戴曉虎：我國污泥處理處置現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

近年來，我國污泥處理處置技術取得了一定的進展，污泥處理處置方面的政策和標準也在逐漸完善。但面對社會發(fā)展對生物質(zhì)能源以及環(huán)境質(zhì)量提出的更高要求，我國污泥處理處置應以無害化為目標，以資源化為手段，實現(xiàn)污泥的安全處理處置與資源化，以解決污泥的最終出路問題。

隨著我國經(jīng)濟持續(xù)快速穩(wěn)定發(fā)展，我國城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模日益提升，污泥產(chǎn)量也相應增加。據(jù)統(tǒng)計，2019年我國污泥產(chǎn)量已超過6000萬噸（以含水率80%計），預計2025年我國污泥年產(chǎn)量將突破9000萬噸。但是，由于我國長期以來“重水輕泥”，污泥處理處置沒有與污水處理同步提升，污泥處理處置問題未能得到有效解決，形勢十分嚴峻。

我國污泥泥質(zhì)特性及處理處置現(xiàn)狀

（1）污泥性質(zhì)

污泥作為污水處理的副產(chǎn)物，富集了污水的污染物質(zhì)（重金屬、難降解有機物、持久性有機物、微塑料等）和營養(yǎng)物質(zhì)（C、N、P等），源頭上具有“資源”和“污染”雙重屬性。污泥中含有的豐富有機質(zhì)可通過厭氧處理得到甲烷生物氣（沼氣）、氫氣（H2）等熱值較高的燃料，另外也能通過蛋白質(zhì)提取等技術回收污泥中豐富的資源。處理后的穩(wěn)定產(chǎn)物還能實現(xiàn)土地利用（營養(yǎng)物質(zhì)、有機質(zhì)穩(wěn)定化處理產(chǎn)物）和建材利用（無機物）等，從而實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化、無害化和資源化。

與發(fā)達國家相比，我國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥具有有機質(zhì)含量低、含沙量高、產(chǎn)量大等特點，因而污泥處理處置技術路線的選擇應結(jié)合我國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥的特定性質(zhì)，充分考慮污泥的“資源”和“污染”雙重屬性，實現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益的最大化。

（2）我國污泥的處理處置現(xiàn)狀

國家“水十條”明確指出污水處理設施產(chǎn)生的污泥應進行穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置，并禁止處理處置不達標的污泥進入耕地，從而保障污水廠污泥的全量安全處置，處理過程和處置環(huán)節(jié)不會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

目前我國常用的污泥處理技術主要包括污泥濃縮技術、污泥脫水技術、污泥厭氧消化技術、高溫好氧發(fā)酵技術、污泥熱干化技術等。

經(jīng)過處理的污泥需要進行安全處置。目前我國通常采用的處置方法有土地利用（農(nóng)用）、焚燒、衛(wèi)生填埋。但這些處置方式現(xiàn)在都遇到了不同程度的阻礙：土地利用對污泥泥質(zhì)要求較高，污泥中重金屬和其他有毒有害物質(zhì)往往超標；由于污泥含水率較高，焚燒的能耗太高，不生態(tài)環(huán)保；衛(wèi)生填埋通常遇到無地可埋的尷尬處境。

由于污泥處理處置責任主體及最終處置路線不明確、法律法規(guī)監(jiān)管體系不完善及我國城市污水處理廠早期建設過程中存在的嚴重“重水輕泥”現(xiàn)象，當前我國污泥處理設施僅基本實現(xiàn)污泥的減量化, 并未真正實現(xiàn)“三化”，存在嚴重的二次污染風險。據(jù)統(tǒng)計污泥厭氧消化普及率僅為3%，遠低于發(fā)達國家50%的水平。目前我國的污泥處理處置與發(fā)達國家間存在的差距主要體現(xiàn)在：我國污泥處理設施處理能力不足；污泥穩(wěn)定化、資源化利用率不足；綠色生態(tài)化處置方式不足等。

污泥處理處置主流技術路線

針對我國污泥產(chǎn)量大，處理處置形勢嚴峻的問題，“十三五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設施建設規(guī)劃也明確指出污泥應進行穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置。十二五期間，大量科研資金的投入使得我國污泥處理處置技術得到快速發(fā)展。引進國外成熟技術的同時，緊密圍繞我國污泥有機質(zhì)含量低、含沙量高的特點，形成了穩(wěn)定化處理與安全處置的四條主流技術路線：厭氧消化—土地利用、干化焚燒—灰渣填埋或建材利用、好氧發(fā)酵—土地利用、深度脫水—應急填埋。

（1）厭氧消化—土地利用

污泥厭氧消化是指污泥中可生物降解的有機物在兼性菌和厭氧細菌的作用下分解，隨著污泥的穩(wěn)定化，產(chǎn)生大量高熱值的沼氣作為能源利用，實現(xiàn)污泥資源化的過程。同時，厭氧消化過程也是污泥減量化過程，可降解污泥中35%~50%的揮發(fā)性固體，提高污泥脫水性能，脫水后污泥可減少30%~60%。近年來，因其經(jīng)濟有效且可持續(xù)性強的優(yōu)勢，厭氧消化成為目前實現(xiàn)污泥資源化回收的主流技術。傳統(tǒng)厭氧消化通常指采用中溫（35~37℃）或高溫（52~55℃）對濃縮污泥（含固率為5%左右）進行厭氧消化，存在單位容積產(chǎn)氣率低、有機負荷低、工程效益不明顯等缺點。因此我國在十二五期間開發(fā)了高含固厭氧消化、熱水解預處理、協(xié)同厭氧消化等一系列高級厭氧消化技術，并在實際工程中得到應用。北京高碑店污水處理廠污泥高級消化工程、長沙黑糜峰污泥高級厭氧消化示范工程等均采用“污泥熱水解—厭氧消化”技術，提高了污泥厭氧消化性能，降低了沼氣中H2S濃度，提升了沼氣品質(zhì)；十二五期間在污泥與餐廚等有機質(zhì)協(xié)同方面也開展了探索，建成了鎮(zhèn)江污泥與餐廚協(xié)同高級厭氧消化等示范工程。北排在“高碑店”“小紅門”“槐房”“高安屯”和“清河二”五個污泥處理處置中心推行“高溫預處理+厭氧消化”技術，實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化和無害化，產(chǎn)品用于土壤改良、苗圃種植和制肥，為全國提供了可借鑒的污泥資源化土地利用模式。

（2）干化焚燒—建材利用

污泥干化焚燒技術是指先采用熱方法使污泥水分蒸發(fā)成干化污泥，而后采用有氧燃燒使污泥無機化的過程，污泥焚燒后的灰渣，首先考慮建材利用。該技術時效性高，能在短時間內(nèi)處理大量污泥，并能回收焚燒熱量，屬于國際上污泥處理處置的一種高效技術手段。我國上海、浙江等地有若干項目，如上海市石洞口污泥處理工程采用流化床污泥干化和流化床焚燒工藝，是國內(nèi)第一座污泥干化焚燒工程。2010年，嘉興熱電協(xié)同污泥處置工程在國內(nèi)首試了污泥與燃煤混燒的污泥協(xié)同處置技術，該項目全部建成后總計新增年發(fā)電量3億千瓦時左右，節(jié)約標煤約10萬噸/年。此外，焚燒后的爐渣還可作為建筑原料。這種利用現(xiàn)有的工業(yè)焚燒爐將干化污泥與其他物質(zhì)進行混合焚燒的協(xié)同焚燒技術，在歐盟及日本的法律上是允許的。雖然從投資和運行成本看，污泥協(xié)同焚燒比單獨焚燒更具優(yōu)勢，但是我國尚無協(xié)同焚燒相關標準，協(xié)同焚燒的煙氣稀釋排放、監(jiān)測和處理等問題亟待解決。干化焚燒技術的發(fā)展仍處于起步階段，能耗高、投資運營要求高、臭氣及尾氣的處理問題制約著該技術的應用。

（3）好氧堆肥—土地利用

污泥好氧堆肥是指在一定的水分、C/N和通風條件下，通過好氧微生物繁殖并降解污泥中的有機物，產(chǎn)生較高的溫度，從而殺死污泥中大部分的寄生蟲、病原體等，將污泥轉(zhuǎn)變成性質(zhì)穩(wěn)定且無害的腐殖化產(chǎn)物（肥料）的過程。城鎮(zhèn)生活污水廠產(chǎn)生的污泥經(jīng)過好氧堆肥后能夠達到限制性農(nóng)用、園林綠化及土壤改良的標準，其中的有機質(zhì)及營養(yǎng)元素得到有效地循環(huán)利用。另外，污泥好氧堆肥工藝建設和運行維護成本較低，工藝運行及操作相對簡單，且工藝穩(wěn)定性高，比較適合進行土地利用。因此，高溫好氧發(fā)酵成為鼓勵污泥土地利用的國家（如澳大利亞等）較為普遍的污泥處理技術。我國十二五期間已有一批示范工程，如秦皇島綠港污泥處理廠，并且開發(fā)了高溫好氧發(fā)酵技術智能化控制，滾筒一體化好氧發(fā)酵設備；但由于污泥含水率高、占地面積大、惡臭氣體產(chǎn)物出路受限等問題，該技術推廣應用受到限制。

（4）深度脫水—應急填埋

我國傳統(tǒng)的污泥填埋多采用脫水泥餅（含水率75%~85%）直接填埋的方式，造成了大量的環(huán)境問題，主要表現(xiàn)為占用大量土地資源，產(chǎn)生大量滲濾液，造成地下水和地表水污染，破壞原有的生態(tài)環(huán)境。這些問題產(chǎn)生的根源在于前端缺乏穩(wěn)定化處理和充分的水分減量。因此近年來，深度脫水—填埋技術應運而生。深度脫水是我國特有的一種脫水工藝，該技術能夠通過調(diào)理預處理，破除細胞壁，釋放毛細附著水和細胞內(nèi)水，改善污泥的脫水性能，從而將污泥的含水率降低到60%以下。目前較為成熟的污泥深度脫水技術有酸處理、高級氧化技術和熱處理等物理化學方法以及生物瀝浸和酶處理等生物降解方法，使污泥的脫水性能及經(jīng)濟性等各方面達到最優(yōu)條件。后續(xù)采用機械壓力脫水及新型板框壓濾機壓濾脫水等技術進行脫水。但由于面臨著無地可埋的嚴峻問題，填埋不符合未來發(fā)展趨勢，只能作為階段性、應急性的過渡性處置技術，不能成為主流技術。

污泥厭氧消化工程案例

厭氧消化作為世界上污泥處理處置的主流技術，可實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化與減量化，并能同時實現(xiàn)生物質(zhì)能（沼氣）的回收，但由于我國長期以來“重水輕泥”，污泥厭氧消化普及率僅為3%，且厭氧消化存在有機質(zhì)轉(zhuǎn)化率低、設施處理負荷低、工程運行效益低三大瓶頸問題，因此圍繞國家急需解決的污泥生物穩(wěn)定化處理與資源化利用技術難題，開發(fā)了水熱活化預處理、高含固厭氧消化、污泥與餐廚等有機質(zhì)協(xié)同厭氧消化技術，為我國城市污泥處理提供可持續(xù)發(fā)展的解決方案。

（1）長沙市污水處理廠污泥集中處置工程

長沙市污水處理廠污泥集中處置工程采用“污泥熱水解預處理+高含固厭氧消化+污泥脫水+干化”高級厭氧消化處理工藝，是國內(nèi)首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的污泥熱水解耦合高含固厭氧消化的示范工程，也是該技術在國內(nèi)的首次探索，日處理規(guī)模500噸/天（含水率80%），工程總投資近4億元。

該項目來料污泥經(jīng)熱水解預處理得到調(diào)理，有機質(zhì)溶出、黏度降低，經(jīng)后續(xù)高含固厭氧消化產(chǎn)生生物能源沼氣，殘余物脫水干化后用作填埋場覆蓋土，作為一項資源化利用及環(huán)境治理項目，有效解決了城市生活污泥的出路問題。

通過該示范工程的實施，在城市污泥生物質(zhì)能能源回收—資源綜合利用技術領域上取得突破，可解決城市污泥處理的能源化與資源化的問題。

（2）鎮(zhèn)江污泥與餐廚協(xié)同高級厭氧消化示范工程

鎮(zhèn)江污泥與餐廚協(xié)同高級厭氧消化示范工程，是國內(nèi)首個城鎮(zhèn)污水廠污泥和餐廚垃圾協(xié)同厭氧消化處理的工程項目，主要采用“餐廚源頭預處理+污泥熱水解+高含固率厭氧消化+沼渣深度脫水太陽能干化利用+沼氣凈化提純制天然氣”工藝方案，日處理規(guī)模260噸/天，其中餐廚垃圾140噸/天（其中廢油脂20噸/天），城鎮(zhèn)污水廠污泥120噸/天（含水率80%），工程總投資近1.8億元，可實現(xiàn)污泥與濕垃圾的“智能混合”協(xié)同處置。

該項目采用太陽能干化，有利于減小脫水后污泥的含水率，并充分實現(xiàn)熱能的循環(huán)利用。污泥與餐廚的協(xié)同消化還可增大消化設施的容積利用率，提高有機負荷。同時，通過物料的互相稀釋，明顯緩解了高含固污泥厭氧消化中存在的氨抑制問題以及餐廚垃圾厭氧消化中的鹽抑制問題，提高工藝運行穩(wěn)定性。該項目使現(xiàn)有污泥厭氧消化設施的甲烷產(chǎn)率提高1倍以上，為我國“垃圾分類”及“長江大保護”等國家戰(zhàn)略實施提供有力的科技支撐。

（3）西安市污水處理廠污泥集中處置項目

西安市污水處理廠污泥集中處置項目建設的污泥高級厭氧消化工程，是西安市首個污泥規(guī)范化集中處置PPP項目，也是目前我國首個擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的項目，日處理規(guī)模達1000噸/天（含水率80%），單體投資成本與國外同類技術相比可降低40%以上。

該項目主要采用“熱水解+厭氧消化+脫水+熱干化”的工藝路線，處理后的終端產(chǎn)品可作為園林綠化和肥料等，實現(xiàn)污泥無害化安全處理。處理后產(chǎn)生的沼氣可經(jīng)過凈化和脫硫后，供廠區(qū)內(nèi)鍋爐燃用，為整個廠區(qū)提供熱量。

污泥資源化回收利用途徑

污泥組分復雜，富含了大量有機物和氮磷等資源。污泥資源化利用著眼于兩個方向即物質(zhì)回收和能源利用。污泥可以通過產(chǎn)甲烷、產(chǎn)氫、產(chǎn)熱等方式回收能源；也可以通過提取蛋白質(zhì)、聚羥基脂肪酸（PHA）、磷（P）回收、作為污水脫氮除磷的碳源、提取金屬、制生物碳土等回收物質(zhì)。以下對污泥資源化回收——物質(zhì)回收中的部分方法作闡述。

（1）蛋白回收

剩余污泥含有大量有機物，最高可達污泥干重的70%，而蛋白質(zhì)是剩余污泥中含量最高的有機物，約占有機物的40%~60%，相關研究表明剩余污泥有機物中含有61%的蛋白質(zhì)、11%的碳水化合物、不到1%的脂質(zhì)和27%以上的未知成分。同時，蛋白質(zhì)也是微生物菌體內(nèi)含量最高的有機物，占細菌干重的50%~60%。污泥中蛋白質(zhì)含量豐富，回收利用潛力巨大。

目前，從剩余污泥中提取回收蛋白質(zhì)的方法有物理法、化學法、生物法以及上述方法的聯(lián)合方法。

污泥中提取的蛋白質(zhì)可作為動物飼料、農(nóng)作物肥料等，相關研究較多。有研究利用剩余污泥中回收的蛋白質(zhì)作為動物飼料，污泥經(jīng)堿處理后超聲處理、酸沉干燥回收后的蛋白質(zhì)營養(yǎng)成分與商品蛋白飼料相當，證明了利用從剩余污泥中回收粗蛋白作為動物飼料是可行的。有研究以脫水污泥蛋白質(zhì)為原料，開發(fā)了氨基酸螯合微量元素肥料生產(chǎn)工藝。有研究從造紙廠二沉池廢水中回收蛋白質(zhì)作為木材黏合劑 。有研究利用剩余污泥水解產(chǎn)物作緩蝕劑，其表面吸附能有效抑制鋼在酸性介質(zhì)中的腐蝕反應。

（2）制PHA

傳統(tǒng)塑料難降解、易引發(fā)環(huán)境問題，已有490萬至1270萬噸塑料進入海洋，預計到2025年將增加一個數(shù)量級。近年來，生物降解塑料的研究引起了廣泛關注。生物降解塑料是在自然界或特定條件下，可被微生物降解的一類塑料。與傳統(tǒng)塑料相比，生物降解塑料易降解且不易引發(fā)環(huán)境問題。生物降解塑料按照生產(chǎn)原料的來源不同可分為：聚乳酸（PLA）、聚羥基丁酸酯（PHB）、PHA等 。目前，PLA和PHA已經(jīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，但生產(chǎn)原料較高的成本使其價格仍高于傳統(tǒng)塑料。揮發(fā)性脂肪酸（VFA）廣泛應用于PHA的生產(chǎn)。作為厭氧消化過程的中間產(chǎn)物，尤其是產(chǎn)酸相產(chǎn)生的VFA可作為PHA生產(chǎn)原料。以污泥為原料厭氧消化產(chǎn)VFA作為PHA的原料，可實現(xiàn)污泥資源化的同時，減少PHA的生產(chǎn)成本。

污泥厭氧發(fā)酵制VFA已被廣泛研究，在pH值為11、溫度60℃和發(fā)酵時間7天的條件下，利用污泥厭氧發(fā)酵，最大PHA產(chǎn)率為56.5%。研究表明，污泥發(fā)酵產(chǎn)生的VFAs是生產(chǎn)PHA的適宜碳源。

（3）P回收

作為一種不可再生資源，磷是生物體生命活動必需的元素。然而，自然水體磷濃度的超標和磷資源的匱乏是一基本矛盾 ，從磷去除理念到磷回收理念的轉(zhuǎn)變是必然趨勢。污水污泥中富集了原水95%的總磷（TP），從污泥中回收磷已經(jīng)被廣泛研究。

從污泥中回收磷，首先需要對污泥進行預處理，使污泥中的磷充分釋放。目前，預處理方式可分為生物法和化學法。生物法如厭氧消化法和好氧消化法、其中好氧消化法常與其他方法聯(lián)用。污泥釋磷的化學方法有水熱處理、酸熱處理、堿熱處理、氧化預處理、超聲波預處理等。污泥中磷回收的方法有吸附解吸法、化學沉淀法、鳥糞石結(jié)晶法等。其中鳥糞石結(jié)晶法由于其操作簡單，且可同步實現(xiàn)氮的部分回收而被廣泛研究和應用。

研究展望

近年來，圍繞“減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化”的基本原則，我國污泥處理處置技術取得了一定的進展，熱水解預處理、與餐廚等有機質(zhì)協(xié)同的高級厭氧消化技術等污泥穩(wěn)定化技術實現(xiàn)了良好的應用和推廣，我國污泥處理處置方面的政策和標準也在逐漸完善。但面對社會發(fā)展對生物質(zhì)能源以及環(huán)境質(zhì)量提出的更高要求，我國污泥處理處置需要以無害化為目標，以資源化為手段，大力開發(fā)高效回收、利用污泥中能源與資源（生物質(zhì)清潔能源及氮磷等）的技術，并在實現(xiàn)污泥中能源資源高效回收的同時，實現(xiàn)污泥中污染物的穩(wěn)定化或高效去除，提高污泥處理產(chǎn)物后續(xù)利用的安全性，解決污泥的最終出路問題。

面臨氣候變化，能源資源短缺，環(huán)境容量缺乏等問題，“資源循環(huán)”是未來新技術創(chuàng)新的重點，巨大的市場需求和科技投入，相信會有一批適合中國國情的“污水污泥資源化利用新技術”進入市場。