為了加速污泥處理處置工作的開展，近年來(lái)我國(guó)出臺(tái)了一系列污泥處理處置標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指南，但很多項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中仍然存在諸多問(wèn)題。一方面，許多項(xiàng)目只考慮采用單一技術(shù)實(shí)現(xiàn)污泥中單一組分的資源化，而缺乏系統(tǒng)的布局，特別是缺乏對(duì)污泥最終出路的詳細(xì)規(guī)劃，導(dǎo)致大量的消化污泥、干化污泥、焚燒灰渣等中間產(chǎn)物無(wú)處可去。另一方面，在常用的污泥處理處置技術(shù)路線中，污泥中的水分、有機(jī)質(zhì)、無(wú)機(jī)質(zhì)等三類組分往往互相制約，如污泥有機(jī)質(zhì)含量及其組成嚴(yán)重影響污泥的水分脫出效率，而水分、無(wú)機(jī)質(zhì)的存在也會(huì)影響有機(jī)質(zhì)的燃燒轉(zhuǎn)化。相反的，如果通過(guò)合適的流程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)污泥的分質(zhì)處理，就可能提高污泥的處理效率。針對(duì)這些問(wèn)題，一方面，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該將污泥的最終處置環(huán)節(jié)納入，并從污泥出路開始進(jìn)行逆向設(shè)計(jì);另一方面，需要全面客觀認(rèn)識(shí)我國(guó)污泥的特性，并對(duì)污泥處理處置技術(shù)進(jìn)行重新定位和組合，實(shí)現(xiàn)污泥的分質(zhì)處理。

1.污泥性質(zhì)解析

1.1 污泥的貧資源特征

污泥常被認(rèn)為擁有巨大的資源化潛力。然而，無(wú)論從產(chǎn)量還是品質(zhì)上，污泥資源化潛力遠(yuǎn)不如生活垃圾、農(nóng)林廢棄物等大宗廢物。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2016年，我國(guó)生活垃圾清運(yùn)量達(dá)2.0億噸，而市政污泥產(chǎn)生量約4000萬(wàn)噸(以80%含水率的脫水污泥計(jì))，扣除水分后，干固體僅800萬(wàn)噸。我國(guó)污泥有機(jī)質(zhì)含量普遍偏低，一般為30~60%，這意味著前述干固體中還有大量缺乏資源化價(jià)值的無(wú)機(jī)質(zhì)。雖然這些無(wú)機(jī)質(zhì)可以用于制建材，但這種方式更適宜稱為廢棄物消納而非資源化利用。有機(jī)質(zhì)中，難以生物降解的木質(zhì)纖維素含量約14~30%，腐殖酸含量約10~15%，它們的存在進(jìn)一步降低了污泥生物轉(zhuǎn)化能源的效率。以污泥有機(jī)質(zhì)含量60%為例，脫水污泥成分可以用圖1(a)概括。從污泥干固體元素組成看，其碳含量相遠(yuǎn)低于生物質(zhì)廢物。根據(jù)對(duì)幾十座南方污水廠污泥性質(zhì)的調(diào)查，其平均元素組成如圖1(b)所示，其中碳元素作為多種資源化處理技術(shù)的利用對(duì)象，其比例僅45%。從污泥有機(jī)物組成看，蛋白質(zhì)是主要成分，但其含量不超過(guò)50%，其次是多糖、腐殖酸、脂類等。

因此，污泥是一種高含水率、多組分構(gòu)成的復(fù)雜廢物，無(wú)論是以有機(jī)質(zhì)、無(wú)機(jī)質(zhì)為資源化對(duì)象，還是單純以某一類組分或元素為資源化對(duì)象，其在污泥中的比例都很低。因此，污泥具有貧資源的特點(diǎn)，如果僅圍繞某一類組分設(shè)計(jì)處理流程，其效率不高，而對(duì)某一類組分(如生物炭、蛋白質(zhì)、磷)的過(guò)度追求可能會(huì)導(dǎo)致處理費(fèi)用和環(huán)境負(fù)荷的大幅增加，因此應(yīng)從廢棄物消納的角度綜合考慮污泥的處理處置系統(tǒng)。

圖1 脫水污泥的平均組成和元素含量

1.2 污泥的低熱值特性

污泥能源化是污泥資源化的主要方向之一，其主要利用污泥中的有機(jī)質(zhì)。然而，污泥中的大量水分不應(yīng)忽略，應(yīng)該納入到整個(gè)處理流程中考慮。污泥干基熱值與有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系統(tǒng)計(jì)如圖2所示。污泥有機(jī)質(zhì)含量60%時(shí)，其干基熱值約12000 kJ/kg，這意味著，1kg脫水污泥有機(jī)質(zhì)熱值約1440 kJ，低于水分蒸發(fā)所需的約2000 kJ熱量。從這個(gè)角度看，污泥實(shí)際上是一種負(fù)熱值或低熱值廢物，普通機(jī)械脫水+熱干化+熱化學(xué)處理(焚燒/混燒/熱解/碳化等)均不能實(shí)現(xiàn)能量的凈產(chǎn)出。上述技術(shù)路線實(shí)際上需要額外輸入能量，并非嚴(yán)格意義上的“能源化”。

要降低污泥水分脫除的費(fèi)用，可以采用太陽(yáng)能、廢熱等廉價(jià)熱能，但這需要合適的外部條件;而要減少水分蒸發(fā)能耗，可以通過(guò)強(qiáng)化機(jī)械脫水使污泥含水率從80%降至60%或更低，再進(jìn)行熱干化。盡管其電耗增加，但總的能耗要小于熱干化。此外，還可以采用無(wú)需分離水分的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化能源技術(shù)，如厭氧消化等。 

圖2 污泥有機(jī)質(zhì)含量與熱值的關(guān)系

1.3 污泥的絮體結(jié)構(gòu)特征

和一般的生物質(zhì)廢物不同，剩余污泥顆粒由微生物細(xì)胞、胞外聚合物(EPS)為骨架的絮體構(gòu)成，EPS之間由鈣、鎂等二價(jià)金屬離子聯(lián)結(jié)，而水分、細(xì)沙等被裹挾在絮體內(nèi)。這些水分除少量自由水外，大量水分以附著水、毛細(xì)水、結(jié)合水的形式存在于絮體內(nèi)部，難以脫除。污泥的高含砂量特性也會(huì)影響污泥處理設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，雖然可以通過(guò)離心機(jī)或水力旋流除砂器去除污泥中的砂礫，但這些方法對(duì)粒徑小于200 μm的細(xì)砂分離效果一般，而且需要較大能耗。剩余污泥的這一絮體機(jī)構(gòu)特征會(huì)對(duì)其脫水、干化和生物處理造成不利影響。

要進(jìn)行科學(xué)的污泥處理處置，就必須充分認(rèn)識(shí)污泥的貧資源、低熱值和絮體結(jié)構(gòu)特性，防止片面夸大污泥的資源屬性，過(guò)度追求單一的資源化產(chǎn)品，而應(yīng)在保證污泥無(wú)害化的前提下采用綜合的污泥處理處置系統(tǒng)。

2. 污泥處理處置技術(shù)流程的逆向設(shè)計(jì)

污泥處理處置的全過(guò)程包括處理和處置兩個(gè)階段，處置就是要實(shí)現(xiàn)污泥的最終消納，處置之前為處理階段。許多污泥項(xiàng)目往往只有處理階段，即從污泥來(lái)源開始，依照污泥的處理流程布置處理單元，而由于認(rèn)識(shí)水平、政策導(dǎo)向、管理機(jī)制和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)等原因忽略或簡(jiǎn)化了最終處置環(huán)節(jié)，使得這些項(xiàng)目成為了“半截工程”。例如，厭氧消化項(xiàng)目?jī)H轉(zhuǎn)化污泥中的部分有機(jī)質(zhì)，對(duì)消化污泥僅提出可以進(jìn)行土地利用，但對(duì)土地利用的預(yù)處理、場(chǎng)地和具體規(guī)程等都未進(jìn)行說(shuō)明;熱干化項(xiàng)目?jī)H是去除污泥中的水分，但對(duì)干化污泥的出路缺乏規(guī)劃或者避而不談;焚燒項(xiàng)目并非最終處置手段，對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量50%的污泥而言，500 t/d(脫水污泥)項(xiàng)目的灰渣產(chǎn)量將超過(guò)50 t/d(含有補(bǔ)充燃料和煙氣治理引入的無(wú)機(jī)質(zhì))，一些項(xiàng)目?jī)H提出焚燒灰渣可以進(jìn)行建材化利用，但對(duì)灰渣性質(zhì)、建材種類、加工方法、銷售途徑語(yǔ)焉不詳。這導(dǎo)致很多項(xiàng)目投產(chǎn)后運(yùn)營(yíng)不佳，不僅未達(dá)到資源化預(yù)期，還導(dǎo)致了污染物的再次轉(zhuǎn)移。

為了解決上述問(wèn)題，應(yīng)該采用逆向設(shè)計(jì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的正向設(shè)計(jì)，從污泥的最終出路出發(fā)對(duì)全流程進(jìn)行布置。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，污泥的處置方式只有填埋、土地利用和建材化等。污泥填埋可以消納全部污泥，是現(xiàn)階段許多城市不得不采用的處置方式。然而，從填埋場(chǎng)運(yùn)行管理以及政策導(dǎo)向看，盡量減少進(jìn)入填埋場(chǎng)的水分和有機(jī)質(zhì)是污泥填埋的主要趨勢(shì)。因此，在污泥填埋之前應(yīng)脫除水分和去除有機(jī)質(zhì)。污泥建材化主要利用其中的無(wú)機(jī)質(zhì)，包括水泥窯協(xié)同處置、制磚和制陶粒等。水泥窯協(xié)同處置對(duì)污泥前處理過(guò)程要求較低，有機(jī)質(zhì)可以在水泥窯中燃燒釋放熱量，濕污泥也可少量摻燒，但更好的方式是利用余熱干燥污泥后再入窯，因此這一處置方式的前處理過(guò)程主要是脫除水分。污泥制磚、制陶粒時(shí)需要采用干污泥，有機(jī)質(zhì)在燒結(jié)過(guò)程中可以提供熱量和促進(jìn)孔隙生成，但從提高陶�；虼u的質(zhì)量以及增加污泥消納量的角度，適宜采用污泥灰渣進(jìn)行燒結(jié)或制免燒磚，因此其前處理過(guò)程包括脫除水分和去除有機(jī)質(zhì)。污泥土地利用主要是利用其中的營(yíng)養(yǎng)元素和穩(wěn)定化的有機(jī)質(zhì)(如腐殖質(zhì))，無(wú)機(jī)質(zhì)對(duì)其影響較小，因此土地利用之前要進(jìn)行水分脫除和有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化。


 

根據(jù)上述逆向設(shè)計(jì)思想，可以將污泥最終處置方式與前處理技術(shù)相結(jié)合，篩選出可用的處理技術(shù)路線。水分去除的常用方式包括機(jī)械脫水和熱干化，而有機(jī)質(zhì)去除或轉(zhuǎn)化的常用方式包括厭氧消化、熱化學(xué)處理(焚燒/混燒/熱解等)、堆肥等。這樣，污泥主要處理處置流程可以歸納為圖3。其中，污泥經(jīng)高干脫水后可以填埋，但僅適宜作為過(guò)渡和應(yīng)急方法。厭氧消化可以去除部分有機(jī)質(zhì)，從而增加機(jī)械脫水過(guò)程中去除的水分總量，減少后續(xù)熱干化水分蒸發(fā)的能耗，因此厭氧消化+干化焚燒/熱解的方式在國(guó)外一些污水廠獲得了應(yīng)用，但這一方式的總體效果還需進(jìn)一步評(píng)估。另外，雖然厭氧消化可以實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定化，但其穩(wěn)定化程度不如好氧堆肥，消化污泥一般要經(jīng)晾曬或短暫的好氧處理后才適宜土地施用。

 圖3 基于最終出路的污泥主要處理處置流程

3. 污泥分質(zhì)處理方案及技術(shù)需求

從上述污泥處理處置途徑看，由于污泥含水率高，水分的去除是所有途徑的核心環(huán)節(jié)，其決定了整個(gè)工藝流程的效率、能耗和費(fèi)用。在機(jī)械脫水和熱干化兩個(gè)主要的脫水環(huán)節(jié)中，機(jī)械脫水又更為關(guān)鍵。由于機(jī)械脫水能耗相對(duì)較低，機(jī)械脫水程度的增強(qiáng)將大幅降低熱干化過(guò)程中的水分蒸發(fā)能耗。影響污泥脫水效果的內(nèi)在因素是其水分存在形態(tài)，而水分存在形態(tài)又取決于污泥顆粒結(jié)構(gòu)與有機(jī)質(zhì)構(gòu)成。因此，如果能在污泥脫水前盡量去除有機(jī)質(zhì)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻�似無(wú)機(jī)污泥，就可以大幅改善脫水效果。然而，在圖3的常用處理流程中，除厭氧消化外，污泥水分脫除環(huán)節(jié)一直位于有機(jī)質(zhì)去除環(huán)節(jié)之前，即現(xiàn)有工藝流程為：水分去除→有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化→無(wú)機(jī)質(zhì)處置，這就導(dǎo)致水分脫除受到有機(jī)質(zhì)的干擾，效率很低。從分質(zhì)處理的角度出發(fā)，理想的流程為：有機(jī)質(zhì)去除→水分去除→無(wú)機(jī)質(zhì)處置或利用。

要實(shí)現(xiàn)上述分質(zhì)處理目標(biāo)，就需要在水分存在的條件下盡量實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)的去除或轉(zhuǎn)化。現(xiàn)階段可選技術(shù)包括厭氧消化、濕式氧化、超臨界氧化和高壓液化等，但除厭氧消化外，其它幾種方式在能量回收上還存在不足，規(guī)模使用時(shí)還需要克服許多技術(shù)障礙。厭氧消化技術(shù)成熟，但其有機(jī)質(zhì)降解率僅40%左右，消化污泥機(jī)械脫水后含水率約80%，脫水污泥總量減少24%(以污泥有機(jī)質(zhì)含量60%計(jì)，下同)，尚未到達(dá)分質(zhì)處理的目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要開發(fā)新技術(shù)突破厭氧消化有機(jī)質(zhì)降解率的極限。目前正在推廣的污泥熱水解預(yù)處理或后處理可以一定程度提高有機(jī)質(zhì)降解率。污泥經(jīng)熱水解后，破解污泥在厭氧消化過(guò)程中有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率達(dá)到60%，這意味著消化污泥有機(jī)質(zhì)含量降至37.5%，已經(jīng)趨于無(wú)機(jī)污泥。這樣，消化污泥機(jī)械脫水后含水率可以低至50~60%，相對(duì)于未經(jīng)上述處理的脫水污泥約減量70%，這可以大大降低污泥最終處置的費(fèi)用。雖然污泥熱水解+厭氧消化在國(guó)內(nèi)外已有大量工程案例，但其距離真正的分質(zhì)處理還有一定距離，后續(xù)改進(jìn)方向主要包括：(1)開發(fā)污泥復(fù)合破解調(diào)質(zhì)方法，進(jìn)一步提高有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率至90%以上，并降低這些輔助處理的能耗和費(fèi)用;(2)避免預(yù)處理過(guò)程中生成難降解有機(jī)質(zhì)，同時(shí)促進(jìn)污泥中木質(zhì)纖維素和腐殖酸類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，目前熱水解預(yù)處理技術(shù)尚不能達(dá)到這一要求;(3)在無(wú)需脫水的前提下，實(shí)現(xiàn)消化污泥中抗性有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

實(shí)際上，目前我國(guó)的污泥處理處置全工藝鏈條并不能實(shí)現(xiàn)能源自給。厭氧消化單一環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)能量輸出，但后續(xù)脫水、干化、處置等環(huán)節(jié)會(huì)使整個(gè)鏈條變成凈耗能過(guò)程。但這也提示，厭氧消化是無(wú)需脫除水分實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化能源的重要途徑，如果可以進(jìn)一步改進(jìn)這一技術(shù)，使有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%以上，厭氧消化完全可以成為污泥處理處置的核心環(huán)節(jié)，而后續(xù)脫水和無(wú)機(jī)質(zhì)利用也將更為簡(jiǎn)單，并且有利于污泥磷、氮的回收和重金屬的固定化。

本文依據(jù)作者在2018年中國(guó)城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)與應(yīng)用高級(jí)研討會(huì)上的發(fā)言整理。

作者：李歡，長(zhǎng)期從事有機(jī)固體廢棄物處理及資源化技術(shù)研究，深圳市污泥及廚余協(xié)同處置與資源化技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)深圳研究生院副教授。