摘 要：本文分析了污水處理廠污泥的主要處理處置工藝，并認(rèn)為焚燒及協(xié)同焚燒為污泥最穩(wěn)定、安全、減量的最終處置方式。筆者結(jié)合污泥的組成成分特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了污泥有機(jī)無(wú)機(jī)分離及精準(zhǔn)資源化技術(shù)，并將該項(xiàng)技術(shù)和污水處理廠進(jìn)行完美的整合，實(shí)現(xiàn)了污泥的就地消納穩(wěn)定化處理，同時(shí)將污泥中的各組分根據(jù)其特點(diǎn)完成了資源化。經(jīng)過(guò)分離后的有機(jī)污泥主要作為生物質(zhì)燃料進(jìn)行焚燒或者協(xié)同焚燒，降低了碳排放；無(wú)機(jī)泥砂則作為建筑原料；無(wú)機(jī)鋁鐵則作為除磷劑藥劑回收至污水廠前端，降低了污水處理的藥劑成本；無(wú)機(jī)磷鹽作為磷肥的主要原料回收利用，解決了磷資源短缺的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：污泥成分分離；污泥焚燒；資源化；碳減排
1.污泥的產(chǎn)生及處理處置現(xiàn)狀
1.1污泥的處理處置現(xiàn)狀
隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市污水產(chǎn)量激增，污水處理行業(yè)得到了迅速發(fā)展，進(jìn)而污水廠產(chǎn)生的污泥量也相應(yīng)增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2020年底，全國(guó)城市污水處理廠共計(jì)2618座，污泥產(chǎn)量接近6000萬(wàn)噸（含水率80%計(jì)），其中能得到穩(wěn)定化處置的占比不超過(guò)75%。“十三五”期間，我國(guó)新增污水處理及相關(guān)投資額近6000億元，其中，新增或改造污泥無(wú)害化處理處置設(shè)施投資不足300億元，占比僅為5%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的8%。
目前市政污泥最常見(jiàn)的處理技術(shù)包括衛(wèi)生填埋、厭氧消化、焚燒以及堆肥等。污泥的衛(wèi)生填埋是指將污泥干化至含水率小于60%，然后運(yùn)至垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行處理。這種處置方式具有投資低、處置成本低的特點(diǎn)。但是這種處置方式存在著諸多的安全隱患與環(huán)境問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致二次污染的發(fā)生。污泥的堆肥是指通過(guò)利用微生物好氧發(fā)酵的方式降低污泥的含水率，穩(wěn)定其中的有機(jī)質(zhì)，最終轉(zhuǎn)化為肥料等進(jìn)行利用。但是該種處置方式需要添加大量的生物質(zhì)等輔料，導(dǎo)致堆肥產(chǎn)品質(zhì)量差，并且有毒害的重金屬等物質(zhì)也會(huì)對(duì)土壤和人體造成一定的危害。污泥的厭氧消化是污泥在缺氧的條件下有機(jī)質(zhì)分解消化為甲烷等氣體的過(guò)程。厭氧消化可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量并殺滅病原菌，但厭氧后高氨氮和COD的沼液處理較為困難，同時(shí)產(chǎn)生了大量的沼渣，后續(xù)出路也存在一定的問(wèn)題。污泥焚燒具有處理徹底、減量化效果顯著、微生物全部被滅活等優(yōu)點(diǎn)，很多發(fā)達(dá)國(guó)家如日本已經(jīng)將污泥焚燒作為污泥最終處置的主要手段。
圖1 我國(guó)污泥處置情況
1.2現(xiàn)有的污泥焚燒技術(shù)
污泥焚燒可以分為單獨(dú)焚燒和協(xié)同焚燒兩種處理方式。污泥單獨(dú)焚燒是利用污泥焚燒爐，添加少量的天然氣、煤等燃料進(jìn)行直接焚燒的方式。協(xié)同焚燒是將污泥按照一定的比例摻入燃煤熱電廠、垃圾焚燒廠、水泥窯等進(jìn)行協(xié)同焚燒的方式。污泥的單獨(dú)焚燒按照爐型不同可以分為流化床焚燒、回轉(zhuǎn)窯焚燒、爐排焚燒。
流化床焚燒是利用流態(tài)化原理對(duì)污泥進(jìn)行焚燒，污泥在爐內(nèi)呈沸騰狀態(tài)。流化床的熱傳質(zhì)效果好，能在短時(shí)間內(nèi)使污泥完全焚燒，適合熱值較低的污泥�；剞D(zhuǎn)窯焚燒是國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的污泥焚燒技術(shù)。窯體以一定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，一端加料，另一端排出灰渣和煙氣。爐排式焚燒爐形式多樣化，市場(chǎng)占有率較大，技術(shù)成熟穩(wěn)定。但是爐排式焚燒爐焚燒的過(guò)程中，污泥點(diǎn)火后的通透性較差，前端的著火效果不好，需補(bǔ)充煤粉、生物質(zhì)等燃料才可以繼續(xù)進(jìn)行。
污泥協(xié)同焚燒是將一定比例的污泥摻入焚燒爐中，主要有垃圾發(fā)電廠、燃煤熱電廠和水泥窯等協(xié)同處置方式。協(xié)同焚燒根據(jù)污泥含水率的不同，摻入的比例不同。相對(duì)于80%含水率的污泥，摻燒比例較低，而經(jīng)過(guò)干化后至含水率40%以下，摻燒比例較高。由于污泥的熱值偏低，污泥的協(xié)同焚燒對(duì)焚燒爐以及煙氣處理均會(huì)產(chǎn)生一定的影響。
但是污泥焚燒技術(shù)也存在一定的問(wèn)題。首先由于污泥含水率高，需要大量的熱能進(jìn)行干化后才可以進(jìn)行焚燒，能耗較高。二是由于我國(guó)污泥的泥質(zhì)特點(diǎn)，有機(jī)質(zhì)含量較低，因此污泥的熱值普遍偏低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)污泥的自持焚燒，焚燒過(guò)程需要添加大量煤、天然氣等燃料，因此處理成本升高。
2.污泥有機(jī)無(wú)機(jī)分離及資源化技術(shù)
2.1.污泥有機(jī)無(wú)機(jī)分離技術(shù)
由于我國(guó)城市管網(wǎng)建設(shè)時(shí)雨污分流不徹底，污水廠除砂設(shè)備效率較低，導(dǎo)致進(jìn)水COD偏低，進(jìn)而產(chǎn)生的污泥含砂量增加，有機(jī)物含量普遍偏低（低于50%），從而嚴(yán)重制約了污泥的資源化途徑。
結(jié)合上述原因及污泥處理的現(xiàn)有技術(shù)方法，我公司提出了污泥的有機(jī)無(wú)機(jī)分離及其資源化技術(shù)。分離技術(shù)主要是通過(guò)滅菌及菌膠團(tuán)的破解、水洗的工藝對(duì)污泥原泥中的鋁、鐵、磷鹽等溶解性無(wú)機(jī)鹽溶解出來(lái)，同時(shí)滅菌過(guò)程對(duì)污泥改性處理，破壞了污泥胞外聚合物（EPS）的粘性，使得緊密結(jié)合的有機(jī)物和泥砂等大顆粒物質(zhì)分開(kāi)，再通過(guò)有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的比重差（大約在3-4倍），利用重力分選原理實(shí)現(xiàn)有機(jī)物和泥砂的分離，從而得到了有機(jī)物含量更高的有機(jī)污泥，以及由無(wú)機(jī)金屬鹽和泥砂組成的無(wú)機(jī)污泥。分離后的有機(jī)污泥有機(jī)物含量可提升原泥的50%以上，后續(xù)可以作為生物質(zhì)燃料進(jìn)行焚燒；而無(wú)機(jī)污泥的有機(jī)物含量低于5%，又由于含有大量的無(wú)機(jī)鹽，后續(xù)則可以繼續(xù)進(jìn)行無(wú)機(jī)鹽的提取及資源化利用。
圖2 污泥有機(jī)無(wú)機(jī)分離技術(shù)
利用污泥有機(jī)無(wú)機(jī)分離技術(shù)產(chǎn)出的有機(jī)污泥燃料可在干化階段完全依靠自身熱能實(shí)現(xiàn)熱平衡，并使最終的焚燒爐渣酌減率小于5%。圖3為應(yīng)用本技術(shù)分離出的有機(jī)污泥燃料檢測(cè)報(bào)告。
圖3 有機(jī)污泥燃料檢測(cè)報(bào)告
利用有機(jī)無(wú)機(jī)分離技術(shù)，后續(xù)磷回收率可達(dá)70%，回收磷資源產(chǎn)品的有效磷（以P2O5計(jì)）含量接近30%，打破了國(guó)內(nèi)污泥處理磷難以回收的現(xiàn)狀。圖4為應(yīng)用有機(jī)無(wú)機(jī)分離技術(shù)回收的磷資源產(chǎn)品檢測(cè)報(bào)告。
圖4 磷資源產(chǎn)品檢測(cè)報(bào)告
2.2污水廠污泥有機(jī)無(wú)機(jī)分離處理工藝
基于上述污泥有機(jī)無(wú)機(jī)分離技術(shù)參數(shù)的探究，我公司分別進(jìn)行了武清污泥焚燒項(xiàng)目、宜昌污泥堆肥項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)踐，得到了相對(duì)成功的工程化應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。以上分離工藝的污泥樣品是基于污水處理廠經(jīng)過(guò)“調(diào)理+機(jī)械處理”的污泥（含水率80%），該工藝需要單獨(dú)選址建立污泥處理廠，并利用運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行輸送，期間會(huì)產(chǎn)生一定的運(yùn)輸費(fèi)用，增加了處理成本。因此通過(guò)實(shí)踐探究，對(duì)原有污泥有機(jī)無(wú)機(jī)分離工藝路線進(jìn)行了升級(jí)，提出了具有更強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值的污泥就地消納處理新工藝：污水廠的泥水協(xié)同處理工藝路線。新工藝路線主要是針對(duì)污水處理廠產(chǎn)生的濃縮污泥，就地進(jìn)行污泥有機(jī)無(wú)機(jī)分離，分離后的有機(jī)污泥有機(jī)物含量提升，熱值提升，可作為生物質(zhì)燃料，生物質(zhì)燃料燃燒不作為碳排放，而本工藝中經(jīng)過(guò)處理的污泥可以作為生物質(zhì)燃料進(jìn)行焚燒或協(xié)同焚燒，因而可以降低碳排放，符合現(xiàn)有“雙碳”政策和理念。分離的無(wú)機(jī)泥砂作為建筑原料，鋁鐵鹽則回收作為除磷藥劑回至污水處理廠的前端，降低了污水廠的藥劑成本，同時(shí)降低了原有除磷藥劑生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳排放。新工藝能夠?yàn)橹袊?guó)現(xiàn)階段低品質(zhì)、難脫水、高昂處理費(fèi)的污泥提供解決出路，降低了投資成本、處理成本、運(yùn)行費(fèi)用，因此具有重要的科學(xué)意義和廣闊的市場(chǎng)前景。
圖5 污水廠污泥有機(jī)無(wú)機(jī)分離工藝路線
3.工程實(shí)踐的應(yīng)用
3.1工藝流程
將污泥有機(jī)無(wú)機(jī)分離工藝和污水廠進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)了污泥的就地消納處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了分離后的多種樣品資源化�；诖�，我司建設(shè)了武漢市黃陂區(qū)污泥處置廠工程項(xiàng)目，工程地址位于黃陂區(qū)西河二通道（西堤閘）旁。該項(xiàng)目與污水廠貼建，采用的主要處理工藝路線為“污泥有機(jī)無(wú)機(jī)分離+脫水+焚燒”，設(shè)計(jì)污泥日處理能力100噸（含水率80%）。目前該項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入設(shè)備的采購(gòu)階段，預(yù)計(jì)2022年8月完工，年底前完成投產(chǎn)試運(yùn)行。
本項(xiàng)目的處理工藝為：首先將濃縮池污泥進(jìn)行滅菌處理，使污泥中的細(xì)菌和微生物失去活性，防止后續(xù)處理過(guò)程中產(chǎn)生惡臭氣體污染環(huán)境，滅菌的同時(shí)污泥的胞外聚合物（EPS）發(fā)生水解反應(yīng)，失去絮凝作用；滅菌后的污泥進(jìn)入有機(jī)無(wú)機(jī)分離單元，將污泥分離為有機(jī)污泥和無(wú)機(jī)污泥（無(wú)機(jī)鹽和無(wú)機(jī)泥砂）；有機(jī)污泥進(jìn)入高壓脫水裝置，含水率降低至65%以下，然后進(jìn)入干化單元，最終成為生物質(zhì)燃料進(jìn)行焚燒處理，焚燒過(guò)程產(chǎn)生的余熱通過(guò)余熱回收鍋爐回收至干化單元；無(wú)機(jī)污泥中的無(wú)機(jī)泥砂經(jīng)過(guò)脫水后作為建筑原料；無(wú)機(jī)鋁鐵磷鹽經(jīng)過(guò)一系列的反應(yīng)分別回收，磷鹽作為有機(jī)磷肥的原料，鋁鐵則直接回到污水廠前端作為除磷藥劑。
圖6 武漢市黃陂區(qū)污泥處置項(xiàng)目
3.2工藝亮點(diǎn)
本工藝將率先在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)污泥有機(jī)無(wú)機(jī)分離及全面精準(zhǔn)資源化利用，污泥中的有機(jī)成分實(shí)現(xiàn)利用自身熱能完全焚燒，在焚燒工藝過(guò)程中不摻加任何的外加燃料，實(shí)現(xiàn)焚燒全系統(tǒng)熱能平衡。生物質(zhì)燃料燃燒不作為碳排放，而本工藝中經(jīng)過(guò)處理的污泥可以作為生物質(zhì)燃料進(jìn)行焚燒，因而可以降低碳排放，符合現(xiàn)有“雙碳”政策和理念。分離后的泥砂作為建筑原料利用；分離后的鋁鐵鹽回收作為除磷藥劑回到污水處理廠前端，降低了污水廠的藥劑成本；分離回收的磷作為磷肥原料，打破了國(guó)內(nèi)磷無(wú)法回收的困境。
