廢物？寶物？污泥脫變的一場修行

本篇報道圍繞2017年上海市科學技術(shù)獎技術(shù)發(fā)明獎 一等獎項目《污水廠污泥高效生物穩(wěn)定化處理與資源化利用關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及其應(yīng)用》展開，該獎項由同濟大學環(huán)境科學與工程學院院長戴曉虎教授領(lǐng)銜的團隊獲得。

廢物？寶物？污泥就是這樣讓人愛恨糾葛的矛盾體。

作為污水處理的產(chǎn)物，污泥含有致病微生物、有機污染物、重金屬等，多數(shù)污泥面臨著脫水+填埋或不知去向的命運。截至2017年12月底，全國城鎮(zhèn)污水廠5 027座，年產(chǎn)生污泥5 000多萬噸，但其無害化處理率僅20%～30%。隨意的處置更加加重了環(huán)境的污染，污泥在人們的忽視中逐漸成為“城市之殤”。

然而，污泥中也含有豐富的氮、磷、鉀等資源，如果利用得當，將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟和環(huán)境價值。以磷為例，三磷酸腺苷是細胞能量物質(zhì)，磷對于生命的代謝生長具有重要作用，而磷是一種不可再生資源。國外有媒體預(yù)測，地球上的磷礦將在未來50年消耗殆盡。荷蘭、德國、日本等國家很早就開始著手磷資源的循環(huán)利用，他們發(fā)現(xiàn)從集中了污水中90%磷的污泥中回收磷將成為應(yīng)對磷礦資源危機的有效途徑。荷蘭Amersfoort污水處理廠利用Pearl?技術(shù)處理含高磷和氨氮濃度的脫水污泥上清液，生產(chǎn)鳥糞石，作為農(nóng)業(yè)肥料原料。荷蘭2016年通過污泥回收了約4萬噸磷，相當于農(nóng)業(yè)化肥中磷用量的10%。我國雖然磷礦資源相對比較豐富，但是也要“未雨綢繆”。

污泥還能用于園林綠化、土壤修復改良、建筑材料等。美國將污泥堆肥后，作為有機肥利用于果林，起到了良好的種植效果。在建材利用方面，日本一直走在前列，利用污泥的焚燒灰制磚。為了打通污泥建材利用的出路，日本先后建造一些“生態(tài)水泥廠”，同時配套一系列措施，包括降低企業(yè)初期投資成本，為“生態(tài)水泥”提供低價優(yōu)先采購政策等。

我國在污泥資源化利用方面仍有很長一段路要走。首先是我國的排水管網(wǎng)由于雨污混接、泥砂沖刷等問題，污泥的有機質(zhì)含量低于國外，而污泥中又存在鹵代物、有機污染物、重金屬等物質(zhì)，部分專家認為為了這點效益冒安全風險并不值當。其次，我國資源化利用的園林、農(nóng)業(yè)部門和污水處理的市政部門屬于不同的管理系統(tǒng)，利益鏈條難以打通。污泥產(chǎn)品又由于成本偏高、產(chǎn)品不成熟，難以形成市場通路，污泥產(chǎn)品無法消納。

盡管困難重重，科研人員并沒有放棄努力。除了推進相關(guān)政策管理機制問題的解決，他們也在追尋更加完善的污泥處理技術(shù)，讓污泥在成品或者進入環(huán)境前實現(xiàn)無害化、減量化和穩(wěn)定化。

污泥處理技術(shù)

污泥的處理是一場“變廢為寶”的“修行”，它的處理方式由污泥的“變廢為寶”的去向、出路決定，通常有污泥濃縮、脫水、干化焚燒、消化、發(fā)酵等。

污泥的濃縮主要是通過減少間隙水降低污泥“膨脹”的體積，便于后續(xù)厭氧消化等處理方式的開展。我國常用的污泥濃縮方法是重力濃縮和浮選濃縮。

污泥脫水旨在進一步降低污泥含水率，這一過程依賴污泥機械脫水設(shè)備，但是，目前使用的脫水設(shè)備還會存在高能耗和高藥劑投加量等問題。

焚燒是通過高溫熱處理脫水污泥實現(xiàn)相對徹底的無害化，需要解決的問題在于如何減少焚燒引起的二噁英等污染物排放。

厭氧消化是利用厭氧性微生物將污泥內(nèi)的有機成分轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳，有效地降解易腐有機物，提高污泥脫水率，實現(xiàn)污泥穩(wěn)定化的同時還能回收能源。

好氧發(fā)酵是利用嗜熱菌的作用，分解污泥中有機物，進而轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。處理后的污泥能夠滿足園林綠化和土壤改良需要，甚至能夠達到嚴格的農(nóng)用標準。目前該工藝還會存在發(fā)酵周期長、占地面積大、臭氣排放、含水量大、運行費用高等問題。

好氧發(fā)酵和厭氧消化是兩種應(yīng)用較為成熟的污泥穩(wěn)定化技術(shù)，是污泥進行“變廢為寶”脫變的重要手段，在發(fā)達國家應(yīng)用率超過60%。這其中特別強調(diào)的是厭氧消化技術(shù)，無論從循環(huán)經(jīng)濟還是從可持續(xù)發(fā)展角度，都值得我們更多的關(guān)注。

我國厭氧消化技術(shù)突破

我國的污泥泥質(zhì)差，有機質(zhì)含量低，泥沙含量高，而泥量又大，國外的技術(shù)進口到國內(nèi)往往會因為“水土不服”而“失靈”。當下，我國厭氧消化普及率很低，僅為3%，2016年全國約有4 000座污泥處理廠，其中60座采用厭氧消化設(shè)備，核心裝備進口率高達70%以上，但目前能夠連續(xù)運轉(zhuǎn)的不到20座。

因此，我們迫切需要創(chuàng)新實現(xiàn)厭氧消化技術(shù)“國產(chǎn)化”。為此，大量國內(nèi)科技人員前赴后繼，對污泥厭氧消化技術(shù)進行大量的創(chuàng)新研發(fā)和技術(shù)攻關(guān)，包括：研究熱水解、酶解、微波、超聲波等預(yù)處理手段，以提高厭氧過程的水解酸化速率；開發(fā)高溫消化、延時消化等高級厭氧消化技術(shù)，提高揮發(fā)性固體的負荷降解率。這些技術(shù)成果在國內(nèi)實際工程應(yīng)用中也確實取得了一定的成效，例如：長沙黑糜峰污泥高級厭氧消化工程和北京高碑店污水處理廠等均采用了熱水解預(yù)處理技術(shù)；鎮(zhèn)江協(xié)同處理示范工程進行污泥與含有機質(zhì)較高的餐廚垃圾協(xié)同消化，提高產(chǎn)氣效率；北京槐房污泥處理處置中心采用高溫預(yù)處理厭氧消化技術(shù)。

其中，同濟大學環(huán)境科學與工程學院院長戴曉虎團隊在污泥的厭氧消化技術(shù)研發(fā)及其應(yīng)用方面就取得了關(guān)鍵的成果。據(jù)了解，戴曉虎具有18年德國公司工程技術(shù)開發(fā)研究及工程轉(zhuǎn)化經(jīng)驗，長期從事污泥處理及資源化綜合利用，研究有機垃圾與污泥組合再生能源利用技術(shù)。

國內(nèi)污泥實現(xiàn)資源化利用，是戴曉虎堅定的信念，他曾表示：“資源化是污泥處理處置的必然選擇之一，穩(wěn)定化則是污泥利用的核心。”

針對我國厭氧消化技術(shù)中有機質(zhì)轉(zhuǎn)化率低、設(shè)施處理負荷低、工程運行效益低這三大瓶頸問題，戴曉虎帶領(lǐng)團隊開展了大量的技術(shù)攻堅。歷經(jīng)8年，該團隊終于獲得突破：首次建立了適用于我國泥質(zhì)特點的污泥高級厭氧消化技術(shù)路線，為我國污泥、餐廚垃圾等有機廢物的資源化處理與安全處置提供了新出路。

水熱活化預(yù)處理

從成因出發(fā)，戴曉虎團隊對我國泥質(zhì)性質(zhì)、理化特征開展了大量基礎(chǔ)研究工作。該團隊發(fā)現(xiàn)我國污泥中細砂粒的含量高，粒度＜200 μm的顆粒含量在90%以上。這會使得污泥胞外聚合物（EPS）蛋白-微細砂形成超分子結(jié)合體，酶可結(jié)合位點減少，表面位點密度下降和表觀活化能上升，最終造成污泥厭氧轉(zhuǎn)化困難重重。因此，要想提升污泥的厭氧消化效能，有效的途徑就是破壞這種聚合體結(jié)構(gòu)。

找到根源，對癥下藥，戴曉虎團隊發(fā)明了水熱預(yù)處理技術(shù)，開發(fā)出罐式污泥漿化降粘耦合熱水解預(yù)處理成套裝備，促進污泥中有機質(zhì)溶出，降低污泥黏度，將污泥降解率提高15%，解決了厭氧消化有機質(zhì)轉(zhuǎn)化率低的問題。同時，該技術(shù)還能起到消毒和滅菌的效果。

長沙市污水處理廠污泥集中處置工程是該技術(shù)的首次探索應(yīng)用，日處理規(guī)模為500噸，采用“污泥熱水解+高含固厭氧消化+脫水+干化”工藝。該工程中污泥有機質(zhì)降解率提高了30%以上，甲烷產(chǎn)率提高40%以上，使我國典型低有機質(zhì)污泥的厭氧轉(zhuǎn)化率達到國外高有機質(zhì)污泥的技術(shù)水平。

高含固厭氧消化技術(shù)

上海同濟普蘭德生物質(zhì)能股份有限公司熱水解系統(tǒng)

污泥中含氮物質(zhì)在微生物的作用下會降解成小分子的氨氮，其中游離態(tài)氨因為是疏水分子，進入微生物細胞后，會對細胞產(chǎn)生毒害作用，從而抑制厭氧消化的效率。研究表明，這種毒害作用在高含固厭氧消化系統(tǒng)（含固率＞10%）中表現(xiàn)得尤為明顯。為了攻克高含固消化設(shè)施處理負荷低的難題，戴曉虎團隊開發(fā)了pH調(diào)控游離氨、水解降粘、攪拌傳質(zhì)等高含固調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)，影響菌落種類結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)游離氨濃度，以改善高含固消化系統(tǒng)的產(chǎn)氣性能。

該項目的成果已經(jīng)應(yīng)用于鄭州等污泥處理示范項目，應(yīng)用規(guī)模達3 000 t/d，應(yīng)用效果表明：可使現(xiàn)有消化設(shè)施的含固率由國外主流的5%提升至10%以上，處理負荷率提高1倍，從2 kgVS/（m3·d）提高到4 kgVS/（m3·d）以上，超過了國外主流技術(shù) 3 kgVS/（m3·d）的技術(shù)水平。

污泥與餐廚垃圾等協(xié)同消化

戴曉虎團隊也清楚地認識到我國污泥有機質(zhì)含量較低，自身厭氧消化沼氣產(chǎn)率相對較低，經(jīng)濟效益無法自足的問題，但如果與有機質(zhì)含量較高的餐廚垃圾協(xié)同處理可能是一個雙贏的出路。

戴曉虎領(lǐng)銜團隊研究發(fā)現(xiàn)“餐廚+污泥”這個組合對于厭氧消化的穩(wěn)定性和沼氣的產(chǎn)量提升都有良好的幫助。但是，在餐廚垃圾厭氧消化過程中，有機酸會快速積累，導致反應(yīng)體系pH降低，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，影響反應(yīng)效率。

團隊利用污泥水解速率慢的特性調(diào)控解決了餐廚垃圾厭氧消化易酸化、鹽抑制的難題，創(chuàng)新開發(fā)了多有機質(zhì)協(xié)同消化調(diào)控技術(shù)，在不增加池容的前提下，使污泥消化設(shè)施可同時消納等量的餐廚垃圾，顯著提高工程運行效益。使用這種高級協(xié)同厭氧消化技術(shù)，1噸高固污泥能生產(chǎn)出1.75～3.10 m3的沼氣。

成果應(yīng)用于我國首座采用高含固技術(shù)的鎮(zhèn)江污泥與餐廚協(xié)同處理處置項目（260 t/d），消化設(shè)施的甲烷產(chǎn)率提高1倍以上。項目采用的工藝流程為“熱水解預(yù)處理+高固體厭氧消化+脫水+干化”。

為此戴曉虎領(lǐng)銜的《污水廠污泥高效生物穩(wěn)定化處理與資源化利用關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及其應(yīng)用》項目榮獲2017年上海市科學技術(shù)獎技術(shù)發(fā)明一等獎。除此以外，相關(guān)研究榮獲國內(nèi)多個重量級獎項，其中“一種高含固生物污泥連續(xù)熱水解裝置與方法”獲得第十八屆專利優(yōu)秀獎；2020年12月，“污泥全鏈條資源化處理處置關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項目獲得2020年度環(huán)境保護科學技術(shù)獎一等獎。

該研究團隊并不局限于科研成果，更加重視科研轉(zhuǎn)化。目前，成果已遍地開花，在長沙、鎮(zhèn)江、鄭州、大連、秦皇島、中山、寧波等地得到推廣應(yīng)用，總規(guī)模已經(jīng)超過100萬噸/年，回收沼氣4 000萬立方米/年，CO2減排8萬噸/年，成功打破了該領(lǐng)域內(nèi)國外技術(shù)壟斷的情況。

面對氣候變化、能源短缺問題，未來我國將更加重視生態(tài)文明建設(shè)和綠色高質(zhì)量發(fā)展，綠色、循環(huán)、低碳是技術(shù)創(chuàng)新的方向。污泥資源化是挑戰(zhàn)，也是機遇。相信在我國廣大污泥從業(yè)人員的付出和努力下，我國在固廢資源化方向?qū)叱鲋袊厣募夹g(shù)路線。