城市污泥处理和处置工艺技术研究

谭杞安 王 奎 连剑斌

（1 清远市清环环保有限公司 广东清远 511500 2 清远市供排水处理中心 广东清远 511500 3 广东省清远市嘉清源环保水务有限公司 广东清远 511500）

引言

近年来，随着经济社会的快速发展，城市污水处理厂建设数量和规模呈现快速增长态势，污水处理的能力不断提升。根据住建部公布的数据显示，我国污水处理能力已经由2016 年的448.79 亿立方米增至2020年的557.28 亿立方米，污水处理率也由2016 年的93.4%提升至2020 年的97.5%。随着污水处理的不断增加，作为污水处理厂运行的必然产物，由此产生的城市污泥量及规模也越来越大。城市污泥中含有丰富的氮、磷、重金属、病原菌及其他有毒有害物质，并伴有恶臭，在污泥处理处置过程中，既要注重生态环保效益，做好污泥的减量化处理和无害化处置，还要实现污泥的资源化利用，实现变废为宝。

1 城市污泥的来源及组分

1.1 城市污泥来源

从城市污水处理厂的实际运行情况来看，悬浮物是城市污泥主要来源之一。污水处理厂中约50%左右的悬浮物经初沉沉淀去除，这些悬浮物成为污水处理厂的初沉污泥。初沉污泥易腐烂、恶臭，含水率高，一般约为95%左右。在二级污水处理，通过生物法将污水中的高能量污染物转换为低能量污染物。在此过程中，微生物细菌利用能量实现繁殖增加，产生过剩微生物，即，剩余污泥[1]。利用石灰等除磷工艺排除污泥中的磷含量，由此会产生磷酸钙、碳酸钙等污泥。利用硫酸铝除磷排除污泥中的磷含量，则又会产生氢氧化铝、磷酸铝沉淀等污泥。后期，则需要定期对其进行清除处置。

1.2 城市污泥组分

无论是一级城市污水处理厂工艺，还是二级城市污水处理厂工艺，经一级或二级工艺处理，由此产生的污泥中含有重金属、有机物及植物营养物质等，其中，氮、磷、钾为植物营养物、水、有机物等为有用物质。致病微生物、寄生虫卵、重金属、合成有机物等为有害物质。通常，城市污泥中的组分与其工业化程度密切相关，且工业生产的类型影响其化学污泥组分。一般城市污泥热值高、泥质差，有机物含量及脂肪类含量低，而碳水化合物较高。

在选择相应的污泥处置、处理工艺技术前，需要对其进行分析监测，掌握污泥组分及理化特性，根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》《城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质》等，分析城镇污泥水分、有机质、酸碱度、电导率等基本指标，一级氮、磷、钾、钠、镁、钙等营养物质；一级镉、砷、铅、铬、铜、镍等重金属指标；污泥热值[2]。

2 城市污泥的理化特点

表1 城市污水处理厂污泥理化性质

2.1 养分特点

通过城市污水厂污泥的取样监测分析，从监测分析的结果来看，城市污泥中含有大量氮磷养分和有机质，这些有机质及氮磷养分可有效利用于农作物土壤肥料或土壤改良剂。其中，城市污水处理厂主要为生活污水和工业污水。通过比较二者污水处理后的污泥养分来看，生活污水中的污泥有机质含量和氮磷含量通常要高于工业污水处理产生的污泥。一般，生活污水处理的污泥有机质含量为工业污水处理中污泥有机质含量的2-4 倍，全氮含量约为2.5-3 倍左右。全磷和速效磷也一般高于工业污泥。此外，污泥中还含有丰富的氮、磷、钾等养分，这些污泥中的养分含量高于一般农家肥。总体而言，生活污泥较工业污泥在农业生产中具有更大应用价值[3]。

2.2 重金属含量

从城市污水厂污泥取样分析，污泥中常常含有锌、铜、铅等重金属元素。其中，污泥中的重金属锌、铅的含量低于国家土壤pH 值限值标准；污泥中的铜含量超过国家pH＜6.5 的上限，但低于pH≥6.5 土壤限值。此外，从污泥资源化应用来看，污泥的农用价值与其重金属总量其形态有着密切关系。经取样分析，污泥中的铜形态以有机结合态为主，其次为残渣态；锌的形态以碳酸盐结合态为主，其次为交换离子态；残渣态的铅含量一般较高，交换离子态铜含量则较高。可见，城市污泥中的重金属含量主要以有机结合态、残渣态等生物有效性较低存在，无论是含量还是所占比例，交换态在城市污泥中的重金属形态都较少，这也增强了城市污泥资源化利用的安全性。

2.3 病原体及有机物

城市生活污水产生的污泥矿物油含量低，新鲜污泥中含有一定的沙门氏菌、大肠杆菌和蛔虫卵，经晾晒风干，可显著减少菌落，安全系数大，可直接处理后实现资源化再利用。经烘干设备处理污泥，未检出相关病原体。因此，城市污泥通过简易烘干程序处理，可消除病原物传播风险。与发达国家相比，我国城市居民的肉类、牛奶等消耗量总体偏低，生活污水处理后的污泥中的挥发性悬浮物含量低，淀粉、糖类、纤维素等碳水化合物含量较高。

2.4 pH值及酸碱度

我国城市污水处理产生的污泥中，总碱度介于15-25mg·L-1之间，城市污水中的污泥pH 值数值约在5.5-7 之内，pH 值及酸碱度直接会影响城市污泥的厌氧消化工艺效果。

3 城市污泥处理技术及处置方式

污泥处理技术应首先考虑其减容及利用，实现其减量化、无害化和稳定化，并将其作为一种资源化处理方式。其中，减量化。就是最大限度地减少污泥处置前的体积，从运行成本上降低污泥处理处置费用。稳定化。城市污泥经稳定化处理，使处置不再产生污泥降解，避免污泥出现二次污染。无害化。污泥处理处置时应进行灭菌、去除重金属，从而达到无害化、卫生化。资源化。污泥处理处置过程中，还需要本着变害为利、综合利用等，实现污泥处理处置的资源化。

3.1 城市污泥土地利用

城市污泥经稳定化处理，使其不再产生污泥降解，营养成分回用于土地的一种处理技术和处置方法。目前，碱性稳定、堆肥、污泥热干化等均属于污泥土地利用常用处理方法。选择土地利用的方式处置城市污泥，具有运行费用低、能耗低和投入少等优势，且污泥中有机质及养分元素可培肥土壤，实现农业增产增收，并减少污泥负面影响。例如，城市市政绿化、果园、林地等场所，均可实现城市污泥的土地利用，还有效实现了生态环境的恢复。目前，重金属含量、病原体、氮磷流失污染水环境，以及有机物难降解等都是影响城市污泥土地利用的主要因素。由于城市生活污泥重金属含量低，工业生产工艺技术的更新，重金属含量呈现出下降态势，控制好污泥堆肥质量，不会因污泥的土地利用而影响土壤重金属污染，但是需要在利用过程中进行监测、跟踪，防止因土壤重金属、病原体等影响其利用。

根据城市污泥土地利用分类，一般将污泥土地利用分为农用、土地改良及园林绿化。无论选择何种利用，均应对其进行稳定化处理，通过脱水、降解有机物，转化为稳定的最终产物，进一步进行堆肥处理，可将其作为园林植土、肥料、生活垃圾填埋覆土等。以堆肥为例：城市污泥含水量高、易腐蚀，有恶臭，堆肥稳定处理符合实际运用，经堆肥脱水污泥中有机物降解为稳定物。堆肥处理又分为好氧堆肥和厌氧堆肥。前者是在充足氧气等良好通气条件下，利用好氧微生物生命活动，使污泥中的有机物进一步降解。好氧堆肥，温度一般在50-65℃为宜，有时可高达80℃左右。后者，则是在氧气不足条件下，利用厌氧微生物发酵堆肥。由于城市污泥中的发酵原料与空气隔绝，工艺简单，温度低，堆肥制成品中氮元素等营养元素较多保留，异味持续时间较长[4]。

3.2 城市污泥填埋技术

上世纪60 年代，卫生填埋运用于城市污泥，污水处理厂污泥经脱水处理后，直接或经简单灭菌处理后，倾倒于低谷地或专门选址，并经相应的防渗填埋处理。目前，城市污泥常被运往垃圾填埋场与垃圾混合填埋。填埋技术具有处理容量大、见效快、投资低、成本少等优势。但污泥填埋技术占地较大，难以有效满足日益增长的污泥量；城市污泥稳定性差、脱水操作难也是影响其填埋技术应用的重要制约因素；此外，填埋产生的垃圾渗滤液，易导致环境二次污染。根据《城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋泥质》 的相关标准和要求，选择填埋技术处理城市污泥，其含水率应＜60%，而作为垃圾填埋场覆盖土，其含水率应＜45%。但从实际运行情况来看，目前城市污泥含水率均较高，难以直接选用填埋进行处理，须对其进行干化处理后填埋。可参照《城市生活垃圾卫生填埋处理工程项目建设标准》的相关规定，对城市污泥进行填埋。

3.3 城市污泥建材利用

城市污泥经处理后可以制作成建材，从而实现污泥变废为宝资源化利用。目前，关于城市污泥的建材利用标准主要依据的是《城镇污水处理厂污泥处置 制砖用泥质》。由于城市污泥含水率较高，如直接运往建材厂制作建材，会增加城市污泥的运输成本；如进行干化等脱水处理，则需要增加相应设备，提高成本。

3.4 城市污泥焚烧技术

根据《城镇污水处理厂污泥处置分类》的相关规定，城市污泥单独焚烧、与垃圾混合焚烧、利用工业锅炉焚烧及火力发电厂焚烧等焚烧处置是城市污泥的重要处置方式。其机理是通过高温焚烧，破坏城市污泥有机质，杀死病原体，且可有效降低城市污泥的体积。选择城市污泥焚烧处置方式，通常是其自身燃烧热值高，或城市污泥中含较高有毒物质，不宜选用其他处置方式。城市污泥焚烧前，需要先对其进行脱水处理，降低城市污泥中的含水率，减少污泥体积，改变城市污泥残渣性质。目前，城市污泥焚烧处置方式已经实现了规模化运行[5]。

表2 城市污泥焚烧技术

3.5 城市污泥干化处理

干化是指运用热能快速蒸发污泥中的水分，为进一步处置创造条件。从实际运行情况来看，目前城市污泥干化包括生物干化、热干化和太阳能干化。经干化处理，城市污泥可进一步用于焚烧或填埋，以及土地利用。其技术特点是占地面积小、处理成本低。通过污泥干化处理，可有效实现城市污泥的稳定化、减量化、无害化和资源化，即，经干化去水处理，抑制污泥中的微生物活性，使其不会腐臭，满足长时间存储或运输。经干化处理，城市污泥的体积可减少60%左右，重量可减少70%左右。经巴氏消毒，消除病原体，使干化污泥满足卫生标准。城市污泥干化可用作绿肥、土壤改良剂、制砖或制水泥原料，适合推广和应用。

4 城市污泥处理处置技术比选思路

城市污水处理厂污泥处理处置的基本原则，是要实现城市污泥的减量化、稳定化、无害化和资源和，其中，重点是减量化和无害化，而终极目标则是资源化，实现污泥处理处置的变废为宝。经过多年来的实践探索和技术发展，目前，城市污泥处理处置的主要技术是集合了土地利用、填埋、建材利用、焚烧及干化处理等复合工艺，有：深度脱水+应急填埋；厌氧消化+土地利用；好氧发酵+土地利用；干化+焚烧+灰渣填埋/建材利用。不同的工艺,在处理污泥方面有其各自的特点。例如：深度脱水+应急填埋处理技术，该技术是目前国内大多数城市中，污水处理厂所选用的污水处理方法，将石灰及其固化剂投加至原污泥中，使污泥在石灰及固化剂的作用下发生化学反应，并由此释放出大量的热能，进一步降低污泥中的含水率。深度脱水+应急填埋工艺技术的不足之处，是需要添加大量石灰、铝基材料等，增加了污泥量，与“四化”中的减量化原则不相符；此外，经深度脱水处理，污泥无法再次利用，只能采取填埋工艺。厌氧消化+土地利用污泥处理技术，对污泥处理要求高，要求其含有较高的有机物，厌氧消化后的污泥处理还需要进一步的做脱水处理和处置，因此，厌氧消化+土地利用工艺处理污泥具有运营成本高、投资大，以及一定的安全等问题，其主要适用于大中型城市污水处理厂。污泥需要预热处理，耗费大量的热能，难以满足维持自身需要；经厌氧消化处理污泥，产生大量的沼渣，还需要进行再次的处理；在厌氧消化处理过程中产生的甲烷气体，难以并入到市政管网系统实现再利用。该工艺技术在气候较低的北方冬季，运行无法正常进行。“好氧发酵+土地利用”工艺技术处理污泥，由于污泥泥质不稳定，重金属难以稳定化，经好氧发酵工艺处理后，只能用作园林绿化用肥，不能用于农业用肥；堆肥过程中所产生的大量臭气，对周边的生态环境产生一定污染影响；后期需要持续加入秸秆等调理剂，不断供氧，保证工艺技术的持续运行。“干化焚烧+灰渣填埋或建材利用”工艺处理污泥，该工艺技术处理污泥运行成本高，焚烧耗费能量大，需提前干化，尾气排放产生的二噁英有害气体易污染环境。

在具体选择相应的处理处置工艺技术时，应重点考量以下几点：

（1）无害化

城市污泥处理处置工艺技术应始终坚守无害化原则，经相应工艺技术的运用，实现去除污泥中的病原体、重金属及持久性有机物等。且相关工艺技术投入使用时，应满足污染控制标准，项目需经环境安全评估，定期监测城市污泥处理过程及处理后的相关环境指标，确保工艺技术安全可靠。

（2）资源化

城市污泥中含有的有机质、营养元素及能量，是其资源化利用的重要保障。因此，选择相关工艺技术，应始终考量其资源化利用目标。具体来说，选择焚烧工艺，可实现城市污泥的能量回收；或者堆肥，实现污泥的土地利用，将其中的营养元素、有机质等补充到土地，实现增肥效果。

（3）节能性

为实现污泥低碳处理处置，在城市污泥处理过程中应最大限度低减少优质清洁能源、物料及土地资源的消耗。如，在污泥厌氧消化过程中所产生的沼气热能、污泥焚烧产生的余热等，可作为污泥处理处置的热源，减少优质清洁能源投入。

（4）适宜性

城市污泥处理处置工艺技术比选，应全面考虑处理处置机构的技术成熟度、经济成本、污泥处理量等，适宜性是其比选决策的重要依据。例如，污泥泥质的主要特征及未来一个时期的变化；经济社会的发展水平；污泥产生量的变化；土地资源等，从而选择适宜的工艺技术。

（5）可靠性

随着城市污泥处理处置技术的应用及发展，一些先进技术先进工艺陆续投入实际运行，但在选择相应的工艺技术时应把可靠性、成熟度贯穿城市污泥处理处置的全过程，经过严格评价、工程示范，确认可靠的，可应用相应的新技术和新工艺。总之，应制订城市污泥处理处置方案时，根据污泥处理处置的阶段性特点，在永久方案完成前，可现行制订污泥处理处置的阶段性方案，待方案成熟可靠后，再作为永久性处置方案。

结语

随着城市化、工业化进程加快，以及城市资源日益匮乏，选择合适处理处置工艺技术，实现城市污泥减量化、无害化、稳定化及最大化资源利用是摆在当前亟待解决的问题。既要实现环保效益，也要兼顾经济效益，既要兼顾长远利益，也要考虑当前实际情况，应从城市污泥处理处置工艺的无害化、资源化、节能性、适宜性和可靠性等方面进行综合考虑、比选适宜的工艺技术，实现城市污泥处理的经济效益与环境效益双赢。