我国污泥处理处置技术研究进展

摘要：污泥是污水处理的副产物，具有污染和资源的双重性，长期以来的重水轻泥思想致使污泥的安全处理处置成为了我国污水处理事业发展的短板。对我国污泥处理处置相关政策进行了解读，详细介绍了厌氧消化、好氧堆肥、干化焚烧和深度脱水等4条主流污泥处理处置技术路线及其应用情况，分析了干式炭化(热解炭化)、湿式炭化(水热炭化)、碳排放、区域污泥处理处置路线等研究热点。“双碳”目标的提出推动了污泥处理处置行业的高质量发展，未来应通过碳排放指标对污泥处理处置技术路线的碳排放水平进行量化评估，以推动污泥处理处置朝着绿色、低碳、可持续的方向发展。各地区应根据自身发展需求和污水污泥成分，综合考虑匹配、衔接、成本等因素，选择合适的污泥处置处理方法。关键词：污泥处理处置；厌氧消化；好氧堆肥；干化焚烧；深度脱水；水热炭化；碳排放0引言污泥是污水处理的副产物，随着我国城市规模的扩大，城镇污水处理量日益增大，产生的污泥量也在不断增加，污泥处理压力剧增。据统计，目前我国含水率80%的污泥年产量已超过6500万t，随着污水量的增加以及“泥水并重”发展思路的提出，预计2025年我国污泥产量将突破9000万t。城市污泥既含有有机物、营养元素等有用物质，也含有重金属等有害成分，具有资源与污染的双重性。据统计，污水中约30%～50%的COD、30%～45%的氮和90%左右的磷转移到了污泥中。从节能减排来看，如污泥不能得到及时处理，污水处理相当于仅完成了三分之一。污泥的特点是含水率高、易腐烂、释放恶臭等，一些工业水占比大的污水处理厂排出的污泥存在重金属、病原微生物，甚至难降解的有毒及致癌物质超标的问题。如污泥随意堆放，在雨水的冲刷下，会污染地下水，危害人体健康。污泥问题首先是安全问题，其次是生态环保问题，最后才是协同资源化问题。污泥处理需要消耗大量的药剂和能源，而当前我国污泥处理仍以填埋为主，污泥中的有机质经长时间的分解发酵，会无组织地释放大量温室气体。因此，污泥处理处置过程的碳减排对于实现污水处理行业的碳中和意义重大。实现污泥的能源高效回收及物质的高效循环利用将是双碳背景下污泥处理处置的发展方向。目前我国已在污泥处理处置技术方面形成了两大全链条示范模式，即北京的高级厌氧消化-土地利用模式、上海的干化焚烧-灰渣建材利用模式，为我国的污泥处理处置行业发挥了积极的示范引领作用。本文对我国污泥处理行业的相关政策进行了梳理和解读，对污泥处理处置技术进行了综述，对当前的研究热点进行了探讨，并对未来的研究方向进行了展望，以期为我国污泥处理处置行业的高效、绿色、可持续发展提供借鉴。1政策解读随着环保督察越来越严格以及污水收集率和处理率的持续上升，“重水轻泥”思想暴露的问题日益突出，污泥处理处置已经成为制约污水处理行业健康发展的短板。污泥处理处置已经得到国家有关部门的重视，逐步由“重水轻泥”向“泥水并重”的方向发展。我国污泥处理处置起步较晚，70%的污泥没有得到妥善处置，造成了严重的水、气和土壤污染，浪费了污泥中的大量资源和能源。我国的污泥处理行业发展经历了3个阶段：a.1961-1992年萌芽阶段。污泥农用是早期的污泥处置方式，1961年北京高碑店污水处理厂的污泥被当地农民回用于土地，但没有标准指导。1984年《农用污泥中污染物控制标准》的发布，一定程度上对污泥农用的安全性进行了规范，但污泥处理仍缺乏资金和技术支持。纵观污泥处理行业的萌芽阶段，公众对污泥的认知度较低，污泥处理较为粗放，缺少政策和法规的引导，导致出现了严重的环境安全隐患。b.1993-2010年缓慢发展阶段。随着社会经济的发展和行业的进步，污泥处理逐渐受到重视。1993年发布了《城市污水处理厂污水污泥排放标准》，要求城市污水处理厂对污泥进行脱水处理。2000年发布了《城市污水处理及污染防治技术政策》，明确了城市污水厂产生的污水污泥须作稳定化处理。2010年发布了《城市污水处理厂污泥处理处置及污染防治最佳可行技术指南(试行)》，给出了污泥处理处置及污染防治最佳可行技术的建议。在此阶段，随着污水排放量和处理量的增加，污泥产生量也急速增加，但是污泥处理处置技术的多样化仍有待深入探索。c.2010年以后，随着“泥水并重”发展思路的提出，污泥处理行业进入了快速发展阶段。污泥处理相关政策陆续发布，明确了污泥处理处置的发展目标，制定了污泥处理的收费细则和补贴标准，倒逼污泥产生和处置企业重视对污泥的安全合理处置，促进了污泥处理处置技术的快速发展。2011年发布了《关于进一步加强污泥处理处置工作组织实施示范项目的通知》，从政府层面要求各地高度重视污泥处理处置工作。2015年发布的《水污染防治行动计划》，要求全国各地推进污泥处理处置，地级及以上城市污泥无害化处理处置率应于2020年底前达到90%，明确了污水处理厂产生的污泥须进行“四化”处理处置，规定了不达标的污泥禁止进入耕地，避免造成农业污染，威胁粮食安全。2016年发布的《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》指出，加快城镇污水处理设施和管网建设改造，推进污泥无害化处置，由“重水轻泥”向“泥水并重”转变。2019年发布了《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019-2021年)》，要求推进污泥处理处置及污水再生利用设施建设，尽快将污水处理收费标准调整到位。2020年发布了《城镇生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》，要求推进污泥无害化资源化处理处置，到2023年，进一步提高城市污泥无害化处置率和资源化利用率。2021年发布的《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》明确提出了“十四五”时期污泥处理处置发展目标：新增污泥(含水率80%)无害化处置设施规模不小于2万t/d，既包含污水处理产生的增量污泥也包含存量污泥。在污泥稳定化、无害化处置的基础上，稳步推进污泥资源化利用；污泥经无害化处理满足相关标准后，可用于土地利用，发挥其物质资源属性，具体包括土壤改良、荒地造林、苗木抚育、园林绿化和农业利用等。对于土地资源紧缺的大中型城市，目前已形成高级厌氧消化-土地利用和干化焚烧-灰渣建材利用两种污泥处理处置发展模式。2污泥处理处置技术进展我国的污泥处理处置事业较国外起步较晚，但发展迅速。当前在引进国外成熟技术的同时，针对我国污泥有机质含量低、含沙量高的特点，初步形成了4条主流稳定化处理与安全处置的技术路线：厌氧消化-土地利用、好氧堆肥-土地利用、干化焚烧-灰渣填埋或建材利用、深度脱水-应急填埋。各地应在充分分析自身发展需求和地区特点的基础上，结合已有设施，选择合适的技术路线，统筹兼顾。2.1厌氧消化污泥厌氧消化是利用兼性细菌和厌氧细菌生物降解污泥中的有机物，产生沼气后在回收能源的同时分解污泥有机物，从而实现污泥稳定化。有研究表明，污泥厌氧消化可降解污泥中40%左右的挥发性固体，提高污泥的脱水性，脱水后的污泥能实现减量30%～60%。国外的厌氧消化技术已有几十年的发展历史，近年来我国在该技术的基础上，结合地区的污泥特点和发展需求，通过技术创新实现了本土化。厌氧消化技术经济优势明显，且可持续性强，已经成为我国污泥资源化回收的主流技术之一。传统的厌氧消化技术是采用中温(35～37℃)或高温(52～55℃)对含固率约5%的浓缩污泥进行厌氧消化处理，由于固含量和有机质含量低，存在有机负荷低、单位容积产气率低以及经济效益不显著等缺点。基于此，我国开发了高含固厌氧消化、热水解预处理、协同厌氧消化等一系列高级厌氧消化技术，提高了产气率和能源回收率，并在实际工程中得到了推广应用。以北京为代表的“厌氧消化+土地利用(林地)”污泥处置模式，经过近10年的发展，积累了大量的工程和运行经验，为我国的污泥处理处置技术发展发挥了积极的引领和推动作用。北京城市排水集团有限责任公司针对国内污泥有机质含量低、产气量低等问题，从国外引进了“热水解+厌氧消化”工艺，先后建立了小红门污泥处理中心(2016年，900t/d)、高碑店污泥处理中心(2016年，1358t/d)、槐房污泥处理中心(2017年，1220t/d)、高安屯污泥处理中心(2017年，1836t/d)和清河第二污泥处理中心(2020年，814t/d)等5个污泥处理处置中心，总规模达到6128t/d。研究了小红门和高安屯污泥处理项目的运行数据，结果表明：污泥处置系统运行稳定，其中，小红门的沼气产气量大于350m3

/t脱水污泥(DS)，已经超过了222m3

/tDS的设计值，且有机物分解率高于45%，也超过了40%的设计值；脱水泥饼含水率低于60%，符合设计值；高安屯的有机物分解率(50%)、沼气产率[1.006m3/kg挥发性固体(VS)]和沼气质量分数(CH4，50%～70%)均优于国家行业标准。通过比较污泥热水解厌氧消化与常规厌氧消化的运行数据发现，有机物分解率没有大的变化，但是污泥热水解厌氧消化的产气量较常规厌氧消化增加了82%，原因是分解单位有机物产气量从0.78m3/kgVS提高到了1.32m3/kgVS，所以热水解厌氧消化优势明显。为了进一步提高有机质含量和产气量，对污泥与餐厨垃圾协同厌氧消化处理进行了大量研究。镇江市餐厨废弃物及生活污泥协同处理项目是我国建设运行较早的污泥和餐厨垃圾协同厌氧消化项目，积累了大量的运行数据，该项目采用了“餐厨废弃物预处理+污泥热水解+高含固/协同厌氧消化+沼渣深度脱水干化土地利用+沼气净化提纯制天然气”的组合处理工艺。一期处理规模为260t/d，其中餐厨废弃物140t/d(含水率85%的餐厨垃圾120t/d和废弃油脂20t/d)，生活污泥120t/d(以含水率80%计)。项目于2014年立项，历时2年，2016年6月正式投运。研究了该项目的运行数据，结果表明，该系统运行稳定，取得了较好的处理效果，实现了餐厨废弃物及脱水污泥物料53.5%VS的平均降解率，沼气产率高，单位VS投加和单位VS去除的产气率分别达到0.45m3/kgVS和0.84m3/kgVS，并且沼气中甲烷含量较高。项目产生的沼渣经脱水后可用于园林绿化和土壤改良等，产生的沼液经提纯后可作为液态肥培育种植苗木。2.2好氧堆肥污泥好氧堆肥是污泥堆体在一定的水分、碳氮比和通风条件下，利用好氧微生物的新陈代谢降解污泥中的有机物，同时释放能量，加热堆体，杀死污泥中大部分寄生虫、病原体等有害微生物，同时将有机质转变为腐植酸等性质稳定的土壤营养物质，从而实现污泥的稳定化。相关研究和实践表明，城镇生活污水厂产生的污水污泥经过好氧堆肥处理后能够达到限制性农用和园林绿化等使用标准，污泥中的有机质及营养元素得到了有效循环利用。污泥好氧堆肥的优势是技术成熟，建设和运行维护成本低，工艺运行和操作简单，生产工艺稳定。我国早期已建成一批污泥好氧堆肥示范工程，尤其是在北方，如秦皇岛的绿港污泥处理厂。近年来由于好氧堆肥技术占地面积大、释放恶臭气体、产物出路受限等问题，限制了该技术的推广应用。目前污泥好氧堆肥处理研究主要集中在提高堆肥效率和评估堆肥产品的环境风险上。采用酶解预处理联合生物强化优化城市污泥好氧堆肥技术，提高了污泥好氧堆肥效率，堆肥发酵启动快，保氮效果明显，减少了臭气释放，缩短了堆肥周期，实现了城市污泥的快速高效资源化。以钢渣为调理剂研究了其对污泥好氧堆肥的影响，结果表明，钢渣调理剂通过影响堆肥细菌群落结构和多样性，有助于提高污泥堆肥温度，延长高温时间，降低污泥含水率，促进氨氮的转化，进而降低氮损失和促进有机质降解，显著改善堆肥产品质量。对污泥好氧堆肥削减多环芳烃(PAHs)的含量与环境风险进行了研究，结果表明，污泥堆肥对PAHs有较好的去除效果，大颗粒返混料或辅料的添加，进一步提升了堆肥通气性、促进了PAHs的降解，从而降低了污泥堆肥产品的环境风险。研究了好氧堆肥对PAHs的处理效果和抗生素及抗性基因的消解效果，发现污泥堆肥对PAHs的去除率均在50%以上，堆肥过程中污泥中的多种抗性基因有不同程度的降低，有的甚至达到了100%的去除率，有效削减了抗性基因。2.3干化焚烧污泥干化焚烧是指先采用加热方法使污泥水分蒸发而成为干化污泥，然后在高温条件下氧化分解污泥有机物，彻底杀死病原菌、微生物等，同时稳定化重金属，可实现污泥减量90%，该方法具有减量化、无害化、稳定化和资源化等显著优点，是一种最彻底最稳定的污泥处置技术之一。污泥焚烧后的灰渣，首先考虑用作建材。该技术时效性强，能在短时间内处理大量污泥，并能回收焚烧热量，属于国际上污泥处理处置的一种高效手段。俞珏瑾[14]总结了污泥干化焚烧工艺的设计要点：一是污泥干化系统应避免出现污泥黏滞区，二是应重视焚烧系统中污泥热值与含固率影响的热能平衡，三是应重视污泥中的SiO2颗粒对干化系统及焚烧系统设备的磨损。研究了污泥干化焚烧在能量、投资以及运行方面的优势，结果表明，污泥干化焚烧工艺在能量赤字、运行成本等方面均低于传统厌氧消化工艺和接入热水解的厌氧消化工艺，是污泥全生命周期中最佳的处理处置路线，并且通过物理化学方法可以高效地从焚烧灰分中回收磷资源。根据入炉污泥的含水率总结了3种主要焚烧模式及应用场合，即“全干化+焚烧”、“半干化+焚烧”和“脱水+焚烧”，其中：“全干化+焚烧”是针对入炉含水率低于10%的污泥，污泥热值较高，不需要添加辅助燃料，产生的烟气量少，但是全干化的能耗较高，而且污泥粉尘存在爆炸风险；“半干化+焚烧”是目前国内污泥焚烧项目的主流工艺，针对入炉含水率55%～65%的污泥，焚烧时常需要根据泥质波动添加辅助燃料，因此能耗较全干化低，且没有粉尘爆炸风险；“脱水+焚烧”主要针对有机质含量较高的污泥，污泥只需要脱水至含水率70%左右即可入炉焚烧，不需要或仅需要添加少量辅助燃料。然而我国大部分地区的污泥有机质含量较低，很难采用这种焚烧模式。上海在污泥干化焚烧处理处置应用方面走在了全国前列，预计到2035年，上海主城区规划污泥处理处置规模将达到1490tDS/d。上海市中心城区三大污水处理片区污泥处理均采用集中式独立焚烧处理模式，分别设置1处焚烧处理中心，其中石洞口片区污泥干化焚烧处理工程是全国第一座污泥干化焚烧厂，规划污泥处理规模为215tDS/d，积累了宝贵的经验：首先是注重污泥中杂质和沙粒的去除，以减少对设备的磨损破坏；其次是运行过程中须关注污泥含水率和污泥热值的波动，这决定了系统运行的稳定性。上海市竹园污泥干化焚烧工程已于2015年建成投产，规划处理规模为150tDS/d，采用6台桨叶式干化机和2台鼓泡流化床焚烧炉处理。实践经验表明，桨叶式干化可以跨过黏滞区，干化效果好，鼓泡流化床燃烧充分、稳定，可实现自持燃烧，无需添加燃料。上海白龙港污水处理厂污泥焚烧工程是全球最大的污泥处理处置中心，规划处理规模为800tDS/d，采用9台干化机和6台新型鼓泡流化床焚烧炉对污泥进行干化焚烧，实现了污泥的稳定自持燃烧。2.4深度脱水当前我国的污泥处理方式仍以填埋为主，一般将污泥脱水减量至含水率60%～80%，然后送入填埋场填埋，造成了严重的环境污染：一方面污泥产生量大，填埋占用了大量的土地资源；另一方面污泥未经无害化处理，会产生大量有害渗滤液，极易对土壤和地下水造成污染；此外，污泥经过长时间的堆存，会无组织释放温室气体，对环境形成长久的安全隐患。为了进一步降低污泥填埋对环境的影响，开发了深度脱水-填埋技术，可将污泥含水率降至60%以下，同时实现污泥的稳定化和无害化。目前较为成熟的污泥深度脱水技术有酸处理、高级氧化和热处理等物理化学方法以及生物沥浸和酶处理等生物降解方法。高效绿色脱水药剂的开发是当前污泥深度脱水研究的热点。随着各地经济的快速发展，土地资源极为紧张，尤其是经济较发达的大中城市，已经出现无地可埋的局面，而且污泥填埋固有的环境缺陷仍然存在，因此今后污泥填埋仅能作为阶段性、应急性的过渡性处置技术，不能成为主流技术。3研究热点3.1干式炭化(热解炭化)污泥热解是在无氧或惰性气体环境下将污泥中的有机物进行热分解的过程[23-24]，产物有热解气(如甲烷等)、可燃液体(主要是炭油)和固体生物炭基灰分等，热解气和可燃液体通过燃烧进行热量循环。研究了污泥深度脱水炭化工艺的经济性，将污泥通过机械脱水至含水率60%，再热干化至含水率30%，进炭化炉炭化至生物炭含水率10%，总处理成本约174元/t(80%含水率污泥)，具有较好的经济性，而且热解炭化后的生物炭可作为有价产品利用。研制了污泥热解炭化设备，成套系统包括污泥干化、热解炭化、热解气净化与利用、炭渣资源化利用等，其中热解炭化采用回转窑反应炉，热解温度为450～500℃，热解停留时间为40min，实现了干化与炭化热源一体化，设备能长期稳定运行。即墨污泥热解炭化处理项目是目前国内最大的污泥热解炭化项目，处理规模为300t/d，先将污泥浓缩至含水率95%～96%，再深度脱水至含水率60%～65%、热干化至含水率低于20%，最后热解炭化使生物炭含水率低于1%，得到的炭渣可用作建材；研究热解炭化后生物炭的泥质发现，除总汞外，重金属固化比例均超过了70%，而且生物炭中的氮、磷、钾等营养元素固化率分别达到了60%、92%、87%；该项目运行稳定，处理成本仅为180元/t(80%含水率污泥)，其中电耗约50kW·h/t，天然气耗量约30Nm3/t，药剂费用约40元/t。3.2湿式炭化(水热炭化)水热炭化又称湿式炭化，是利用诺贝尔化学奖得主德国化学家柏吉乌斯(FriedrichBergius)在1913年提出的高压化学理论，模拟自然界中煤的生成过程，将在自然界需要亿万年的反应过程，通过适当的温度、压力和酸碱度条件，在数小时内再现，经过水解、脱水、脱羧、缩聚和芳构化，将污泥有机质转变为高能量生物炭。污泥水热炭化技术充分利用水热反应，在密闭高温高压的环境下，将污泥改性为生物炭，破坏胞外聚合物，杀灭病原菌等微生物，低成本、高效地实现污泥的减量化、稳定化和无害化。由于是在密闭高压环境中，没有水分汽化和过多能量消耗，能耗仅为热干化技术的1/3，水热炭化尽可能地保留了污泥中的物质(有机质和氮磷等营养物)和能量。污泥水热炭化技术在国内已有相关研究报道，利用水热炭化技术处理市政污泥制备了生物炭，研究了水热炭化终温对生物炭产量及特性的影响，发现水热炭化进程趋于脱水还原降解反应，重金属活性趋于稳定；近年来开展了大量的污泥水热炭化基础研究工作，涉及污泥水热炭化工艺参数研究、污泥生物炭应用研究以及磷回收技术研究等，但尚处于实验室研究阶段，未开展工艺技术和装备研究。研究了污泥水热炭化余热回收系统，发现“水热炭化+机械脱水”比热干化脱水节能76.5%。山东某污水处理厂建设了国内首个连续水热炭化处理示范项目，该项目已稳定运行6年，积累了大量的水热炭化工艺运行数据和经验，可一步将含水率80%污泥转变为含水率30%的生物炭，减量75%以上。项目直接成本仅120元/t(80%含水率污泥)，其中电耗约40kW·h/t，天然气耗量约16Nm3/t，药剂费用约20元/t。污泥生物炭可用于土壤改良或用作固体生物燃料，在实现污染控制的前提下，回收了资源和能源。3.3碳排放随着双碳目标的提出，污泥处理处置有了更加科学的评价标准和指引方向，越来越多的研究聚焦于污泥处理处置全过程的碳排放。将污泥处理处置过程碳排放分为能耗药耗造成的能量源碳排放、逸散性温室气体排放以及能源回收和产物利用形成的碳补偿，总结了污泥主要处理处置技术的碳排放水平，结果表明，碳排放量最大的方式是深度脱水后填埋，其次是污泥干化焚烧，再次是好氧发酵后土地利用，碳排放量最低的是厌氧消化后土地利用。研究发现“厌氧消化+土地利用”碳补偿潜力最大。未来污泥处理处置技术应聚焦绿色低碳、资源回收、污染控制和因地制宜4个方面，从根本上解决污水污泥问题。3.4区域污泥处理处置路线针对区域内城镇污水处理厂的污泥问题，研究确定合适的处理处置路线是