通沟污泥处理处置技术研究进展

石稳民， 黄文海， 罗金学， 彭冠平，邱震寰， 薛强， 秦雄， 梁亚楠

（1.中建三局绿色产业投资有限公司， 武汉 430056； 2.中建三局水务环保设计研究院， 武汉 430014）

通沟污泥（管网污泥）是指排水管网养护过程中疏通清掏出的沉积物污泥。 管道沉积物成分特性复杂， 既包含雨水、 污水中易沉降颗粒物， 同时还夹杂道路降尘、 生活垃圾、 砂石以及部分建筑工地的工程泥浆等［1-2］。 通沟污泥如不及时清掏， 会造成管道淤积、 过流断面变小， 进而引发积水和污水冒溢等问题， 同时管网沉积物对污水中有机物的截留作用， 也是导致污水处理厂进水有机物浓度偏低的重要因素［3］。 此外， 在雨季冲刷作用下管网沉积物进入下游河道， 是造成河道水体黑臭的主要污染来源之一［4-5］。

随着城市水环境综合治理工作的纵深推进， 对城市排水管道的精细化养护和管理日益强化， 通沟污泥的数量也与日俱增。 据统计， 仅上海市每年通沟污泥产生量就有大约30 万m3， 大量清掏出的通沟污泥的存放、 处理和处置将是城市管理面临的一大难题［4］。 传统通沟污泥处理方式是将清淘后污泥堆置在附近绿地天然晾晒， 经干燥脱水后运往垃圾填埋场进行填埋处置。 由于通沟污泥成分复杂， 含水率高， 可能含有重金属和致病菌等， 此种处理方式不但二次污染严重， 对周边环境影响大， 同时直接填埋也将占用大量宝贵的土地资源［6］。 为了进一步实现通沟污泥的减量化、 稳定化和资源化综合处理， 北京、 上海、 天津等城市率先开展通沟污泥相关研究工作， 借鉴吸收德国、 日本等先进工艺技术， 陆续开发了通沟污泥“预处理-水力淘洗”、 “预处理-回收利用”、 “管网污泥减量化处理工艺”等处理技术体系。 建成了以北京清河通沟污泥处理工程［7］， 上海市长宁区［1］、 浦东新区［8］、 闵行区［4］通沟污泥处理工程， 常德市管网污泥处理厂等为代表的示范工程。 当前， 我国通沟污泥处理处置问题尚未得到足够重视， 本文在广泛调查研究的基础上，从通沟污泥的来源与特性等方面进行分析， 总结了当前通沟污泥处理处置技术的研究现状， 对存在问题和改进思路进行了剖析和展望， 以期为后续通沟污泥的处理处置提供参考借鉴。

1 通沟污泥的来源与特性分析

1.1 来源与组成

通沟污泥简称“沟泥”， 一般指“城市管道疏浚污泥”， 主要来自城市管网（雨水管、 污水管和合流管）的清掏作业。 通沟污泥在组成上包含有机质和无机矿化成分两大类， 是有机污泥、 渣土、 砂石、生活垃圾、 污水的混合物［2，6］。 有机物质主要来自污水中易沉积的颗粒物与杂质， 无机矿化成分则主要是随雨水进入管道系统的砂石、 工程泥浆以及其他杂物等。

相比剩余污泥、 给水污泥等其他市政污泥， 通沟污泥成分特性复杂， 排水体制、 清掏方式、 清掏周期等均对其有一定影响。 此外， 通沟污泥具有产生源分散、 分布面广、 单点产生量小和不定时等特点［6］， 相对其他市政污泥处理处置难度更大。

1.2 主要特性分析

根据上海市采样分析结果显示， 通沟污泥含水率与清掏作业方式以及作业设备有关， 机械清掏一般为40%～60%， 水力清掏一般为80%～95%， 污泥pH 值一般为7.1 ～8.5。 此外， 通沟污泥颗粒物较细， 小于0.2 mm 的颗粒物数量占总数的50% 以上［9］。 通沟污泥主要以无机矿化成分为主， 有机质含量较低， 通沟污泥中有机质平均质量分数约为17.2%。 典型通沟污泥化学成分见表1［9-10］。

表1 上海市通沟污泥化学成分Tab. 1 Chemical composition of sewer sludge in Shanghai

除此之外， 通沟污泥中可能还含有重金属、 有机物、 致病菌等污染成分。 研究表明［9］， 上海市通沟污泥的重金属高于本土背景值， 但基本在农用限制值以下。 通沟污泥中其他主要污染物为有机物、悬浮颗粒和营养盐等［4］， 典型通沟污泥污染物浓度见表2。

表2 上海市通沟污泥污染物浓度Tab. 2 Pollutants concentrations of sewer sludge in Shanghai

2 通沟污泥处理处置技术研究进展

2.1 国内外通沟污泥处理技术及优劣势分析

在通沟污泥的最终处置上， 目前国内外处理技术主要包括以下两大类［1］： 一是直接脱水后， 运往垃圾填埋场填埋； 二是经过预处理后， 分离出杂物， 有机污泥重新进入污水处理厂。

第一类处理方法主要在于降低污泥含水率， 从而达到减量化的目的。 污泥脱水方式如自然风干、机械脱水、 加热烘干等在通沟污泥处理的适应性分析如表3 所示。 由于通沟污泥夹杂大量垃圾、 建筑垃圾等对机械设备损耗较为严重， 在进行处理前需采取必要的预处理措施， 以分离垃圾、 块石等杂物， 因而传统的市政污泥直接脱水的方式并不适用于通沟污泥。

表3 通沟污泥脱水方式优劣势对比Tab. 3 Comparison of advantages and disadvantages of dewatering methods for sewer sludge

第二类处理方法主要通过预处理， 将通沟污泥分离为生活垃圾和砂石、 有机污泥和水等， 生活垃圾和砂石运往填埋场填埋或者资源化利用， 而有机污泥和水则通过纳管进入污水处理厂处置。 目前，常见的技术工艺包括分离、 回灌和填埋综合处理，预处理-回收利用联合处理等［8］。 分离、 回灌和填埋综合处理技术实现了杂物的分离， 但部分有机物附着在颗粒物表面， 容易产生臭味对环境造成二次污染。 预处理-回收利用联合处理技术则在此基础上增加了洗涤步骤， 实现了有机物与砂砾的分离， 同时对多级分离筛出的杂物进行综合资源化利用。

根据“减量化、 无害化、 稳定化、 资源化”的处理原则， 对几种通沟污泥的处理处置技术分析对比如表4 所示。

表4 通沟污泥处置方式对比Tab. 4 Comparison of disposal methods for sewer sludge

直接填埋工艺占用大量土地资源， 二次污染严重， 未实现污泥的稳定化、 资源化， 逐渐被弃用；以筛分分离为基础的处理工艺， 可实现污泥杂物的分离与资源化利用， 对环境影响较小， 在国内很多工程中得到了应用。

2.2 基于预处理筛分的通沟污泥处理技术

2.2.1 预处理-水力淘洗工艺

该工艺主要以上海市长宁区、 虹口区通沟污泥处理工程为代表［1，11］， 典型工艺流程如图1 所示。

图1 预处理-水力淘洗工艺流程Fig. 1 Process flow of pretreatment-hydraulic washing

通沟污泥经运输车卸料至接收槽粗格栅上， 去除块石、 垃圾等杂物， 栅下物进入下部污泥搅拌槽，经过水力淘洗后， 出料分为沉砂、 污水和沉渣3 部分。 沉砂经沉砂输送机送至双层转鼓式设备， 通过筛滤作用分离为大于1 mm 的轻质浮渣和重质砂石。 轻质浮渣与搅拌槽浮渣一同送脱水机脱水后外运处置， 重质砂石可直接出料。 污水进一步送至砂水分离器， 分离出大于0.2 mm 以上的砂砾。 系统全部污水经收集后纳管送往污水处理厂集中处理。

预处理-水力淘洗工艺作为最早引进开发的通沟污泥处置工艺， 可实现通沟污泥中块石、 垃圾、浮渣和沉砂的分离， 具有操作方便、 运行费用低廉的特点， 为后续通沟污泥处理工程的建设实施提供了示范。 但水力淘洗工艺也存在如下问题： ①对颗粒物的粒径分级程度不够， 导致清洗设备负荷较大， 磨损严重； ②未实现砂砾与有机物的分离， 可能存在一定臭味， 影响建材化再利用； ③粗放式的水力淘洗消耗大量淘洗用水， 淘洗水倍率一般高达8 ∶1 ～10 ∶1； ④筛出物的资源化利用程度较低。

2.2.2 预处理-回收利用工艺

该工艺以上海市浦东新区、 闵行区通沟污泥处理处置工程为代表［4，8，12］， 典型工艺流程如图2 所示。

图2 预处理-回收利用工艺流程Fig. 2 Process flow of pretreatment-recycling

通沟污泥经运输车运送至储泥池， 经水平振动筛网分离砖块、 树枝等杂质。 污泥均化后经喂料仓输送至转鼓洗涤装置， 分离出粒径大于10 mm 的粗大物质。 砂水混合物经管道输送至洗砂装置， 分离出颗粒粒径在0.2 ～10.0 mm 之间的可沉砂砾。洗砂装置通过附壁效应高效分离有机物和矿化物，粒径大于0.2 mm 的砂砾分离效率高达95%。 洗砂装置上部溢流水经管道接入精细过滤装置进行深度过滤， 可去除污水中的有机絮体， 分离出有机栅渣， 从而实现无害化的要求。 滤液经中间水池， 通过水力旋流装置进一步分离10 μm 以上的细砂。系统污水经收集后纳管进入污水处理厂集中处理。

在研究过程中， 对工艺细节进行了不断改进优化， 主要包括： ①采用水平振动筛网代替格栅网罩， 减少人工作业； ②采用分格式储泥池， 实现洗涤转鼓和洗砂装置分质喂料， 从而提高运行效率；③根据前期工程经验， 新增水力旋流工艺步骤， 高效分离粒径小于0.2 mm 的极细砂砾， 减小了细颗粒物沉积对泵站和下游管网的影响； ④对系统臭气进行加罩收集， 达标处理排放； ⑤对洗涤用水进行了合理回用， 节约淘洗用水， 降低了运行成本。 预处理-回收利用工艺相对预处理-水力淘洗工艺进一步对颗粒物进行了多级分离， 同时将有机物与无机矿化成分进行了有效分离， 筛出物的资源化利用程度也较高， 可实现通沟污泥的减量化、 无害化和资源化， 是目前较为成熟的通沟污泥处理工艺。

2.2.3 管网污泥减量化处理工艺

该工艺以上海青浦区市政通沟污泥处理工程、常德市管网污泥处理工程为代表［13］， 典型工艺流程如图3 所示。

图3 管网污泥减量化处理工艺流程Fig. 3 Process flow of sewer sludge reduction treatment

通沟污泥经运输车倾卸至污泥接收池， 经过除杂格栅， 分离出粒径大于100 mm 的杂物， 减少了对后续分离工序的影响。 污泥均质后经过螺旋给料机均匀分配至清洗分离机， 经冲洗后分离出粒径在10 ～100 mm 之间的渣料。 粒径小于10 mm 的物料进入泥水分离机， 经筛分作用分离出2 ～10 mm 粒径的料渣， 筛下物经泵送进入一级旋流器。 经旋流器浓缩后的污泥混合液进入擦洗机， 上部溢流进入污水池中。 擦洗机可将砂砾表面附着的油脂、 有机物等清洗下来， 经擦洗机处理后的物料进入二级旋流器， 上部溢流进入污水池， 底部浓缩物进入有机物分离机中， 产生的砂可进一步通过泥水分离机脱水得到0.1 ～2 mm 的细砂。 有机物分离机产生的物料进入圆振筛分离出固体油脂、 有机腐殖质等。 系统污水经收集后泵送至浓密机絮凝沉降， 经板框压滤后， 纳入市政管网送至污水处理厂集中处理。

管网污泥减量化处理工艺通过多级筛分洗涤处理， 将通沟污泥分离为不同粒径级别的渣料， 同时可实现污泥有机物和无机矿化成分的有效分离。 相比预处理＋回收利用工艺， 该工艺的主要不同在于分离设备的选用， 采用德国引进的清洗分离机、 油脂分离机等。 此外， 采用了二级旋流工艺， 分离效率更高， 同时还通过板框隔膜压滤对污泥进行了脱水处理。 存在的主要问题有： ①除杂格栅需要人工清理， 可进一步优化； ②采用絮凝加药脱水进一步增加了处理成本， 以及额外污泥处理的成本； ③同时污泥脱水可能将从砂石表面洗脱的部分碳源截留， 降低了污水处理厂进水浓度。

2.3 处理工艺优化建议

研究结果显示， 上海市通沟污泥中粒径大于10 mm 的物料约占25% ～30%， 粒径为0.2 ～10 mm 的物料约占20% ～25%， 粒径小于0.2 mm 的物料约占50%［4，12］。 污泥中颗粒物以极细颗粒物为主， 运行中发现泵站进水池中砂粒沉积严重， 污水直接排入管网也将造成下游污水处理厂进水中含砂量较高［12］。

综合考虑预处理＋回收利用以及管网污泥减量化处理工艺的优缺点， 建议取消水力旋流分离步骤， 直接将分离后的污泥混合液浓缩后再进板框脱水， 改进后的工艺流程如图4 所示。

图4 通沟污泥优化处理工艺流程Fig. 4 Flow of optimized process for sewer sludge treatment

采用水力旋流分离器主要针对粒径极小的粉砂， 分离效率较低， 同时增加系统能耗。 工艺改进后， 可省去水力旋流分离步骤， 通过板框过滤作用将其中细小粉砂彻底截留， 极大降低尾水携带泥沙对管网和污水处理厂的不利影响。

3 通沟污泥处理关键问题分析

3.1 通沟污泥资源化利用

市政污泥最终处置的主要途径包括填埋、 堆肥、 土地利用、 焚烧、 建材利用等［14］。 通沟污泥组成中有机成分较低， 无机成分占比较大， 同时可能含有重金属等污染物质， 因而不适合土地利用和堆肥［15］。 上海市开发了将脱水后的通沟污泥用作垃圾填埋场覆土的资源化利用途径［15］， 但研究发现其含水率、 力学性能（如横向剪切力）等需进一步优化。未来随着垃圾填埋场中间覆盖材料逐渐改用HDPE膜， 此途径利用空间逐渐受限。

研究人员还对通沟污泥建材化利用作了相关试验。 陆文雄等［16］研究了将通沟污泥代替部分细集料用于混凝土和砂浆中， 实现了污泥的无害化和资源化。 王志新等［10］利用脱水后无机成分代替三渣混合料中的细集料， 结果表明， 复合三渣混合材料的各项性能均能满足国家标准对路基材料的相关要求。 陈冀渝［17］以通沟污泥和粉煤灰为原料， 掺入粘接剂等辅料， 入窑烧制成轻质隔热建筑砖， 成品导热系数极低， 具有良好的隔热效果。 在建材化利用方面， 可充分利用通沟污泥中无机成分含量高的特性， 具有较好的应用前景。

经过预处理筛分分离后， 通沟污泥可分离为大尺寸物质（＞100 mm）、 粗大物质（10 ～100 mm）、可沉砂砾（0.2 ～10 mm）、 有机栅渣、 脱水泥饼等几大类。 大尺寸物质主要为块石、 垃圾等， 垃圾可就近进入环卫系统处理； 块石、 粗大物质、 可沉砂砾和脱水泥饼等优先考虑建材利用（路基材料、 填方材料、 制砖、 制陶粒等）； 有机栅渣可结合作为污水处理厂补充碳源， 或掺加其他辅料用于有机堆肥处理。 单个通沟污泥产生量较小， 实际资源化利用操作性不强， 可参考上海长宁区设立固体废弃物综合处置中心， 实现多种市政固废的协同处理处置。

3.2 移动式一体化处理系统

当前， 通沟污泥主要采用“清掏作业＋污泥罐车运送＋处理站处置”的集中式处理模式。 通沟污泥含水率较高， 罐车运输物中大部分为污水， 运输成本较高。 此外， 通沟污泥具有单点产生量小、 来源不稳定的特征。 在实际运行中发现， 设立集中式的处理站无法保证通沟污泥来源稳定性。 综上， 可考虑开发移动式通沟污泥一体化处理系统， 实现通沟污泥的就地分散式处理。 参照改进后的通沟污泥处理工艺， 对通沟污泥移动式一体化处理系统进行模块化设计， 其工艺流程如图5 所示。

图5 通沟污泥移动式一体化处理工艺流程Fig. 5 Flow of mobile integrated processing system for sewer sludge

移动式一体化处理系统可分为进料除杂、 初筛分离、 沉砂洗涤、 有机分离、 压滤脱水、 污水循环6 个模块， 核心思路仍是对通沟污泥进行筛分分质处理， 实现垃圾、 有机物、 矿化物和污水的高效分离。 污泥中有机成分经洗脱后随污水纳管进入污水处理厂， 其他分离物按照3.1 节的资源化路径分质处理。 该系统的关键在于各模块分离设备的选型与组合， 目前已建成的集中式通沟污泥处理工程中核心分离设备多为国外进口， 与实际需求的匹配度不高， 且设备相对一体化系统较为大型化， 建议集中研制国产化的高效筛分分离设备， 提高一体化处理系统的针对性与适应性。

移动式一体化处理系统可采用车载式， 原位分散处理通沟污泥， 污水就近排入下水管道， 分离物暂存后就近运往中转站点。 该方式与集中式处理相比， 可节省污泥运输的费用以及建设集中式处理工程的用地， 同时能提高处理的效率和灵活性。

4 结语及展望

通沟污泥是城市管网养护产生的高含水率固体废弃物， 其处理处置问题在全国范围内仍未得到足够重视， 相关研究工作开展不多。 通沟污泥成分相对其他市政污泥更为复杂， 采用预处理＋多级筛分分离的工艺可有效处理处置通沟污泥， 实现污泥的减量化、 无害化和资源化。

基于现状调研与分析， 未来通沟污泥处理处置研究工作可从以下几方面着手： ①对预处理＋回收利用工艺作进一步优化改进， 降低对下游泵站和污水处理厂进水的不利影响； ②探索筛分物的多方位、 多途径资源化利用， 协同其他城市固废综合处理处置； ③研究开发通沟污泥移动式一体化处理系统， 提高处理效率和灵活性， 节约用地。