我國城市污泥處理及利用技術研究進展

周新榮，程樂明，趙 曉，王 青，杜獻亮

（1.張家港密爾克衛環保科技有限公司，江蘇 張家港 215600；2.新地環保技術有限公司，河北 廊坊 065001）

隨著我國城市化進程的加快，各大城市的污水處理量不斷提高，城市污泥產生量也逐年增加[1]。污泥可以富集污水中的絕大部分污染物，成分極其復雜，其中不僅含有大量有機質，還含有一些無機物、微生物、病原體等多種有害物質。宏觀來看，污泥是一種生態環境污染物，同時也是一種可被利用的資源，其具備污染和資源的雙重屬性，因此妥善處置污泥是減污降碳的重要任務。

1 污泥處理及利用的意義

我國污水處理廠2019年所產出的污泥已經超過6 000 萬t（以含水率80%計算），預計2025年將達到9 000 萬t[2]。污泥處理及其資源化已成為城鎮化發展和污水處理系統迫切需要解決的問題。我國污泥處理技術發展相對滯后，需要在無害化、減量化及資源化方面尋求技術支持。在全球共同應對氣候變化、能源資源短缺的背景下，進行污泥的綜合處理和資源化利用、實現減污降碳和協同增效是我國污泥處理處置的正確路徑[3]。

2 污泥處理及利用技術概述

我國傳統的污水處理工藝具有重視污水而輕視污泥的特點。近年來，我國污水處理能力得到不同程度的提高，但是污泥處理能力并沒有得到明顯發展，結果就是我國污泥處理能力難以滿足日益增加的污泥處理需求。這已逐漸成為我國城市污染控制領域的一個主要環境問題[4]。受限于我國城市污泥處理處置技術發展經驗比較欠缺，處置方法在各個地區之間存在差異，污泥處理已成為制約地方環境及生態健康發展的一大瓶頸，污泥的無害化處理必須得到重視。

2.1 厭氧消化

污泥厭氧消化是指在缺氧條件下利用厭氧菌對污泥進行厭氧生化反應，分解污泥中的各種有機物及有害物質，對污泥進行無害化的同時，實現污泥的穩定化與減量化。首先，厭氧菌可以對有機物進行有效降解，同時減弱其腐臭氣味，實現污泥宏觀方面的污染控制；其次，通過厭氧過程降低污泥中有害物質的殘余量，同時增強污泥的脫水性能，利用常規的機械壓濾即可實現污泥的高效脫水；最后，該技術可以副產沼氣，促進污泥的資源化利用。高溫熱水解預處理的污泥厭氧消化技術是以高固含量脫水污泥（固含量15%～20%）為對象，經過高溫高壓水熱預處理，利用高溫和高壓對污泥進行熱水解和閃蒸，水解污泥中的胞外聚合物和大分子有機物，破壞污泥中微生物的細胞壁，增強材料的生物降解性，大幅提高厭氧消化后的沼氣產量[5]。

2.2 污泥熱解

污泥熱解技術是指在一定的溫度條件下，在惰性氣氛中分解污泥。由于熱解過程中氧氣的隔離和較低的溫度，氮氧化物（NOx）和硫氧化物等二次污染物的產生量大大減少[6]。在較低溫度下，污泥中的水分首先揮發，300 ℃左右，污泥中的多數輕質有機物先后分解，600 ℃以上時，少量的重質有機物才會最終分解[7]。目前，污泥熱解技術可以分為低溫熱解和高溫熱解。低溫熱解的操作溫度控制在600 ℃以下。低溫熱解的主要產物是焦油。活性污泥的焦油產量高于消化污泥等其他類型的污泥，最大產油量約為30%。這是因為熱解焦油中的氫元素主要來自污泥中的脂肪，而活性污泥的脂肪含量較高[8]。高溫熱解的操作溫度控制在600 ℃以上，熱解產物主要由熱解氣體組成。在高溫熱解條件下，熱解氣體的產率可以超過50%，其次是固體產物，熱解焦油的比例最小，為10%～20%。與低溫熱解相比，高溫熱解產生的熱解氣熱值變化較小，但熱解氣的產量可以達到低溫熱解的4～5 倍。

2.3 水熱碳化

污泥的水熱碳化技術是指通過各種方法從污泥中釋放水分，同時保持污泥的碳含量，使產物中的碳得到富集。水熱碳化技術不需要對污泥進行干燥，一方面節約干燥加熱所需要的能量，另一方面利用污泥料漿中的水分作為溶劑加強系統內的物料混合與熱量傳遞，加速污泥碳化反應[9]。污泥水熱碳化的基本原理是利用熱量破壞污泥的原有平衡，打破污泥的膠體結構，提升其脫水性能，水熱處理后污泥含水量顯著降低。污泥水熱碳化的工藝路線大多采用漿態床反應器，經過氣液閃蒸、攪拌混合、蒸汽加熱等方式對污泥漿液進行升溫加熱，機械化設備的應用提高污泥處理系統的效率。在主流的漿態床反應器中，蒸汽以直混的方式對污泥進行加熱，提高傳熱傳質效率的同時，有效避免局部過熱和結焦，蒸汽冷凝釋放的潛熱實現系統能量的高效回收。

2.4 干化焚燒

干化焚燒技術可以在高溫下破壞污泥的組織結構，消滅有害物質，并且快速減容，回收熱能。污泥干化系統一般包括3 個單元，即干化單元、焚燒單元和煙氣凈化單元。典型的污泥干化技術是干化焚燒一體化。相比傳統的污泥處理方法，污泥干化焚燒技術的優勢非常明顯。第一，利用污泥干化焚燒技術對污泥進行處理，能夠最大限度地減少污泥體積，盡可能減少污泥處理過程的空間問題。第二，污泥焚燒能夠分解剩余污泥內的有機物質，焚燒灰可以作為建筑材料。第三，污泥干化焚燒效率很高，污泥不需要長期儲存，就地處理避免運輸問題。第四，污泥干化焚燒技術能夠對能量進行回收利用。

2.5 超臨界水氧化

超臨界水氧化技術是利用有機物在超臨界水中具有極佳的傳熱與傳質性能，與氧氣可以完全互溶，打破相界面之間的阻礙，徹底進行有機物的氧化分解。高溫高壓大大提高有機物的氧化速率，使碳氫化合物可以在幾秒內被氧化為二氧化碳和水，氮元素轉化為氮氣，硫元素和磷元素轉化為硫酸鹽和磷酸鹽，無機物不參與反應，沉淀在灰渣中。與焚燒相比，其反應溫度較低，不會形成NOx或SO2。此外，超臨界水氧化是強放熱反應。經過設計與配伍，原料可以配成適宜熱值后進入反應器，只需要在啟動過程中加入少量熱源，整個反應就可以依靠原料中有機物自身的熱值維持系統的自熱平衡。超臨界水氧化除了能有效降解污泥中易分解的有機化合物外，對二噁英等難降解物質也有良好的處理效果[10]。

超臨界水氧化技術的主要優點在于工藝流程簡單，占地面積小，反應時間短，有機物分解徹底。該技術可以直接處理污泥料漿，預處理過程相對簡單，可以高效實現污泥的無害化和減量化[11]。目前，多個國家已建立商業規模的示范工廠，對污泥進行超臨界水氧化技術處理，其中以中國新奧集團（新地環保）的240 t/d 污泥超臨界水氧化項目規模最接近商業化，如表1所示。

表1 各國污泥的超臨界水氧化項目及其技術參數

3 結論

污泥的處理及資源化需要考慮社會、經濟、環境等綜合因素。資源循環方面，要突出污泥的資源屬性，加強污泥中資源的回收；支持污泥穩定化產物的建材利用，實現更高效的資源循環。環境友好方面，要實施源頭控制，加強污泥中有害成分的處理；重視末端產物的安全處置與資源化利用，逐步縮減污泥填埋規模。因地制宜方面，根據污泥的泥質、產生量與分布特點，結合地區自然地理條件、環境承載力以及當地經濟發展水平等因素，確定適宜的污泥處理處置路徑。目前，應該努力補齊污泥穩定化處理短板，推動污泥處理設施建設，拓寬污泥資源化路徑，因地制宜選擇處理技術路線。面向未來的污泥處理處置與資源化需求，要突破污泥高效厭氧消化、新型污泥脫水、污泥熱解炭化、超臨界水氧化等一批新技術，推廣綠色低碳處理技術，為污水處理行業減污降碳提供堅實支撐。