城市污泥處置技術(shù)及資源化應(yīng)用進(jìn)展

作為城市污水處理廠的副產(chǎn)物，城市污泥產(chǎn)量巨大且成分復(fù)雜，如何合理處置城市污泥己越來(lái)越受人們關(guān)注。城市污泥含有大量有機(jī)物、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理可以變廢為寶，探究適合我國(guó)國(guó)情的合理處置和利用污泥技術(shù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本文闡述近年來(lái)國(guó)內(nèi)外城市污泥的常用處置技術(shù)，同時(shí)分析不同技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，擬為讀者提供目前城市污泥處置及資源化的基本思路、發(fā)展?fàn)顩r和脈絡(luò)。

一、國(guó)內(nèi)外城市污泥常用處置技術(shù)

目前污泥處置技術(shù)主要有3種：衛(wèi)生填埋、污泥焚燒、土地利用。城市污泥處置技術(shù)因各國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展水平不同而有所差異：西方發(fā)達(dá)國(guó)家工業(yè)化較早，污泥處置技術(shù)較為完善，其污泥土地利用占相當(dāng)大的比例，例如美國(guó)污泥土地利用占污泥產(chǎn)出總量的33%，英國(guó)占55%，法國(guó)占50%，葡萄牙高達(dá)80%。根據(jù)住建部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2014年底，我國(guó)通過(guò)建材、焚燒、堆肥化、衛(wèi)生填埋等無(wú)害化處置的污泥約占56%，未能達(dá)到國(guó)務(wù)院《“十二五”全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》中要求的80%的處置目標(biāo)。

二、城市污泥處置技術(shù)綜述

1.衛(wèi)生填埋

污泥衛(wèi)生填埋技術(shù)開(kāi)始于20世紀(jì)60年代，分為混合填埋和單獨(dú)填埋�；旌咸盥裰肝勰嗯c生活垃圾充分混合、平展、壓實(shí)，最后填埋處置;單獨(dú)填埋指污泥經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單滅菌處理，在專(zhuān)門(mén)填埋場(chǎng)地進(jìn)行填埋處置，在其上覆以惰性、黏性土壤，種植綠色植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，分為溝填、掩埋和堤壩式填埋三種類(lèi)型。衛(wèi)生填埋技術(shù)操作簡(jiǎn)單、污泥無(wú)需高度脫水(自然干化)、無(wú)毒無(wú)害化成本較低。但同時(shí)衛(wèi)生填埋技術(shù)自身也存在許多問(wèn)題，如處理周期過(guò)長(zhǎng)(污泥穩(wěn)定化時(shí)間為2-7年)，侵占土地嚴(yán)重，填埋坑的滲濾液可能導(dǎo)致土壤和地下水污染等。

由于土地資源有限、滲濾液對(duì)土壤及地下水的潛在污染風(fēng)險(xiǎn)，使填埋技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展受到限制。近年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家污泥衛(wèi)生填埋處置所占比例越來(lái)越低，英國(guó)城市污泥衛(wèi)生填埋比例由1980年的27%下降到2005年的6%，并征收污泥衛(wèi)生填埋處置稅;法國(guó)自2005年起禁止污泥填埋;2009年后美國(guó)關(guān)閉大多數(shù)污泥填埋場(chǎng)。我國(guó)在2009年發(fā)布的《城鎮(zhèn)污泥處理廠污泥處理處置及污染防治技術(shù)政策(試行)》明確規(guī)定，不具備土地利用和建筑材料綜合利用條件的污泥才可以采用衛(wèi)生填埋處置，同時(shí)越來(lái)越多的地區(qū)開(kāi)始減少甚至限制填埋場(chǎng)的建設(shè)。

2.污泥焚燒

污泥焚燒技術(shù)是在有氧條件下對(duì)污泥高溫?zé)崽幚淼募夹g(shù)，常用于處置毒性強(qiáng)、危害大的有機(jī)污泥和剩余污泥。城市污泥中含有大量有機(jī)物和纖維木質(zhì)素，脫水干化后直接焚燒，有機(jī)物全部碳化，同時(shí)徹底殺死污泥中病原菌與蟲(chóng)卵，最大限度地減少污泥體積，最終成為更加穩(wěn)定的灰渣。

污泥焚燒技術(shù)處理速度快，無(wú)害化徹底，無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，處置占地面積小，同時(shí)余熱可用于發(fā)電或供熱等。污泥焚燒設(shè)備主要有立式多段爐、同轉(zhuǎn)窯焚燒爐和流化床焚燒爐。目前污泥焚燒技術(shù)在西歐和日本己得到廣泛應(yīng)用，日本的污泥焚燒量己占污泥處理總量的60%以上，歐盟也在10%以上。我國(guó)第一座大型污泥焚燒處理設(shè)施——深圳市市政環(huán)衛(wèi)綜合處理廠于1988年11月投產(chǎn)，己運(yùn)行約20年，為污泥焚燒發(fā)電積累了許多經(jīng)驗(yàn);2005年建立的青島污泥焚燒發(fā)電工程，日處理污泥量可達(dá)26t，每小時(shí)可發(fā)電700多度。

污泥焚燒技術(shù)也存在一些問(wèn)題。首先污泥含水率較高(多在60%以上)，燃燒要求高，導(dǎo)致處理設(shè)施投資大，能耗高，處理及維護(hù)費(fèi)用高;其次，污泥焚燒易產(chǎn)生有毒有害氣體例如酸性氣體、二噁英等，容易產(chǎn)生二次污染。據(jù)日本國(guó)土交通省統(tǒng)計(jì)，污泥焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的N2O的量占污水處理行業(yè)溫室氣體排放總量21%;另外，污泥中含有大量有價(jià)值的生物資源，焚燒后此類(lèi)資源未得到充分利用，不符合可持續(xù)發(fā)展需求，因此這些問(wèn)題限制了污泥焚燒技術(shù)的進(jìn)一步推廣。

3.土地利用

城市污泥含有豐富的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等有益成分，同時(shí)具有強(qiáng)黏性與強(qiáng)吸水性，能明顯改善土壤的物化性質(zhì)，有利于形成土壤團(tuán)粒、提高團(tuán)粒的水穩(wěn)定性和保水能力，減少水土流失，顯著提高土壤肥力與生物活性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。因此土地利用也是城市污泥處置的重要潛在途徑之一。雖然污泥可以用于鹽堿地、沙地及受損土壤的修復(fù)改良，但由于城市污泥中也含有某些有毒有害物質(zhì)和病原體、寄生蟲(chóng)卵等，若污泥未經(jīng)預(yù)處理直接土地利用，濃度過(guò)高的氮、磷物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致地下水污染;重金屬(汞、鋅、鉻、鉛、鎳等)可能造成土壤的二次污染，并有可能通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體;另外，病原體、寄生蟲(chóng)卵會(huì)對(duì)環(huán)境和公共衛(wèi)生造成影響。這些都是污泥土地利用在實(shí)際應(yīng)用中亟需解決的問(wèn)題。

三、城市污泥的資源化利用

從經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源開(kāi)發(fā)利用、城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面來(lái)看，城市污泥處置的理想出路是資源化利用。城市污泥資源化利用應(yīng)遵循“安全環(huán)保、循環(huán)利用、節(jié)能降耗、因地制宜、穩(wěn)妥可靠”的基本原則。其中安全環(huán)保是必須堅(jiān)持的基本要求;循環(huán)利用是努力實(shí)現(xiàn)的重要目標(biāo);節(jié)能降耗是充分考慮的重要因素;因地制宜是方案比選決策的基本前提;穩(wěn)妥可靠是貫穿始終的必需條件。目前幾種主要的污泥資源化技術(shù)如下。

1.城市污泥農(nóng)用資源化

(1)城市污泥堆肥化

污泥堆肥化技術(shù)是從20世紀(jì)60年代迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興生物處理技術(shù)，其屬于污泥土地利用的一種資源化技術(shù)，被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N處置技術(shù)。污泥堆肥化的主要機(jī)理是：污泥中不穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)在微生物發(fā)酵作用下，降解和轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，病原菌與蟲(chóng)卵被殺死，同時(shí)一定程度上消除惡臭。

污泥堆肥化的工藝流程一般為前處理——次發(fā)酵——二次發(fā)酵——后處理，其優(yōu)點(diǎn)是投資少、能耗低、運(yùn)行費(fèi)用低，堆肥產(chǎn)品便于儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用。日本在20世紀(jì)90年代末己建35座污泥堆肥廠;目前英國(guó)、法國(guó)、瑞士、瑞典和荷蘭等國(guó)家城市污泥的農(nóng)用資源化達(dá)污泥總量的50%左右，盧森堡達(dá)80%以上。

污泥堆肥化技術(shù)雖然是目前最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N處置技術(shù)，但是由于國(guó)內(nèi)很多污水廠混入工業(yè)污水，污泥中含有潛在的污染物質(zhì)造成污泥堆肥化技術(shù)受到限制。目前國(guó)家農(nóng)業(yè)部己通過(guò)嚴(yán)格把控污泥制品的肥料證的方式限制污泥制品進(jìn)入食物鏈或生態(tài)系統(tǒng)，因此對(duì)污泥堆肥化產(chǎn)品的后續(xù)發(fā)展還有待于進(jìn)一步研究。

(2)城市污泥消化制沼氣

污泥消化制沼氣己有100多年的歷史，20世紀(jì)80-90年代開(kāi)始逐步實(shí)現(xiàn)規(guī)模化和工業(yè)化。城市污泥含有大量有機(jī)物，經(jīng)厭氧消化可分解成穩(wěn)定物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)污泥減量化和無(wú)害化處置，同時(shí)產(chǎn)生以甲烷為主的沼氣�，F(xiàn)代工業(yè)化污泥生產(chǎn)沼氣是將污泥置于特定的反應(yīng)器內(nèi)，根據(jù)污泥不同成分，通過(guò)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)厭氧環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)，充分利用微生物參與有機(jī)物的逐級(jí)發(fā)酵降解，針對(duì)國(guó)內(nèi)某些地區(qū)污泥有機(jī)質(zhì)比例偏低，可考慮與餐余垃圾協(xié)同發(fā)酵，最終實(shí)現(xiàn)甲烷化。反應(yīng)后的殘?jiān)?僅剩原總量的40%)中仍存在大量豐富營(yíng)養(yǎng)成分，可作為有機(jī)肥料或土壤改良劑用于農(nóng)田、土壤的修復(fù)與改良等。該技術(shù)資源化、無(wú)害化程度高。

2.城市污泥的建材資源化

(1)城市污泥制生態(tài)水泥

我國(guó)建材行業(yè)是天然礦物和能源的高消耗行業(yè)，每年生產(chǎn)各種建筑材料需消耗50多種資源，給環(huán)境帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)。城市污泥含有20%-30%的無(wú)機(jī)物，尤其是混凝法處理廢水的污泥中含有大量的鋁、鐵等成分，經(jīng)焚燒后灰渣可替代部分水泥原料;其添加一定量的石灰，高溫焚燒制得質(zhì)量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)水泥。

污泥制水泥技術(shù)管理簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)、污泥處置成本低、節(jié)約資源保護(hù)環(huán)境，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。發(fā)達(dá)國(guó)家利用城市污泥生產(chǎn)水泥己有豐富的經(jīng)驗(yàn)，例如日本利用城市污泥焚燒灰渣和下水道污泥為原料實(shí)現(xiàn)水泥的批量化生產(chǎn)，并于2001年建成世界上第一座生態(tài)水泥廠，年產(chǎn)量11萬(wàn)噸水泥。

(2)污泥制輕質(zhì)陶粒

輕質(zhì)陶粒是一種人造輕質(zhì)粗集料，因質(zhì)地輕、強(qiáng)度高、保溫性好等特性備受關(guān)注，可用作路基、混凝土骨料或花卉覆蓋材料，是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦徒ú�。相關(guān)方面的研究于20世紀(jì)80年代己趨成熟，并己進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。制備機(jī)理是用污泥做主要原料，黏土和爐渣做輔助料，經(jīng)過(guò)焙燒、成球形成具有一定硬度的污泥陶粒，常見(jiàn)的技術(shù)方法有同轉(zhuǎn)窯焚燒技術(shù)。

(3)污泥制磚

污泥制磚是指將污泥經(jīng)過(guò)一定處理篩選后，與其他原料或外加劑混合(如黏土、頁(yè)巖、煤研石、粉煤灰)，加壓成型，焙燒后制得污泥磚。該方法不僅在坯料中封存污泥中的有毒重金屬，殺死有害病菌，實(shí)現(xiàn)污泥資源化;同時(shí)充分利用污泥熱值，制成的污泥磚空隙多、磚質(zhì)輕，具有一定的隔音隔熱的效果，而且完全沒(méi)有異味。經(jīng)過(guò)條件優(yōu)化，污泥磚的主要指標(biāo)可達(dá)到普通燒結(jié)磚的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具有高抗壓強(qiáng)度、重量比同體積的普通磚輕等優(yōu)點(diǎn)，可節(jié)省10%的能耗，10%-15%的黏土土資源。常見(jiàn)的污泥制磚有兩種方法，分別為污泥焚燒灰制磚和干化污泥直接制磚，目前市場(chǎng)上以干化污泥直接制磚為主，其工藝主要是通過(guò)人工烘干或自然晾干將污泥干化后進(jìn)行磨細(xì)處理，之后和其他原料混合加壓成型燒制成磚，污泥制磚主要技術(shù)要點(diǎn)是控制污泥摻量(10%-20%)，當(dāng)污泥摻量高于30%時(shí)，污泥磚抗壓強(qiáng)度己不能達(dá)到磚的性能標(biāo)準(zhǔn)。

3.污泥的環(huán)境資源化應(yīng)用

(1)污泥制黏結(jié)劑城市污泥含有大量有機(jī)物，有一定黏結(jié)性能與熱值，可用于制備型煤黏結(jié)劑。城市污泥替代白泥可以改善高溫下型煤的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)不通，提高成型煤的氣化反應(yīng)性，降低燃燒后灰渣中的殘?zhí)�，提高碳轉(zhuǎn)化率，同時(shí)污泥在高溫氣化爐內(nèi)被處理，可以有效防止二次污染。實(shí)驗(yàn)研究表明煤中摻入20%左右的城市污泥(含水率為80%)，不會(huì)影響煤的燃燒特性，相反改善和提高煤的燃燒性能。

(2)污泥制吸附劑

活性炭是一種常見(jiàn)的高效吸附劑，但是制備商品活性炭的原材料昂貴，其是導(dǎo)致活性炭生產(chǎn)成本高原因之一。理論上幾乎所有含碳物質(zhì)均可用作制備活性炭的原材料，而城市污泥含有豐富的有機(jī)碳。以含碳較多的生化污泥為原料在一定高溫下可以通過(guò)化學(xué)途徑將其制成含碳吸附劑，可用于處理污水處理。

4.污泥其他資源化應(yīng)用

(1)污泥制動(dòng)物飼料

污泥中含有大量有價(jià)值的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，粗蛋白占28.7%-40.9%、灰分占26.4%-46.0%、纖維素占26.6%-44.0%,脂肪酸占0%-3.7%，且污泥蛋白中含有幾乎所有家畜飼料所需的氨基酸，各種氨基酸之間相對(duì)平衡，因此可以將凈化處理后的污泥加工成污泥飼料。研究表明將污泥飼料用來(lái)喂魚(yú)，可提高魚(yú)的產(chǎn)量，同時(shí)用污泥飼料與一般飼料混合(混合比例為9：1)飼養(yǎng)的雞與用一般飼料飼養(yǎng)的雞對(duì)照，雞的體重有所增加，產(chǎn)蛋率也有提高。但是如果污泥未經(jīng)預(yù)處理而被制成污泥飼料，污泥飼料中的有毒物質(zhì)在動(dòng)物體內(nèi)的積累，可能會(huì)造成的潛在危害，其影響還有待于進(jìn)一步研究。

(2)污泥低溫裂解制油

污泥低溫裂解制油研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代，己成功應(yīng)用于處置市政污泥。該技術(shù)是把含水率約為65%的污泥在無(wú)氧條件下加熱升溫至4500℃左右，在催化劑作用下污泥中的脂肪烴化合物轉(zhuǎn)化為油、炭、不凝性氣體和反應(yīng)水。

污泥低溫?zé)峤庵朴图夹g(shù)的產(chǎn)物如氣體和油有很高的熱值，是潛在的燃料。目前該種技術(shù)在國(guó)外己開(kāi)始用于生產(chǎn)實(shí)踐，加拿大正在進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn)，澳大利亞柏斯建造了世界上第一座工業(yè)規(guī)模的污泥煉油廠，處理十污泥量可達(dá)25t/d。目前國(guó)內(nèi)的污泥熱解技術(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。