城鎮污泥資源化利用研究
——以合肥為例

柏杉林

（合肥市排水管理辦公室 安徽合肥 230000）

引言

目前，我國每年污水處理廠處理城鎮污水時產生近1 億噸的污水污泥，且隨著城鎮人口增長，產生的污泥量還在急劇增加[1]。城鎮污泥中含有多種的病原菌、重金屬、有機污染物等潛在的有毒有害成分，散發強烈的異味，任意堆放易對生態環境造成二次污染[2]。同時，污泥中也含有大量有機質、N、P、K 等植物生物生長所需要的營養元素[3]。因此必須妥善處理污水污泥，消除污泥中的病原菌、重金屬、有機污染物并控制惡臭和資源化再利用。近十幾年來，國內污水處理廠的建設往往只考慮污水處理達標標準，忽略污泥的處理處置[4]。污泥處理始終處于滯后狀態，導致部分城市出現污泥圍城的嚴重局面，成為限制城市化發展的瓶頸之一。因此，城鎮污泥問題和污水問題應受到同等重視，泥水并重。本文以合肥市污水處理廠污泥處理處置為例，分析污泥無害化、減量化處理和資源化利用等面臨的難題，探討合肥市污泥處理處置的出路。

1 污泥的危害

在污水處理過程中，污水中的大多數有機物、營養物質、金屬和病原體等被轉移并富集在污水污泥中。因此，污水污泥通常被認為是污水處理過程中的副產品，且可能存在二次環境污染，破壞生態系統，危害人類健康等問題。本文主要以重金屬、有機污染物和病原菌三個方面展開討論污泥存在的危害。

1.1 重金屬

污泥中重金屬的濃度是評價其對環境潛在危害的重要指標，它們包括鋅（Zn）、錳（Mn）、銅（Cu）和鉬（Mo）等生物所必須的微量元素，以及鎘（Cd）、鉛（Pb）和汞（Hg）等非必要的有害元素。這些元素隨污泥堆肥一起引入土壤會導致土壤肥力發生變化，降低植物的產量和質量。它們還可以通過金屬滲透引起地表水和地下水的污染，并通過動植物的富集進入人類體內。因此，污泥未經適當處理就隨意排放，會因重金屬在食物鏈中的積累而給環境帶來嚴重污染，威脅人類健康。

1.2 有機污染物

在污水處理過程中大多數有機污染物在初級處理和生物處理過程中附著在活性污泥表面。這些有機化合物在污水和污泥處理過程中會合并和濃縮，若處理不當會威脅人類健康和破壞生態環境。因此，污泥中的藥物、個人護理產品和激素等有機污染物的合并和濃縮是污泥處理的一大難題。據報道可知，全球已注冊的有機化合物超過1500 種，其中一大部分可在污水和污泥中檢測到[5]，包括四溴雙酚A 和溴代三嗪等多溴化阻燃劑、百憂解和氟西汀等藥物、雌激素和其它激素等激素、四環素和紅霉素等抗生素以及這些化合物的代謝物。其中以抗生素最為重視，一方面是抗生素對活性污泥中的微生物具有抑制作用，影響活性污泥的處理效果。另一方面是抗生素可促進微生物的基因突變從而產生抗生素耐藥性的風險。

1.3 病原菌

每年數百萬人由于病原菌的傳播而感染各種疾病，其中包括肺結核、痢疾、新冠病毒等，已經對全球公共衛生構成巨大威脅。其中水循環是病原菌傳播的重要途徑。由于污水處理廠接收各種市政、商業、制藥業以及醫療系統等廢水，這些廢水中含有多種病原菌，使污水處理廠成為水循環過程中控制病原菌傳播的關鍵節點。研究發現，在美國五個大城市的污水污泥中發現了超過27 種不同形式的人類病毒，包括腺病毒、冠狀病毒、艾滋病毒等。此外，由于抗生素在醫藥中大量使用，使污水處理廠接收到各種抗生素，為微生物創造了一個適合耐藥性發展和傳播的環境。因此，去除污水污泥中的抗生素耐受菌和病原體成為首要問題。

2 合肥市污泥現狀

2.1 合肥市污水處理量和污泥產量現狀

目前合肥市城區共有污水處理廠15 座，設計處理能力為248.5 萬m3/日，污水處理量和污泥產量以2021年11 份數據為例，見表1。2020 年合肥市處理污水約7.38 億m3，污泥生產量約36 萬t（含水率以80%計），日生產量約1010t/日。合肥市在鐘油坊、濱湖兩處污水處理廠陸續新建，預計新增污水處理能力約20 萬m3/日，新增污泥生產量將超過10 萬噸/年。

表1 2021年11月份合肥市污水處理量及污泥產量

2.2 污泥重金屬含量現狀

合肥市污泥重金屬含量現狀以2021 年11 月合肥市污泥處置中心抽取檢測的20 個樣為例，檢測結果見表2。由表2 可知，在合肥市污泥檢測出As、Pb、Cr、Cd等多種重金屬，其中鉻（Cr）重金屬含量較高，雖然沒有超過國家農用標準，但是長期使用存在潛在的生態環境風險。

表2 2021年11月份合肥城區污水處理廠污泥重金屬含量數據

2.3 合肥市污泥處理處置方式現狀

目前，合肥市污泥處理處置過程中首先經過污泥濃縮和機械脫水將含水率降低至約80%，再進行熱電焚燒、資源化利用、建材利用、蚯蚓養殖和土地利用等處理方式進行最終處置。2020 年合肥市污泥處置方式占比如表3 所示。

表3 2020年合肥市污水處理廠污泥處置方式占比%

目前，合肥市具有天源熱電直接焚燒廠、東方熱電干化和協同焚燒設備和國新天匯資源化利用工程等污泥焚燒和資源再利用處置項目，設計處理能力1140t/日，實際處理能力約750t/日。另有佳安建材、鴻廈建材和吳山新型建材3 家公司使用建材利用技術處理污泥項目，以及一家新環蚯蚓養殖項目，四家處置規模約400噸/日。此外，在2020 年底，應急處置服務招標淮南順杰、銅陵南泉2 家建材利用項目，以及海創環保水泥窯協同焚燒項目和惠隆蚯蚓養殖項目，極大地填補了污泥應急處理缺口。2020 年，全市污泥無害化處理處置率達到95.53%以上，基本實現污泥無害化處理。

3 合肥市污泥處置面臨的問題

3.1 資源化利用項目

污泥經穩定化和無害化后的末端產品存在大量營養元素（N、P、K）和有機質，可增加肥力，改善土壤性質。但污泥中含有重金屬和有毒有機物，在資源化利用時需要進行分類處理利用，并進行嚴格的全程監管和后續跟蹤監測，確保對土壤、地下水、大氣等不造成環境污染。此外，由于污泥資源化利用產品未得到基層政府和民眾的認可，導致其產品基本處于停銷狀態。2020年，合肥市污泥資源化項目的突然停產，其污泥處理出現巨大缺口。大量污泥無法有效處理嚴重影響合肥市污水處理廠的正常運行。

3.2 熱電焚燒項目

污泥焚燒是城市污泥常見處理的方式，雖然能較大程度地減少污泥量，但其處理費用較高，且煙氣中產生大量有毒有害氣體（如酸性氣體和二噁英等），灰渣中含有多種重金屬還須再經過特殊固化處理。目前，合肥市有兩家企業使用熱電焚燒處理污泥，分別是天源熱電和東方熱電，以居民生活供熱為主。天源熱電焚燒污泥設計處理能力為240 噸/日，在實際處理過程中冬季處理為200 噸/日，夏季只有60-100 噸/日。東方熱電采用干化加焚燒工藝，設計處置能力300 噸/日，但在實際使用中受干化后環評摻燒比例的限制，導致其熱電處置能力有限。由上述可知，合肥市污泥燃燒處置過程中，一方面，尾氣和灰渣控制效果無法保證，導致環保壓力嚴峻，另一方面熱電生產存在不穩定性，因此污泥焚燒處置方式存在不確定性。

3.3 蚯蚓養殖

目前，國家對污泥養殖蚯蚓沒有相應的標準和規范，但蚯蚓生長對環境要求較高，為保證蚯蚓存活需對污泥進行前處理。蚯蚓在處理污泥過程中對溫度、濕度、污泥毒性依賴性較大，處置污泥量不確定性因素較多。另一方面，蚯蚓處理污泥中的重金屬和有毒有機物不徹底，蚯蚓糞農用存在二次污染風險，不宜大面積推廣[6]。因此蚯蚓處理污泥的不確定問題更加突出。

3.4 土地利用和建材利用

土地利用對污泥的要求較高，其需要經過穩定化和無害化處理，且含水率要低于60%和衛生指標達標后才可使用。由于污泥中重金屬和有毒有機物影響，年施用量不超過7.5t/hm2（以干基計），且連續使用不超過5 年，施用過程中需及時跟蹤環境質量，進行環境風險評估，對土壤、地下水、地表水、植株和生態系統進行周期性檢測，防止其對生態環境造成潛在污染。通過研究發現污泥農用和堆肥等方法在長期使用過程中會導致土地板結、總金屬積累，鹽堿度增加、肥效降低等問題，因此在使用過程中需要時時進行跟蹤檢查，防治污染超標。污泥作為建筑材料是一種有效的資源化辦法，此方式可以將污泥中的重金屬穩定化，降低二次污染，目前大量水泥生產公司已經將水泥窯和污染物處理綜合應用，使重金屬固定在建筑材料中，降低其環境風險。但是目前污泥制作建材標準較低，且市政部門缺乏管理和監督，最終會導致污泥無害化效果無法保證[7]。由上述可知，合肥市污泥處置方式呈現多元化趨勢，但沒有主流處理工藝。由表2 可知，合肥市污泥資源化處理占比近50%，這表明政府有意愿將污泥資源化處理，但是資源化產品在推廣過程中遭到地方群眾和環保部門排斥，在施用過程中面臨的環境風險較大，增加了資源化利用的不確定性。要解決上述問題，首先增加建設污水廠污泥料倉，使其能滿足污水廠1-2 天的污泥暫存量，保證了污泥不落地，有效減少了臭味對污水廠周邊居民影響。其次要解決資源化產品存在的環境風險問題，如降低污泥中的重金屬、有害有機物、病原菌和消除異味等，防止其對生態環境造成潛在污染。最后需要地方政府積極引導和推廣，使人民群眾接受資源化產品。最終創造資源化產品市場，完善產品監管制度，采取積極有效措施，增強產品的競爭力，從而進一步打通“水、泥、土”產業鏈，真正實現污泥資源有效利用。除資源化利用外，焚燒、蚯蚓養殖、建材利用和土地利用等處理方式受市場和環境保護等原因，導致污泥處理量穩定性差。因此為保證污泥穩定有效的處理，污泥總體處理技術路線應遵循多元化工業化處置。首先要考慮污泥的減量化、穩定化和無害化，其次是資源化利用，并且以資源化利用處置為主，焚燒利用為輔，結合各個污泥處理方式的特點，創建一個高效的、可靠的和穩定性好的污泥處置方案。方案設計時還需結合城市規劃、生態環保和可持續發展等因素，才能保證工程品質為后期運營創造更好的條件。

合肥市污泥總體處置技術路線遵循工業化處置，以焚燒處置為主，工業化利用為輔，建設配套一個成熟、穩定、可靠、連續運營的污泥處置項目，是目前合肥市最緊迫的任務，在項目選址上慎而又慎，才能確保后期工程實施及運營，考慮的處置工藝是單獨焚燒或協同焚燒，這樣可以不受任何外界環境影響。

4 污泥處置方式規劃建議

4.1 污泥減量

在污水處理過程中減少污泥產量，提高污泥質量和提升污泥回收利用率，降低后續污泥處理成本及工藝難度，是目前較為推崇的技術思路。污泥減量可降低與污泥的處理和管理相關的成本。污泥減量通常使用物理法、化學法以及微生物法等降低污水處理廠產生的污泥量。在污水處理過程中可通過調整生化系統工藝運行參數以及對部分回流污泥采取減量措施。例如，由于厭氧反應產生的污泥量約為好氧反應產生污泥量的50%，因此通過提高厭氧過程在污水處理過程中的比例，既減少活性污泥過程中的曝氣成本，又可減少污泥量的產生。對排出污水處理系統外的污泥，可通過污泥濃縮、污泥消化、污泥脫水、污泥干化、污泥焚燒等系統裝置進行污泥減量。其中應以機械脫水為重點，研發脫水率高，效果穩定，連續生產運行的儀器，即可減少污泥濃縮使用的化學藥劑，又可減少污泥焚燒的能量消耗。

4.2 磷回收

我國是農業大國，且面臨磷資源短缺難題。因此，從污泥中回收磷還具有重大意義。迄今為止，污泥中磷回收的常規技術可分為濕化學法和熱化學法兩種方法。其中，水熱碳化法由于其工藝環保和節能而被視為一種可持續發展的技術。據報道，在污泥水熱碳化后，水炭中通常會殘留超過80%的磷，有利于磷的回收。此外，污泥水熱碳化后有機污染物分解和重金屬固定化效果顯著，使水炭易于直接應用于土壤，以改善土壤質量，作為土壤改良劑。

4.3 金屬回收

隨著城市工業的快速發展，鋼鐵制造行業和電鍍行業所生產了大量的含重金屬的污泥。它們通常含有銅、鐵、鋅等有價值的金屬。目前，國內外對含重金屬的工業污泥處理方式主要是固化/穩定化-填埋法、重金屬污泥的熱處理技術和重金屬污泥回收利用技術。其中填埋法既造成了金屬資源的浪費，也存在重金屬析出引起環境風險。熱化學處理消耗大量能源，增加處理成本。因此，對重金屬污泥回收利用已勢在必行。污泥的金屬回收工藝主要分為火法還原和濕法浸出兩種。其中濕法浸出由于操作復雜，使用大量化學試劑，增加了成本，還可能會造成二次污染等原因極大地限制了金屬回收利用。然而，火法還原熔煉法回收技術對重金屬污泥進行處理雖然耗能高，但能做到無害化，回收的重金屬能做到資源化利用。因此應發展低耗能的火法還原熔煉法回收污泥中的重金屬，實現生態效益和經濟效益。

4.4 能量回收

研究發現，污泥的干物質中含有大量可用于產生生物質能的有機成分，可以能量回收的形式被視為具有經濟潛力的可持續資源。在能量回收方面，污泥可通過厭氧消化、燃煤電廠協同焚燒、熱解、高溫水解等方式生產能源以及利用微生物燃料電池（MFC）直接產生電能。其中，厭氧消化是城市污泥能量回收中最常見的方法，產生的沼氣通常用于供暖和/或發電，不僅避免了污泥二次污染，還具有較高的環境效益及經濟效益。

結語

現階段，隨著社會的發展，人們越來越重視生態環境保護問題，因此城市污泥必須進行減量化、穩定化和無害化處理，并堅持工業化處理，資源化利用的方針，積極嘗試和研發新的污泥處理方式，盡量減少污泥對生態環境的危害。針對污泥資源化產品使用率低的現象，政府相關部門應高度重視，積極研發更為科學環保的資源化產品，完善市場監督體制，建立高度活躍的市場，在提升污泥整治水平的同時，推動區域經濟發展。