城市給水廠污泥處理與資源化利用途徑及策略分析

羅振寧, 徐 斌, 唐玉霖, 何 歡, 朱 斌, 張天陽, *

(1. 同濟大學 環境科學與工程學院 水利部長三角城鎮供水節水及水環境治理重點實驗室, 上海 200092;2. 上海城投水務(集團)有限公司, 上海 200002)

0 引 言

以混凝、沉淀、過濾和消毒為主要步驟的水處理技術保障了人類飲用水安全和健康[1-2],其中混凝、沉淀和過濾這三種給水處理方式將水中雜質以沉淀物(或漂浮物)的形式進行分離從而形成污泥[3-4]。據報道,美國每年生成給水廠污泥約200萬t[5],歐洲每年同樣有數百萬噸給水廠污泥產生[6],一些歐洲國家對給水廠污泥的回收利用率僅達到25%[7]。近20年來,我國城鄉居民生活用水規?；颈３衷鲩L態勢,從2000年的574.9億m3增長至2021年的909.4億m3[8],污泥通常占總處理量體積的1%～3%[9](初始污泥含固率通常在0.5%～1%),近年來我國污泥始終維持在數百萬立方米至數千萬立方米之間的規模,并且一直保持逐年增長的趨勢,給水廠污泥的處置成為必須重視的問題。

給水廠污泥與污水廠污泥在稱謂上都包含“污泥”,在我國《水污染防治法》《土壤污染防治法》《森林法》《固體廢物污染環境防治法》《鄉村振興法》《循環經濟促進法》等6部法律、《地下水管理條例》《太湖管理條例》等12部行政法規、《農用污泥污染物控制標準》(GB 4284—2018)這部強制性國家標準以及21部標題含“污泥”的推薦性國家標準中的“污泥”都特指“污水處理過程中產生的半固態或者固態物質”,即污水廠污泥。法律法規規定,污水廠污泥含有重金屬或者其他有毒有害物質含量超標時不得排入地表水體、地下水體、耕地、草地和林地,污水廠污泥經過無害化處理達標后可用作農用。僅有強制性國家標準《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)對給水廠污泥做出了界定和規定。國際上在學術研究和工程應用中通用的術語“給水廠污泥”(water treatment sludge)在我國《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)當中的規范提法為“排泥水”和“泥餅”,分別指代了脫水前含固率2%～3%以下的給水廠污泥和脫水后含固率在20%～30%以上的給水廠污泥。《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)規定排泥水可以進行回用,泥餅可以進行資源化利用或進行填埋等處理。

給水廠污泥與污水廠污泥相比性質上存在較大不同,二者在處理中受到的關注程度也有顯著差異。從污泥成因上看,污水廠污泥來源較多、成分復雜,包括初沉污泥、生物污泥和除磷化學污泥[10],因此污水廠污泥處理在整個污水處理流程中受到更多關注[11]。從資源化稟賦上看,污水廠污泥中含量最大的一類是富含有機物的生物污泥[11],而給水廠污泥主要是無機污泥,有機碳僅占給水廠污泥干重的1.5%～3.5%[12],因此一般的給水廠污泥所經歷的調節→濃縮→平衡→脫水工藝,相較于污水廠污泥所經歷的濃縮→消化→調理→脫水→干燥→焚燒的工藝來說,給水廠污泥所能夠回收的能量較小,工藝也更為簡便。另外,污水廠污泥的環境風險主要是有害生物的泄露和有害物質如重金屬等的泄露,給水廠污泥的風險則主要是有害物質如金屬等,特別是含量較多的鋁鹽和鐵鹽的泄露[4]。兩者也具有相似之處,由于經過消化的污水廠污泥有機物含量減少,給水廠污泥和污水廠污泥在終末的處置和資源化利用方式相似,都可用作建筑材料和農林材料,給水廠污泥因含有較多使用后的混凝藥劑,還可用作吸附材料、混凝/沉淀材料和再生鹽材料。隨著城鎮化水平和居民用水量需求不斷提高,給水廠工藝復雜程度和原水中雜質分離程度不斷增加,大量生成的給水廠污泥的潛在生態環境健康風險所帶來的挑戰也日益嚴峻,與污水廠污泥受到格外重視的處境不同,給水廠污泥亟需獲得更多關注。

2021年發布的《中共中央、國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《國務院關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知》(國發〔2021〕23號)開啟了國民經濟各個行業推進碳達峰、碳中和的進程。供水行業作為我國一個重要的國民經濟部門,其規模大且排放量固定,在生活飲用水的制造與輸配過程中均有大量的能源和藥劑消耗以及相應的碳排量[13]。給水廠污泥的綠色處理與資源化利用有助于提高資源化效益、實現“雙碳”目標[14]。在2021年至2025年的“十四五”期間,國家出臺的多項國務院部門工作文件提出實施節能減排、綠色運行和“無廢城市”建設。其中,《“十四五”節能減排綜合工作方案》(國發[2021] 33號)、《“十四五”住房和城鄉建設科技發展規劃》(建標[2022] 23號)、《“十四五”時期“無廢城市”建設工作方案》(環固體[2021] 114號)和《“十四五”生態環境領域科技創新專項規劃》(國科發社[2022] 238號)等工作方案和規劃均在供水行業的碳減排、綠色可持續生產給水廠污泥無害化處置等方面提出了新目標。過去,給水廠污泥較多被當作廢棄物進行處置。雙碳背景下,在“十四五”機遇期,給水廠污泥的資源屬性應該得到進一步重視,深入廣泛開展其綠色處理與資源化利用方面的研究也是給水廠節能降碳過程中需要著重考慮的課題。

1 給水廠污泥來源與主要性質解析

1.1 給水廠污泥來源分析

如圖1所示為給水廠的排泥水排出后,經過調節→濃縮→平衡→脫水的處理工藝生成泥餅的全過程。其中,排泥水的來源包括沉淀池排泥水、澄清池排泥水、氣浮池浮渣、濾池反沖洗水與初濾水,以及濾膜物理清洗廢水等。污泥是原水中懸浮物、膠體、有機物和微生物為主的雜質在藥劑等作用下得到的產物。沉淀池排泥水、澄清池排泥水和氣浮池浮渣是混凝過程投加的鋁鹽和鐵鹽等混凝劑和水中懸浮物、膠體、有機物和微生物形成的沉淀,其中的鋁鹽包括明礬(KAl(SO4)2·12H2O),Al2(SO4)3·18H2O和聚合氯化鋁(PAC),鐵鹽包括FeCl2、FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O[15-16]。濾池反沖洗水是在反沖洗過程中,使得濾層截留的水中膠體顆粒物分離所產生的[17]。膜清洗廢水是清洗沉積在膜表面和膜孔中的膠體顆粒物質、有機物和無機物時產生的[18-19]。

各來源的污泥初始濃度存在差異。沉淀池排泥水、澄清池排泥水和氣浮池浮渣含固率不固定,一般在0.5%～3%以上,濾池反沖洗水固體濃度在0.3%～0.4%之間,二者可能差異過大造成前者被稀釋,因此沉淀池排泥水可以就近進入調節池(排泥池),濾池反沖洗水和膜物理清洗廢水就近進入調節池(排水池),如圖1(a)工藝流程所示。如果二者濃度差異不明顯,則也可以一起排入調節池(綜合排泥池)進行調節,如圖1(c)工藝流程所示。

污泥各來源的流量由給水廠具體工藝確定。沉淀池排泥水、澄清池排泥水和氣浮池浮渣的流量由池體所設計的排泥時間與排泥水流量共同決定,濾池反沖洗水的流量由反沖洗周期與反沖洗水流量共同決定,膜物理清洗廢水與濾池反沖洗水類似。一般來說,實際工程中的沉淀池排泥水(澄清池排泥水和氣浮池浮渣)與濾池反沖洗水(膜物理清洗廢水)在數量級上接近,但濃度有差別。

污泥中部分排泥水可以回用。在水量要求上,當進行回用時,包含濾池初濾水在內的回用水總量不超過水廠設計流量的5%。在水質要求上,濃縮池上清液回用時要滿足出水水質要求。以含有聚丙烯酰胺(PAM)的濃縮池上清液為例,上清液回用不能使出水PAM超過0.5 μg/L的限值。另外,濾池初濾水往往比反沖洗水清潔,因此當滿足進水水質要求時,可回用到混凝劑混合之前,當濃縮池的上清液達標時也可以回用至混凝劑混合之前。

污泥脫水時對含固率有要求。污泥初始含固率≥3%時可以直接進入平衡池,進行后續脫水步驟,如圖1(b)工藝流程所示。經過濃縮和平衡后的污泥的含固率≥2%時能夠進行脫水。不同脫水設備的輸入和輸出有差異,如圖1(a)和圖1(c)所示,板框壓濾機將含固率≥2%的污泥脫水至含固率≥30%;如圖1(b)所示,離心脫水機將含固率≥3%的污泥脫水至含固率≥20%。

1.2 給水廠污泥與污水廠污泥的主要性質對比

給水廠污泥與污水廠污泥在元素構成上存在一定差異,通過文獻整理,歸納主要性質對比見表1,世界范圍內給水廠和污水廠普遍的污泥主要元素對比如圖2所示[4, 6, 12, 20-21]。

表1 給水廠污泥與污水廠污泥主要性質對比表Table 1 Comparison of the main properties between water treatment sludge and waste water treatment sludge

圖2 給水廠污泥與污水廠污泥主要元素對比圖Fig. 2 The comparison of primary elements between water treatment sludge and waste water treatment sludge

給水污泥最主要的來源是原水中懸浮物、膠體、有機物和微生物在混凝劑作用下被沉淀凈化,屬于無機污泥,所含的少量有機物是腐殖質、藻源有機物等天然有機物。而污水廠污泥主要是有機物被生物處理系統利用后新增殖的微生物機體,是細胞以及生物大分子,屬于有機污泥。

從圖2兩種污泥的元素組成上看,給水廠污泥氮、磷元素含量與污水廠污泥相近,但是總有機碳比污水廠污泥低一個數量級,這是由于污水廠污泥是有機污泥,含有大量微生物機體,而給水廠污泥是無機污泥。值得注意的是,兩類污泥中含量最大的金屬元素都是鋁和鐵,這與處理工藝密切相關,鋁鹽絮凝的給水廠污泥鋁元素含量大,鐵鹽絮凝的給水廠污泥鐵元素含量大,給水廠更為依賴混凝劑作用,因而污泥中的鋁元素和鐵元素含量也是污水廠污泥中的數倍。其他金屬元素的含量在兩類污泥中均次于鋁和鐵。污水廠污泥中Ni、Pb、Cu、Cr、Zn和Cd等金屬元素的含量比給水廠污泥高出1～2個數量級,因此污水廠污泥的重金屬二次污染風險要顯著高于給水廠污泥。

2 給水廠污泥的傳統處理方法

(1)水體排放

尚未經脫水成為泥餅狀態的排泥水,可以采取水體排放的方式進行處理。如果受納水體的環境容量較高,且作為排污單位的給水廠污泥的泥水水量和水質符合《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)相關排放要求,或經處理后符合排放要求,則可以考慮向地表水或海洋中排放。對于規模較小,泥水水量水質易達到排放標準的給水廠來說,可根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)與《海水水質標準》(GB 3097—1997)所規定的水域類型等級,按照排放要求進行排放。這種處理方法的碳排放主要來自于泵提升的能耗,碳排放量由泵消耗電力進行折算。直接進行水體排放,與水體生態環境密切相關,但是排泥水中的各組分(大量明礬、微生物和富集后的重金屬等)是否對天然水體存在潛在影響,缺乏相關研究支撐,因此泥水進行水體排放所存在較大的環境風險需要進行厘清。

(2)市政排污

未經脫水到泥餅狀態的泥水,可以采取市政排污的方式進行處理。給水廠作為排污單位將泥水排放至市政排水系統之前,需要保證給水廠污泥的泥水的水量和水質符合《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)相關排放要求,或經處理后符合排放要求,且水量在市政排水系統的設計承受限度之內,則可以考慮向市政排水系統排放。這種處理方法的碳排放主要來自于泵提升的能耗,碳排放量由泵消耗電力進行折算。對于泥水水量水質易達到排放標準的給水廠來說,可按照排放要求進行排放。由于給水廠污泥含有較多固體,在進行市政排污時,即便水量和水質滿足排放要求,但是市政排水管道在坡度小、管徑小的位置極易出現淤積和堵塞等難題。

(3)陸地填埋

給水廠污泥經脫水后所得到的泥餅,可以采取陸地填埋的方式進行處理。給水廠污泥單獨填埋時,需要滿足滲濾液不造成污染、土地理化特性不受改變等要求,也可以和城市垃圾進行共同填埋。這種處理方法的碳排放主要來自于運輸和填埋過程中,工程機械消耗化石能源排放的二氧化碳,碳排放量由工程機械產生的溫室氣體排放量進行折算。陸地填埋對于有完整的制得泥餅的工藝條件并且具備填埋條件的給水廠來說,將給水廠污泥泥餅外運填埋相對便捷,但是給水廠污泥滲濾液可能會存在地表水、地下水污染風險;污泥含水率高,不容易被壓實,土力學特性可能會有所改變;此外,填埋所占用的新的土地資源也造成了嚴重的浪費。

給水廠污泥的這三種傳統處理方法如圖3,這些處理方法之間的比較見表2?？偟膩碚f,水體排放、市政排污和陸地填埋這三種傳統的給水廠污泥處理方法均有各自的技術局限,并存在相應碳排放。

表2 給水廠污泥處理方法比較Table 2 Comparison of treatment methods between water treatment sludge and waste water treatment sludge

圖3 給水廠污泥處理方法圖示Fig. 3 Schematic diagram of treatment methods for water treatment sludge

3 給水廠污泥資源化利用研究發展趨勢

近年來對給水廠污泥資源化利用的研究不斷豐富,通過對公開文獻開展理論研究并對工程應用的資源化途徑進行歸納,如圖4至圖8所示,其可以資源化利用為吸附材料、混凝/沉淀材料、再生鹽材料、建筑材料和農林材料等。這些資源化利用的方式不僅能規避傳統處理方法的局限,還能減少對自然資源的過度開采,減少生產過程中的碳排放,有助于實現給水廠碳達峰、碳中和目標,并實現制水生產過程中的綠色可持續。

圖4 吸附材料資源化利用工藝流程圖Fig. 4 Resource utilization as adsorption materials

3.1 吸附材料

給水廠污泥中含有鋁鹽、鐵鹽和有機物,經脫水后作為污水處理中的氨氮和磷的吸附劑,如果進行400～600 ℃的煅燒,可形成多孔材料同樣有助于吸附,典型工藝流程如圖4所示。一般的給水或污水處理過程中,藥劑的大量使用會增加外購商品所致的間接溫室氣體排放,如果將給水廠污泥作為吸附材料使其得到資源化利用,那么相關生產企業將能夠節約相應的藥耗,并降低這一類間接溫室氣體排放。

給水廠污泥脫水后作為磷吸附劑,對正磷酸鹽(例如磷酸二氫鉀,KH2PO4)的吸附能力最高,其次是聚磷酸鹽(例如六偏磷酸鈉,(NaPO3)6),最后是有機磷酸鹽(例如腺苷-5'-單磷酸一水合物,C10H14N5O7P·H2O)[22]。陳毅忠等將給水廠的鋁泥經105 ℃烘箱脫水后所制得的試樣對總磷進行吸附,其吸附容量達7.429 mg/g[23]。同樣,給水廠污泥煅燒后形成的多孔陶粒,也可作為磷的吸附材料。例如,鄭育毅等600 ℃下煅燒得到的陶粒填料在48 h時的累計吸附量達10.512 mg/g[24],李妍等600 ℃下煅燒的填料于48 h達到吸附平衡時的吸附量為10.516 mg/g[25]。上述相關研究也表明,給水污泥所制得的吸附材料對氨氮的吸附效果并不如對總磷的吸附效果好,可能是由于各自吸附特性與機理不同,因此在給水廠污泥作為吸附材料時應有所考慮和合理利用。

3.2 混凝/沉淀材料

新鮮混凝劑是通過壓縮雙電層、吸附架橋和網捕卷掃作用,使原水中膠體顆粒脫穩絮凝并沉淀。給水廠污泥中的殘余鋁鹽、鐵鹽也能夠繼續發揮混凝劑的作用,可將給水廠污泥回用于給水廠絮凝池,或作為污水廠剩余污泥中的混凝/沉淀材料,典型工藝流程如圖5所示。例如,給水廠污泥在剩余污泥中,金屬陽離子的增加促使菌體形成內核[26],通過吸附架橋作用形成絮體,促進污水廠剩余污泥液相中膠體顆粒的沉淀。這種將給水廠污泥作為污水廠的混凝/沉淀材料的資源化利用方式,同樣是節約相應的藥耗,降低外購商品所致的間接溫室氣體排放。

圖5 混凝/沉淀材料資源化利用工藝流程圖Fig. 5 Resource utilization as coagulation/precipitation materials

QI等將含有鋁鹽和粉末活性炭的給水廠污泥回用至絮凝池,研究發現污泥可減少新鮮混凝劑的用量和絮凝體形成所需的時間[27]。KHEDHER等使用給水廠污泥作為助凝劑,發現溶解性有機物得到了削減,水中消毒副產物也相應減少[28]。有研究者評估了這種在給水廠進行污泥回用方式的安全性,結果未見重金屬等物質的富集風險[29]。在污水廠應用場景下,杜海霞等研究了給水廠污泥離心脫水后對活性污泥穩定化的作用,研究表明投加給水廠污泥后的好氧消化使剩余污泥氨氮總量下降了50.3%,厭氧消化使剩余污泥總固體下降了34.0%,揮發性固體下降了14.6%。該方法不僅提高了剩余污泥的脫水性能,并且提升了上清液水質[30]。

3.3 再生鹽材料

給水廠污泥的主要成分是使用過后的氫氧化鋁、氫氧化鐵的沉淀物以及其他雜質,可以采用一定的方式回收其中的鋁鹽和鐵鹽,從而重新資源化用作混凝劑或其他用途,典型工藝流程如圖6所示。以用作混凝劑為例,這種將給水廠污泥再生鹽的資源化利用方式,如果再生途徑的溫室氣體排放低于新制鋁鹽的排放,那么將增加燃燒燃料或外購電力熱力的溫室氣體排放,同時大幅降低外購商品所致的間接溫室氣體排放,而總碳排放有望降低從而實現節藥降碳。

圖6 再生鹽材料資源化利用工藝流程圖Fig. 6 Resource utilization as recycled metal salt materials

鋁鹽與鐵鹽的回收方法相似,可采取酸再生方法,再生率可達60%至70%[31]。FENG等通過酸浸法回收了給水廠污泥中的鋁鹽和鐵鹽制備磁性復合材料[32]。MENG等通過酸浸法回收了給水廠污泥中的鐵鹽,并成功利用鐵鹽制備了磁性氧化鐵氧化硅復合材料[33]。由于給水廠污泥中含有錳和鉻等其他金屬雜質,使用酸溶解進行鋁鹽回收,將不可避免引入這些雜質,因此有研究報道采用離子交換法萃取給水廠污泥中的鋁鹽,可回收沉淀污泥中80%以上的鋁鹽[31,34]。在一些對鹽純度要求不高的情況下,給水廠污泥可以直接回用。SUN等實驗發現給水廠污泥中鐵鹽與預期形成硫化物以摩爾比0.5～1的比例投入排水管道后,可以有效控制排水系統的硫化物生成,而污水的化學需氧量有所增加[35]。

3.4 建筑材料

給水廠污泥的元素組成包括Al、Si、Fe、Mn、Ca、Mg、Na等,與黏土的組成和特性相似,在滿足環境安全、衛生達標和產品質量的前提下,可以資源化利用為建筑材料,可以部分替代黏土或其他材料而應用于再生砂、覆土、水泥熟料、混凝土、成品磚和陶粒等[36-39],典型工藝流程如圖7所示。這種將給水廠污泥作為建材的資源化利用方式,可以節約對天然材料的消耗,對環境友好。

圖7 建筑材料資源化利用工藝流程圖Fig. 7 Resource utilization as construction materials

3.5 農林材料

給水廠污泥和天然土壤具有一定相似性,其中的有機質、氮、磷和鉀、鈣、鎂等金屬離子也能被農林作物利用,典型工藝流程如圖8所示。這種將給水廠污泥作為農林材料的資源化利用方式,一方面可以減少對天然土壤的需求,另一方面可以減少農林生產中營養物質的藥耗,進一步形成碳匯。

圖8 農林材料資源化利用工藝流程圖Fig. 8 Resource utilization as agroforestry materials

阮琳等利用其中有機質,采用自來水污泥好氧堆肥,促進了桉樹生長,并可進一步研發園林基質[44]。李芳等將給水污泥與天然土壤混合后,土壤中的有機質和氮含量得到提升,土壤得到了一定改善,能夠促進植物對營養物質的吸收[45]。謝敏等研究了給水污泥栽培盆栽植物的效果,結果表明施用給水污泥后的受試植株在各生長指標上均有提升,其中葉綠素含量也有所提升[46]。

4 結論與展望

雙碳戰略的提出為我國給水廠污泥處置與資源化利用提出了新要求,給水廠污泥處置思路應當盡快實現從傳統“處理”向“資源化利用”的途徑轉變,推動我國城市供水行業的綠色低碳運行。對于城市給水廠污泥處理與資源化利用途徑及策略分析,筆者歸納如下的結論與展望:

(1)對于給水廠污泥,水體排放、市政排污和陸地填埋這三種傳統的處理方法均有各自的技術局限與風險,對其進行資源化利用是未來發展趨勢。但由于給水廠污泥長期關注度較低,缺少更加有針對性的政策法規支持,同時其性質與污水廠污泥差異較大,因此亟需對給水廠污泥的理化性質與資源屬性進行更全面和系統性的探究。

(2)隨著給水廠污泥資源化利用方面的研究不斷推進,基于給水廠污泥來源與成分屬性的多路徑資源化利用策略也不斷涌現。將給水廠污泥作為吸附材料、混凝/沉淀材料、再生鹽材料、建筑材料和農林材料等資源化利用的技術研究也有較多突破,但實際工程轉化應用以及成效分析還有待加強。給水廠污泥的資源化運用將減少相關行業對藥劑、砂石和黏土等新鮮產品或資源的消耗,從而實現節約資源、降低碳排放的目標。

(3)改善我國給水廠原水水質,通過大數據和機器學習等智能控制方法提升現有凈水工藝的精細化運行水平,從源頭上降低給水廠的藥劑投加,也將是解決給水廠污泥問題的重要途徑。