市政污泥处置研究进展*

2021-04-09魏子凯杨昂超张文学甘栋元

云南化工 2021年12期

魏子凯，杨昂超，张文学，甘栋元

(1.广东省现代农业装备研究所，广东广州 510000；2.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广东广州 510000)

市政污泥是城镇污水处理厂进行污水处理后产生的沉淀物质，具有含水率高、孔隙率和比表面积大等特点。市政污泥一般含有大量的重金属、有机物、细菌以及病原微生物等有毒有害物质[1-2]。随着我国城市化进程的加速，城镇快速的发展，污水处理厂日处理量的不断增加，市政污泥产量与日俱增。2020年我国市政污泥的总产量达6000～9000万吨[3]。如何安全、经济、高效地处置市政污泥已成为当前各城市的迫切需求和难题[4]。本文综述了目前市政污泥的处置现状，并对其未来研究需要解决的问题提出展望，以期对市政污泥高效减量化、无害化、资源化处置提供坚实的理论基础。

1 市政污泥的特征

在城市污水处理的过程中会产生大量的市政污泥，市政污泥是污水处理过程中最大的副产物。尽管不同污水处理厂产生的市政污泥成分各有不同，但都存在着一些共同的特征：1)市政污泥含有超过 90% 的水，这些水通常很难从污泥中分离出来[5]；2)市政污泥是小污泥颗粒的胶体系统，可在水中形成稳定的悬浮液[6]；3)形状不规则，孔隙率高，比表面积大[4]；4)是有机污染物、无机污染物、微生物病原体和寄生虫卵的混合物[7]。

几十年来，一些学者已经对污水污泥中存在的有机污染物进行了研究，并发现：脂肪族和芳香族烃、有机氯化合物、亚硝胺、苯酚、邻苯二甲酸盐、有机磷农药、有机磷酸酯及其代谢物、壬基酚聚乙氧基化物、多环和硝基麝香、直链烷基苯磺酸盐和全氟化合物经常出现在处理不同工业来源污水的污水处理厂产生的市政污泥中[8]。此外，挥发性有机化合物(VOC)和半挥发性有机化合物(SVOC)是在各种有机化合物的分解过程中以及在废水生物处理过程中微生物的代谢形成的[9]。市政污泥中主要的VOC包含正烷烃、支链、环状和不饱和脂肪烃、芳香烃和卤代脂肪烃[10]。由于市政污泥的这些特性，如果不对其进行无害化处置，势必将造成严重的环境污染，甚至危害人类健康。

2 市政污泥处置现状

无论国内,还是国外，目前在市政污泥处置方面还存在着一些较为突出的问题。首先，相关立法不够完善且较为陈旧。监管力度不够，长期忽视市政污泥的处置，监管部门也没有完善的制度及对策来很好地监管污水厂对市政污泥的处置[11]。目前，我国现行的污泥管理有2部法律、2部行政法规和32部标准。在法律上，《中华人民共和国环境保护法》和《固体废物环境污染防治法》为污泥污染防治提供了依据。然而，我国尚未建立合理的污泥全过程监管机构。此外，污泥管理标准在我国的实际指导意义较弱。部分污泥管理标准修订不及时，不符合现状。由于缺乏足够的监管处罚措施，一些污水处理厂在郊区倾倒污泥。这类事件引起了公众的极大不满。其次，处理设备不完善。现今运行的污水处理厂大部分建于早期，只有针对污水的处理设施，并未设置污泥处理设备，导致市政污泥随意堆放，并未得到妥善处置和资源化利用[12]。我国污泥处置状况不佳,80%以上的污泥倾倒不当，造成了严重的二次污染。我国最常用的处置方法是卫生填埋，其次是土地应用、焚烧和建筑材料。我国卫生填埋、焚烧、建筑材料和土地应用的成本为(干污泥)：72～96、240～360、240～360和240～280美元/吨，不当处置的成本仅为(干污泥) 16～24 美元/吨[13]。污水处理厂及相关企业为了降低成本，通常采取廉价的处置方式。最后，市政污泥处置未得到重视。投入预算不够，可处理市政污泥的处理厂数量严重不足，市政污泥处理技术并未随着污水处理技术的发展取得长足的进步，反而长期停滞不前。

3 常用市政污泥处理处置方法

市政污泥处理技术种类繁多，常用的包括脱水、好氧发酵、厌氧消化等[14]，是污泥稳定化、无害化和减量化的过程[15]。市政污泥处置技术则是将市政污泥置于自然环境或对其资源化再利用的过程，常用的包括卫生填埋、农业堆肥、焚烧处置等。在欧盟等国家通过农业堆肥、填埋和焚烧等方式处理市政污泥，占到了污泥总产量的近 90%。

3.1 市政污泥脱水

市政污泥的含水率一般超过90%，有的甚至可达99%[16]。在进行资源化和无害化处理前，市政污泥的含水率必须降到60%或者更低[17]。因此，高效地脱去市政污泥中的水分是污泥处理过程中的关键环节。然而，由于其特殊的理化性质，使脱水变得很困难。传统的污泥脱水方法只能去除20%～25%的游离水[18]。传统的市政污泥脱水方法主要采用物理和化学方法，国内外应用最广泛的是带式过滤机和转筒离心机。但这种方法脱水效率低，脱水后污泥含水量仍然不满足要求，高达70%～85%[19]，同时还需要添加一些有毒的化学物质如氯化铁等进行预处理，添加剂的加入会造成二次污染。热干化脱水技术和水热脱水技术脱水效率高，脱水后污泥含水量在30%～60%，但能耗大成本高、应用有局限性[16]。

3.2 卫生填埋处置

卫生填埋是大多数国家处置市政污泥的主要方法。其优势在于成本低，处理量大，方式简单高效[4,11]。但缺点也十分明显：运输成本高，填埋场占地面积大，受填埋环境影响大等。由于运输和填埋过程中市政污泥会与空气接触，污泥里的微生物好氧呼吸还可能产生恶臭气体，所以对填埋场的选址有一定的要求，并且为了防止渗漏造成二次污染，填埋场建设时要充分考虑周围的水文地质条件以及做好防渗措施。

由于国内土地资源稀缺，长期使用卫生填埋场是不现实的。此外，由于缺乏系统科学的评价体系和管理方法，城市污水污泥中存在的活性成分不能得到充分利用，从而使市政污泥成为许多地区的突出污染源。北京、南京、青岛、乌鲁木齐和其他城市都报告了市政污泥污染事件[13]。在填埋之前，污泥的稳定化是一个重要的先决条件。用石灰处理可以稳定地消毒污泥并增加其固体含量，然而，该过程需要大量消耗材料，无法实现资源回收。

3.3 土地利用堆肥处置

市政污泥的土地利用包括三个板块，污泥农用、土地改良和园林绿化。市政污泥的土地利用通常是通过好氧堆肥来实现。市政污泥中含有丰富的氮、磷、钾、钙等元素和有机质、腐殖质等，能够改善土壤状况，为植物生长提供微量元素，起到保水保肥作用[20]。但其中有害的有机物、重金属等则会对土壤造成污染，影响耕地的正常使用。因此，将市政污泥进行堆肥处理，向其中添加一定量的微生物，构建合适的微生物生长环境，通过微生物的生命活动分解有毒有害物质，降低市政污泥的毒性和有害性，使其在土地中得到合理的利用，是实现市政污泥资源化利用的方法之一。市政污泥里的有机物腐熟后制成的产品含有丰富的有机质，能为作物的生长提供营养。堆肥产物添加到土壤中能够提高土壤透气性，增强肥水渗透力，提高土壤微生物活性[21]。在堆肥过程中的高温能有效杀灭市政污泥里的病原菌[22]，但市政污泥中的重金属离子并不能被微生物降解或完全转化，因此存在一定的环境风险。

近年来，随着市政污泥农用标准(如重金属含量)日益严格，许多国家，如德国、意大利、丹麦等，逐渐降低了市政污泥农用的比例。2021年5月7日，我国新颁布的《有机肥料》NY/T525-2021已明确规定污泥不能作为有机肥原料。但污泥堆肥后土地利用的土壤改良和园林绿化的产品化路线还是通畅的，而且从资源化利用角度来讲，随着城市雨污分流管网建设的越来越完善，重金属带来的环境风险降低，投资运营成本较低的污泥土地利用之路可能才是污泥处置的最好归途。

3.4 焚烧处置

焚烧是一种热处理过程，它利用市政污泥和辅助燃料中存在的热量来显著降低废物的危险特性和固体质量。市政污泥的热值和可燃性是决定该过程可行性的关键因素。由于污泥中含有大量有机物，所以先脱水，在燃烧器中焚烧，然后发电，最后无机成分变成灰烬，有机成分变成气相物质，如 CO2和 H2O。这个过程确实能够从污泥中回收能量。

对市政污泥进行焚烧处置是目前最有效、最直接的污泥减量方式之一[12,14]。市政污泥焚烧技术用于发电厂等，在有机物燃烧的过程中释放的热量用于发电，同时还能杀灭污泥中的病原微生物。看起来焚烧是理想的处置方式，但该过程会产生高重金属含量和毒性的灰烬，如果不对其进行处理就会污染大气环境。再加上焚烧对设备等要求较高，需要投入较大的成本。污泥焚烧分为单独焚烧和掺杂焚烧2种，含水量较高的市政污泥直接进入焚烧炉，会造成一些燃烧问题，如降温、点火延迟、炉温波动等。为了稳定市政污泥焚烧，通常将机械脱水后的湿市政污泥转移到干燥机中干燥，然后在焚烧炉中燃烧。由于湿污泥或半干污泥的热值低于干污泥，通常将污泥与其他燃料一起燃烧，被称为掺杂燃烧。由于市政污泥含有较多的挥发性物质，其燃烧不仅取决于炭燃烧，还取决于挥发性物质燃烧。快速点火的挥发性物质可以加强市政污泥燃烧过程，缩短燃烧时间。然而，市政污泥中的水在蒸发过程中会吸收热量，导致混合燃料的着火温度更高，着火时间更长。但在某些情况下，掺杂燃烧会更加环保。分级空气燃烧、低氧稀释燃烧等方式可优化燃烧，有效控制污泥燃烧过程中氮氧化物的排放。