城市给水厂污泥处理与资源化利用途径及策略分析

罗振宁, 徐 斌, 唐玉霖, 何 欢, 朱 斌, 张天阳, *

(1. 同济大学 环境科学与工程学院 水利部长三角城镇供水节水及水环境治理重点实验室, 上海 200092;2. 上海城投水务(集团)有限公司, 上海 200002)

0 引 言

以混凝、沉淀、过滤和消毒为主要步骤的水处理技术保障了人类饮用水安全和健康[1-2],其中混凝、沉淀和过滤这三种给水处理方式将水中杂质以沉淀物(或漂浮物)的形式进行分离从而形成污泥[3-4]。据报道,美国每年生成给水厂污泥约200万t[5],欧洲每年同样有数百万吨给水厂污泥产生[6],一些欧洲国家对给水厂污泥的回收利用率仅达到25%[7]。近20年来,我国城乡居民生活用水规模基本保持增长态势,从2000年的574.9亿m3增长至2021年的909.4亿m3[8],污泥通常占总处理量体积的1%～3%[9](初始污泥含固率通常在0.5%～1%),近年来我国污泥始终维持在数百万立方米至数千万立方米之间的规模,并且一直保持逐年增长的趋势,给水厂污泥的处置成为必须重视的问题。

给水厂污泥与污水厂污泥在称谓上都包含“污泥”,在我国《水污染防治法》《土壤污染防治法》《森林法》《固体废物污染环境防治法》《乡村振兴法》《循环经济促进法》等6部法律、《地下水管理条例》《太湖管理条例》等12部行政法规、《农用污泥污染物控制标准》(GB 4284—2018)这部强制性国家标准以及21部标题含“污泥”的推荐性国家标准中的“污泥”都特指“污水处理过程中产生的半固态或者固态物质”,即污水厂污泥。法律法规规定,污水厂污泥含有重金属或者其他有毒有害物质含量超标时不得排入地表水体、地下水体、耕地、草地和林地,污水厂污泥经过无害化处理达标后可用作农用。仅有强制性国家标准《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)对给水厂污泥做出了界定和规定。国际上在学术研究和工程应用中通用的术语“给水厂污泥”(water treatment sludge)在我国《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)当中的规范提法为“排泥水”和“泥饼”,分别指代了脱水前含固率2%～3%以下的给水厂污泥和脱水后含固率在20%～30%以上的给水厂污泥。《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)规定排泥水可以进行回用,泥饼可以进行资源化利用或进行填埋等处理。

给水厂污泥与污水厂污泥相比性质上存在较大不同,二者在处理中受到的关注程度也有显著差异。从污泥成因上看,污水厂污泥来源较多、成分复杂,包括初沉污泥、生物污泥和除磷化学污泥[10],因此污水厂污泥处理在整个污水处理流程中受到更多关注[11]。从资源化禀赋上看,污水厂污泥中含量最大的一类是富含有机物的生物污泥[11],而给水厂污泥主要是无机污泥,有机碳仅占给水厂污泥干重的1.5%～3.5%[12],因此一般的给水厂污泥所经历的调节→浓缩→平衡→脱水工艺,相较于污水厂污泥所经历的浓缩→消化→调理→脱水→干燥→焚烧的工艺来说,给水厂污泥所能够回收的能量较小,工艺也更为简便。另外,污水厂污泥的环境风险主要是有害生物的泄露和有害物质如重金属等的泄露,给水厂污泥的风险则主要是有害物质如金属等,特别是含量较多的铝盐和铁盐的泄露[4]。两者也具有相似之处,由于经过消化的污水厂污泥有机物含量减少,给水厂污泥和污水厂污泥在终末的处置和资源化利用方式相似,都可用作建筑材料和农林材料,给水厂污泥因含有较多使用后的混凝药剂,还可用作吸附材料、混凝/沉淀材料和再生盐材料。随着城镇化水平和居民用水量需求不断提高,给水厂工艺复杂程度和原水中杂质分离程度不断增加,大量生成的给水厂污泥的潜在生态环境健康风险所带来的挑战也日益严峻,与污水厂污泥受到格外重视的处境不同,给水厂污泥亟需获得更多关注。

2021年发布的《中共中央、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》(国发〔2021〕23号)开启了国民经济各个行业推进碳达峰、碳中和的进程。供水行业作为我国一个重要的国民经济部门,其规模大且排放量固定,在生活饮用水的制造与输配过程中均有大量的能源和药剂消耗以及相应的碳排量[13]。给水厂污泥的绿色处理与资源化利用有助于提高资源化效益、实现“双碳”目标[14]。在2021年至2025年的“十四五”期间,国家出台的多项国务院部门工作文件提出实施节能减排、绿色运行和“无废城市”建设。其中,《“十四五”节能减排综合工作方案》(国发[2021] 33号)、《“十四五”住房和城乡建设科技发展规划》(建标[2022] 23号)、《“十四五”时期“无废城市”建设工作方案》(环固体[2021] 114号)和《“十四五”生态环境领域科技创新专项规划》(国科发社[2022] 238号)等工作方案和规划均在供水行业的碳减排、绿色可持续生产给水厂污泥无害化处置等方面提出了新目标。过去,给水厂污泥较多被当作废弃物进行处置。双碳背景下,在“十四五”机遇期,给水厂污泥的资源属性应该得到进一步重视,深入广泛开展其绿色处理与资源化利用方面的研究也是给水厂节能降碳过程中需要着重考虑的课题。

1 给水厂污泥来源与主要性质解析

1.1 给水厂污泥来源分析

如图1所示为给水厂的排泥水排出后,经过调节→浓缩→平衡→脱水的处理工艺生成泥饼的全过程。其中,排泥水的来源包括沉淀池排泥水、澄清池排泥水、气浮池浮渣、滤池反冲洗水与初滤水,以及滤膜物理清洗废水等。污泥是原水中悬浮物、胶体、有机物和微生物为主的杂质在药剂等作用下得到的产物。沉淀池排泥水、澄清池排泥水和气浮池浮渣是混凝过程投加的铝盐和铁盐等混凝剂和水中悬浮物、胶体、有机物和微生物形成的沉淀,其中的铝盐包括明矾(KAl(SO4)2·12H2O),Al2(SO4)3·18H2O和聚合氯化铝(PAC),铁盐包括FeCl2、FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O[15-16]。滤池反冲洗水是在反冲洗过程中,使得滤层截留的水中胶体颗粒物分离所产生的[17]。膜清洗废水是清洗沉积在膜表面和膜孔中的胶体颗粒物质、有机物和无机物时产生的[18-19]。

各来源的污泥初始浓度存在差异。沉淀池排泥水、澄清池排泥水和气浮池浮渣含固率不固定,一般在0.5%～3%以上,滤池反冲洗水固体浓度在0.3%～0.4%之间,二者可能差异过大造成前者被稀释,因此沉淀池排泥水可以就近进入调节池(排泥池),滤池反冲洗水和膜物理清洗废水就近进入调节池(排水池),如图1(a)工艺流程所示。如果二者浓度差异不明显,则也可以一起排入调节池(综合排泥池)进行调节,如图1(c)工艺流程所示。

污泥各来源的流量由给水厂具体工艺确定。沉淀池排泥水、澄清池排泥水和气浮池浮渣的流量由池体所设计的排泥时间与排泥水流量共同决定,滤池反冲洗水的流量由反冲洗周期与反冲洗水流量共同决定,膜物理清洗废水与滤池反冲洗水类似。一般来说,实际工程中的沉淀池排泥水(澄清池排泥水和气浮池浮渣)与滤池反冲洗水(膜物理清洗废水)在数量级上接近,但浓度有差别。

污泥中部分排泥水可以回用。在水量要求上,当进行回用时,包含滤池初滤水在内的回用水总量不超过水厂设计流量的5%。在水质要求上,浓缩池上清液回用时要满足出水水质要求。以含有聚丙烯酰胺(PAM)的浓缩池上清液为例,上清液回用不能使出水PAM超过0.5 μg/L的限值。另外,滤池初滤水往往比反冲洗水清洁,因此当满足进水水质要求时,可回用到混凝剂混合之前,当浓缩池的上清液达标时也可以回用至混凝剂混合之前。

污泥脱水时对含固率有要求。污泥初始含固率≥3%时可以直接进入平衡池,进行后续脱水步骤,如图1(b)工艺流程所示。经过浓缩和平衡后的污泥的含固率≥2%时能够进行脱水。不同脱水设备的输入和输出有差异,如图1(a)和图1(c)所示,板框压滤机将含固率≥2%的污泥脱水至含固率≥30%;如图1(b)所示,离心脱水机将含固率≥3%的污泥脱水至含固率≥20%。

1.2 给水厂污泥与污水厂污泥的主要性质对比

给水厂污泥与污水厂污泥在元素构成上存在一定差异,通过文献整理,归纳主要性质对比见表1,世界范围内给水厂和污水厂普遍的污泥主要元素对比如图2所示[4, 6, 12, 20-21]。

表1 给水厂污泥与污水厂污泥主要性质对比表Table 1 Comparison of the main properties between water treatment sludge and waste water treatment sludge

图2 给水厂污泥与污水厂污泥主要元素对比图Fig. 2 The comparison of primary elements between water treatment sludge and waste water treatment sludge

给水污泥最主要的来源是原水中悬浮物、胶体、有机物和微生物在混凝剂作用下被沉淀净化,属于无机污泥,所含的少量有机物是腐殖质、藻源有机物等天然有机物。而污水厂污泥主要是有机物被生物处理系统利用后新增殖的微生物机体,是细胞以及生物大分子,属于有机污泥。

从图2两种污泥的元素组成上看,给水厂污泥氮、磷元素含量与污水厂污泥相近,但是总有机碳比污水厂污泥低一个数量级,这是由于污水厂污泥是有机污泥,含有大量微生物机体,而给水厂污泥是无机污泥。值得注意的是,两类污泥中含量最大的金属元素都是铝和铁,这与处理工艺密切相关,铝盐絮凝的给水厂污泥铝元素含量大,铁盐絮凝的给水厂污泥铁元素含量大,给水厂更为依赖混凝剂作用,因而污泥中的铝元素和铁元素含量也是污水厂污泥中的数倍。其他金属元素的含量在两类污泥中均次于铝和铁。污水厂污泥中Ni、Pb、Cu、Cr、Zn和Cd等金属元素的含量比给水厂污泥高出1～2个数量级,因此污水厂污泥的重金属二次污染风险要显著高于给水厂污泥。

2 给水厂污泥的传统处理方法

(1)水体排放

尚未经脱水成为泥饼状态的排泥水,可以采取水体排放的方式进行处理。如果受纳水体的环境容量较高,且作为排污单位的给水厂污泥的泥水水量和水质符合《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)相关排放要求,或经处理后符合排放要求,则可以考虑向地表水或海洋中排放。对于规模较小,泥水水量水质易达到排放标准的给水厂来说,可根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)与《海水水质标准》(GB 3097—1997)所规定的水域类型等级,按照排放要求进行排放。这种处理方法的碳排放主要来自于泵提升的能耗,碳排放量由泵消耗电力进行折算。直接进行水体排放,与水体生态环境密切相关,但是排泥水中的各组分(大量明矾、微生物和富集后的重金属等)是否对天然水体存在潜在影响,缺乏相关研究支撑,因此泥水进行水体排放所存在较大的环境风险需要进行厘清。

(2)市政排污

未经脱水到泥饼状态的泥水,可以采取市政排污的方式进行处理。给水厂作为排污单位将泥水排放至市政排水系统之前,需要保证给水厂污泥的泥水的水量和水质符合《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)相关排放要求,或经处理后符合排放要求,且水量在市政排水系统的设计承受限度之内,则可以考虑向市政排水系统排放。这种处理方法的碳排放主要来自于泵提升的能耗,碳排放量由泵消耗电力进行折算。对于泥水水量水质易达到排放标准的给水厂来说,可按照排放要求进行排放。由于给水厂污泥含有较多固体,在进行市政排污时,即便水量和水质满足排放要求,但是市政排水管道在坡度小、管径小的位置极易出现淤积和堵塞等难题。

(3)陆地填埋

给水厂污泥经脱水后所得到的泥饼,可以采取陆地填埋的方式进行处理。给水厂污泥单独填埋时,需要满足渗滤液不造成污染、土地理化特性不受改变等要求,也可以和城市垃圾进行共同填埋。这种处理方法的碳排放主要来自于运输和填埋过程中,工程机械消耗化石能源排放的二氧化碳,碳排放量由工程机械产生的温室气体排放量进行折算。陆地填埋对于有完整的制得泥饼的工艺条件并且具备填埋条件的给水厂来说,将给水厂污泥泥饼外运填埋相对便捷,但是给水厂污泥渗滤液可能会存在地表水、地下水污染风险;污泥含水率高,不容易被压实,土力学特性可能会有所改变;此外,填埋所占用的新的土地资源也造成了严重的浪费。

给水厂污泥的这三种传统处理方法如图3,这些处理方法之间的比较见表2。总的来说,水体排放、市政排污和陆地填埋这三种传统的给水厂污泥处理方法均有各自的技术局限,并存在相应碳排放。

表2 给水厂污泥处理方法比较Table 2 Comparison of treatment methods between water treatment sludge and waste water treatment sludge

图3 给水厂污泥处理方法图示Fig. 3 Schematic diagram of treatment methods for water treatment sludge

3 给水厂污泥资源化利用研究发展趋势

近年来对给水厂污泥资源化利用的研究不断丰富,通过对公开文献开展理论研究并对工程应用的资源化途径进行归纳,如图4至图8所示,其可以资源化利用为吸附材料、混凝/沉淀材料、再生盐材料、建筑材料和农林材料等。这些资源化利用的方式不仅能规避传统处理方法的局限,还能减少对自然资源的过度开采,减少生产过程中的碳排放,有助于实现给水厂碳达峰、碳中和目标,并实现制水生产过程中的绿色可持续。

图4 吸附材料资源化利用工艺流程图Fig. 4 Resource utilization as adsorption materials

3.1 吸附材料

给水厂污泥中含有铝盐、铁盐和有机物,经脱水后作为污水处理中的氨氮和磷的吸附剂,如果进行400～600 ℃的煅烧,可形成多孔材料同样有助于吸附,典型工艺流程如图4所示。一般的给水或污水处理过程中,药剂的大量使用会增加外购商品所致的间接温室气体排放,如果将给水厂污泥作为吸附材料使其得到资源化利用,那么相关生产企业将能够节约相应的药耗,并降低这一类间接温室气体排放。

给水厂污泥脱水后作为磷吸附剂,对正磷酸盐(例如磷酸二氢钾,KH2PO4)的吸附能力最高,其次是聚磷酸盐(例如六偏磷酸钠,(NaPO3)6),最后是有机磷酸盐(例如腺苷-5'-单磷酸一水合物,C10H14N5O7P·H2O)[22]。陈毅忠等将给水厂的铝泥经105 ℃烘箱脱水后所制得的试样对总磷进行吸附,其吸附容量达7.429 mg/g[23]。同样,给水厂污泥煅烧后形成的多孔陶粒,也可作为磷的吸附材料。例如,郑育毅等600 ℃下煅烧得到的陶粒填料在48 h时的累计吸附量达10.512 mg/g[24],李妍等600 ℃下煅烧的填料于48 h达到吸附平衡时的吸附量为10.516 mg/g[25]。上述相关研究也表明,给水污泥所制得的吸附材料对氨氮的吸附效果并不如对总磷的吸附效果好,可能是由于各自吸附特性与机理不同,因此在给水厂污泥作为吸附材料时应有所考虑和合理利用。

3.2 混凝/沉淀材料

新鲜混凝剂是通过压缩双电层、吸附架桥和网捕卷扫作用,使原水中胶体颗粒脱稳絮凝并沉淀。给水厂污泥中的残余铝盐、铁盐也能够继续发挥混凝剂的作用,可将给水厂污泥回用于给水厂絮凝池,或作为污水厂剩余污泥中的混凝/沉淀材料,典型工艺流程如图5所示。例如,给水厂污泥在剩余污泥中,金属阳离子的增加促使菌体形成内核[26],通过吸附架桥作用形成絮体,促进污水厂剩余污泥液相中胶体颗粒的沉淀。这种将给水厂污泥作为污水厂的混凝/沉淀材料的资源化利用方式,同样是节约相应的药耗,降低外购商品所致的间接温室气体排放。

图5 混凝/沉淀材料资源化利用工艺流程图Fig. 5 Resource utilization as coagulation/precipitation materials

QI等将含有铝盐和粉末活性炭的给水厂污泥回用至絮凝池,研究发现污泥可减少新鲜混凝剂的用量和絮凝体形成所需的时间[27]。KHEDHER等使用给水厂污泥作为助凝剂,发现溶解性有机物得到了削减,水中消毒副产物也相应减少[28]。有研究者评估了这种在给水厂进行污泥回用方式的安全性,结果未见重金属等物质的富集风险[29]。在污水厂应用场景下,杜海霞等研究了给水厂污泥离心脱水后对活性污泥稳定化的作用,研究表明投加给水厂污泥后的好氧消化使剩余污泥氨氮总量下降了50.3%,厌氧消化使剩余污泥总固体下降了34.0%,挥发性固体下降了14.6%。该方法不仅提高了剩余污泥的脱水性能,并且提升了上清液水质[30]。

3.3 再生盐材料

给水厂污泥的主要成分是使用过后的氢氧化铝、氢氧化铁的沉淀物以及其他杂质,可以采用一定的方式回收其中的铝盐和铁盐,从而重新资源化用作混凝剂或其他用途,典型工艺流程如图6所示。以用作混凝剂为例,这种将给水厂污泥再生盐的资源化利用方式,如果再生途径的温室气体排放低于新制铝盐的排放,那么将增加燃烧燃料或外购电力热力的温室气体排放,同时大幅降低外购商品所致的间接温室气体排放,而总碳排放有望降低从而实现节药降碳。

图6 再生盐材料资源化利用工艺流程图Fig. 6 Resource utilization as recycled metal salt materials

铝盐与铁盐的回收方法相似,可采取酸再生方法,再生率可达60%至70%[31]。FENG等通过酸浸法回收了给水厂污泥中的铝盐和铁盐制备磁性复合材料[32]。MENG等通过酸浸法回收了给水厂污泥中的铁盐,并成功利用铁盐制备了磁性氧化铁氧化硅复合材料[33]。由于给水厂污泥中含有锰和铬等其他金属杂质,使用酸溶解进行铝盐回收,将不可避免引入这些杂质,因此有研究报道采用离子交换法萃取给水厂污泥中的铝盐,可回收沉淀污泥中80%以上的铝盐[31,34]。在一些对盐纯度要求不高的情况下,给水厂污泥可以直接回用。SUN等实验发现给水厂污泥中铁盐与预期形成硫化物以摩尔比0.5～1的比例投入排水管道后,可以有效控制排水系统的硫化物生成,而污水的化学需氧量有所增加[35]。

3.4 建筑材料

给水厂污泥的元素组成包括Al、Si、Fe、Mn、Ca、Mg、Na等,与黏土的组成和特性相似,在满足环境安全、卫生达标和产品质量的前提下,可以资源化利用为建筑材料,可以部分替代黏土或其他材料而应用于再生砂、覆土、水泥熟料、混凝土、成品砖和陶粒等[36-39],典型工艺流程如图7所示。这种将给水厂污泥作为建材的资源化利用方式,可以节约对天然材料的消耗,对环境友好。

图7 建筑材料资源化利用工艺流程图Fig. 7 Resource utilization as construction materials

3.5 农林材料

给水厂污泥和天然土壤具有一定相似性,其中的有机质、氮、磷和钾、钙、镁等金属离子也能被农林作物利用,典型工艺流程如图8所示。这种将给水厂污泥作为农林材料的资源化利用方式,一方面可以减少对天然土壤的需求,另一方面可以减少农林生产中营养物质的药耗,进一步形成碳汇。

图8 农林材料资源化利用工艺流程图Fig. 8 Resource utilization as agroforestry materials

阮琳等利用其中有机质,采用自来水污泥好氧堆肥,促进了桉树生长,并可进一步研发园林基质[44]。李芳等将给水污泥与天然土壤混合后,土壤中的有机质和氮含量得到提升,土壤得到了一定改善,能够促进植物对营养物质的吸收[45]。谢敏等研究了给水污泥栽培盆栽植物的效果,结果表明施用给水污泥后的受试植株在各生长指标上均有提升,其中叶绿素含量也有所提升[46]。

4 结论与展望

双碳战略的提出为我国给水厂污泥处置与资源化利用提出了新要求,给水厂污泥处置思路应当尽快实现从传统“处理”向“资源化利用”的途径转变,推动我国城市供水行业的绿色低碳运行。对于城市给水厂污泥处理与资源化利用途径及策略分析,笔者归纳如下的结论与展望:

(1)对于给水厂污泥,水体排放、市政排污和陆地填埋这三种传统的处理方法均有各自的技术局限与风险,对其进行资源化利用是未来发展趋势。但由于给水厂污泥长期关注度较低,缺少更加有针对性的政策法规支持,同时其性质与污水厂污泥差异较大,因此亟需对给水厂污泥的理化性质与资源属性进行更全面和系统性的探究。

(2)随着给水厂污泥资源化利用方面的研究不断推进,基于给水厂污泥来源与成分属性的多路径资源化利用策略也不断涌现。将给水厂污泥作为吸附材料、混凝/沉淀材料、再生盐材料、建筑材料和农林材料等资源化利用的技术研究也有较多突破,但实际工程转化应用以及成效分析还有待加强。给水厂污泥的资源化运用将减少相关行业对药剂、砂石和黏土等新鲜产品或资源的消耗,从而实现节约资源、降低碳排放的目标。

(3)改善我国给水厂原水水质,通过大数据和机器学习等智能控制方法提升现有净水工艺的精细化运行水平,从源头上降低给水厂的药剂投加,也将是解决给水厂污泥问题的重要途径。