剩余污泥處置技術現狀與展望

摘要：目前，我國剩余污泥的產生量逐年增加，但污泥處理處置技術并未得到長足的進步，仍存在高成本、低效率等行業問題。本文立足于我國剩余污泥處置現狀，全面介紹剩余污泥處置技術，系統梳理不同工藝的優缺點，并對其發展前景進行展望，以期挖掘出低能低耗、綠色高效的新型處置技術，真正使減量化、無害化、穩定化、資源化的目標在污泥處置領域得到全面實現。

關鍵詞：污泥處置；污泥減量；資源化利用

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）03-00-06

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.03.024

Abstract： At present， the production of surplus sludge in China has increased year by year， but the sludge treatment and disposal technology has not made significant progress， and there are still high cost， low efficiency and other industrial problems. Based on the status of surplus sludge disposal in China， this paper comprehensively introduces the surplus sludge disposal technology， systematically sorts out the advantages and disadvantages of different processes， and looks forward to its development prospects， so as to excavate new disposal technologies with low energy， low consumption， green and high efficiency， and truly realize the goals of reduction， harmless， stabilization and resource utilization in the field of sludge disposal.

Keywords： sludge disposal; sludge reduction; resource utilization

目前，我國超過90%的污水處理廠使用的處理工藝均與活性污泥法相關，污水處理量的增多勢必會產生大量剩余污泥[1]。近年來，剩余污泥處置技術研究越來越多，相關領域的政策和標準也日趨完善，然而部分技術由于成本高、污染大等問題已無法滿足現代化污泥處置要求[2]。如何將產生量大、含水率高、成分復雜的剩余污泥進行合理、高效、經濟的處理處置，已成為生態環保及污染防治領域急需解決的關鍵問題。

1 我國剩余污泥處置現狀

剩余污泥是指污水處理廠從二沉池排至系統外的活性污泥[3]，主要由微生物、難降解的有機物、無機物以及微生物內源代謝和自身氧化的殘留物等組成，具有含水率高、親水性好、有機物多等特點。作為污水處理的主要產物，剩余污泥富集了污水中的重金屬、大分子及小分子有機物、致病細菌及病毒、微塑料等污染物，除此之外，還含有C、N、P、K等營養元素[4]。剩余污泥污染物含量高，若未進行深度凈化和妥善處理即排放，則會嚴重污染地下水，破壞土壤環境，其中重金屬、病原體等有毒有害物質的泄漏勢必會導致嚴重的二次污染[5]。另外，剩余污泥含有的營養元素、有機物可以通過一定的處理方式進行回收利用，使其變廢為寶，例如，可以通過厭氧處理產生甲烷、氫氣等熱值較高的燃料。因此，將剩余污泥處置與資源化利用有機結合，能夠實現生態效益和經濟效益的最大化[6]。

隨著污水處理技術的快速發展和處理能力的不斷提升，污泥產生量逐漸增加[7-8]。據統計，2018年以來，我國剩余污泥產生量以每年近1 000萬t的速度增長，其在2021年超過7 000萬t（含水率80%），如圖1所示，按此趨勢，預計到2025年，我國剩余污泥產生量將超過1億t[5]。

近年來，我國剩余污泥產生量急劇上升，國家出臺一系列政策來推進剩余污泥處置。2015年，國務院發布《水污染防治行動計劃》，指出污水處理過程產生的剩余污泥應進行穩定化、無害化和資源化處理處置，嚴禁不達標的污泥進入耕地[9]。2021年，國家發展和改革委員會等部門聯合印發《“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》，提出在污泥處理領域，要破解難點和痛點，全面實現污泥無害化、資源化處置，新增污泥處理設施規模不小于2萬t/d，穩步推進污泥的資源化利用[10]。

2 剩余污泥的處置技術

剩余污泥處置是指對處理后的污泥及產物進行消納、安置與再利用，使其最終達到長期穩定狀態并對生態環境無不良影響。目前，我國常用的污泥處置技術主要包括干化焚燒、衛生填埋、土地利用、建材利用及產物利用等[11]。

2.1 干化焚燒

污泥的干化焚燒是指污泥經干化處理后，在氧氣充足的條件下，在焚燒爐中進行徹底高溫氧化，并將焚燒產生的煙氣和余熱回用于新鮮污泥干化處理，以達到穩定化和無害化處置的目的。焚燒方式可分為直接焚燒和協同焚燒兩種，前者是在焚燒爐中對污泥進行直接焚燒，并添加少量助燃燃料，后者是在前者的基礎上將污泥與垃圾、燃煤等待焚燒物混合后，對其進行協同處置、耦合摻燒[12]。

污泥干化焚燒具有占地小、易操作、效率高等優點，近幾年已成為國內外公認的高效污泥處置技術，除此之外，焚燒過程中產生的熱量也可用于供熱或者發電。然而，該技術存在能耗高、成本高、污染大等缺陷，研究表明，在同等條件下，污泥干化焚燒的處理費用約為衛生填埋的3倍[13]。

2.2 衛生填埋

衛生填埋是目前我國應用最廣泛、最成熟的污泥處置技術，該技術是將處理后的剩余污泥運送至指定地點進行人工填埋，以達到最終處置的目的。根據填埋物種類的不同，衛生填埋可分為單獨填埋和混合填埋，前者是將滅菌處理后的剩余污泥直接運送到專用填埋場進行封固，后者則是將剩余污泥與生活及工業垃圾混合后進行壓實填埋。

衛生填埋不僅具有易操作、成本低、效率高等優點，而且可以收集和利用填埋過程中產生的甲烷。但是，該技術也存在諸多問題，例如，污泥中大量有毒有害物質會在填埋后以滲濾液的形式進入土壤，危害地表植物，污染地下水，此外，占地面積大、地理位置偏僻、污泥填埋的運輸成本高[14]等缺點也使其在污泥處置體系中的占比逐漸減少。從長遠來看，衛生填埋并不是一種環保、經濟的處理方法，終會被時代所淘汰。

2.3 土地利用

剩余污泥的土地利用是指污泥經好氧堆肥等工藝處理后作為輔助材料應用于土壤中，利用污泥含有的N、P、K等營養元素改良土壤，增強土壤肥力，促進植物生長。該技術可用于農業、林業、景觀綠化、土壤修復、沙化治理等生態領域。

與其他傳統污泥處置方法相比，土地利用是污泥資源化的有效途徑，然而由于污泥自身吸附的重金屬溶解度低且性質穩定，容易在人體內積累，因此在土地利用之前，要對污泥進行預處理，以減少其對土地造成的不良影響。近年來，我國環境標準日益嚴格，土地利用污泥性質的限制越來越多，這已成為阻礙該工藝進一步推廣應用的重要制約因素[15]。

2.4 建材利用

剩余污泥含有大量硅酸鹽、碳酸鹽等無機物，與建筑材料的物質組成相似，因此，污泥經濃縮脫水等處理后，可通過添加摻合料等方法合成建筑原料。根據制成品的不同，建材利用主要分為污泥制磚、污泥制水泥、污泥制陶粒等工藝[16]。利用污泥作為建筑材料，可以填補目前我國建筑原料短缺的空白，緩解剩余污泥難處置的問題。目前，污泥建材化處置技術仍然存在強度小、利用率低等劣勢，限制了該技術的深層應用，因此未來還需要進一步規范污泥處理處置領域的行業標準，增強建材化處置能力，提升污泥資源化利用的可行性。

2.4.1 污泥制磚

污泥制磚是指污泥經過脫水、干燥、焚燒等處理后，摻入其他制磚原料壓制成型，得到磚產品。根據制取方式的不同，它可分為污泥焚燒殘渣制磚和污泥干化制磚，由于市場需求和應用場景不同，要選擇合適的制磚工藝，調整污泥的混合比例，以得到不同性能的磚塊。

2.4.2 污泥制水泥

污泥制水泥是指在水泥窯中通過高溫燒制使污泥具有類似黏土的化學性質，進而替代部分水泥原料。不同類型污泥的組分差異很大，在制備水泥時，應先對污泥的特性進行檢測，只有當污泥符合要求且重金屬等污染物的含量不超標時，才可以考慮使用該方法。

2.4.3 污泥制陶粒

污泥制陶粒是指將污泥、助熔劑等物質混合后，經過造粒、焙燒、冷卻等工序生產陶粒。陶粒具有質量小、強度高、保溫性能好等優勢，污泥的陶粒化處置能夠有效緩解我國剩余污泥產生量大的問題，具有良好的生態效益和經濟效益[17]。

2.5 產物利用

產物利用是指通過特定方法對剩余污泥中的氮、磷及有機物等資源進行回收利用，以達到資源化處置目的，它是剩余污泥有效處置的技術發展方向之一。目前，我國剩余污泥的產物利用工藝主要包括蛋白質、磷等物質的回收，聚羥基脂肪酸酯（PHA）、短鏈脂肪酸（SCFAs）等有機物的提取，甲烷、氫氣等能源氣體的收集等。

2.5.1 蛋白質的回收

蛋白質是剩余污泥中含量最高（占比30%～60%）的有機物，同時也是構成微生物細胞的主要物質[6]，通過特定方法對污泥中的蛋白質進行提取利用，不僅可以減少剩余污泥對環境的危害，還能達到污泥循環利用的目的。目前，從剩余污泥中回收蛋白質的方法主要包括物理法、化學法、生物法和聯合處理法，其產物主要用于合成動物飼料、農作物肥料、木材黏合劑、泡沫滅火劑以及混凝土發泡劑等。研究表明，利用蛋白酶水解提取剩余污泥中的氨基酸類物質作為緩蝕劑，其表面的吸附作用能有效減緩金屬在酸性介質中的腐蝕速率[18]。蛋白質的提取回收技術存在效率低、難度大等不足，目前該工藝在我國還未得到廣泛應用。

2.5.2 磷的回收

磷是一種不可再生資源，在污水處理過程中，超過90%的磷最終會被轉移到剩余污泥中，目前，該部分磷的回收與利用已成為污泥資源化處置領域的研究熱點。從剩余污泥中回收磷的方法主要包括物理法和化學沉淀法，后者中的磷酸銨鎂結晶法（鳥糞石結晶法）較為常用[19]，該方法利用磷酸鹽與鎂鹽、銨鹽能夠發生反應生成沉淀的原理，從剩余污泥中分離出鳥糞石晶體，以回收廢水中的磷，其產物可以作為緩釋肥用于農業生產，另外，該方法不受溫度、有毒物質等條件的限制，設計和操作過程也比較簡單。近幾年，針對剩余污泥磷回收的研究越來越多，但該技術在我國尚處于起步階段，用藥量大、成本高等缺點是限制其進一步發展的重要原因[20]。

2.5.3 沼氣的收集——甲烷

污泥中的有機物經厭氧消化過程的水解酸化、產氫產乙酸和產甲烷階段會被逐步分解轉化為甲烷、二氧化碳、水等小分子物質，其中的主要產物甲烷可作為一種可再生資源用于發電，用作燃料，因此，該過程也被稱為沼氣發酵。目前，沼氣發酵已成為國內外大中型污水處理廠應用最廣泛的污泥資源化處置技術，不僅為污水處理廠提供了部分能源，而且能夠帶來良好的經濟效益，具有能耗低、生物質能回收效率高、溫室氣體排放少、運行管理方便等優點，但發酵殘渣的后續處理、產氣量偏低等仍是剩余污泥沼氣發酵技術面臨的主要問題。

2.5.4 生物降解塑料的制取——PHA

生物降解塑料是一種在自然界中可被微生物降解的塑料，由于其易降解、危害小等優勢，近幾年已成為塑料新材料領域的研究熱點[21]。根據生產原料來源的不同，生物降解塑料可分為聚乳酸（PLA）、聚羥基丁酸酯（PHB）、聚羥基脂肪酸酯（PHA）等。其中，PHA是一種由某些微生物在外部生存條件不平衡（如氮、磷缺乏）時合成的細胞內儲能儲碳物質，具有完全生物降解性、生物相容性等優良性能，是傳統塑料的理想替代品。Morgan-Sagastume等[22]首次發現活性污泥中的微生物可以積累PHA，這為利用剩余污泥合成PHA技術的發展奠定了基礎。目前，國內外較為常用的PHA制取方法是混菌發酵技術，即以剩余污泥發酵產生的揮發性脂肪酸為底物，利用污泥中的混合菌群合成PHA，該技術不僅降低了無菌操作的苛刻要求，而且增加了有機碳源的多樣性，具有良好的環境效益。但目前利用剩余污泥合成PHA的工藝在工程中的應用還比較少，其制取步驟及成本還需要進一步優化，以適應大規模的工業生產。

2.5.5 污水生物脫氮的應用——SCFAs

厭氧發酵產酸是污泥減量化的有效措施之一，該技術是在厭氧條件下，通過控制pH、溫度等環境條件，使污泥厭氧消化過程停留在水解酸化階段，從而產生并積累一種可以被利用的碳源——短鏈脂肪酸（SCFAs），即揮發性脂肪酸，主要包括乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸和異戊酸等。大量研究證明，SCFAs作為污水脫氮除磷過程的有機碳源，可有效提高氮磷的去除效率，相較于傳統外加碳源，SCFAs更易被微生物利用。彭永臻等[23]以城市污水為研究對象，將污泥厭氧發酵液作為脫氮除磷系統的外加碳源，總氮及總磷去除率顯著提高。另外，以污泥發酵液作為碳源的系統能夠實現穩定的短程硝化過程。Ji等[24]發現，投加污泥發酵液的系統可以實現較高的亞硝態氮積累率，其累積濃度明顯高于使用乙酸鈉作為碳源的系統。

2.6 工藝對比

不同污泥處置技術對應的技術難度、運行成本、適用范圍等不盡相同，如表1所示。每種技術各有優缺點，各自適用于一定的環境條件，但部分傳統工藝仍存在處置效率低、技術方案陳舊和管理機制不完善等問題，并未有效地抑制環境污染，只是延長了污染產生的時間，沒有從根本上妥善處置污泥。因此，應將現有工藝的改良與新型技術的研發作為污泥處置領域的主攻方向，開發高效、安全、經濟的污泥處置技術，最大限度地發揮污泥的價值，實現經濟和環境的雙贏。

近年來，圍繞污泥減量化、無害化、穩定化與資源化的基本原則，我國污泥處置技術應用取得一定的進展，剩余污泥處理處置技術的應用占比如圖2所示。由此可以看出，在污泥處置領域，衛生填埋仍是目前的主流技術，但隨著新型處置技術的開發應用與污泥性質的改善，衛生填埋等傳統技術的使用率正逐漸減少，取而代之的是多領域、多維度、多層次融合與轉型的污泥資源化處置技術，這些新技術能夠充分根據污泥本身的特性進行物質循環、能量利用，解決剩余污泥產生量大、難處置的問題，同時實現其資源價值。

3 結論

剩余污泥作為城市廢棄物的重要組成部分，其處理處置越來越受到人們的關注和重視。面對社會發展對能源、環境提出的更高要求，污泥處理處置方式應綜合考慮國民經濟、技術水平以及法規政策等因素，形成以資源化為核心的剩余污泥綜合利用與循環利用體系。為了推進碳達峰碳中和，落實科技興國政策，實現我國低碳經濟和可持續發展的目標，應借助污泥處置領域快速發展的契機，以無害化為目標，以資源化為手段，加強新技術、新工藝的研發[27]，強化專業人才培養和團隊建設，從根本上改善我國剩余污泥處置現狀。

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