王先愷， 董 濱,2*， 高 勇， 孫凱麗， 次瀚林

1.中國長江三峽集團有限公司， 北京 100038

2.同濟大學環(huán)境科學與工程學院， 上海 200092

3.上?？睖y設(shè)計研究院有限公司， 上海 200434

城市污水廠污泥(簡稱“污泥”)是污水在生化和物化過程中的副產(chǎn)物，富含有機質(zhì)及營養(yǎng)元素，也可能含有大量的病毒、蟲卵、重金屬和有機污染物[1-3]. 經(jīng)妥善處理的污泥，其產(chǎn)物可作為土壤改良劑或有機肥；未得到妥善處置的污泥，其中的污染物存在轉(zhuǎn)移到自然環(huán)境的風險，從而造成二次污染[4-6]. 大量污泥沒有得到妥善處置，將嚴重制約著三峽集團長江大保護工作中“長江水質(zhì)根本好轉(zhuǎn)”目標的實現(xiàn). 污泥含水率高，并且含有一定量易腐成分，其性質(zhì)與餐廚垃圾在生物處理上存在較好的互補性，具有協(xié)同處理處置的潛力[7-9]. 中國共產(chǎn)黨第十九屆中央委員會第四次全體會議通過的《中共中央關(guān)于堅持和完善中國特色社會主義制度、推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化若干重大問題的決定》要求“健全資源節(jié)約集約循環(huán)利用政策體系，普遍實行垃圾分類和資源化利用制度”，為污泥與餐廚垃圾的協(xié)同處理處置提供了有力的政策支持.

生物處理技術(shù)由來已久，厭氧消化和好氧發(fā)酵是最主流的兩種污泥生物處理技術(shù). 生物處理技術(shù)可以實現(xiàn)污泥的無害化、穩(wěn)定化、減量化與資源化，而且投資與運行成本相對較低，因此該技術(shù)已有廣泛的工程應(yīng)用案例[10-13]. 然而，現(xiàn)階段我國的污泥生物處理技術(shù)已相對成熟，但尚未形成全產(chǎn)業(yè)鏈的行業(yè)標準，導(dǎo)致污泥處理項目運行不暢，甚至出現(xiàn)停產(chǎn)現(xiàn)象[14-15]. 該研究基于長江經(jīng)濟帶各省市的泥質(zhì)情況，梳理污泥生物處理技術(shù)的發(fā)展情況，研究污泥生物處理技術(shù)在長江經(jīng)濟帶各省市的應(yīng)用潛力，以期為解決長江大保護中的污泥處理處置問題提供理論支持.

1 長江經(jīng)濟帶各省市污泥現(xiàn)狀

1.1 長江經(jīng)濟帶各省市污泥產(chǎn)量

隨著城市化的快速發(fā)展和水體污染防治力度的提高，我國城鎮(zhèn)污水的產(chǎn)量大幅上升，截至2017年，我國城市污水處理量已達492×108m3，污水處理率不足95%. 在未來一段時間里，我國仍將大力推動城鎮(zhèn)污水的收集與處理工作，污水處理量也會持續(xù)快速增長[16]. 長江經(jīng)濟帶集聚的人口占全國人口的40%以上，污水處理量也占全國污水總處理量的40%以上，未來長江流域的污水處理量也將持續(xù)提升.

污泥承接了污水中的污染物，是污水處理過程的延續(xù)和必然要求，截至2017年，我國污泥產(chǎn)量已突破 5 000×104t (以含水率80%計)，長江經(jīng)濟帶11省市污泥產(chǎn)量接近 2 000×104t，約占全國污泥總量的40%(見圖1). 長期以來污泥處理處置工作沒有得到應(yīng)有的重視，污泥無害化處置率處于較低水平，造成了較大的環(huán)境風險. 因此，污泥處理處置短板已成為制約長江水質(zhì)根本好轉(zhuǎn)目標達成的關(guān)鍵因素之一，解決污泥處理處置問題是長江大保護工作的重要環(huán)節(jié). 此外，《長江保護修復(fù)攻堅戰(zhàn)行動計劃》要求在2020年底前，沿江地級及以上城市污泥無害化處理處置率在90%以上，給推進污泥處理處置工作提出了新的要求[16].

圖1 全國及長江經(jīng)濟帶污泥產(chǎn)量變化Fig.1 Change in sewage sludge production in China and the Yangtze River Economic Belt

1.2 長江經(jīng)濟帶各省市污泥產(chǎn)率與性質(zhì)

從全國范圍看，我國污泥與發(fā)達國家污泥相比，具有有機質(zhì)含量低、微細砂和金屬含量高、泥齡長等特點[14]. 造成國內(nèi)外泥質(zhì)差異的主要原因有： ①我國污水管網(wǎng)存在嚴重的“雨污混接”現(xiàn)象，污水廠進水COD濃度低，導(dǎo)致污泥泥齡長； ②我國城市基礎(chǔ)建設(shè)處于蓬勃發(fā)展時期，大量砂礫進入污水管網(wǎng)，導(dǎo)致污泥中微細砂含量高、有機質(zhì)含量低； ③我國工業(yè)污水重金屬處理系統(tǒng)不完善，部分工業(yè)污水混入城市污水處理系統(tǒng)，導(dǎo)致重金屬及其他金屬含量過高[14].

在長江經(jīng)濟帶范圍內(nèi)，各省市之間污泥產(chǎn)率與性質(zhì)也呈現(xiàn)出較大的差異. 根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《2017年城鄉(xiāng)統(tǒng)計年鑒》，2017年我國各省(自治區(qū)、直轄市)平均污泥產(chǎn)率為2.26 t/(104m3)〔以DS(干污泥)計〕，長江經(jīng)濟帶11省市的污泥產(chǎn)率在0.98～2.75 t/(104m3)區(qū)間浮動，整體來看長江經(jīng)濟帶各省市的污泥產(chǎn)率遠低于全國平均水平(見圖2).

圖2 長江經(jīng)濟帶各省市污泥產(chǎn)率Fig.2 The yield of sewage sludge in Yangtze River Economic Belt

表1為長江經(jīng)濟帶和全國污泥pH、有機質(zhì)及養(yǎng)分含量抽樣調(diào)研結(jié)果. 由表1可見：長江經(jīng)濟帶各省市污泥pH均在中性區(qū)間內(nèi)，總養(yǎng)分含量(TN、P2O5、K2O含量之和)超過5.0%，具有較好的土地利用潛力；然而，長江經(jīng)濟帶各省市污泥中有機質(zhì)含量較低，范圍在30%～55%之間，并不適用于厭氧消化等國外常見的污泥處理工藝. 由于缺乏對長江流域污泥產(chǎn)量與泥質(zhì)的科學估測，給長江經(jīng)濟帶各省市污泥處理處置項目的規(guī)劃與設(shè)計帶來了較大的困難，也造成了已建成污泥處理處置設(shè)施運行不穩(wěn)定的現(xiàn)象.

表2為我國污泥中重金屬含量的抽樣調(diào)查結(jié)果[17-18]. 由表2可見：長江經(jīng)濟帶各省市污泥中重金屬含量波動較大，長江中下游污泥中重金屬含量高于長江上游. 長江上游污泥中除As和Cu以外，其他重金屬含量均在GB 4284—2018《農(nóng)用污泥污染物控制標準》限值以內(nèi)；長江中下游污泥中除Cr和Ni外，其他重金屬含量均超過GB 4284—2018標準限值，污泥產(chǎn)物農(nóng)用時存在重金屬含量超過標準限值的風險. 因此，選擇污泥處理處置技術(shù)路線時，需充分評估污泥中重金屬對其處置途徑的影響.

綜上，長江經(jīng)濟帶各省市污泥產(chǎn)率及有機質(zhì)含量普遍低于全國水平，pH為中性、總養(yǎng)分含量超過5.0%、重金屬含量存在超過GB 4284—2018標準限值的風險.

表1 長江經(jīng)濟帶和全國污泥pH、有機質(zhì)及養(yǎng)分含量[17]

表2 長江經(jīng)濟帶和全國污泥重金屬含量以及農(nóng)用污泥產(chǎn)物重金屬含量限值

注： 1) 標準值參考GB 4284—2018《農(nóng)用污泥污染物控制標準》.

2 污泥生物處理技術(shù)進展及適用性

2.1 污泥厭氧消化技術(shù)進展

厭氧消化是指在無氧條件下，由兼性菌和厭氧細菌分解有機質(zhì)并產(chǎn)生沼氣的過程[19-20]. 厭氧消化技術(shù)是西班牙、英國、意大利、芬蘭和斯洛伐克等國家最主流的污泥處理技術(shù)[21-22]；美國和日本大多數(shù)污水廠也采用厭氧消化技術(shù)處理污泥[14]. 我國污泥厭氧消化率不足3%，與發(fā)達國家相差較大[14]. 究其原因有以下兩點： ①我國的政策長期以來“重水輕泥”，對污泥的處理處置重視程度低，資金投入不足； ②我國污泥有機質(zhì)含量普遍較低且微細砂含量較高，直接采用國外成熟設(shè)備會出現(xiàn)厭氧消化轉(zhuǎn)化率低、厭氧消化設(shè)備運行不穩(wěn)定的現(xiàn)狀； ③缺乏系統(tǒng)規(guī)劃，導(dǎo)致污泥厭氧消化產(chǎn)物消納途徑不明朗. 對于長江經(jīng)濟帶各省市而言，其污泥中有機質(zhì)含量普遍低于55%，污泥厭氧消化工程運行的穩(wěn)定性較差的情況尤為普遍.

“十一五”以來，我國全面推進污水處理廠污泥處理處置政策和標準的編制，進而推動污泥厭氧消化工程的落地，我國污泥厭氧消化技術(shù)因此得到了有效的發(fā)展，涌現(xiàn)出了一批新技術(shù). 如針對厭氧消化過程中的產(chǎn)氣率與有機質(zhì)降解率較低問題，開發(fā)了高級厭氧消化技術(shù)，即通過高溫熱水解等預(yù)處理手段可實現(xiàn)污泥破壁，降低難降解有機質(zhì)含量，增加易降解有機質(zhì)含量，提升污泥厭氧消化效率[23-25]；針對污泥來源不穩(wěn)定以及有機質(zhì)含量較低問題，開發(fā)了污泥與其他有機固體廢物協(xié)同厭氧消化技術(shù)，提升共發(fā)酵基質(zhì)中易生物降解組分的含量、調(diào)節(jié)發(fā)酵底物的理化性質(zhì)，進而提升厭氧消化過程的產(chǎn)氣率，并且產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)、降低綜合投資成本[9]；針對厭氧消化工程投資運營成本較高問題，開發(fā)了高含固厭氧消化技術(shù)(含固率≥15%)，實現(xiàn)在高含固率情況下污泥厭氧消化設(shè)備的正常運行，提升了單位體積反應(yīng)器的污泥處理能力，進而降低反應(yīng)器體積和保溫能耗[26-27]. 此外，隨著我國污水管網(wǎng)逐步修復(fù)與完善、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進度逐漸放緩，我國污泥泥質(zhì)呈有機質(zhì)含量上升、微細砂和金屬含量降低、泥齡縮短的趨勢. 由此可見，制約污泥厭氧消化項目推廣的因素正在逐步被破解，污泥厭氧消化技術(shù)已具備大規(guī)模推廣的潛力.

2.2 污泥好氧發(fā)酵技術(shù)進展

好氧發(fā)酵是指在好氧條件下，由好氧嗜熱菌分解有機質(zhì)并形成腐殖質(zhì)的過程[28-29]. 現(xiàn)代好氧發(fā)酵技術(shù)源自傳統(tǒng)堆肥技術(shù)，廣泛用于有機固體廢物的處理，可實現(xiàn)有機質(zhì)的高效降解與穩(wěn)定化，其產(chǎn)物可用作有機肥或土壤改良劑[30-31]. 與厭氧消化技術(shù)相比，好氧發(fā)酵技術(shù)投資成本、運營與維護難度相對較低，在我國已有較多的工程實踐案例. 在實際工程應(yīng)用中，污泥好氧發(fā)酵技術(shù)所面臨的制約因素主要有以下三點： ①好氧發(fā)酵過程中臭氣控制難度大、成本高，缺乏廉價且可靠的臭氣控制技術(shù)； ②好氧發(fā)酵需要穩(wěn)定的調(diào)理劑來源，而傳統(tǒng)調(diào)理劑的供應(yīng)受到季節(jié)與地域的制約； ③污泥好氧發(fā)酵產(chǎn)品出路不暢，污泥產(chǎn)品的土地利用缺乏規(guī)劃且可能存在環(huán)境風險[32]. 對于長江經(jīng)濟帶各省市而言，其污泥中重金屬含量存在超過GB 4284—2018標準限值的情況，污泥發(fā)酵產(chǎn)品的出路不暢問題尤為突出.

“十一五”以來，隨著國家產(chǎn)業(yè)政策的傾斜，越來越多好氧發(fā)酵工程得以落地，好氧發(fā)酵工程的設(shè)計標準和規(guī)范趨于成熟[13]. 在基礎(chǔ)科研方面，針對污泥好氧發(fā)酵過程的臭氣及溫室氣體大量釋放問題，研究了臭氣及溫室氣體的產(chǎn)生機制，通過提升易降解有機質(zhì)含量、添加調(diào)理劑等方式，減少好氧發(fā)酵過程臭氣及溫室氣體的排放量[33]；針對好氧發(fā)酵過程有機調(diào)理劑來源不穩(wěn)定問題，研究了好氧發(fā)酵過程碳源的作用機制，通過使用無機調(diào)理劑及反混料部分替代有機調(diào)理劑，減少對有機調(diào)理劑的依賴[34-35]；針對好氧發(fā)酵產(chǎn)物土地利用時存在重金屬和有機污染物污染的風險，通過強化微生物活性、添加鈍化材料、改變好氧發(fā)酵過程的通風參數(shù)等方式，實現(xiàn)重金屬鈍化、強化有機污染物降解，降低好氧發(fā)酵產(chǎn)物中重金屬活性與有機污染物含量[36-37]. 在好氧發(fā)酵裝備制造上，智能化的控制系統(tǒng)與一體化設(shè)備相繼研發(fā)成功并落地使用，采用新型好氧發(fā)酵設(shè)備既可以降低好氧發(fā)酵工程的投資與人工成本，又可以精準調(diào)節(jié)好氧發(fā)酵過程中的參數(shù)、提高好氧發(fā)酵效率，還可以在全密閉環(huán)境中處理污泥、減少臭氣和溫室氣體排放對環(huán)境的影響[15,35]. 制約污泥好氧發(fā)酵技術(shù)推廣的因素也相繼被破解，污泥好氧發(fā)酵技術(shù)也將迎來蓬勃的發(fā)展.

2.3 污泥生物技術(shù)的適用范圍

缺乏對污泥產(chǎn)物消納途徑的規(guī)劃是除技術(shù)條件限制以外導(dǎo)致現(xiàn)有污泥生物處理項目運行不暢的另一原因. 因此，在污泥處理處置項目的設(shè)計階段，需充分調(diào)研該項目的污泥處理量、泥質(zhì)、其他城市有機固體廢物的協(xié)同處理處置潛力以及污泥處置途徑，基于每一座城市的具體情況尤其是污泥具體出路，制定相應(yīng)的規(guī)劃，優(yōu)化各技術(shù)單元之間的銜接關(guān)系. 采用污泥厭氧消化和好氧發(fā)酵技術(shù)處理污泥的基本前提有以下幾個：

a) 污泥厭氧消化設(shè)備運行穩(wěn)定性，其主要受到污泥中有機質(zhì)含量的影響. 當污泥處理量較少時，采用厭氧消化技術(shù)的成本相對較高. 針對污泥處理量大于100 t/d的項目，如污泥有機質(zhì)含量高于50%，可直接采用高級厭氧消化工藝處理污泥；如污泥有機質(zhì)含量低于50%，若可通過與有機質(zhì)含量較高的有機固廢(如餐廚垃圾)協(xié)同處理，使得發(fā)酵基質(zhì)有機質(zhì)含量高于50%，適合于采用協(xié)同(高級)厭氧消化技術(shù)，若不具備協(xié)同厭氧消化條件，不建議采用厭氧消化技術(shù). 針對污泥處理量小于100 t/d的項目，若有足夠有機固廢可供協(xié)同，即污泥與其他有機固廢處理的處理量之和大于100 t/d時，可采用協(xié)同(高級)厭氧消化技術(shù)，否則不建議采用厭氧消化技術(shù).

b) 經(jīng)厭氧消化后的污泥，可根據(jù)城市實際情況選取污泥產(chǎn)物的消納途徑. 針對污泥產(chǎn)物中重金屬含量不超過標準限值情形(見表2)，若項目所在地具備土地利用條件，可采用好氧發(fā)酵技術(shù)對其進行穩(wěn)定化處理，其后進行土地利用；若項目所在地具備建材利用條件，可直接進行建材利用或焚燒后進行建材利用；若項目所在地不具備資源化條件，則需(協(xié)同)焚燒后進行填埋處置. 針對污泥中重金屬含量超過GB 4284—2018標準限值的情況，需(協(xié)同)焚燒后進行填埋處置.

c) 好氧發(fā)酵技術(shù)對污泥有機質(zhì)含量要求較低，而且長江經(jīng)濟帶各省市污泥養(yǎng)分含量較高(見表1)，然而，僅當污泥中重金屬含量不超過GB 4284—2018標準限值(見表2)且項目所在地具備足夠的土地利用潛力時，才適合采用好氧發(fā)酵技術(shù)處理污泥. 針對污泥處理量大于100 t/d的項目，好氧發(fā)酵可作為污泥厭氧消化的后續(xù)工藝，實現(xiàn)厭氧消化污泥的穩(wěn)定化，使之符合土地利用的需求，這也是歐美國家廣泛使用的技術(shù)路線[20]；針對污泥處理量小于100 t/d的項目，可采取好氧發(fā)酵后直接進行土地利用技術(shù)路線，該技術(shù)路線在長江經(jīng)濟帶農(nóng)村污水污泥處理處置項目上具有較大的優(yōu)勢和推廣潛力.

綜上，污泥處理處置是一個系統(tǒng)工程，污泥生物處理技術(shù)具有其局限性. 但是，通過與上下游技術(shù)相協(xié)同，污泥生物處理技術(shù)不僅可以實現(xiàn)污泥的資源化，還具備經(jīng)濟可行、環(huán)?？煽康忍攸c. 因此，經(jīng)過合適的規(guī)劃與有效的協(xié)同，污泥生物處理技術(shù)可在長江保護工作中發(fā)揮較大的作用.

3 結(jié)論與建議

a) 長江經(jīng)濟帶各省市污泥產(chǎn)量約占全國污泥產(chǎn)量的40%，污泥產(chǎn)率普遍低于全國平均水平，長江經(jīng)濟帶各省市污泥有機質(zhì)含量低于55%、pH為中性、總養(yǎng)分含量超過5.0%，重金屬含量存在超過GB 4284—2018標準限值的風險.

b) 高級厭氧消化、協(xié)同厭氧消化和高含固厭氧消化等技術(shù)的發(fā)展破解了由于長江經(jīng)濟帶污泥有機質(zhì)含量普遍較低而導(dǎo)致的污泥厭氧消化穩(wěn)定性低的問題，降低了污泥厭氧消化工程的成本.

c) 污泥好氧發(fā)酵過程重金屬鈍化技術(shù)的發(fā)展在一定程度上破解了由于長江經(jīng)濟帶污泥重金屬含量過高而導(dǎo)致的污泥發(fā)酵產(chǎn)物出路不暢問題.

d) 污泥生物處理技術(shù)仍具有一定的局限性，通過合適的規(guī)劃，污泥生物處理技術(shù)可與其他污泥處理處置技術(shù)高效耦合，具有廣泛應(yīng)用于長江大保護污泥處理處置項目的潛力.