；深圳某污泥干化焚烧企业干化焚烧（含水率为80%的污泥）的成本在470～590 元/t〔19〕，常州某热电有限公司利用流化床锅炉处理含水率80%污泥，投资总额120 万元，混烧处理成本为106元/t〔17〕。此外，焚烧产生的固体残渣和焚烧废气〔20〕中的有害物质会带来严重的环境风险。例如，焚烧过程中，重金属不会因高温热处理而被破坏，不易挥发的重金属保留在剩余残渣中。当剩余残渣暴露在户外自然老化或在有机酸诱导作用下，Pb 和Zn 等重金属的可浸出性大增，从而影响土壤质量〔21〕。焚烧还存在砷、SO2、NOx、多环芳烃（PAHs）和二英等二次污染物排放的缺点〔22-24〕，对大气造成严重污染问题。

能否减少污泥焚烧的成本，控制污泥焚烧产生的二次污染物量，降低焚烧衍生产品的毒性，成为制约污泥焚烧技术发展瓶颈。

1.3 干化+土地利用

鉴于污泥中的有机质、氮、磷、钾以及微量元素，在一定程度上能改良土壤性质，提高肥力。由于污泥较高的含水率而不能直接作土地利用材料，需对其进行干化处理，根据住房和城乡建设部2018 年发布并将于2019 年6 月实施的《农用污泥污染物控制标准》（GB 4284—2018）要求，农用污泥含水率需低于60%。此外需严格控制农用污泥产品质量。根据污染物浓度将农用污泥划分为A 级和B 级污泥产物，其污染物浓度限值见表2。

表2 污泥产物的污染物浓度限值（以干基计） mg/kg

按照最新标准要求，符合A 级污泥产物可用于耕地、园地、牧草地；B 级污泥产物可用于园地、牧草地、不种植食用农作物的耕地，年用量累计不应超过7.5 t/hm2（以干基计），连续使用不应超过5 a。可农用的污泥卫生学指标应满足蛔虫卵死亡率不小于95%，粪大肠菌群值大于0.01。

城市污泥添加对土壤的理化特性〔25-26〕和养分性质有一定的改善作用〔27-29〕，从而最大限度地减少对化肥的依赖〔30-31〕，缓解土地肥力的 下降〔32〕以及 土地的流失。对于有机质缺乏的土壤进行有机质修复，对土壤肥力的提高有重要意义〔33-34〕。污泥土地利用以生态友好方式处置污泥，遵循循环利用资源理念，实现环境和经济可持续发展。

1.4 厌氧消化/好氧堆肥+土地利用

国内污泥厌氧消化处理规模最大的上海白龙港污水处理厂日产沼气达44 512 m3〔35〕，提纯后的沼气可用于生产以及汽车燃料，节约能源的消耗。污泥沼渣中有机质含量低，且泥质稳定，适宜用于园林绿化有机肥。厌氧消化因其能耗低、含碳量少、污泥总体积小、产甲烷量高等优点，得到广泛应用〔36-37〕。

污泥堆肥技术的主要机理是：在微生物发酵作用下，使污泥中不稳定的有机质降解和转化为腐殖质，最终形成CO2、H2O、NH3和无机盐等；污泥中的病原菌与虫卵被杀死，同时一定程度上消除恶臭〔38〕。

厌氧消化产生的沼渣和好氧堆肥产品可以供土地利用，供给土壤肥力，作为土壤改性材料；但污泥（含水率80%）厌氧消化投资为25～80 万元/t，日常运行成本为120～245 元/t〔39〕，此外城市污水处理厂处理的污水中会混有少量重金属废水，这些重金属会通过吸附、转移、络合等作用富集到污泥中，最终进入到污泥产品中，具有潜在的生态环境毒性，阻碍了污泥产品的土地利用。

我国用此技术路线处置污泥比例不高的原因包括：（1）污泥所含悬浮有机物量大，产甲烷微生物代谢率低，有机物去除率低（20%～40%），需要较长的水力停留时间（10～20 d）〔35〕；（2）无论是厌氧消化还是厌氧堆肥工艺，成本投入较高，构筑物占地面积大；（3）城市污泥土地利用涉及到市政、农业、环保等多个方面，各部门对可能产生的风险态度大相径庭，迟迟未能统一意见，不能推广应用。

1.5 干化+热解

污泥热解是在无氧条件下使有机物热裂解，形成利用价值高的污泥热解油、热解气体、焦炭等。污泥热解油作为污泥热解过程的中间产物，可作锅炉和运输燃料，是一种潜在的清洁优质燃料〔40-41〕。Ningbo Gao等〔42〕在管式热解器550 ℃条件下获得焦油产量高达干污泥质量的46.14%。热解气体主要由H2、CH4、CO组成，经净化处理后可完全清除重金属及其氧化物，可作为化工原料或热电联产的原料。Guotao Yu 等〔43〕将Fe2（SO4）3加入污水污泥中作为一种有效的催化剂，热解处理成功减少城市污泥产量。焦炭是污泥热解产生的主要副产物（约为原料质量的50%）。炭保留了污泥的多相性，包含各种形式的热分解（碳化）有机（20%～50%）和无机（50%～80%）化合物〔44〕。由于污泥热解炭中主要植物养分（N、P、K）含量满足农业生产的要求，热解炭表面积大，与土壤颗粒接触良好〔45〕，有利于养分的交换，可以促进植物生长，修复污染土壤〔46〕，因此热解炭可以作为土壤改良剂〔47-49〕。此外，从污泥热解产物中提取出的热解炭可以作为固体燃料进行产热，热解炭热值可高达10～16 MJ/kg，接近低品位煤的热值〔50-51〕。

1.6 烧制+建筑材料

将污泥干化后烧制作建筑材料，主要包括烧制墙体材料（砖、陶粒等）、水泥窑协同处理等，用于污泥资源化处置。将干化污泥直接作为建筑材料原材料，从工艺特点上来看，经过高温煅烧制备建材可以杀死污泥中的病原菌及寄生虫卵，使重金属固化于高温矿物的结构中，实现重金属离子的稳定化，降低对环境的潜在风险。可将污泥制成陶粒，依据陶粒强度具有可设计性制作高强混凝土等材料，常用于桥梁工程，高层建筑框架。考虑到污泥特性，大量的研究分析了城市污水处理厂污泥用于生产陶瓷产品的可行性〔58-59〕。污泥添加量超过10%会降低砖的抗压强度〔60〕。此外污泥也可作为水泥胶结材料使用〔61〕。

将污泥用作建筑材料的技术难点在于能否严格保证建材符合国家和地方的相关标准，是否会在使用中对环境和人体造成危害；其次，污泥类建材产品能否被大众所接受。该类处理方法在部分发达国家已逐步发展起来，我国将其用作建材处理的案例较少。现有合肥佳安建材年产2 亿块烧结污泥煤矸石节能环保空心砖、空心砌块技改项目协同处置污泥2 个项目，可达到260 t/d（含水率60%）污泥协同处置能力。经测算，改造项目总投资约6 300 万元，另有建材厂改造费用330 万元，运行成本包括高干脱水费150元/t 和建材协同处置费140 元/t，共计290 元/t〔15〕。

2 案例分析

以合肥市中心城区污泥处置为例，根据当地污泥泥质，现主要采用的技术方案有热电厂掺烧、绿化土壤改良、资源化利用等3 种方式。据估计，合肥市中心城区污泥在2021 年产生量将高达1 360 t/d。新建污泥处理处置设施尚未投产，急需采取有效的应对措施。通过对现有工艺及泥质分析后，合肥市拟采取多元化的处理处置方式——污泥干化、协同焚烧与高干脱水、建材利用并行的手段作为近期（2019年—2021 年）主要方案〔15〕，同时将利用土地简易堆肥作为应急补充手段。投资及运行成本分析见表3。

表3 合肥市中心城区污泥处理处置投资及运行成本

3 结语

综上，鉴于我国污泥产生量日益增多，且成分复杂，污泥的处理处置技术亟需发展。在现有技术中，污泥焚烧填埋较为常用，但污泥的资源化利用途径更具潜力。未来污泥处理处置的技术发展主要有以下4 条路径：（1）污泥干化+焚烧后填埋技术路线；（2）沼气能源回收和土地利用为主的厌氧消化/好氧堆肥技术路线；（3）污泥干化+热解技术路线；（4）建材利用为主的技术路线。对于污泥的资源化利用需要在以下几方面加以完善：

（1）当前国内污泥干化焚烧技术发展正处于起步阶段，工程建设问题和运行问题较多，应注重工程设计经验和运行经验的积累；控制污泥干化焚烧成本、能耗及焚烧衍生产品的毒性。

（2）加强污泥不同热解技术及热解机理的探究，进行热解工艺优化、关键设备研发，推进工业化进程，并将新技术应用于现代化产业。

（3）目前，相关部门对于污泥土地利用没有达成共识，公众对污泥资源化利用认知程度不够。相关部门应建立和完善污泥资源化风险评估机制，制定科学、有效、统一的法规政策；对公众应积极宣传污泥土地利用的利弊，加深其对污泥资源化的认知程度。

（4）积极研究利用污泥制作建材，确保污泥建筑材料在使用过程中不会对环境和人体健康造成危害。

总之，在城市污泥处置中，需要兼顾经济、环境和生态效益，选择合适的污泥处置方式和再利用技术方案，实现污泥稳定无害化处置。