石穩(wěn)民， 黃文海， 羅金學， 彭冠平，邱震寰， 薛強， 秦雄， 梁亞楠

（1.中建三局綠色產業(yè)投資有限公司， 武漢 430056； 2.中建三局水務環(huán)保設計研究院， 武漢 430014）

通溝污泥（管網污泥）是指排水管網養(yǎng)護過程中疏通清掏出的沉積物污泥。 管道沉積物成分特性復雜， 既包含雨水、 污水中易沉降顆粒物， 同時還夾雜道路降塵、 生活垃圾、 砂石以及部分建筑工地的工程泥漿等［1-2］。 通溝污泥如不及時清掏， 會造成管道淤積、 過流斷面變小， 進而引發(fā)積水和污水冒溢等問題， 同時管網沉積物對污水中有機物的截留作用， 也是導致污水處理廠進水有機物濃度偏低的重要因素［3］。 此外， 在雨季沖刷作用下管網沉積物進入下游河道， 是造成河道水體黑臭的主要污染來源之一［4-5］。

隨著城市水環(huán)境綜合治理工作的縱深推進， 對城市排水管道的精細化養(yǎng)護和管理日益強化， 通溝污泥的數(shù)量也與日俱增。 據統(tǒng)計， 僅上海市每年通溝污泥產生量就有大約30 萬m3， 大量清掏出的通溝污泥的存放、 處理和處置將是城市管理面臨的一大難題［4］。 傳統(tǒng)通溝污泥處理方式是將清淘后污泥堆置在附近綠地天然晾曬， 經干燥脫水后運往垃圾填埋場進行填埋處置。 由于通溝污泥成分復雜， 含水率高， 可能含有重金屬和致病菌等， 此種處理方式不但二次污染嚴重， 對周邊環(huán)境影響大， 同時直接填埋也將占用大量寶貴的土地資源［6］。 為了進一步實現(xiàn)通溝污泥的減量化、 穩(wěn)定化和資源化綜合處理， 北京、 上海、 天津等城市率先開展通溝污泥相關研究工作， 借鑒吸收德國、 日本等先進工藝技術， 陸續(xù)開發(fā)了通溝污泥“預處理-水力淘洗”、 “預處理-回收利用”、 “管網污泥減量化處理工藝”等處理技術體系。 建成了以北京清河通溝污泥處理工程［7］， 上海市長寧區(qū)［1］、 浦東新區(qū)［8］、 閔行區(qū)［4］通溝污泥處理工程， 常德市管網污泥處理廠等為代表的示范工程。 當前， 我國通溝污泥處理處置問題尚未得到足夠重視， 本文在廣泛調查研究的基礎上，從通溝污泥的來源與特性等方面進行分析， 總結了當前通溝污泥處理處置技術的研究現(xiàn)狀， 對存在問題和改進思路進行了剖析和展望， 以期為后續(xù)通溝污泥的處理處置提供參考借鑒。

1 通溝污泥的來源與特性分析

1.1 來源與組成

通溝污泥簡稱“溝泥”， 一般指“城市管道疏浚污泥”， 主要來自城市管網（雨水管、 污水管和合流管）的清掏作業(yè)。 通溝污泥在組成上包含有機質和無機礦化成分兩大類， 是有機污泥、 渣土、 砂石、生活垃圾、 污水的混合物［2，6］。 有機物質主要來自污水中易沉積的顆粒物與雜質， 無機礦化成分則主要是隨雨水進入管道系統(tǒng)的砂石、 工程泥漿以及其他雜物等。

相比剩余污泥、 給水污泥等其他市政污泥， 通溝污泥成分特性復雜， 排水體制、 清掏方式、 清掏周期等均對其有一定影響。 此外， 通溝污泥具有產生源分散、 分布面廣、 單點產生量小和不定時等特點［6］， 相對其他市政污泥處理處置難度更大。

1.2 主要特性分析

根據上海市采樣分析結果顯示， 通溝污泥含水率與清掏作業(yè)方式以及作業(yè)設備有關， 機械清掏一般為40%～60%， 水力清掏一般為80%～95%， 污泥pH 值一般為7.1 ～8.5。 此外， 通溝污泥顆粒物較細， 小于0.2 mm 的顆粒物數(shù)量占總數(shù)的50% 以上［9］。 通溝污泥主要以無機礦化成分為主， 有機質含量較低， 通溝污泥中有機質平均質量分數(shù)約為17.2%。 典型通溝污泥化學成分見表1［9-10］。

表1 上海市通溝污泥化學成分Tab. 1 Chemical composition of sewer sludge in Shanghai

除此之外， 通溝污泥中可能還含有重金屬、 有機物、 致病菌等污染成分。 研究表明［9］， 上海市通溝污泥的重金屬高于本土背景值， 但基本在農用限制值以下。 通溝污泥中其他主要污染物為有機物、懸浮顆粒和營養(yǎng)鹽等［4］， 典型通溝污泥污染物濃度見表2。

表2 上海市通溝污泥污染物濃度Tab. 2 Pollutants concentrations of sewer sludge in Shanghai

2 通溝污泥處理處置技術研究進展

2.1 國內外通溝污泥處理技術及優(yōu)劣勢分析

在通溝污泥的最終處置上， 目前國內外處理技術主要包括以下兩大類［1］： 一是直接脫水后， 運往垃圾填埋場填埋； 二是經過預處理后， 分離出雜物， 有機污泥重新進入污水處理廠。

第一類處理方法主要在于降低污泥含水率， 從而達到減量化的目的。 污泥脫水方式如自然風干、機械脫水、 加熱烘干等在通溝污泥處理的適應性分析如表3 所示。 由于通溝污泥夾雜大量垃圾、 建筑垃圾等對機械設備損耗較為嚴重， 在進行處理前需采取必要的預處理措施， 以分離垃圾、 塊石等雜物， 因而傳統(tǒng)的市政污泥直接脫水的方式并不適用于通溝污泥。

表3 通溝污泥脫水方式優(yōu)劣勢對比Tab. 3 Comparison of advantages and disadvantages of dewatering methods for sewer sludge

第二類處理方法主要通過預處理， 將通溝污泥分離為生活垃圾和砂石、 有機污泥和水等， 生活垃圾和砂石運往填埋場填埋或者資源化利用， 而有機污泥和水則通過納管進入污水處理廠處置。 目前，常見的技術工藝包括分離、 回灌和填埋綜合處理，預處理-回收利用聯(lián)合處理等［8］。 分離、 回灌和填埋綜合處理技術實現(xiàn)了雜物的分離， 但部分有機物附著在顆粒物表面， 容易產生臭味對環(huán)境造成二次污染。 預處理-回收利用聯(lián)合處理技術則在此基礎上增加了洗滌步驟， 實現(xiàn)了有機物與砂礫的分離， 同時對多級分離篩出的雜物進行綜合資源化利用。

根據“減量化、 無害化、 穩(wěn)定化、 資源化”的處理原則， 對幾種通溝污泥的處理處置技術分析對比如表4 所示。

表4 通溝污泥處置方式對比Tab. 4 Comparison of disposal methods for sewer sludge

直接填埋工藝占用大量土地資源， 二次污染嚴重， 未實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化、 資源化， 逐漸被棄用；以篩分分離為基礎的處理工藝， 可實現(xiàn)污泥雜物的分離與資源化利用， 對環(huán)境影響較小， 在國內很多工程中得到了應用。

2.2 基于預處理篩分的通溝污泥處理技術

2.2.1 預處理-水力淘洗工藝

該工藝主要以上海市長寧區(qū)、 虹口區(qū)通溝污泥處理工程為代表［1，11］， 典型工藝流程如圖1 所示。

圖1 預處理-水力淘洗工藝流程Fig. 1 Process flow of pretreatment-hydraulic washing

通溝污泥經運輸車卸料至接收槽粗格柵上， 去除塊石、 垃圾等雜物， 柵下物進入下部污泥攪拌槽，經過水力淘洗后， 出料分為沉砂、 污水和沉渣3 部分。 沉砂經沉砂輸送機送至雙層轉鼓式設備， 通過篩濾作用分離為大于1 mm 的輕質浮渣和重質砂石。 輕質浮渣與攪拌槽浮渣一同送脫水機脫水后外運處置， 重質砂石可直接出料。 污水進一步送至砂水分離器， 分離出大于0.2 mm 以上的砂礫。 系統(tǒng)全部污水經收集后納管送往污水處理廠集中處理。

預處理-水力淘洗工藝作為最早引進開發(fā)的通溝污泥處置工藝， 可實現(xiàn)通溝污泥中塊石、 垃圾、浮渣和沉砂的分離， 具有操作方便、 運行費用低廉的特點， 為后續(xù)通溝污泥處理工程的建設實施提供了示范。 但水力淘洗工藝也存在如下問題： ①對顆粒物的粒徑分級程度不夠， 導致清洗設備負荷較大， 磨損嚴重； ②未實現(xiàn)砂礫與有機物的分離， 可能存在一定臭味， 影響建材化再利用； ③粗放式的水力淘洗消耗大量淘洗用水， 淘洗水倍率一般高達8 ∶1 ～10 ∶1； ④篩出物的資源化利用程度較低。

2.2.2 預處理-回收利用工藝

該工藝以上海市浦東新區(qū)、 閔行區(qū)通溝污泥處理處置工程為代表［4，8，12］， 典型工藝流程如圖2 所示。

圖2 預處理-回收利用工藝流程Fig. 2 Process flow of pretreatment-recycling

通溝污泥經運輸車運送至儲泥池， 經水平振動篩網分離磚塊、 樹枝等雜質。 污泥均化后經喂料倉輸送至轉鼓洗滌裝置， 分離出粒徑大于10 mm 的粗大物質。 砂水混合物經管道輸送至洗砂裝置， 分離出顆粒粒徑在0.2 ～10.0 mm 之間的可沉砂礫。洗砂裝置通過附壁效應高效分離有機物和礦化物，粒徑大于0.2 mm 的砂礫分離效率高達95%。 洗砂裝置上部溢流水經管道接入精細過濾裝置進行深度過濾， 可去除污水中的有機絮體， 分離出有機柵渣， 從而實現(xiàn)無害化的要求。 濾液經中間水池， 通過水力旋流裝置進一步分離10 μm 以上的細砂。系統(tǒng)污水經收集后納管進入污水處理廠集中處理。

在研究過程中， 對工藝細節(jié)進行了不斷改進優(yōu)化， 主要包括： ①采用水平振動篩網代替格柵網罩， 減少人工作業(yè)； ②采用分格式儲泥池， 實現(xiàn)洗滌轉鼓和洗砂裝置分質喂料， 從而提高運行效率；③根據前期工程經驗， 新增水力旋流工藝步驟， 高效分離粒徑小于0.2 mm 的極細砂礫， 減小了細顆粒物沉積對泵站和下游管網的影響； ④對系統(tǒng)臭氣進行加罩收集， 達標處理排放； ⑤對洗滌用水進行了合理回用， 節(jié)約淘洗用水， 降低了運行成本。 預處理-回收利用工藝相對預處理-水力淘洗工藝進一步對顆粒物進行了多級分離， 同時將有機物與無機礦化成分進行了有效分離， 篩出物的資源化利用程度也較高， 可實現(xiàn)通溝污泥的減量化、 無害化和資源化， 是目前較為成熟的通溝污泥處理工藝。

2.2.3 管網污泥減量化處理工藝

該工藝以上海青浦區(qū)市政通溝污泥處理工程、常德市管網污泥處理工程為代表［13］， 典型工藝流程如圖3 所示。

圖3 管網污泥減量化處理工藝流程Fig. 3 Process flow of sewer sludge reduction treatment

通溝污泥經運輸車傾卸至污泥接收池， 經過除雜格柵， 分離出粒徑大于100 mm 的雜物， 減少了對后續(xù)分離工序的影響。 污泥均質后經過螺旋給料機均勻分配至清洗分離機， 經沖洗后分離出粒徑在10 ～100 mm 之間的渣料。 粒徑小于10 mm 的物料進入泥水分離機， 經篩分作用分離出2 ～10 mm 粒徑的料渣， 篩下物經泵送進入一級旋流器。 經旋流器濃縮后的污泥混合液進入擦洗機， 上部溢流進入污水池中。 擦洗機可將砂礫表面附著的油脂、 有機物等清洗下來， 經擦洗機處理后的物料進入二級旋流器， 上部溢流進入污水池， 底部濃縮物進入有機物分離機中， 產生的砂可進一步通過泥水分離機脫水得到0.1 ～2 mm 的細砂。 有機物分離機產生的物料進入圓振篩分離出固體油脂、 有機腐殖質等。 系統(tǒng)污水經收集后泵送至濃密機絮凝沉降， 經板框壓濾后， 納入市政管網送至污水處理廠集中處理。

管網污泥減量化處理工藝通過多級篩分洗滌處理， 將通溝污泥分離為不同粒徑級別的渣料， 同時可實現(xiàn)污泥有機物和無機礦化成分的有效分離。 相比預處理＋回收利用工藝， 該工藝的主要不同在于分離設備的選用， 采用德國引進的清洗分離機、 油脂分離機等。 此外， 采用了二級旋流工藝， 分離效率更高， 同時還通過板框隔膜壓濾對污泥進行了脫水處理。 存在的主要問題有： ①除雜格柵需要人工清理， 可進一步優(yōu)化； ②采用絮凝加藥脫水進一步增加了處理成本， 以及額外污泥處理的成本； ③同時污泥脫水可能將從砂石表面洗脫的部分碳源截留， 降低了污水處理廠進水濃度。

2.3 處理工藝優(yōu)化建議

研究結果顯示， 上海市通溝污泥中粒徑大于10 mm 的物料約占25% ～30%， 粒徑為0.2 ～10 mm 的物料約占20% ～25%， 粒徑小于0.2 mm 的物料約占50%［4，12］。 污泥中顆粒物以極細顆粒物為主， 運行中發(fā)現(xiàn)泵站進水池中砂粒沉積嚴重， 污水直接排入管網也將造成下游污水處理廠進水中含砂量較高［12］。

綜合考慮預處理＋回收利用以及管網污泥減量化處理工藝的優(yōu)缺點， 建議取消水力旋流分離步驟， 直接將分離后的污泥混合液濃縮后再進板框脫水， 改進后的工藝流程如圖4 所示。

圖4 通溝污泥優(yōu)化處理工藝流程Fig. 4 Flow of optimized process for sewer sludge treatment

采用水力旋流分離器主要針對粒徑極小的粉砂， 分離效率較低， 同時增加系統(tǒng)能耗。 工藝改進后， 可省去水力旋流分離步驟， 通過板框過濾作用將其中細小粉砂徹底截留， 極大降低尾水攜帶泥沙對管網和污水處理廠的不利影響。

3 通溝污泥處理關鍵問題分析

3.1 通溝污泥資源化利用

市政污泥最終處置的主要途徑包括填埋、 堆肥、 土地利用、 焚燒、 建材利用等［14］。 通溝污泥組成中有機成分較低， 無機成分占比較大， 同時可能含有重金屬等污染物質， 因而不適合土地利用和堆肥［15］。 上海市開發(fā)了將脫水后的通溝污泥用作垃圾填埋場覆土的資源化利用途徑［15］， 但研究發(fā)現(xiàn)其含水率、 力學性能（如橫向剪切力）等需進一步優(yōu)化。未來隨著垃圾填埋場中間覆蓋材料逐漸改用HDPE膜， 此途徑利用空間逐漸受限。

研究人員還對通溝污泥建材化利用作了相關試驗。 陸文雄等［16］研究了將通溝污泥代替部分細集料用于混凝土和砂漿中， 實現(xiàn)了污泥的無害化和資源化。 王志新等［10］利用脫水后無機成分代替三渣混合料中的細集料， 結果表明， 復合三渣混合材料的各項性能均能滿足國家標準對路基材料的相關要求。 陳冀渝［17］以通溝污泥和粉煤灰為原料， 摻入粘接劑等輔料， 入窯燒制成輕質隔熱建筑磚， 成品導熱系數(shù)極低， 具有良好的隔熱效果。 在建材化利用方面， 可充分利用通溝污泥中無機成分含量高的特性， 具有較好的應用前景。

經過預處理篩分分離后， 通溝污泥可分離為大尺寸物質（＞100 mm）、 粗大物質（10 ～100 mm）、可沉砂礫（0.2 ～10 mm）、 有機柵渣、 脫水泥餅等幾大類。 大尺寸物質主要為塊石、 垃圾等， 垃圾可就近進入環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)處理； 塊石、 粗大物質、 可沉砂礫和脫水泥餅等優(yōu)先考慮建材利用（路基材料、 填方材料、 制磚、 制陶粒等）； 有機柵渣可結合作為污水處理廠補充碳源， 或摻加其他輔料用于有機堆肥處理。 單個通溝污泥產生量較小， 實際資源化利用操作性不強， 可參考上海長寧區(qū)設立固體廢棄物綜合處置中心， 實現(xiàn)多種市政固廢的協(xié)同處理處置。

3.2 移動式一體化處理系統(tǒng)

當前， 通溝污泥主要采用“清掏作業(yè)＋污泥罐車運送＋處理站處置”的集中式處理模式。 通溝污泥含水率較高， 罐車運輸物中大部分為污水， 運輸成本較高。 此外， 通溝污泥具有單點產生量小、 來源不穩(wěn)定的特征。 在實際運行中發(fā)現(xiàn)， 設立集中式的處理站無法保證通溝污泥來源穩(wěn)定性。 綜上， 可考慮開發(fā)移動式通溝污泥一體化處理系統(tǒng)， 實現(xiàn)通溝污泥的就地分散式處理。 參照改進后的通溝污泥處理工藝， 對通溝污泥移動式一體化處理系統(tǒng)進行模塊化設計， 其工藝流程如圖5 所示。

圖5 通溝污泥移動式一體化處理工藝流程Fig. 5 Flow of mobile integrated processing system for sewer sludge

移動式一體化處理系統(tǒng)可分為進料除雜、 初篩分離、 沉砂洗滌、 有機分離、 壓濾脫水、 污水循環(huán)6 個模塊， 核心思路仍是對通溝污泥進行篩分分質處理， 實現(xiàn)垃圾、 有機物、 礦化物和污水的高效分離。 污泥中有機成分經洗脫后隨污水納管進入污水處理廠， 其他分離物按照3.1 節(jié)的資源化路徑分質處理。 該系統(tǒng)的關鍵在于各模塊分離設備的選型與組合， 目前已建成的集中式通溝污泥處理工程中核心分離設備多為國外進口， 與實際需求的匹配度不高， 且設備相對一體化系統(tǒng)較為大型化， 建議集中研制國產化的高效篩分分離設備， 提高一體化處理系統(tǒng)的針對性與適應性。

移動式一體化處理系統(tǒng)可采用車載式， 原位分散處理通溝污泥， 污水就近排入下水管道， 分離物暫存后就近運往中轉站點。 該方式與集中式處理相比， 可節(jié)省污泥運輸?shù)馁M用以及建設集中式處理工程的用地， 同時能提高處理的效率和靈活性。

4 結語及展望

通溝污泥是城市管網養(yǎng)護產生的高含水率固體廢棄物， 其處理處置問題在全國范圍內仍未得到足夠重視， 相關研究工作開展不多。 通溝污泥成分相對其他市政污泥更為復雜， 采用預處理＋多級篩分分離的工藝可有效處理處置通溝污泥， 實現(xiàn)污泥的減量化、 無害化和資源化。

基于現(xiàn)狀調研與分析， 未來通溝污泥處理處置研究工作可從以下幾方面著手： ①對預處理＋回收利用工藝作進一步優(yōu)化改進， 降低對下游泵站和污水處理廠進水的不利影響； ②探索篩分物的多方位、 多途徑資源化利用， 協(xié)同其他城市固廢綜合處理處置； ③研究開發(fā)通溝污泥移動式一體化處理系統(tǒng)， 提高處理效率和靈活性， 節(jié)約用地。