新時期城市污水處理廠污泥的處置與綜合利用

何云

（中國葛洲壩集團水務運營有限公司湖南分公司 湖南長沙 410000）

引言

城市污水集中處理是我國城市發展的必然趨勢，為加強水污染防治和水環境治理，我國新建和改造了大量城市污水處理廠。截至2020 年末，共有城市污水處理廠2618 座，每天處理污水19267 萬立方米，干污泥生產量為1162.77 萬噸。面對如此巨量的污水污泥，以及其中包含的各種細菌、重金屬、有機污染物、無機礦物質等，倘若不進行科學、高效、及時處理，將會造成嚴重威脅。我國污泥處置研究較晚，早期污水處理廠存在“重水輕泥”的情況，污泥處置一般采用減量化、無害化和穩定化處理，將污水脫水或深度脫水后產生的干污泥進行填埋、焚燒或者用于水泥窯、火力發電廠，基本能夠達到污泥處置要求[1]。但是，污泥處理單元還不完善，處置成本高，還有一個致命風險，即安全處理環節，是水污染控制領域的薄弱環節，倘若沒有達到預期處理目標，會對周圍環境造成二次污染。目前，資源回收利用已經成為社會發展共識，污泥中含有的物質成分，能夠在一定程度上緩解資源短缺問題，加強污泥處置和資源化利用，促進相關技術的研究應用，對我國可持續發展有積極意義。

1 城市污泥的危害

根據表1 我國城市污水處理廠污水處理情況統計結果可知，我國城市污水處理廠數量、處理能力和處理效率均呈上升趨勢，這表明在污水處置過程中，污泥產生量也將逐漸增大。

表1 城市污水處理廠污水處理情況

一般情況下，污泥產生量為處理水量的0.3%～0.5%，分別從初沉池、二沉污泥、化學處理等環節中產生。不同環節污泥性質不同，例如，在初沉池中通過物理沉淀方式，將能夠物理沉淀分離的物質分離出來；二沉污泥中產生的是泥水分離后的濃縮污泥，主要成分為微生物生長和惰性有機難降解物質；化學處理是通過添加混凝劑產生的特殊物質。對這些物質進行研究分析發現，其中含有大量有機質，含量一般為12.68%～78.00%，包含氮磷鉀等物質，營養物質含量較高，在夏季高溫時節進行露天堆放時，會滋生大量蚊蟲，也會散發出臭味，對空氣造成污染。同時，還包含較高重金屬含量，如Cu、Cd、Zn、Cr、Ni 等，均超過了標準值，若不進行妥善處置，進入環境后會污染土壤，對土壤性質和農作物品質造成影響[2][3]。這些重金屬經過長期積累和聚集，通過食物鏈進入人體，造成人體嚴重損害；部分污泥還具有一定毒性，屬于危險類廢物，必須進行科學有效處理，否則將嚴重威脅周圍環境和人體健康。未脫水污泥含水量較高，一般在98%～99%，體積巨大，難以直接進行處理。初步消化和脫水處理后，污泥體積減少至原來的二十分之一，含水率降至80%左右，呈流動和塑態，堆放面積大，運輸成本高，會大量擠壓垃圾填埋場庫容，還會阻塞垃圾滲漏管。

2 當前我國城市污泥處置現狀

我國城市污泥處置主要有四個目標，減量化、穩定化、無害化和資源化，盡可能減少污泥對人們生活環境的影響。根據住建部統計數據，截至2019 年，我國城市干污泥產生量和處理量分別為1232 萬噸和1182 萬噸，說明每年約有50 萬噸城市污泥不知去向，或直接填埋、丟棄堆積，造成嚴重環境污染，帶來經濟損失[4]。根據城市污水處理廠地域分布可知，廣東地區城市污水處理廠數量最多，超過了三百座，山東和江蘇地區超過了兩百座，四川、河南、浙江、貴州、湖北等地區數量超過了一百座，多分布在東部沿海或發達城市，中西部建設數量較少。在這些區域，污泥處理方式主要為衛生填埋，污泥利用率不高。

追究我國城市污泥處置問題成因，具體發現以下幾點：

（1）缺乏頂層設計規劃。我國發布的有關污泥處置的政策大多以預期目標為主，缺乏相應考核措施，導致污泥處置壓力直接壓在基層管理層面，地方政府缺乏政策驅動，導致污泥處置工作推進困難。同時，環保監管措施中污泥處置具有十分嚴格管理辦法，要求不得擅自堆放污泥及其產物，但是對污泥去哪里、如何處置、資源化利用等缺少具體指引和支持性措施，導致污泥處置前路茫茫。

（2）“鄰避效應”阻礙。目前，我國城市污泥處置項目建設、運營等階段，均會受到“鄰避效應”阻礙，一方面污泥處置會對周圍環境產生惡劣影響，尤其一些污泥處理技術落后的城市，除臭設施不完善，在運行過程中產生大量臭氣，引發鄰避效應；或者污泥處置項目建筑過于突出，給公眾強烈視覺沖擊，再加上人們對相關技術的不了解，會對自身所處環境產生擔憂，繼而對該項目產生排斥心理。

（3）污泥處置措施脫離實際。不同資源環境下，采用不同污泥處置方式產生的效果不同，尤其一些地理、土壤等較為復雜的區域。在規劃建設污泥處置項目時，倘若不事前對環境容量、污泥泥質、城市發展資源、周邊情況等進行系統研究，不順應城市發展趨勢，污泥處置效果難以達到預期水平，反而增加了處理難度[5]。

3 城市污泥的一般處置方法

3.1 焚燒處置

城市污水處理廠進行污泥處理時，要充分考慮成本、安全、環境、效率等因素，選用焚燒處理，不僅能最大限度殺死污泥中有害物質，進行無害化、減量化和穩定化處理，還能將燃燒過程產生的熱量進行利用，達到雙贏目的[6]。但是，焚燒處理也存在一定缺點，對設備要求較高，能夠有效處理焚燒后產生的煙塵，否則污泥中大量重金屬燃燒產生的氣體和灰燼會造成嚴重環境問題；且焚燒溫度、條件、停留時間等必須嚴格把控，倘若燃燒過程中氧氣不足會導致不完全燃燒，產生大量一氧化氮、二氧化硫等有害氣體。污泥焚燒處理必須嚴格把控污泥含水量，說明必須有相應污泥脫水技術，使污泥含水量達到焚燒標準，然而我國污泥焚燒技術還處于研究探索階段，存在較多技術瓶頸，選用先進污泥脫水技術應用成本較高。目前，污泥焚燒設備類型較為多樣，包括流化床爐、立式爐、回轉爐、立式多段爐等，能夠滿足污泥燃燒各種條件，提供充足氧氣、溫度、時間等，還能有效控制有毒氣體產生，助力污泥零污染、零排放的良性閉環管理。

3.2 衛生填埋處置

在城市污水廠處置污泥方法研究中，衛生填埋處理是較為簡便、經濟、高效的處置方式。衛生填埋并不是簡單地將污泥埋至地下，對填埋區域環境、滲漏和防滲漏等均要求做好事前調查和預防措施[7]。選擇遠離水源、地下水稀少、土壤滲透性較低的城市偏僻地區建造填埋坑，選用高密度聚乙烯防滲層作為填埋坑底層，并加裝滲透液收集裝置。城市污水處理廠需要先對污泥進行預處理，將污泥脫水烘干后運輸至填埋坑填埋，具有十分突出的優勢。但同時，衛生填埋的缺點也不可忽視，嚴重受土地資源和地下水限制，隨著時間推移，可選用的填埋地點將越來越少，污泥數量卻呈上升趨勢，必須慎重選擇這一處置方法。

3.3 高溫堆肥處置

城市屬于人口集中區域，生活污水和工業污水都較為集中，且產量巨大，倘若進行科學有效處置，實現污泥資源化利用，會造成巨大經濟和社會效益。在這其中，高溫堆肥處理是污泥資源化利用的有效途徑。在堆肥處理過程中，污泥中難以降解的有機物，會從穩定的類腐殖質生化轉化為微生物，充分利用了自然界中的細菌和真菌，高溫則具有加速、提供適宜環境的作用[8]。目前，污泥高溫堆肥包含靜態、動態、好氧、厭氧等多種方式。其中，靜態高溫堆肥，直接將污泥堆放在基墊（由小木塊、碎草屑等組成，通風性能良好）上，基墊下方為通風管道，管道中間或兩頭適當放置鼓風器，進行空氣的抽送工作。在這種模式下，堆放污泥上層與氧氣發生化合作用，其中有害物質逐漸中和為無害物質，下層污泥也在鼓風器作用下與氧氣發生反應，達成整體的轉化，然后將處置完成的污泥運送至農田、林地等區域作為肥料使用，實現污泥的資源轉化。值得注意的是，在堆肥過程中，污泥會經歷中溫、高溫及腐熟三個階段，對溫度控制要求較高，必須超過60℃，且堆肥時間超過15 天，在這一過程中，污泥會產生大量臭氣，使用鼓風器進行脫臭處理后，這些氣體可以直接排放至空氣中，不會產生污染。高溫堆肥的缺點也不可忽視，處置所需場地大、臭味明顯、成本高、土壤破壞嚴重、容易受到天氣影響，尤其在雨水天氣，通風管道易進水短路，導致高溫堆肥效果不佳。

3.4 污泥脫水處置

污泥脫水處置是利用脫水技術降低污泥含水量，縮小污泥體積的方法。一般有機械脫水和自然干化兩種方法，常規機械脫水后的污泥含水量可達60%～85%左右，成泥餅狀。其中，機械脫水法使用前需要先對污泥進行預處理，向污泥中加入化學藥劑，改變污泥膠體結構，使污泥與水之間的親和性降低，提高污泥脫水性能。預處理結束后，采用壓濾脫水、真空過濾脫水、離心脫水等方法，達到脫水效果，降低后續污泥處理難度。還可以將脫水法與壓縮閥相互結合，能夠取得更有效的脫水效率和成果。在常規機械脫水后采用污泥低溫干化工藝技術繼續進行污泥脫水，脫水后污泥含水率可降低到10～60%。自然干化法是直接將污泥平攤在地面上，通過蒸發、滲透等達到污泥干化、含水量降低的目的，不同地區干化時間不同，一般會經歷一周至幾周的干化時長，干化后污泥含水量能夠下降至70%左右。但是，這種方法占地面積大、處置周期長、容易受自然環境和氣候條件影響，具有較大使用限制。

3.5 污泥消化處置

污泥消化處置主要通過好氧或厭氧消化內部代謝達成。好氧消化，是在有氧條件下通過細胞內源代謝，實現污泥向二氧化碳和水的轉化；厭氧消化是在無氧條件下，通過細胞內源代謝實現污泥向甲烷的轉變[9]。以厭氧消化為例，首先將污泥運輸至污泥濃縮池進行水泥分離濃縮；其次，通過酶水解、熱解、臭氧氧化、熱化學水解等技術完成污泥預處理，提升污泥水解能力和降解速率后，將其運輸至厭氧消化池，通過細胞內源代謝作用，將部分污泥轉化為甲烷，降低污泥體積；最后，對污泥進行脫水干化處理，降低污泥含水量。

4 新時期下城市污水處理廠污泥的綜合利用

4.1 燃料化利用

研究表明，污泥燃燒后剩余灰分比與煤相近，在20%左右，說明污泥在燃燒過程中會大量揮發，減少燃燒殘渣；污泥發熱量較高，含有大量蛋白質、多碳等有機物；污泥揮發分也較高，繼而發熱量高，適合進行燃料化處理。推動城市污水處理廠與供熱發電單位的合作，將脫水處理后的污泥當作燃料，取代一部分燃煤，能夠取得良好效能。而且，通過焚燒這一環節，也能達成污泥無害化處置目標，焚燒過程中產生的熱能也能為發電提供熱能，降低制熱成本，達到城市污水處理廠與供熱發電單位的合作共贏。在這一燃料化過程中，主要參考垃圾衍生燃料方法將污泥制備成衍生燃料，具體工藝如下：污泥脫水處理→半干化→混合（加入添加劑）、成型→自然風干→制備成燃料（RDF）。

4.2 土壤修復利用

在土壤修復利用中，應用沒有化學毒性和污染成分，具備較高有機質含量和微量元素的污泥，發揮著至關重要的作用，是非常好的肥料和改良劑。將其作為添加劑，加入待修復土壤，能夠有效改善土壤結構、提升土壤肥力[10]。值得注意的是，一定要確保使用的污泥已經完成無害化處理，且處理質量達標，才能達到預期效果，也能避免土壤和環境的二次污染。郭湄蘭等進行實驗后得出結論，施加污泥后，土壤中的N、P、K、TOC 等成分、土壤孔隙度、土壤持水量和團粒結構等均有所增長，土壤結構明顯改善。

4.3 農業利用

有學者對污泥農業利用成果進行實驗研究，發現污泥施用能夠提升作物產量和品質，對絕大多數農作物都有良好肥效，特別是葉菜類農作物，不僅能促進產量增加，還提升蔬菜中微量元素成分，提高蔬菜品質。將污泥用于農作物生產，還能提升種子發芽率，但是不可用于幼苗生長環節，污泥中具有的有機酸、醛等會兒抑制幼苗生長。同時，污泥中含有重金屬，將其用于農業生產，會通過食物鏈大量富集，最終進入人體危害人體健康，可以在使用過程中，嚴格遵守國家土壤環境質量標準中關于施用時間、原則和方法進行有效控制，并加強對重金屬元素富集量和富集因素的研究，有效控制重金屬危害，實現無害化農業增產提質。針對污泥中的病原菌，則可以借助消化、堆肥等措施將其滅殺。

4.4 沼氣利用

污泥資源化利用中，也可以通過厭氧消化技術將污泥轉化為沼氣用于發電。這一污泥資源化利用的實現主要利用了兩種處理技術。一是，厭氧消化技術。厭氧消化一般在中溫或高溫條件下進行，也就是33℃～35℃、53℃～55℃，利用預處理提升污泥水解率后，可降解40%～45%的有機質，繼而實現污泥減量和沼氣的產生[11]。二是，沼氣發電技術。沼氣發電是一個能量轉換的過程，沼氣在發動機汽缸中點燃，通過燃燒放熱推動活塞，帶動發電機轉動，實現壓能向動能的轉換，在通過發電機轉動帶動發電，將動能轉化為電能。在這一過程中，一部分熱能會傳導至缸套水，一部分會傳輸給循環水，剩余熱能將會消散。例如，某城市污水處理廠就采用了污泥厭氧消化處理系統，將生產的沼氣用于發電，并且，將沼氣發動機的熱水用作污泥消化加熱熱源，構建了一個良好循環的熱聯供電和資源的綜合利用系統。

5 城市污泥處置利用意義

一方面，提升經濟效益。城市污泥處置和資源化利用，降低了衛生填埋處置和焚燒處置花費的成本，也無須尋找地方進行填埋，不會占用大量土地，也不會污染土地。同時，將污泥制作成肥料用于農業生產，還能夠提升農作物的產量和品質，提高土壤肥力，提升經濟效益。研究表明，城市污水處理廠處置污泥過程中，每平方造成的環境損失費用在38 元左右（不包含運輸費），假設某市城市污水處理廠污泥年產量為2.7×104立方米，年環境損失費用將達到100 萬元。倘若將這些污泥加工為肥料，每年產量在5000 噸，將會創造超過100 萬的經濟效益，提升了城市污水處理廠的經濟效益。

另一方面，提升社會效益。目前，我國已經建成的污水處理廠超過了兩千座，面臨我國日益規范、嚴格的環保要求，以及城市化進程加快，實現污泥科學、高效處置和利用成為城市發展迫切需要解決的問題。將污泥處置應用在農業、土壤修復、沼氣利用上，將有害污泥，轉化為無害資源，不僅能夠減輕國家環保壓力和污泥處置經濟壓力，還對環境保護、農業發展、林業發展等有積極推動作用，還避免了填埋、焚燒等二次污染的產生，具有十分積極的社會效益。

結語

總之，污泥處置長久以來不受重視，被認為是小問題，但在日積月累下，逐漸成為城市治理和社會發展的大問題。要解決好污泥問題，需要國家政策、技術、工藝、資金等多方支持，準確掌握城市污泥危害和污泥處置現狀，運用好焚燒處置、衛生填埋處置、高溫堆肥處置、污泥脫水處置、污泥消化處置等處置方法，積極拓寬污泥資源化利用途徑，并且充分考慮污泥處置對社會和經濟產生的積極作用，助力城市污泥處置技術的推廣。