謝 昆，尹 靜，陳 星

（重慶三峽學(xué)院三峽庫區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重慶高校市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶404100）

據(jù)統(tǒng)計(jì)截至2017 年底，我國城鄉(xiāng)污水處理廠共計(jì)3 781 座，污水處理量達(dá)553.26 億m3，產(chǎn)生含水率為80%的污泥約5 000 余萬t（按污水量的0.1%計(jì)）〔1〕。我國污泥的來源及成分較為復(fù)雜，主要分為市政污泥和工業(yè)污泥，由于各地區(qū)污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)及處理工藝等因素的不同，致使污泥泥質(zhì)差異明顯〔2〕；此外，泥質(zhì)隨季節(jié)性波動(dòng)大。污泥的最終處置與污泥性質(zhì)息息相關(guān)，弄清污泥泥質(zhì)對(duì)污泥最終處置至關(guān)重要。

污水污泥中含有蛋白質(zhì)、碳水化合物、多羥基烷烴等有機(jī)化合物，而且濃縮了污水處理和污泥脫水過程中的重金屬等有害物質(zhì)和生物/化學(xué)添加劑。這些有害物質(zhì)不加處理直接排入環(huán)境中，將會(huì)對(duì)土壤、水體等產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，給生態(tài)環(huán)境帶來巨大的壓力〔3-4〕。目前，我國城市污泥處置技術(shù)還不夠成熟，處置設(shè)施建設(shè)相對(duì)滯后〔1〕，技術(shù)管理人員專業(yè)技能缺失，已建設(shè)施運(yùn)行不佳，經(jīng)濟(jì)回報(bào)效果不理想。污泥無害化處置新老問題突出顯現(xiàn)，“十三五”規(guī)劃、“水十條”等系列政策、標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)的出臺(tái)，讓我國污水污泥產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

1 污泥處置技術(shù)

我國市政污泥pH 大多在6.5～7.0，含水率一般在95%～99%〔5〕，經(jīng)過減容處理后含水率可降至60%～80%〔6〕。污泥中含有豐富的N、P、K 和灰分，其中含氮量約為3%，污泥C/N 比為（10～20）∶1，適合厭氧消化〔7〕。我國市政污泥有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)（干重）低于歐美國家，約為50%～70%，揮發(fā)性固體（VSS）、碳水化合物（淀粉、纖維、糖分）質(zhì)量分?jǐn)?shù)（干重）高于50%，脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)（干重）約為20%〔8〕。污泥中還含有無機(jī)氧化物（SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等）〔6〕和重金屬（As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 等）〔9〕。值得注意的是，不同地區(qū)、來源的污泥重金屬含量相差較大，在很大程度上影響污泥處置技術(shù)路線。

在污泥處理方面，我國采用了多種技術(shù)，這些技術(shù)與污水處理廠的規(guī)模和最終處理方法有關(guān)，如圖1 所示。其中，穩(wěn)定填埋和干化+土地利用這兩種處置最簡單，在我國使用最為普遍。干化+焚燒+填埋是現(xiàn)階段我國最常用的污泥處置方式?，F(xiàn)將各類處置技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

圖1 污泥處理處置技術(shù)路線

1.1 穩(wěn)定填埋

污泥填埋只需對(duì)污泥進(jìn)行基本的減量化和無害化處理，操作流程簡單、處理量大，而且運(yùn)行的過程中成本耗費(fèi)較低〔10〕。我國污泥的穩(wěn)定化處理多通過添加適量石灰實(shí)現(xiàn)〔11〕，在小紅門、廊坊等多處污水處理廠中應(yīng)用，污泥（含水率80%）綜合處理的價(jià)格在100～150 元/t〔12〕，因此曾是處置污泥的主要方法之一。主要有單獨(dú)填埋和與城市垃圾、工業(yè)垃圾混合填埋幾種方式。以重慶市為例，除了主城區(qū)以外的區(qū)縣因未建設(shè)污泥處置設(shè)施，污水處理廠產(chǎn)生的污泥大都混入生活垃圾進(jìn)行填埋，占污泥處置總量的31.75%〔13〕。污泥（含水率80%）既會(huì)影響垃圾填埋場(chǎng)的機(jī)械作業(yè)，又極易引起滲濾液收集系統(tǒng)的堵塞，縮短了垃圾填埋場(chǎng)的使用壽命。眾所周知，填埋場(chǎng)地占地廣、選址困難，地理位置偏僻，使得污泥轉(zhuǎn)運(yùn)成本高，并且污泥填埋處置周期長，城市污泥的有毒成分（有機(jī)/無機(jī)化合物、重金屬細(xì)菌和病原體等）經(jīng)過雨水侵蝕產(chǎn)生的滲濾液進(jìn)入土壤、地下水，導(dǎo)致土壤、地下水污染〔14〕。因此，污泥填埋正逐步被摒棄。

1.2 干化+焚燒+填埋

干化+焚燒+填埋是我國現(xiàn)階段最常用的污泥處理處置方式之一，經(jīng)簡單脫水處理的污泥含水率、灰分和重金屬含量高，熱性能差，燃燒效率不高，通常不能被完全處理〔10〕。因此，還需對(duì)脫水后的污泥進(jìn)行半干化處理。污泥干化焚燒后填埋相比于直接填埋具有減容減重效果好、占地少的優(yōu)勢(shì)。且焚燒利用高溫燃燒對(duì)污泥中的有機(jī)物、蟲卵及病原體進(jìn)行處理，使污泥成為穩(wěn)定的灰渣。國內(nèi)常用的污泥焚燒方式分別包括熔渣式回轉(zhuǎn)窖焚燒、水泥窖協(xié)同焚燒和獨(dú)立流化床焚燒、循環(huán)流化床焚燒。合肥市中心城區(qū)污泥焚燒，主要采用垃圾焚燒廠協(xié)同焚燒〔15〕。不同焚燒方式各有優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 不同污泥焚燒技術(shù)對(duì)比

焚燒后填埋相比直接填埋其優(yōu)勢(shì)在于占地面積小，焚燒處理可全天操作，不易受天氣影響。污泥焚燒不僅能降低污泥的體積〔10〕（剩余體積約機(jī)械脫水污泥體積的10%），降低污泥的后處理成本，還能分解35 種有機(jī)污染物〔16〕，降低毒性〔10〕，殺死病原體和細(xì)菌。此外，焚燒能減少污泥惡臭氣味的產(chǎn)生〔10〕。焚燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔鉄崮芸捎脕砉峒鞍l(fā)電?；曳种泄坛值牟糠譅I養(yǎng)物質(zhì)，可分離提取，達(dá)到污泥資源化利用的目的。

焚燒能減小污泥體積，使后續(xù)處理成本降低，但基建投資費(fèi)用高，能耗大，處理成本高，焚燒設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高。如800 t/d 干化焚燒工程的建設(shè)費(fèi)用約4.8億元〔17〕，當(dāng)污泥干基熱值高于15 MJ/kg 時(shí)，焚燒成本約為116 元/t〔18〕；深圳某污泥干化焚燒企業(yè)干化焚燒（含水率為80%的污泥）的成本在470～590 元/t〔19〕，常州某熱電有限公司利用流化床鍋爐處理含水率80%污泥，投資總額120 萬元，混燒處理成本為106元/t〔17〕。此外，焚燒產(chǎn)生的固體殘?jiān)头贌龔U氣〔20〕中的有害物質(zhì)會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。例如，焚燒過程中，重金屬不會(huì)因高溫?zé)崽幚矶黄茐?，不易揮發(fā)的重金屬保留在剩余殘?jiān)?。?dāng)剩余殘?jiān)┞对趹敉庾匀焕匣蛟谟袡C(jī)酸誘導(dǎo)作用下，Pb 和Zn 等重金屬的可浸出性大增，從而影響土壤質(zhì)量〔21〕。焚燒還存在砷、SO2、NOx、多環(huán)芳烴（PAHs）和二英等二次污染物排放的缺點(diǎn)〔22-24〕，對(duì)大氣造成嚴(yán)重污染問題。

能否減少污泥焚燒的成本，控制污泥焚燒產(chǎn)生的二次污染物量，降低焚燒衍生產(chǎn)品的毒性，成為制約污泥焚燒技術(shù)發(fā)展瓶頸。

1.3 干化+土地利用

鑒于污泥中的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀以及微量元素，在一定程度上能改良土壤性質(zhì)，提高肥力。由于污泥較高的含水率而不能直接作土地利用材料，需對(duì)其進(jìn)行干化處理，根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2018 年發(fā)布并將于2019 年6 月實(shí)施的《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4284—2018）要求，農(nóng)用污泥含水率需低于60%。此外需嚴(yán)格控制農(nóng)用污泥產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)污染物濃度將農(nóng)用污泥劃分為A 級(jí)和B 級(jí)污泥產(chǎn)物，其污染物濃度限值見表2。

表2 污泥產(chǎn)物的污染物濃度限值（以干基計(jì)） mg/kg

按照最新標(biāo)準(zhǔn)要求，符合A 級(jí)污泥產(chǎn)物可用于耕地、園地、牧草地；B 級(jí)污泥產(chǎn)物可用于園地、牧草地、不種植食用農(nóng)作物的耕地，年用量累計(jì)不應(yīng)超過7.5 t/hm2（以干基計(jì)），連續(xù)使用不應(yīng)超過5 a。可農(nóng)用的污泥衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)應(yīng)滿足蛔蟲卵死亡率不小于95%，糞大腸菌群值大于0.01。

城市污泥添加對(duì)土壤的理化特性〔25-26〕和養(yǎng)分性質(zhì)有一定的改善作用〔27-29〕，從而最大限度地減少對(duì)化肥的依賴〔30-31〕，緩解土地肥力的 下降〔32〕以及 土地的流失。對(duì)于有機(jī)質(zhì)缺乏的土壤進(jìn)行有機(jī)質(zhì)修復(fù)，對(duì)土壤肥力的提高有重要意義〔33-34〕。污泥土地利用以生態(tài)友好方式處置污泥，遵循循環(huán)利用資源理念，實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1.4 厭氧消化/好氧堆肥+土地利用

國內(nèi)污泥厭氧消化處理規(guī)模最大的上海白龍港污水處理廠日產(chǎn)沼氣達(dá)44 512 m3〔35〕，提純后的沼氣可用于生產(chǎn)以及汽車燃料，節(jié)約能源的消耗。污泥沼渣中有機(jī)質(zhì)含量低，且泥質(zhì)穩(wěn)定，適宜用于園林綠化有機(jī)肥。厭氧消化因其能耗低、含碳量少、污泥總體積小、產(chǎn)甲烷量高等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用〔36-37〕。

污泥堆肥技術(shù)的主要機(jī)理是：在微生物發(fā)酵作用下，使污泥中不穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)降解和轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，最終形成CO2、H2O、NH3和無機(jī)鹽等；污泥中的病原菌與蟲卵被殺死，同時(shí)一定程度上消除惡臭〔38〕。

厭氧消化產(chǎn)生的沼渣和好氧堆肥產(chǎn)品可以供土地利用，供給土壤肥力，作為土壤改性材料；但污泥（含水率80%）厭氧消化投資為25～80 萬元/t，日常運(yùn)行成本為120～245 元/t〔39〕，此外城市污水處理廠處理的污水中會(huì)混有少量重金屬廢水，這些重金屬會(huì)通過吸附、轉(zhuǎn)移、絡(luò)合等作用富集到污泥中，最終進(jìn)入到污泥產(chǎn)品中，具有潛在的生態(tài)環(huán)境毒性，阻礙了污泥產(chǎn)品的土地利用。

我國用此技術(shù)路線處置污泥比例不高的原因包括：（1）污泥所含懸浮有機(jī)物量大，產(chǎn)甲烷微生物代謝率低，有機(jī)物去除率低（20%～40%），需要較長的水力停留時(shí)間（10～20 d）〔35〕；（2）無論是厭氧消化還是厭氧堆肥工藝，成本投入較高，構(gòu)筑物占地面積大；（3）城市污泥土地利用涉及到市政、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等多個(gè)方面，各部門對(duì)可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度大相徑庭，遲遲未能統(tǒng)一意見，不能推廣應(yīng)用。

1.5 干化+熱解

污泥熱解是在無氧條件下使有機(jī)物熱裂解，形成利用價(jià)值高的污泥熱解油、熱解氣體、焦炭等。污泥熱解油作為污泥熱解過程的中間產(chǎn)物，可作鍋爐和運(yùn)輸燃料，是一種潛在的清潔優(yōu)質(zhì)燃料〔40-41〕。Ningbo Gao等〔42〕在管式熱解器550 ℃條件下獲得焦油產(chǎn)量高達(dá)干污泥質(zhì)量的46.14%。熱解氣體主要由H2、CH4、CO組成，經(jīng)凈化處理后可完全清除重金屬及其氧化物，可作為化工原料或熱電聯(lián)產(chǎn)的原料。Guotao Yu 等〔43〕將Fe2（SO4）3加入污水污泥中作為一種有效的催化劑，熱解處理成功減少城市污泥產(chǎn)量。焦炭是污泥熱解產(chǎn)生的主要副產(chǎn)物（約為原料質(zhì)量的50%）。炭保留了污泥的多相性，包含各種形式的熱分解（碳化）有機(jī)（20%～50%）和無機(jī)（50%～80%）化合物〔44〕。由于污泥熱解炭中主要植物養(yǎng)分（N、P、K）含量滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，熱解炭表面積大，與土壤顆粒接觸良好〔45〕，有利于養(yǎng)分的交換，可以促進(jìn)植物生長，修復(fù)污染土壤〔46〕，因此熱解炭可以作為土壤改良劑〔47-49〕。此外，從污泥熱解產(chǎn)物中提取出的熱解炭可以作為固體燃料進(jìn)行產(chǎn)熱，熱解炭熱值可高達(dá)10～16 MJ/kg，接近低品位煤的熱值〔50-51〕。

1.6 燒制+建筑材料

將污泥干化后燒制作建筑材料，主要包括燒制墻體材料（磚、陶粒等）、水泥窯協(xié)同處理等，用于污泥資源化處置。將干化污泥直接作為建筑材料原材料，從工藝特點(diǎn)上來看，經(jīng)過高溫煅燒制備建材可以殺死污泥中的病原菌及寄生蟲卵，使重金屬固化于高溫礦物的結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)重金屬離子的穩(wěn)定化，降低對(duì)環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)?？蓪⑽勰嘀瞥商樟＃罁?jù)陶粒強(qiáng)度具有可設(shè)計(jì)性制作高強(qiáng)混凝土等材料，常用于橋梁工程，高層建筑框架。考慮到污泥特性，大量的研究分析了城市污水處理廠污泥用于生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)品的可行性〔58-59〕。污泥添加量超過10%會(huì)降低磚的抗壓強(qiáng)度〔60〕。此外污泥也可作為水泥膠結(jié)材料使用〔61〕。

將污泥用作建筑材料的技術(shù)難點(diǎn)在于能否嚴(yán)格保證建材符合國家和地方的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是否會(huì)在使用中對(duì)環(huán)境和人體造成危害；其次，污泥類建材產(chǎn)品能否被大眾所接受。該類處理方法在部分發(fā)達(dá)國家已逐步發(fā)展起來，我國將其用作建材處理的案例較少?，F(xiàn)有合肥佳安建材年產(chǎn)2 億塊燒結(jié)污泥煤矸石節(jié)能環(huán)?？招拇u、空心砌塊技改項(xiàng)目協(xié)同處置污泥2 個(gè)項(xiàng)目，可達(dá)到260 t/d（含水率60%）污泥協(xié)同處置能力。經(jīng)測(cè)算，改造項(xiàng)目總投資約6 300 萬元，另有建材廠改造費(fèi)用330 萬元，運(yùn)行成本包括高干脫水費(fèi)150元/t 和建材協(xié)同處置費(fèi)140 元/t，共計(jì)290 元/t〔15〕。

2 案例分析

以合肥市中心城區(qū)污泥處置為例，根據(jù)當(dāng)?shù)匚勰嗄噘|(zhì)，現(xiàn)主要采用的技術(shù)方案有熱電廠摻燒、綠化土壤改良、資源化利用等3 種方式。據(jù)估計(jì)，合肥市中心城區(qū)污泥在2021 年產(chǎn)生量將高達(dá)1 360 t/d。新建污泥處理處置設(shè)施尚未投產(chǎn)，急需采取有效的應(yīng)對(duì)措施。通過對(duì)現(xiàn)有工藝及泥質(zhì)分析后，合肥市擬采取多元化的處理處置方式——污泥干化、協(xié)同焚燒與高干脫水、建材利用并行的手段作為近期（2019年—2021 年）主要方案〔15〕，同時(shí)將利用土地簡易堆肥作為應(yīng)急補(bǔ)充手段。投資及運(yùn)行成本分析見表3。

表3 合肥市中心城區(qū)污泥處理處置投資及運(yùn)行成本

3 結(jié)語

綜上，鑒于我國污泥產(chǎn)生量日益增多，且成分復(fù)雜，污泥的處理處置技術(shù)亟需發(fā)展。在現(xiàn)有技術(shù)中，污泥焚燒填埋較為常用，但污泥的資源化利用途徑更具潛力。未來污泥處理處置的技術(shù)發(fā)展主要有以下4 條路徑：（1）污泥干化+焚燒后填埋技術(shù)路線；（2）沼氣能源回收和土地利用為主的厭氧消化/好氧堆肥技術(shù)路線；（3）污泥干化+熱解技術(shù)路線；（4）建材利用為主的技術(shù)路線。對(duì)于污泥的資源化利用需要在以下幾方面加以完善：

（1）當(dāng)前國內(nèi)污泥干化焚燒技術(shù)發(fā)展正處于起步階段，工程建設(shè)問題和運(yùn)行問題較多，應(yīng)注重工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累；控制污泥干化焚燒成本、能耗及焚燒衍生產(chǎn)品的毒性。

（2）加強(qiáng)污泥不同熱解技術(shù)及熱解機(jī)理的探究，進(jìn)行熱解工藝優(yōu)化、關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)，推進(jìn)工業(yè)化進(jìn)程，并將新技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)。

（3）目前，相關(guān)部門對(duì)于污泥土地利用沒有達(dá)成共識(shí)，公眾對(duì)污泥資源化利用認(rèn)知程度不夠。相關(guān)部門應(yīng)建立和完善污泥資源化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制，制定科學(xué)、有效、統(tǒng)一的法規(guī)政策；對(duì)公眾應(yīng)積極宣傳污泥土地利用的利弊，加深其對(duì)污泥資源化的認(rèn)知程度。

（4）積極研究利用污泥制作建材，確保污泥建筑材料在使用過程中不會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康造成危害。

總之，在城市污泥處置中，需要兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)效益，選擇合適的污泥處置方式和再利用技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定無害化處置。