城鎮污水廠污泥處理處置技術的研究進展

張麗霞

（中材地質工程勘查研究院有限公司，北京 100102 )

1 引言

城鎮污水處理廠污泥主要是在污水處理過程中產生的沉渣與沉淀物，主要來源于初次沉淀池、二次沉淀池等工藝環節。城鎮污泥屬于有機污泥，其特點是有機物含量高，容易腐化發臭，顆粒較細，密度較小，含水率高且不易脫水，便于管道運輸。

城鎮污泥兼具資源性和危害性雙重特性。一方面，污水中約40%～50%的污染物最終進入城鎮污泥中，據美國環保署(以下簡稱USEPA)對污泥中污染物定向調查分析，在2006～2007年間對3 337座國有污水處理廠污泥中145種目標污染物進行了調查，包括4種陰離子污染物(亞硝酸鹽、硝酸鹽、氟化物、水解磷)、28種金屬、4種多環芳烴、2種半揮發性物質、11種阻燃劑、72種藥品、25種激素和類固醇等，調查結果表明，上述污染物中129種污染物存在于污水處理廠的污泥中，由此表明城鎮污泥中存在大量污染物，環境風險較高[1]。另一方面，污泥中還含有大量的有機質、氮、磷等營養物質，其資源化、能源化潛力巨大。如歐洲一些污水處理廠通過城鎮污泥中生物質能源的回收和綜合利用，能夠滿足污水處理過程60%的電耗需求。污泥中的磷具有潛在利用價值，因此如果將污泥中的磷提取出來進行綜合利用將緩解磷資源匱乏的現狀。此外，對污泥中蛋白質和腐殖酸資源進行提取和開發，作為動物飼料和新型農業肥[2]，也是實現污泥資源化的重要途徑。

2 污水處理技術

污泥處置技術主要包括污泥熱水解技術、協同消化技術、好氧發酵技術、污泥熱解技術、污泥富氧混燒技術等。

2.1 污泥熱水解技術

污泥熱水解技術(Thermal Hydrolysis Pre-Treatment)是以含固率15%～20%脫水污泥作為處理對象，采用處理溫度150～200℃、壓力600～2 500kPa情況下對污泥進行處理[3]。污泥熱水解可能發生以下四個變化：污泥絮體分解、細胞破碎及有機物釋放、有機物水解及發生美拉德反應。熱水解處理實現污泥無害化、減小污泥體積、提高污泥脫水性，促進污泥厭氧消化；同時污泥在高溫狀態時易生成難降解的多聚氮，一定程度上降低了污泥生化性。

熱水解工藝流程主要包括混勻預熱、水解反應和泄壓閃蒸。具體操作步驟分為：①通過傳輸泵從濃縮池中將待處理污泥輸送到熱水解反應器中；②閃蒸蒸汽對熱水解反應器中的污泥進行預加熱，使其溫度提高到80℃；③反應器溫度150～170℃、壓強0．6～2．5MPa、保持20～30min，由蒸汽鍋爐提供熱水解所需溫度和壓力；④反應結束后，蒸汽被釋放到污泥預熱反應器中；⑤熱水解污泥被釋放到緩沖池中貯存。此循環過程不需要泵，僅利用反應器內剩余壓力即可完成。

陶梅平等[4]研究熱水解預處理促進污泥厭氧消化方面，表明熱水解預處理能有效水解污泥中的有機質，當熱處理溫度為150℃和170℃時，揮發性懸浮固體(VSS)水解率分別為38．1%和41．2%，溶解性碳水化合物水解率分別為37．9%和42．9%，溫度變化對氨氮影響較小。張琦東[5]試驗結果表明170℃是熱水解的最佳溫度，且熱水解促進揮發性脂肪酸的累積和揮發性懸浮固體的減量化，揮發性懸浮固體最大減量率為34%。提升與甲烷有關關鍵酶活性，促進微生物群落結構硬壁菌門和抗菌微生物的相對豐度分別為35．6%和3．9%。

2.2 協同消化技術

協同消化指兩種或兩種以上不同來源的物料混合進行厭氧消化處理。共消化的主要優勢有：①提高甲烷產率；②提高系統穩定性；③廢棄物得到很好處理；④不同來源的廢棄物使用同一套處理設施，提升設備使用效率；⑤多種廢棄物合并處置，有利于形成規模化效應。

目前我國產生的脫水污泥和餐廚垃圾的含固率在15%～24%，適于進行高含固厭氧消化處理。一般而言，垃圾單獨消化存在Na+抑制問題，Na+濃度過高會影響甲烷菌的活性，從而導致VFA(揮發性脂肪酸)持續積累最終導致系統酸化[6]。而污泥單獨消化時氨氮濃度較高，也會對甲烷菌產生影響，使系統酸化；而污泥和餐廚垃圾共同處理則很好的解決這一問題。當脫水污泥和餐廚垃圾按4∶1進行混合共消化時，與二者單獨消化處理時相比，在相同的停留時間下，共消化系統內VFA濃度下降40%，單位體積產氣率提高57%。

共消化的工藝流程：在共消化工藝中除利用污泥，另一部分主要是廚余垃圾、動物糞便以及一些工業有機廢棄物。這些有機垃圾先通過碾磨機粉碎后進行分選，其他干擾物質通過篩子去除，剩下的有機垃圾先在稀釋池中被稀釋，然后被輸送到消毒穩定池內殺菌消毒，再和一定量的市政污泥混合在一起加入到消化池中進行厭氧發酵，產生的沼氣用于發電。主要設備包括預處理系統、消化池、沼氣收集系統、沼氣發電系統等。

秦文娟等[7]選用有機負荷1．0消化污泥樣1#、有機負荷1．0餐廚垃圾與污泥混合樣2#、有機負荷1．5餐廚垃圾與污泥混合樣3#、有機負荷3．0餐廚垃圾與污泥混合樣4#，1#～4#的單位生物氣產量分別為0．18L/gVs、0．85L/gVs、0．69L/gVs和0．66L/gVs，甲烷含量分別為56%、69%、57%和66%，混合厭氧消化后的剩余物比原消化污泥具有更好的生物降解能力。陳恒寶等[8]采用“餐廚預處理+污泥熱水解+高含固/協同厭氧消化”組合處理工藝，系統運行表明揮發性固體平均降解率達53．5%，沼氣產率約0．45m3/kgVS投加，即0．84m3/kgVS去除。

2.3 好氧發酵技術

目前好氧發酵技術主要有膜覆蓋好氧發酵技術和超高溫好氧發酵技術。

膜覆蓋好氧發酵工藝是將帶有微孔功能的膜覆蓋在發酵的污泥堆體上，發酵過程產生的水蒸汽和二氧化碳可以向膜外排出，而病原微生物、氣溶膠等隔離在膜內；同時通過底部風機通風，在膜內形成一個低壓腔體，使堆內的氧氣分布均勻，溫度交換平衡，從而促使污泥發酵過程中有機質的充分降解和升溫滅菌[9]。在發酵堆體結構上，膜覆蓋技術并未限制堆體結構的形式，要求每個堆體配備單臺風機。與常規發酵技術相比，其控制臭氣的效果更好，同時不需要過多的設置堆體間作業通道，因此單位面積上污泥處理效率比更高。鄒錦林等[10]研究了紡織用PTFE膜、改性PTFE膜覆蓋及無膜覆蓋時污泥好氧發酵時對臭氣的阻隔試驗，表明相對于無膜覆蓋污泥好氧組，有膜覆蓋時對發酵初期硫化氫濃度降低64%左右；改性PTFE膜對氨氣的阻隔作用相當于無膜覆蓋和紡織用PTFE膜覆蓋發酵累積氨氣揮發量的0．5倍左右。朱海偉等[11]研究采用兩階段共24d的膜覆蓋高溫好氧發酵工藝，通過調節物料含水率和C/N，經高溫好氧發酵處理的污泥有機質降解、含水率下降至45%左右，且堆體內部維持60℃溫度8d以上，實現滅菌除雜的作用。

超高溫處理污泥技術是直接向污泥堆體中引入嗜熱微生物，同時引入性激發物質，活化堆體內源微生物；實現污泥堆體內外源微生物協同代謝作用，從而促進污泥堆體的發酵進程。周普雄[12]研究污泥超高溫好氧發酵(HTC)和傳統高溫發酵(TC)工藝特點比對，表明HTC能快速進入≥80℃的超高溫階段并持續9d，堆體最高溫度93．4℃，整個堆肥過程中50℃以上高溫維持21d，有效促進堆體中有機質降解和污泥熟化；堆肥結束HTC中有機質和全氮含量分別減少了21．2%和11．6%，TC有機質和全氮含量分別減少了15．9%和19．5%。且分析指出HTC超高溫和高溫階段的微生物群落組成與堆體溫度呈現顯著正相關關系，表明棲熱菌科和高溫放線菌科等嗜熱微生物是導致HTC出現超高溫并加速有機質降解和促進堆肥腐熟的主要原因。

2.4 污泥熱解新技術

污泥熱解新技術主要有濕式氧化技術、污泥高溫碳化技術和熱干化新技術三種。

濕式氧化技術用于在高溫及一定壓力下處理高濃度廢水和難生化降解廢水處理時產生的污泥。在密閉反應器中通入空氣或氧氣促使污泥中有機物氧化分解。有關試驗表明污泥在300℃以上氧化30min后，污泥中82%的有機物被降解，70%以上的懸浮物被去除。該技術特點是殺滅污泥中病原菌等微生物，可實現土地利用，實現污泥減量化，改善污泥脫水性能。李維成等[13]對污泥濕式氧化反應條件及產物進行研究表明，污泥的有機質分解率達90%以上；固相產物殘渣的熱失重率小于10%；液相產物中含有COD可返回污水廠處理；氣相產物無SO2和NOx；重金屬富集于殘渣中。徐巖[14]研究經濕式氧化處理后的污泥含水率降至10%左右，有機質含量為18%左右，pH值上升至8左右，重金屬含量大幅下降，且反應后污泥中有機質含量滿足土地改良泥質標準要求。

污泥高溫碳化技術是在一定溫度和無氧或缺氧條件下，通過裂解等方式將生化污泥中揮發分強制脫出，同時保留污泥中的碳值，使最終產物中的碳含量比例大幅提高的過程[8]。污泥碳化系統主要包括污泥儲倉、干化爐、碳化爐、冷凝器、旋風除塵器、二次燃燒爐、廢熱鍋爐、洗滌塔及螺旋輸送機、風機、煙囪等。根據魯濤等[15]以10t/d污泥碳化系統運行的研究表明，排放的煙氣污染物含量：煙塵0．01mg/m3、煙氣黑度1級格林曼黑度、CO為30mg/m3、NOx為16．9mg/m3、SO2為37．3mg/m3、HCl為4．2 mg/m3、汞為0．003 4mg/m3、鎘為0．002mg/m3、鉛為0．02 mg/m3。最終產物類似于木炭固狀物可以作為低級燃料或用于土地改良用泥質回歸土壤，實現污泥的減量化和資源化。

熱干化技術中采用電場協同進行污泥干化技術屬于其中一項創新性技術，該技術是通過加入電場防止污泥干化過程中粘壁現象發生，外加電場時的污泥粘壁僅為無外加電場時的1/16，主要由于外加電場提高了污泥內部傳熱效率，降低了污泥和加熱面之間的傳熱阻力；另外在電場作用下，帶負電荷的微生物向陽極運動，帶陽離子的水分向陰極運動，使泥水分離，改善了污泥的干化效果[16]。當污泥含水率大于50%時，電場協同污泥熱干化速度較傳統方法明顯提高。孫啟元等[17]對采用熱干化技術污水廠運行效果分析表明熱干化技術能快速降低污泥含水率至30%以下，污泥減量率達71%，且干化尾氣中惡臭及二惡因排放符合相關標準限值。

2.5 富氧混燒污泥新技術

傳統污泥焚燒分為單獨焚燒和混合焚燒，存在的問題主要有：對污泥含水率要求較高，摻混率要求嚴格，限制工程推廣應用，產生的尾氣治理成本高、能耗大等。

富氧混燒污泥新技術是在濕污泥中加入新型助濾劑后脫水至含水率50%左右，與少量秸稈混合制成衍生燃料，秸稈與污泥摻混比例一般為1∶5～1∶3。制得的衍生燃料與生活垃圾摻混焚燒，同時通入氧氣助燃，焚燒爐內為富氧燃燒，生成的熱能可回收綜合利用。氧氣供應量根據生活垃圾的含水率、不燃成分含量及污泥熱值的不同進行調整，一般情況下，助燃風含氧量為21%～25%[18]。上述技術特點是通過調整氧氣供應量，實現處理物料充分燃燒，避免了摻混比例調節，放寬污泥含水率限制，可以實現規模化處置固體廢棄物。王梓桓[19]研究表明污泥在O2/CO2氣氛中燃燒，氧氣濃度升高，污泥更容易著火，燃盡時間縮短，失重速率和綜合燃燒特性參數均增大，整體燃燒性能改善。燃燒之后，重金屬在灰渣中富集，重金屬的富集量及種類受溫度和氣氛的影響。萬嘉瑜[20]熱重試驗表明，隨氧濃度的提高，著火溫度降低，反應速率加快，綜合燃燒性能隨之提高，并得出富氧燃燒的理想工況為氧濃度在25%～35%。

3 展望

近年來，隨著我國城鎮污水處理效率不斷提升，污泥產生量也呈現逐年增長的趨勢。截至2017年12月底，全國城市、縣累計建成污水處理廠5 027座，污水處理能力達1．88億m3/d，年產生含水量80%的污泥5 000多萬t。特別是2015年發布的《水污染防治行動計劃》規定，地級市及以上城市污泥無害化處置率應于2020年底前達到90%以上。因此，城鎮污水處理廠污泥的安全處置問題將日益突出，污泥處置存在巨大的市場空間和機遇挑戰。