為了加速污泥處理處置工作的開展，近年來我國出臺了一系列污泥處理處置標準和技術(shù)指南，但很多項目的設(shè)計、建設(shè)和運營過程中仍然存在諸多問題。一方面，許多項目只考慮采用單一技術(shù)實現(xiàn)污泥中單一組分的資源化，而缺乏系統(tǒng)的布局，特別是缺乏對污泥最終出路的詳細規(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、有機質(zhì)、無機質(zhì)等三類組分往往互相制約，如污泥有機質(zhì)含量及其組成嚴重影響污泥的水分脫出效率，而水分、無機質(zhì)的存在也會影響有機質(zhì)的燃燒轉(zhuǎn)化。相反的，如果通過合適的流程設(shè)計實現(xiàn)污泥的分質(zhì)處理，就可能提高污泥的處理效率。針對這些問題，一方面，在項目設(shè)計時就應(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行逆向設(shè)計;另一方面，需要全面客觀認識我國污泥的特性，并對污泥處理處置技術(shù)進行重新定位和組合，實現(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

污泥常被認為擁有巨大的資源化潛力。然而，無論從產(chǎn)量還是品質(zhì)上，污泥資源化潛力遠不如生活垃圾、農(nóng)林廢棄物等大宗廢物。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2016年，我國生活垃圾清運量達2.0億噸，而市政污泥產(chǎn)生量約4000萬噸(以80%含水率的脫水污泥計)，扣除水分后，干固體僅800萬噸。我國污泥有機質(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值的無機質(zhì)。雖然這些無機質(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%，它們的存在進一步降低了污泥生物轉(zhuǎn)化能源的效率。以污泥有機質(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，其碳含量相遠低于生物質(zhì)廢物。根據(jù)對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)的利用對象，其比例僅45%。從污泥有機物組成看，蛋白質(zhì)是主要成分，但其含量不超過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，無論是以有機質(zhì)、無機質(zhì)為資源化對象，還是單純以某一類組分或元素為資源化對象，其在污泥中的比例都很低。因此，污泥具有貧資源的特點，如果僅圍繞某一類組分設(shè)計處理流程，其效率不高，而對某一類組分(如生物炭、蛋白質(zhì)、磷)的過度追求可能會導(dǎo)致處理費用和環(huán)境負荷的大幅增加，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)該納入到整個處理流程中考慮。污泥干基熱值與有機質(zhì)含量的關(guān)系統(tǒng)計如圖2所示。污泥有機質(zhì)含量60%時，其干基熱值約12000 kJ/kg，這意味著，1kg脫水污泥有機質(zhì)熱值約1440 kJ，低于水分蒸發(fā)所需的約2000 kJ熱量。從這個角度看，污泥實際上是一種負熱值或低熱值廢物，普通機械脫水+熱干化+熱化學(xué)處理(焚燒/混燒/熱解/碳化等)均不能實現(xiàn)能量的凈產(chǎn)出。上述技術(shù)路線實際上需要額外輸入能量，并非嚴格意義上的“能源化”。

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

圖2 污泥有機質(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、鎂等二價金屬離子聯(lián)結(jié)，而水分、細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影響污泥處理設(shè)備的長期穩(wěn)定運行，雖然可以通過離心機或水力旋流除砂器去除污泥中的砂礫，但這些方法對粒徑小于200 μm的細砂分離效果一般，而且需要較大能耗。剩余污泥的這一絮體機構(gòu)特征會對其脫水、干化和生物處理造成不利影響。

要進行科學(xué)的污泥處理處置，就必須充分認識污泥的貧資源、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，過度追求單一的資源化產(chǎn)品，而應(yīng)在保證污泥無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

污泥處理處置的全過程包括處理和處置兩個階段，處置就是要實現(xiàn)污泥的最終消納，處置之前為處理階段。許多污泥項目往往只有處理階段，即從污泥來源開始，依照污泥的處理流程布置處理單元，而由于認識水平、政策導(dǎo)向、管理機制和市場競爭等原因忽略或簡化了最終處置環(huán)節(jié)，使得這些項目成為了“半截工程”。例如，厭氧消化項目僅轉(zhuǎn)化污泥中的部分有機質(zhì)，對消化污泥僅提出可以進行土地利用，但對土地利用的預(yù)處理、場地和具體規(guī)程等都未進行說明;熱干化項目僅是去除污泥中的水分，但對干化污泥的出路缺乏規(guī)劃或者避而不談;焚燒項目并非最終處置手段，對于有機質(zhì)含量50%的污泥而言，500 t/d(脫水污泥)項目的灰渣產(chǎn)量將超過50 t/d(含有補充燃料和煙氣治理引入的無機質(zhì))，一些項目僅提出焚燒灰渣可以進行建材化利用，但對灰渣性質(zhì)、建材種類、加工方法、銷售途徑語焉不詳。這導(dǎo)致很多項目投產(chǎn)后運營不佳，不僅未達到資源化預(yù)期，還導(dǎo)致了污染物的再次轉(zhuǎn)移。

為了解決上述問題，應(yīng)該采用逆向設(shè)計代替?zhèn)鹘y(tǒng)的正向設(shè)計，從污泥的最終出路出發(fā)對全流程進行布置。嚴格來說，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，從填埋場運行管理以及政策導(dǎo)向看，盡量減少進入填埋場的水分和有機質(zhì)是污泥填埋的主要趨勢。因此，在污泥填埋之前應(yīng)脫除水分和去除有機質(zhì)。污泥建材化主要利用其中的無機質(zhì)，包括水泥窯協(xié)同處置、制磚和制陶粒等。水泥窯協(xié)同處置對污泥前處理過程要求較低，有機質(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程主要是脫除水分。污泥制磚、制陶粒時需要采用干污泥，有機質(zhì)在燒結(jié)過程中可以提供熱量和促進孔隙生成，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行燒結(jié)或制免燒磚，因此其前處理過程包括脫除水分和去除有機質(zhì)。污泥土地利用主要是利用其中的營養(yǎng)元素和穩(wěn)定化的有機質(zhì)(如腐殖質(zhì))，無機質(zhì)對其影響較小，因此土地利用之前要進行水分脫除和有機質(zhì)轉(zhuǎn)化。


 

根據(jù)上述逆向設(shè)計思想，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械脫水和熱干化，而有機質(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，但僅適宜作為過渡和應(yīng)急方法。厭氧消化可以去除部分有機質(zhì)，從而增加機械脫水過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一步評估。另外，雖然厭氧消化可以實現(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)，其決定了整個工藝流程的效率、能耗和費用。在機械脫水和熱干化兩個主要的脫水環(huán)節(jié)中，機械脫水又更為關(guān)鍵。由于機械脫水能耗相對較低，機械脫水程度的增強將大幅降低熱干化過程中的水分蒸發(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)與有機質(zhì)構(gòu)成。因此，如果能在污泥脫水前盡量去除有機質(zhì)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻�似無機污泥，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→有機質(zhì)轉(zhuǎn)化→無機質(zhì)處置，這就導(dǎo)致水分脫除受到有機質(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：有機質(zhì)去除→水分去除→無機質(zhì)處置或利用。

要實現(xiàn)上述分質(zhì)處理目標，就需要在水分存在的條件下盡量實現(xiàn)有機質(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，但其有機質(zhì)降解率僅40%左右，消化污泥機械脫水后含水率約80%，脫水污泥總量減少24%(以污泥有機質(zhì)含量60%計，下同)，尚未到達分質(zhì)處理的目標。要實現(xiàn)這一目標，需要開發(fā)新技術(shù)突破厭氧消化有機質(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質(zhì)降解率。污泥經(jīng)熱水解后，破解污泥在厭氧消化過程中有機質(zhì)轉(zhuǎn)化率達到60%，這意味著消化污泥有機質(zhì)含量降至37.5%，已經(jīng)趨于無機污泥。這樣，消化污泥機械脫水后含水率可以低至50~60%，相對于未經(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用。雖然污泥熱水解+厭氧消化在國內(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)改進方向主要包括：(1)開發(fā)污泥復(fù)合破解調(diào)質(zhì)方法，進一步提高有機質(zhì)轉(zhuǎn)化率至90%以上，并降低這些輔助處理的能耗和費用;(2)避免預(yù)處理過程中生成難降解有機質(zhì)，同時促進污泥中木質(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)尚不能達到這一要求;(3)在無需脫水的前提下，實現(xiàn)消化污泥中抗性有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

實際上，目前我國的污泥處理處置全工藝鏈條并不能實現(xiàn)能源自給。厭氧消化單一環(huán)節(jié)可以實現(xiàn)能量輸出，但后續(xù)脫水、干化、處置等環(huán)節(jié)會使整個鏈條變成凈耗能過程。但這也提示，厭氧消化是無需脫除水分實現(xiàn)有機質(zhì)轉(zhuǎn)化能源的重要途徑，如果可以進一步改進這一技術(shù)，使有機質(zhì)轉(zhuǎn)化率達到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)脫水和無機質(zhì)利用也將更為簡單，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年中國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)與應(yīng)用高級研討會上的發(fā)言整理。

作者：李歡，長期從事有機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)工程實驗室，清華大學(xué)深圳研究生院副教授。