我國城鎮污泥資源化利用綜述

黃英才 許丹丹 白少元 劉宇輝

摘要：近些年來，我國在污水處理能力方面取得重大進步，已基本實現污泥的減量化、穩定化處理，但污泥資源化利用方面卻沒有較大的突破。文章介紹了我國剩余污泥產量與來源，污泥處理技術及其優缺點，而后根據污泥特性列舉了資源化利用的技術和工藝。

關鍵詞：污泥;污泥濃縮脫水;污泥資源化

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）11-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.11.116

Review on utilization of municipal sludge resources in China

Huang Yingcai1， Xu Dandan1， Bai Shaoyuan1， Liu Yuhui2

（1.College of Environmental Science and the Environment of Guilin University of Technology，Guilin Guangxi 541004，China;

2.Guangxi Hengsheng Water Environment Treatment Co.，Ltd.，Guilin Guangxi 541100，China）

Abstract：In recent years， great progress has been made in sewage treatment capacity in China， and sludge reduction and stabilization have been basically realized， but there is no great breakthrough in sludge resource utilization.This paper introduces the production and source of excess sludge， sludge treatment technology and its advantages and disadvantages， and then lists the technology and process of resource utilization according to the characteristics of sludge.

Key words：Sludge;Sludge thickening and dewatering;Sludge recycling

自進入21世紀以來，城市化與污水處理量的增大，使得生活污水排量與城市污泥的產量不斷增加，污水處理廠的剩余污泥處置問題日益突出。大量的存在于污水處理中難以通過物理方式去除的物質，在氧化溝、AAO等工藝的作用下轉變為污泥。由于污泥成分十分復雜，包含了大量的污染物、多種微生物、致癌物以及大量水分、富含有機物和N、P、K等無機元素，因此需要被妥善處理，否則會造成生態環境污染。將污泥成分資源化利用，即可緩解當下城市污水處理廠剩余污泥處置的難題。

1 剩余污泥的來源和產量

污水處理廠的增加與污水處理能力提升會導致大量的剩余污泥的產生。根據經驗估算：污水處理廠在每天處理1萬t污水的情況下會產生6～10t污泥，在每天處理2 000t生活污水的情況下會產生1.0～1.2t污泥。據《十三五規劃》要求，在不斷完善我國污水處理基礎建設的情況下，提出對污泥穩定化、無害化和資源化處理處置的更高要求。要求我國城鎮污水處理率進一步提高，要求京津冀地區的污泥無害化處理達95%，其他地區達到90%。預計2020 年將達到年

6 000～9 000萬t。

2 剩余污泥濃縮脫水技術

在經過初級沉淀池、二沉池處理后的污泥通常具有較高的含水率，如果不對其進行污泥濃縮、脫水，便難以進行后續的處理，進行資源化利用。

2.1 污泥濃縮

在污水處理工藝、污泥性質等因素影響下，通常采用重力濃縮法、離心濃縮法與氣浮濃縮法等3種方法使污泥濃縮。污泥濃縮可以有效地降低污泥含水率、減少污泥體積并使其稠化。我國主要的污泥脫水工藝與國外污泥處置工藝大致相同，主要有：

2.1.1 重力濃縮法

重力沉降法可以讓污泥在濃縮池中通過重力沉降作用達到與水分離的目的。重力濃縮法可以使含固率為0.3%～2.5%的稀污泥濃縮至含固率3%～6%，體積縮小2～5倍。在池內停留時間為6～8h。此法優點是簡便，費用低，但存在面積大，效率低的缺點。重力濃縮法是目前國內最主要的濃縮法。

2.1.2 氣浮濃縮法

氣浮法是在氣浮池池底安裝許多納米級的氣孔，通過釋放微小氣泡粘附污泥顆粒，使得氣泡攜帶污泥顆粒上浮并濃縮，可用氣浮法處理疏水性污泥和濃縮時容易發酵的活性污泥。但由于系統復雜，導致了其運行管理難度大且運行費用高，因此，氣浮濃縮法并未成為我國污泥處理行業的主流濃縮工藝。

2.1.3 離心濃縮法

離心法利用污泥中的固體顆粒和水的密度差產生離心力的差異來達到分離效果。離心濃縮法一般用于難脫水的物質，其特點是具有較高的效率、占地面積較小、衛生條件較好。

上述3種工藝，在實際處理污泥濃縮過程中暴露了許多問題，如重力濃縮工藝對剩余污泥濃縮效果差、效率低。目前，隨著污泥產生量的增多以及AAO工藝、氧化溝、SBR、曝氣生物濾池法等污水處理新工藝的不斷增多，得到的剩余污泥中所含N、P顯著增加，重力濃縮的缺陷進一步放大。近年來，離心濃縮法有著取代重力濃縮的趨勢。氣浮濃縮雖然具有效率高、耗時短等特點，但其昂貴的維護成本并不適用于目前我國的污水處理廠。

2.2 污泥脫水

要利用、運送、焚燒污泥通常要將污泥含水率降至90%以下。因此，濃縮后的污泥需要進行進一步進行脫水，有效地降低污泥中的含水率。

2.2.1 自然干化法

在自然干燥的過程中，污泥干化場中的污泥通過在薄層礫石和沙子上的滲透和蒸發而減少其含水率。下滲過程通常需要2～3d，才能將含水率降低至80%左右。污泥干化場的脫水效果受濕度、蒸發量和氣溫的影響，它通常受用于干旱、少雨和沙土地區。

2.2.2 機械脫水法

通過機械作用的方式脫去污泥中的水分。目前我國污泥脫水的常用的污泥脫水設備主要有疊螺脫水機、板框脫水機、帶式脫水機、離心機脫水機。可根據不同設備的原理，在不同情況下選擇合適的脫水設備，如疊螺脫水機占地小且能耗低適用于小型的污水處理廠。雖然目前我國在機械脫水設備上與其他國家并無太大差距，但在脫水效率和處理藥劑的投加量方面仍有較大差距。

3 剩余污泥穩定化處理

將污泥中腐敗不穩定物質轉變為穩定物質的過程稱為污泥穩定化處理。有研究表明[7]：在穩定化處理的過程中，有機物質經過厭氧消化或好氧消化的產物中富含腐殖酸，污泥中的微生物在腐殖酸的作用下對有機物的分解速率減慢，因此經穩定化處理的產物不再腐爛發臭。污泥消化按照微生物的內源代謝過程可分為污泥厭氧消化與污泥好氧消化兩類。通過污泥穩定化處理可減少致病菌、污染物的含量，提高污泥穩定性。

3.1 厭氧消化

污泥厭氧消化的原理是在無氧的條件下，利用兼性菌與厭氧菌進行消化反應，將污泥中的有機質分解為甲烷等氣體以資源化利用。厭氧消化是實現污泥穩定化的基本方式，在國內污泥進行厭氧處理過程中存在著以下問題：有機物的含量偏低，有機物厭氧消化分解率偏低，產氣量偏低;污泥停留時間長和反應器體積大[1]。

3.2 污泥好氧消化

微生物自身內源呼吸作用可以有效地將污泥中的有機質進行降解，污泥好氧呼吸便是利用了這一原理。雖然好氧消化法需要不斷曝氣、功耗較大，但由于其投資少、運行方便、工藝簡單的優點許多小型的污水廠傾向于選擇污泥好氧消化。

4 剩余污泥資源化技術、工藝

4.1 污泥制農肥

污泥在一定的重金屬含量的范圍內通過預處理、好氧發酵、厭氧發酵、烘干、添加料的方式進行污泥堆肥。不同的地區，不同的城市可根據當地的污泥成分制成不同的有機復合肥，選擇經濟有效的方法對污泥進行農肥利用。這樣既可以減少城市污染，污泥處理的負擔，又可以促進農業的發展。

污泥中的大量水分、有機物及氮、磷、鉀等無機元素經過處理，可作為土壤改良劑參與農田林地的土壤改良。要形成穩定的腐殖質堆肥產品，需要利用微生物的發酵作用，發酵時的溫度可達到將污泥中的寄生蟲和病原菌滅除的效果。污泥堆肥處理有著土壤改良、改善污泥處理方式、提高土地利用、生產出可出售的產品等優點。但同時也存在著費時、占用土地、臭氣污染等因素制約著污泥堆肥進一步應用在污泥資源化利用上。并且，如有機物和重金屬等難降解物質無法通過堆肥去除，導致重金屬會在土壤中下滲，對環境造成二次污染。隨著農業產業結構的變化和農業生產的擴大必然會形成對有機肥料的大量需求。同時，也會有效地拉動污泥堆肥的發展。

4.2 厭氧消化產沼氣

污泥厭氧消化通過分解污泥中有機質，得到CH4等可能源利用的氣體。通過利用不同的厭氧消化工藝和菌種，可產生如CH4、H2、C2H5OH等不同的代謝產物。為了改善我國污泥有機質相比發達國家較低，可生化性較差、有機物的轉化程度較低等問題，各種工藝，如預處理工藝、混合消化工藝、多級多相消化工藝、生物酶及菌種工藝等應運而生。污泥厭氧消化可以回收生物質能、降低污水處理廠能耗、減少溫室氣體排放、穩定性較高、運行管理方便的優點實現了污泥處理的減量化、無害化、資源化，但消化殘渣的后續處理、產氣量偏低等仍是當下我國污泥厭氧消化的主要問題。

4.3 污泥制磚

經研究，污泥在經焚燒后的泥灰與黏土成分相似。目前可以通過焚燒污泥和污泥干化兩種方法來實現污泥制磚[5]。根據市場的不同要求，需要選擇合適的制磚工藝，調節污泥的混合比例得到不同性能的磚塊。

4.4 污泥制水泥

在水泥的生產過程中，需要經過高溫燒制。據調查，污泥中存在著大量的Al、Si、Ca等元素，經焚燒過后污泥在化學性質上與黏土類似，可將污泥用作水泥的生產，同時為了進一步對污泥進行資源化利用，可將污泥在制水泥時作為燃燒物從而進最大化利用其熱值。但由于污泥中包含了大量的污染物，所以需要對燒制過程產生的大量酸性有害氣體進行特別處理[2]。

4.5 污泥制陶粒

利用污泥制作陶粒需要經過混合、造粒、焙燒、冷卻等一系列流程。對于含重金屬率較高的污泥，將其制作成陶粒可以起到重金屬固化作用。陶粒質量輕、強度高、具有良好的保溫性，將污泥制作成陶粒資源化利用可以對我國污泥產量大的問題進行一定程度的緩解，具有較好的商業前景。

5 剩余污泥綜合利用

一般來說，一種合適的污泥處理方式的可行與否取決于其能否兼顧到環境效益、成本和經濟效益三者之間的平衡。污泥的最終處理方式有以下方面：

5.1 土地利用

土地利用是指將污泥用作農用、林業、景觀綠化、土壤修復、沙化治理等方面上。在進行土地利用之前，需要對污泥進行穩定化處理，否則會導致土壤二次污染產生。污泥堆肥處理有著土壤改良、改善污泥處理方式、提高土地利用、生產出可出售的產品等優點。但同時也存在著重金屬難以去除、臭氣污染等因素制約著污泥堆肥進一步應用在污泥農田林地利用上。

以桂林市為例，據調查指出[7]：桂林市污水處理廠中的污泥含氮、磷等成分與有機物成分較為豐富，用作農肥有明顯的增產;且重金屬含量符合國家標準，經適當處理后可避免產生二次污染。

5.2 干化焚燒

在對含有較高含水量的污泥進行干化處理后，干化后，污泥顆粒保持了較高的熱值（90%），可以對其進行焚燒處理。焚燒處理可以使污泥體積減量，得到的焚燒灰可用作制作建材。近幾年來由于污泥焚燒的簡便操作性、焚燒污泥成了國際上的主流。經過消化提取的甲烷或其他氣體用作化工原料可用作燃煤的輔助燃料與煤摻燒。在高溫的爐膛內，隨著污泥與煤一起燃燒，既可以充分利用污泥的熱值，又得到了安全的處理。

5.3 建筑材料化

污泥中含30%無機物，富含Al、Si、Ca與其他微量元素。是制磚、制水泥的理想原料。工業廢水中的污泥和沉渣經妥善處理后也可制建筑材料。經過焚燒后制磚、添加木屑、玻璃纖維后壓制板材以及用于鋪路和填坑。

建筑材料利用可以緩解我國污泥產量大的問題，同時節省資源與能源損耗。但是，目前我國存在著利用率低、強度低因素影響了污泥在建筑材料的進一步利用。國外發達國家已得到初步發展，我國污泥建筑材料應用占污泥處置方式比例較低（3%～6%），未來需要規范污泥處理行業的標準，提升污泥資源化利用的可行性、加大研發力度。

5.4 衛生填埋

由于我國大部分地區發展還較落后，且受限于人口多、污水處理量大、污泥產量大等因素，我國大部分地區在最終處置污泥方法上仍采用了衛生填埋的形式。衛生填埋可根據填埋場地的特性和污泥的含固率分為溝填、平面式填埋、筑堤填埋3種。衛生填埋不需要過多的投資，處理簡單，由于污泥可降解，若干年后可以重新騰出空間用于填埋新的污泥，衛生填埋占我國污泥處置方式比例較大（60%～65%），是我國主要的污泥處置方式。

6 國內外污泥處置現狀

經調查得出[3]：發達國家如日本由于土地資源缺乏，其污泥處置方式主要為焚燒后資源化利用，農用、衛生填埋占比較小。歐洲各國污泥處置方式與其經濟條件、土地資源、氣候條件有關，對污泥形成循環利用優先、焚燒利用、土地填埋為次。美國在污泥處置方式上積極探索，逐步降低土地填埋占污泥處理的主要比例，轉而向土地利用、其他有效利用的方面發展[3]。

在我國，由于法律監管體系不完善、資金緊缺和投資不足，導致了我國污水處理廠與污水處理行業存在著嚴重的“重水輕泥”的現象。雖然我國已經基本實現了減量化，但是距離實現無害化、穩定化、資源化尚且存在一定差距。例如：在污泥焚燒處理中，產生的二噁英、二氧化硫等有害氣體無法得到有效解決，導致對環境產生二次污染。發達國家處理污泥的方式和途徑值得我們借鑒。隨著未來污泥處理技術、工藝的開發應用與我國污泥性質的改善，加之污泥厭氧消化效率及產氣率的提高、未來能源價格與需求的上漲，污泥處理設備成本的降低，我國污泥處理也會向資源化利用方面發展。

7 思考與展望

經過調查，我國污水處理量與污泥產生量十分龐大。我國污泥處理行業受限于經濟、監管制度、污泥處理技術水平等因素影響，并未形成對城市、工業污泥的綜合利用與循環利用。此外，由于對污水廠建設投資不足，“重水輕泥”的問題得不到解決。簡而言之，我國的污水處理能力已經接近國外發達國家，但是對剩余污泥的處理距離發達國家仍存在一定的差距。在實際處理中，無法做到污泥的穩定化、無害化、資源化處理。《“十三五”規劃》中提出要加快污泥資源化、多污染協同處理方面的技術研發與產業化，生態環境部將污泥妥善處理處置納入污水總量減排考核，由此可看出，我國近年來對污泥資源化越加重視。在未來，我國社會的經濟形勢決定了我國處理污泥形式仍然是以土地填埋為主，并且借鑒發達國家處理污泥的方式，積極向能源化利用、建筑材料化利用、土地利用方面發展。同時需要制定相應的制度、建立污泥處置管理機制予以支持污泥資源化利用。

參考文獻

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收稿日期：2020-08-02

作者簡介：黃英才（2001-），男，漢族，本科，研究方向為水污染控制。

通訊作者：許丹丹（1989-），女，漢族，博士，講師，研究方向為水污染控制及環境功能材料。