市政污泥资源化处置技术与关键点探析

李如刚

（中铁建发展集团有限公司，北京 100000）

引言

随着国内污水处理厂的逐步建设与完善，污泥的安全处置需求与日俱增，针对于污泥处理与处置的技术也百花齐放。目前，市场上众多污泥处置技术各有特点，但都存在不同的应用局限，为了探讨解决污泥处置技术问题的关键点，本文通过对现有技术的应用特点进行综述分析，寻找污泥处置技术应用的关键因素，为污泥技术的推广应用提供参考。

1 研究背景

截至2016 年底，全国处理污水量达到1.5 亿 m3/d，污泥产生量以含水率80%计，总量近3000 万t。随着国内大力进行污水厂建设和提标扩建，2020 年我国的污泥产量突破6000 万t（含水率80%）[1]，寻求污泥的安全处理处置方法已经成为城市环境安全的迫切需求。

剩余污泥含有大量有机质，水分含量高，在温度适宜的情况下，极易产生各种危险气体，且会造成蚊虫聚集，传播疾病，对社会稳定和人民生活有着极大的危害。同时，未经处置的污泥随意堆放，可能会导致地下水污染，重新成为二次污染源。污泥的种种危害，已使得对污泥进行安全有效、成本低廉的处置成为一种趋势。因此，探寻污泥资源化处置的技术路径为本文重点讨论的内容，同时探讨污泥处置技术路径的关键点，对实现污泥资源化利用起到指导实践作用。

2 国内外污泥处置现状与发展趋势

2.1 国内污泥处置介绍

近5 年，我国脱水污泥年产生量均在7000 万t 以上。伴随着逐渐严格的环保政策，我国污泥处置市场规模逐步增大，目前已达到每年新增700 亿元的市场容量。

2015 年，国家出台了“水十条”政策，其中明确要求国内地级及以上城市的污泥无害化处理处置率在2020 年底前需达到90%以上，由此可见，污泥处置已刻不容缓。

2.2 国外污泥处置介绍

美国现在年产约3500 万t 含水率80%的污泥，通过建设650 座厌氧消化设施处理了约58%的污泥，通过建设700 座好氧堆肥发酵设施处理了约22%的污泥，通过焚烧处理了剩余20%的污泥。

欧盟国家年产含水率80%的污泥约4000万t，厌氧消化设施承担了50%的污泥处理与处置，好氧堆肥解决了30%的污泥处置，另外20%通过焚烧的方式进行处置。2016 年，日本污水处理过程产生并处置的固废为243.7万t （绝干污泥计）[2]，多采用填埋、绿化营养土、焚烧等方式。其中，日本政府根据其国内的空间资源条件和技术水平，比较鼓励采用焚烧的方式，特别是和水泥窑的协同处置。由于水泥窑温度高达1000℃，结合窑内的碱性环境，较好地控制了二噁英的产生，大大提高了环境友好性，因此日本政府鼓励污泥和焚烧灰渣进入水泥厂系统焚烧[3]。

综合来看，国外处理处置污泥的方式主要是采用厌氧发酵、好氧堆肥、焚烧等技术手段。

2.3 污泥资源化利用

近几年，围绕能源短缺、碳达峰碳减排、全球气候变化等热点问题，国外已经转变认识，不再定义污泥为废弃物，而是将污泥作为富含资源的物质重新加以研究利用。德国已经通过立法及经济政策扶持开展了污泥中资源提取的技术研究工作。

污泥的成分中主要有水、黏土、重金属、营养物质、有机质、微生物等。通过去除水、重金属提取、微生物灭菌等技术处理后，污泥成分中的有机质、黏性土及大量营养元素（特别是氮、磷、钾）尤其丰富，同时含有钙、镁、硫、铁、铜等微量元素，这些都是植物生长的生命元素，为污泥的资源化利用提供了基础。

从污泥中提取资源，是实现污泥资源化的重要方向。主要技术包括超声波预裂解污泥、高温蒸煮热水解技术、污泥与餐厨垃圾协同提取生物沼气、污泥的氮磷回收技术、污泥中无机盐的提取循环利用等，这些技术大大推动了污泥资源化的进程。

3 国内市政污泥的特点

3.1 活性污泥

本文所指污泥即活性污泥，是一种由有机质、细菌、无机质和胶体共同组成的非均质体，含水率通常在99%～60%不等。污水处理产生的污泥，经过压力压缩，含水率通常在80%～60%不等。

3.2 市政污泥的特点

市政污泥主要有4 个特点，即①营养物质丰富，污泥中含有氮、磷、钾等元素，其中氮、磷营养元素通常是造成水体富营养化的主要原因；②热值丰富，干基污泥的热值从1800～3000kJ/kg 不等，最大热值相当于0.5 标准煤的热值；③污泥中含有丰富的有机质，含量40%～60%不等，充足的有机质含量为污泥的发酵提供了可能，经过发酵的污泥可以作为绿化种植土等；④含水率高，剩余污泥的含水率通常可达99%，经过机械压缩等方法处理，可以实现80%含水率或低至65%的含水率。

3.3 市政污泥水分的组成分析

污泥脱水为污泥处置的首要问题，在污泥的组分中，水占据了绝大多数，其中95%的水分是由于污泥中胞外聚合物的粘性作用而无法实现有效脱水所致。污泥的水分主要有2 类，即物理性结合水和化学性结合水。这种特性为污泥脱水提供了一个新的思路，那就是如果能够有效破坏污泥胞外聚合物的粘性，将大大提高污泥脱水的效率。

3.3.1 物理性结合水

物理性结合水主要组成形式是间隙水70%、毛细水20%、表面吸附水5%，又被统称为胞外聚合水，需用外力加以去除，如外加热方式。

3.3.2 化学性结合水

化学性结合水主要组成形式是细胞内部水5%，微量分子水可忽略不计，又被称为平衡水,需打破化学键才能去除。

4 国内主流污泥处置技术路径

4.1 干化+焚烧的技术路线

4.1.1 工艺流程

99%含水污泥→带式压泥机（80%含水率）或板框压泥机（60%含水率）脱水至一定的含水率→进入污泥干化系统（20%含水率）→污泥焚烧系统→烟气净化系统→尾渣。

4.1.2 污泥干化

污泥干化根据热量交换的接触方式可分为直接干化和间接干化。

直接干化采用热空气与含水污泥直接接触的方式，通过上下对流换热，直接将污泥中的水分带走，可以实现对热量的充分利用，但弊端是由于污泥本身具有的污染性质，使得带走的热气当中含有大量污染性气体，需要设置规模巨大的废气处理装置。

间接干化时热介质与污泥并不直接接触，污泥均匀分布于受热面，通过热介质对受热面增加热量从而将污泥中的水分降低。如，薄层干化、桨叶干化、盘式干化等均属于间接干化。

4.1.3 污泥焚烧

污泥焚烧是在污泥干化的基础上，利用污泥中可燃有机物含量较大的特性，通过将污泥在高温有氧环境下充分燃烧，从而使大量有机物质转化为少许灰烬的处置方式，可以实现污泥的减量化。目前，污泥焚烧主要使用流化床焚烧炉，基本原理是物料在炉膛内部流化气体的作用下显现出流化态，从而使燃烧更加充分。

4.2 好氧堆肥工艺技术路线

污泥好氧堆肥技术是利用污泥中的嗜温细菌和嗜热细菌，以有机物为生长基质，在实现有机质降解的同时杀灭病原菌的污泥制肥技术。好氧堆肥是有氧参与的有机质分解过程，分解的产物主要包括二氧化碳、水和热量，其反应过程属于放热反应，放热反应提高了污泥的温度，从而更好地促进嗜温细菌和嗜热细菌的活性，同时有助于对有害病原菌的杀灭。

影响污泥好氧堆肥的因素主要有污泥含水率、污泥含固率、填充料、有机质、污泥碳氮比、pH 值、通风供氧、温度等。污泥好氧堆肥作为实现污泥资源化、减量化、稳定化的一种技术，在应用地域上有一定的限制。如，在土地充足、光热充足的地区因地制宜采用好氧堆肥，可实现污泥变废为宝，较好地促进环境保护和经济发展；对于土地资源比较紧张的地区，采用好氧堆肥的经济性就会大打折扣。

4.3 厌氧消化工艺技术路线

厌氧消化主要是利用厌氧菌的生物作用在厌氧环境下将污泥中有机质分解产生二氧化碳、甲烷、水等产物的过程。为了解决传统厌氧消化反应速率慢、有机物降解率低、甲烷气体产率低等问题，普遍采用预处理的方式对污泥进行破壁处理，从而提高厌氧消化的效果，主要方法有高温蒸煮、超声波预处理、臭氧预处理等。

清华大学根据国内污泥有机质含量的实际情况开发出了适用的热水解污泥处理工艺，设计处理污泥400t/d，协同餐厨垃圾200t/d，该工艺已成功在深圳运营多年，基本实现了能量自平衡，不需要额外购买能源即可保持工艺系统的正常运行。该工艺主要有8 个特点，即①污泥厌氧消化产生的高温可以有效杀灭部分病原菌和有害虫卵，确保污泥产生的尾端产物容易稳定，不会产生腐臭；②污泥厌氧消化过程中的产气阶段能够产生较多的甲烷等气体，可以作为能量来源给高温蒸煮提供热量；③污泥厌氧消化可以降解挥发性固体物质，大大减少了污泥固态物质的产量，降低了后续污泥产物的处置费用；④污泥厌氧消化需要消耗大量的能量，一般来说仅仅依靠污泥消化无法满足工艺运行，需要外协餐厨垃圾或者外购能源进行能量补充；⑤污泥厌氧消化设计的停留时间较长，需要保持25d 左右；⑥工艺停留时间的延长导致了处理空间的增大，需要设置体积庞大的反应罐体，操作管理复杂；⑦污泥厌氧消化主要包括水解、酸化、产气等几个过程，在产气阶段，产甲烷菌对环境的要求较高，需要在系统启动阶段即开始培养菌种，初期调试的时间比较长，对环境的要求也比较高；⑧污泥厌氧消化后仍有较高含水率，须进行后续处理以进一步脱水干化，常用方法包括板框压榨和热干化等处理手段。

4.4 碳化工艺技术路线

污泥碳化指的是通过绝氧环境进行热解，获得含碳固体产物，从而使污泥具备燃料功能的处理过程。污泥作为含有大量有机物的物质，在碳化过程中可发生分解，分解的产物主要为热解气体、焦油、碳化物和无机物，经挥发水分和热解气，逐渐形成内部及表皮孔隙多且碳含量多的碳化物，具备活性炭的功能。碳化技术主要分为低温碳化、中温碳化和高温碳化。

低温碳化不需要进行预先干化，将碳化环境加压到10MPa 左右，温度保持在315℃。碳化后污泥呈现液态，经脱水至含水率50%以内，烘干造粒后可作为辅助燃料，国内污泥低温干化后热值一般在3000kcal/kg 以上中温碳化是温度保持在426～537℃，不加压。预先对污泥进行干化处理，使污泥的含水率保持在90%左右，然后进入碳化炉分解。中温碳化的过程中会产生油、冷凝水、沼气和固体碳化物。通过中温碳化，可实现污泥减量化和资源化的目标。

高温碳化是污泥在温度649～982℃的情况下，不加压进行的碳化过程。预先对污泥进行干化处理，将污泥的含水率降低至30%，然后进入高温碳化炉进行造粒。经过碳化的颗粒可以作为燃料使用，北方污泥的热值约2000kcal/kg。

5 污泥处置发展方向

5.1 污泥资源化的关键点

污泥处置的“四化”原则为资源化、稳定化、减量化和无害化。其中，资源化的关键点在于污泥有机质和无机质的分离。

污泥作为生命有机体的复合体，其内部构成复杂，包括有机质、无机质、水、胞外粘性液体等。胞外粘性物质的持续存在是导致污泥含水率居高不下的原因，也是污泥脱水面临的第一道难题。而通过细菌灭活解决胞外粘性液体包裹水分的问题后，又面临有机质和无机质的混合存在导致后续利用效率不高的难题。目前，国内污泥的有机质含量在40%～60%不等，这导致了无论采用堆肥还是热值利用都会存在效率不高或者热值低下的问题。因此，做好有机质和无机质的分离成为污泥资源化的关键。国内已有研究人员对此实现了技术上的突破，并达到了工程化应用的程度，代表公司为天津壹新，该公司初步解决了污泥资源化利用的关键一环，并且已有商业化运营的案例。

5.2 污泥产物分离的基本原理与资源化利用分析

污泥分离的产物主要是有机质、无机质和水。产物分离的基本原理为在对原泥进行无机盐提取的同时也对污泥进行了改性，使微生物、细菌和病毒全部灭活，满足污泥病毒消杀的相关要求。同时，复配的药剂会破坏污泥胞外聚合物EPS 的粘性，使泥砂得到释放，为重力选砂除砂创造了条件。利用复配药剂对无机组分中的磷盐、铁盐和铝盐进行最大限度的提取和富集，最终实现污泥中无机金属盐多组分逐步分离。

污泥经过有机质、无机质的分离，为后续处理处置效率的提高奠定了基础，这个突破是推动污泥资源化利用的一个加速器。经过分离处理后的污泥，有机质含量大大提高，可达85%以上。富集的有机质大大提高了后端污泥处置的效率，有力解决了因有机质含量不足而导致的堆肥效果不好的问题，同时大大提高了尾端产品的热值，并为污泥产品的商品化奠定了基础。另外，分离出来的各种盐和砂等无机质可以经过分选进行利用，如可将盐类提取后投入到污水厂生产的再循环当中，大大降低了铁盐、铝盐的消耗；分离出来的砂等则可作为建筑材料实现资源的循环利用。

结论

伴随着环保技术的发展和限制污泥填埋政策的施行，污泥的资源化利用将会作为污泥处置的第一选择得到长足发展，污泥资源化是污泥处置的根本出路。当然，无论什么样的污泥处置技术路线，都需要结合当地实际进行综合分析判断，因地制宜地采用合适的污泥处理技术，更好地将污泥进行提取利用，从而服务人类生产生活。

在污泥处置技术的持续发展和不断完善当中，做好污泥的有机质无机质分离成为关键步骤。分质分离为污泥高效率利用提供了非常有效的2 条路径，1 条是有机质的富集，另1 条是无机质的富集，这2 条路径可通过不同的提取技术做出不同的产品原料。因此，分离技术将会促进污泥处置的优化和提速，为实现污泥变废为宝提供了一把钥匙。