我国城市污泥处理及利用技术研究进展

周新荣，程乐明，赵 晓，王 青，杜献亮

（1.张家港密尔克卫环保科技有限公司，江苏 张家港 215600；2.新地环保技术有限公司，河北 廊坊 065001）

随着我国城市化进程的加快，各大城市的污水处理量不断提高，城市污泥产生量也逐年增加[1]。污泥可以富集污水中的绝大部分污染物，成分极其复杂，其中不仅含有大量有机质，还含有一些无机物、微生物、病原体等多种有害物质。宏观来看，污泥是一种生态环境污染物，同时也是一种可被利用的资源，其具备污染和资源的双重属性，因此妥善处置污泥是减污降碳的重要任务。

1 污泥处理及利用的意义

我国污水处理厂2019年所产出的污泥已经超过6 000 万t（以含水率80%计算），预计2025年将达到9 000 万t[2]。污泥处理及其资源化已成为城镇化发展和污水处理系统迫切需要解决的问题。我国污泥处理技术发展相对滞后，需要在无害化、减量化及资源化方面寻求技术支持。在全球共同应对气候变化、能源资源短缺的背景下，进行污泥的综合处理和资源化利用、实现减污降碳和协同增效是我国污泥处理处置的正确路径[3]。

2 污泥处理及利用技术概述

我国传统的污水处理工艺具有重视污水而轻视污泥的特点。近年来，我国污水处理能力得到不同程度的提高，但是污泥处理能力并没有得到明显发展，结果就是我国污泥处理能力难以满足日益增加的污泥处理需求。这已逐渐成为我国城市污染控制领域的一个主要环境问题[4]。受限于我国城市污泥处理处置技术发展经验比较欠缺，处置方法在各个地区之间存在差异，污泥处理已成为制约地方环境及生态健康发展的一大瓶颈，污泥的无害化处理必须得到重视。

2.1 厌氧消化

污泥厌氧消化是指在缺氧条件下利用厌氧菌对污泥进行厌氧生化反应，分解污泥中的各种有机物及有害物质，对污泥进行无害化的同时，实现污泥的稳定化与减量化。首先，厌氧菌可以对有机物进行有效降解，同时减弱其腐臭气味，实现污泥宏观方面的污染控制；其次，通过厌氧过程降低污泥中有害物质的残余量，同时增强污泥的脱水性能，利用常规的机械压滤即可实现污泥的高效脱水；最后，该技术可以副产沼气，促进污泥的资源化利用。高温热水解预处理的污泥厌氧消化技术是以高固含量脱水污泥（固含量15%～20%）为对象，经过高温高压水热预处理，利用高温和高压对污泥进行热水解和闪蒸，水解污泥中的胞外聚合物和大分子有机物，破坏污泥中微生物的细胞壁，增强材料的生物降解性，大幅提高厌氧消化后的沼气产量[5]。

2.2 污泥热解

污泥热解技术是指在一定的温度条件下，在惰性气氛中分解污泥。由于热解过程中氧气的隔离和较低的温度，氮氧化物（NOx）和硫氧化物等二次污染物的产生量大大减少[6]。在较低温度下，污泥中的水分首先挥发，300 ℃左右，污泥中的多数轻质有机物先后分解，600 ℃以上时，少量的重质有机物才会最终分解[7]。目前，污泥热解技术可以分为低温热解和高温热解。低温热解的操作温度控制在600 ℃以下。低温热解的主要产物是焦油。活性污泥的焦油产量高于消化污泥等其他类型的污泥，最大产油量约为30%。这是因为热解焦油中的氢元素主要来自污泥中的脂肪，而活性污泥的脂肪含量较高[8]。高温热解的操作温度控制在600 ℃以上，热解产物主要由热解气体组成。在高温热解条件下，热解气体的产率可以超过50%，其次是固体产物，热解焦油的比例最小，为10%～20%。与低温热解相比，高温热解产生的热解气热值变化较小，但热解气的产量可以达到低温热解的4～5 倍。

2.3 水热碳化

污泥的水热碳化技术是指通过各种方法从污泥中释放水分，同时保持污泥的碳含量，使产物中的碳得到富集。水热碳化技术不需要对污泥进行干燥，一方面节约干燥加热所需要的能量，另一方面利用污泥料浆中的水分作为溶剂加强系统内的物料混合与热量传递，加速污泥碳化反应[9]。污泥水热碳化的基本原理是利用热量破坏污泥的原有平衡，打破污泥的胶体结构，提升其脱水性能，水热处理后污泥含水量显著降低。污泥水热碳化的工艺路线大多采用浆态床反应器，经过气液闪蒸、搅拌混合、蒸汽加热等方式对污泥浆液进行升温加热，机械化设备的应用提高污泥处理系统的效率。在主流的浆态床反应器中，蒸汽以直混的方式对污泥进行加热，提高传热传质效率的同时，有效避免局部过热和结焦，蒸汽冷凝释放的潜热实现系统能量的高效回收。

2.4 干化焚烧

干化焚烧技术可以在高温下破坏污泥的组织结构，消灭有害物质，并且快速减容，回收热能。污泥干化系统一般包括3 个单元，即干化单元、焚烧单元和烟气净化单元。典型的污泥干化技术是干化焚烧一体化。相比传统的污泥处理方法，污泥干化焚烧技术的优势非常明显。第一，利用污泥干化焚烧技术对污泥进行处理，能够最大限度地减少污泥体积，尽可能减少污泥处理过程的空间问题。第二，污泥焚烧能够分解剩余污泥内的有机物质，焚烧灰可以作为建筑材料。第三，污泥干化焚烧效率很高，污泥不需要长期储存，就地处理避免运输问题。第四，污泥干化焚烧技术能够对能量进行回收利用。

2.5 超临界水氧化

超临界水氧化技术是利用有机物在超临界水中具有极佳的传热与传质性能，与氧气可以完全互溶，打破相界面之间的阻碍，彻底进行有机物的氧化分解。高温高压大大提高有机物的氧化速率，使碳氢化合物可以在几秒内被氧化为二氧化碳和水，氮元素转化为氮气，硫元素和磷元素转化为硫酸盐和磷酸盐，无机物不参与反应，沉淀在灰渣中。与焚烧相比，其反应温度较低，不会形成NOx或SO2。此外，超临界水氧化是强放热反应。经过设计与配伍，原料可以配成适宜热值后进入反应器，只需要在启动过程中加入少量热源，整个反应就可以依靠原料中有机物自身的热值维持系统的自热平衡。超临界水氧化除了能有效降解污泥中易分解的有机化合物外，对二噁英等难降解物质也有良好的处理效果[10]。

超临界水氧化技术的主要优点在于工艺流程简单，占地面积小，反应时间短，有机物分解彻底。该技术可以直接处理污泥料浆，预处理过程相对简单，可以高效实现污泥的无害化和减量化[11]。目前，多个国家已建立商业规模的示范工厂，对污泥进行超临界水氧化技术处理，其中以中国新奥集团（新地环保）的240 t/d 污泥超临界水氧化项目规模最接近商业化，如表1所示。

表1 各国污泥的超临界水氧化项目及其技术参数

3 结论

污泥的处理及资源化需要考虑社会、经济、环境等综合因素。资源循环方面，要突出污泥的资源属性，加强污泥中资源的回收；支持污泥稳定化产物的建材利用，实现更高效的资源循环。环境友好方面，要实施源头控制，加强污泥中有害成分的处理；重视末端产物的安全处置与资源化利用，逐步缩减污泥填埋规模。因地制宜方面，根据污泥的泥质、产生量与分布特点，结合地区自然地理条件、环境承载力以及当地经济发展水平等因素，确定适宜的污泥处理处置路径。目前，应该努力补齐污泥稳定化处理短板，推动污泥处理设施建设，拓宽污泥资源化路径，因地制宜选择处理技术路线。面向未来的污泥处理处置与资源化需求，要突破污泥高效厌氧消化、新型污泥脱水、污泥热解炭化、超临界水氧化等一批新技术，推广绿色低碳处理技术，为污水处理行业减污降碳提供坚实支撑。