城镇污水处理厂污泥处理处置技术现状综述

摘 要：随着经济社会的进步与污水处理技术的发展，城镇污水处理总量逐年增加，随之带来污水厂副产物污泥的大量产生。剩余污泥产量大、含水率高且还有可能存在致病菌、重金属等有毒有害物质超标的问题，如何有效对污泥进行处理处置并资源化，是当前研究的热点问题。文中综合了国内外公开发表的相关研究成果，概述了当前污泥脱水、调质、稳定化、热干化等处理方法，总结了几种常见污泥处置技术应用的研究现状及发展趋势；重点阐述了污泥焚烧处置的发展现状与优势，分析了污泥燃烧设备中流化床、多膛式焚烧炉和回转窑的优缺点，为未来污泥处理处置及资源化的研究提供参考。

随着城市化建设进度的加快和经济生活水平的提升，我国城镇污水排放量也逐年增长。据住建部统计数据[1]，2020年，我国城市污水年处理总量达5.6×106万t。污泥是以污水生物法处理为主的污水处理主要副产物，研究[2]表明，污水厂每处理1万t污水产生5～10 t含水率为80%的污泥。美国产生废水约为1.29×109m3/d，每年产生650万t污泥固体[3]。截至2019年底，我国城镇污泥产量达到近6 000万t(含水率约为80%)。污泥具有产量大、含水率高、易腐败、恶臭等特点，富集了污水中50%以上污染物，包括各种重金属、微量的高毒性有机物、大量致病微生物等，对生态环境造成了巨大威胁，如不妥善处理，将造成水环境、土壤的破坏，甚至威胁人类饮用水和食品安全[4]。污水处理过程“重水轻泥”，在发展污水处理能力的同时，没有同步提升污泥处理能力，导致污泥处理能力的提升远低于污泥产生量的增加，逐渐成为我国城镇污染控制领域的主要环境问题[3]。为此，国家出台一系列政策以规划和指导污泥处理处置，2015年我国发布的“水十条”要求，完成污泥处理处置实施的改造，实现2020年地级市无害化处理率达到90%以上；到2020年7月，我国发布《城镇生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》，进一步强调改善“重水轻泥”现状，推进污泥无害化处置和资源化利用——鼓励采用“生物质利用+焚烧”处置模式等5项内容。“十四五”规划提出：破解污泥处置难点，实现无害化推进资源化。新增污泥无害化处理设施规模不少于2万t/d，2022年，国家发展和改革委员会、生态环境部等在《关于加快推进城镇环境基础建设的指导意见》中提出，城市污泥无害化处置在2025年达到90%。然而，由于我国城镇污水处理厂中污泥处理处置技术发展时间相对较短，且污泥处理处置投资管理方面存在地域差异和针对性不强的特点，尚未形成规模化、效果良好的技术路线、设备和完善的监管体系。现阶段污泥的合理处理处置已成为制约污水处理厂良性健康发展的重要瓶颈，解决污泥处理处置问题迫在眉睫。

因此，本文结合国家高质量绿色发展重大需求，总结当前污泥处理处置技术研究现状、发展趋势，重点阐述基于焚烧的污泥处理处置技术研究现状，分析主要焚烧炉型的优缺点，为污泥焚烧处置技术的发展提供参考。

1 污泥处理处置技术现状

基于污泥成分的复杂性，实现污泥的减量化、无害化和资源化是污泥处理处置的最终目标。我国城市污水厂污泥有机质与无机质比值低于国外污泥，且污水处理工艺不同造成污泥结构、组分呈现较大差异性，适合我国国情的污泥处置处理技术比较少。根据污泥的性质及目标，污泥的处理处置可分为：1)污泥处理过程，目的是降低含水率，去除污泥中的重金属、病原微生物等有害物质，实现污泥的减容减量、稳定化和无害化，包括污泥浓缩、脱水、稳定和干化等技术；2)污泥处置过程，是将经过处理后的污泥通过填埋、土地利用、焚烧等方式实现污泥再利用和资源化的过程。

1.1 污泥处理技术现状

城市污水厂污泥的主要来源为污水处理厂初次沉淀池(含水率为97%以上)和经过生物处理单元后二沉池的污泥(含水率为99%以上)，含水率高、体积大，对后续处理及运输造成了巨大影响。因此，常规污泥处理技术主要包括脱水处理、稳定化处理以及其他处理[4]。

1.1.1 污泥脱水处理技术

将流态的原生、浓缩或消化污泥脱除水分，污泥含水率可降低至50%～80%，污泥脱水是污泥减容减量的重要方法[4]。当前污泥脱水主要处理方式包括：自然干化法、浓缩法、机械脱水法和造粒法等。自然干化法主要是脱除自由水；污泥浓缩用于脱除污泥的间隙水；机械脱水法通常是先投加无机盐或高分子混凝剂对污泥进行预处理，改善脱水性能后再通过板框压滤机、离心脱水机等机械设备进行脱水；造粒法适用于混凝沉淀的污泥。自然干化法、机械脱水法的脱水污泥含水率为65%～80%，污泥浓缩、造粒法脱水污泥含水率在95%～98%、70%。机械脱水是当前污水处理厂常用的处理方法。然而，由于污泥成分复杂，其内含大量菌胶团、微生物及结合水，如不经过任何处理，难以直接通过机械方式脱水。为了获取更高的污泥脱水处理效果，通常对污泥进行调质处理[5]。污泥调质主要是通过化学、物理或生物的方式预处理污泥，改善污泥的脱水性能，以提高污水脱水效果。物理调质是通过应力或施加能量等方式改变污泥脱水特性[6]，包括热处理、冻融、超声、微波、水力调质等[6-8]。化学调质是当前主流调质方式[9]，常用无机或有机化学絮凝剂，工业应用上的化学法污泥调质采用的药剂有无机药剂和有机药剂，其中，无机调质药剂主要有氢氧化钙、聚合硫酸铁、三氯化铁等；有机药剂主要是高分子聚丙烯酰胺，投加量为0.1%～0.5%。当前也有研究将高级氧化技术用于污泥调理，如过氧化氢、铁基硫酸盐等，目前这些研究尚处于实验室研究阶段[8]。生物调质是指采用微生物、细胞提取物等改善污泥脱水性能[10]，如生物溶菌酶技术等，但调质稳定性及机制有待进一步研究。当前污泥机械脱水技术主要存在药耗大、设备易损、结合水和间隙水去除困难、需要对污泥进行预处理等问题，开发低药耗、高处理效率的污水调质技术以及研发低能耗污泥脱水干化设备是未来发展方向。

1.1.2 污泥稳定化处理

污泥稳定化处理的实质是通过可控的物理、生物或化学手段，改变污泥易发生无序生化反应的状态，以降解污泥中的有机物质，将不稳定的有机物转化为较稳定物质，降低污泥二次污染风险的同时，为污泥后续处理处置尤其土地利用提供条件[11]。污泥稳定化的方法主要有污泥消化、碱稳定、污泥堆肥等。污泥消化包括好氧消化，是指经过好氧微生物将污泥中的悬浮有机物部分降解为更稳定的有机化合物以及无机物的过程；厌氧消化通过污泥厌氧发酵，从而产生沼气，达到减量化、资源化的目的；污泥碱稳定化处理是指将氧化钙、镁盐、粉煤灰等同脱水污泥混合，通过污泥pH和温度的升高来实现污泥的杀菌、脱水；污泥堆肥主要是将污泥与有机质混合，通过控制生物种类、pH、温度等使其进行有氧高温发酵。国外发达国家大型污水处理厂通过厌氧消化等稳定化技术实现污水厂能源及资源回收；小型污水厂则采用好氧消化技术[12]。与国外污泥处理处置发展水平相比，我国污泥稳定化处理与发达国家存在差异，厌氧消化技术在污泥稳定化处理方面占重要地位。近些年，随着对污泥处理处置的重视，越来越多污泥稳定化新技术也层出不穷[13]，包括污泥固化稳定化技术、污泥氧化稳定化技术(包括湿法氧化法、氯氧化法等)、污泥等离子体处理获取可燃气体CO等，对稳定化机理进行研究、优化工艺、提高效率的同时节能降耗，是未来污泥稳定化技术发展和工业化应用的方向。

1.1.3 污泥热干化处理

污泥热干化是通过热调理过程破坏污泥胶体，实现活性污泥生物细胞破壁，析出生物内部水、毛细水、附着水，杀灭病毒细菌等活性有害物质。经热干化的污泥具有较强的稳定性，对环境影响小。

1.2 市政污泥处置技术研究现状及发展趋势

我国污泥具有地域性特点，污泥处置方式应该根据各地区污泥的性质进行选择。目前，我国对于污泥处置主要为填埋、堆肥、焚烧、土地利用等方式。

1.2.1 卫生填埋

卫生填埋是污泥最传统的处置方式，有单独填埋、混埋及特殊填埋等方式，适于污泥的大批量处理。我国常将脱水污泥同生活垃圾混埋。由于污泥卫生填埋具有卫生指标要求不高、操作简便且成本低等特点，目前我国约16%的污泥进行卫生填埋处置。然而，污泥填埋产生的渗滤液对周边土地和水体带来极大污染，且造成磷资源的浪费，加剧温室效应。随着污泥产量的逐年增长，卫生填埋场地占据土地资源，各国逐步禁止。我国《地下水管理条例》(2021年)第40条中明确指出禁止利用污泥填废弃矿坑等。尽管卫生填埋存在很多问题，由于当前污泥处置能力不足且污泥资源化消纳途径尚未完全打通，污泥填埋并不能被其他处置方式完全取代。目前卫生填埋的主要发展方向为渗滤液的处理、填埋气的利用、防渗材料的研发等[15]。

1.2.2 土地利用

污泥中含有大量有机营养成分和微量元素，可通过一定处理后进行土地利用，是污泥资源化利用的方式之一，主要包括农业利用、园林绿化利用以及土地改良等。污泥组成成分中含有对植物、土壤有害的病原菌、重金属等，直接土地利用会造成土壤及地下水的污染。美国专门制定了污泥土地利用相关的法规[16]；日本则成立了污泥还田委员会[17]；目前我国约48.5%的污泥用于土地利用。污泥堆肥后或无害化处理后再利用是土地利用的主要方式，具有过程简单、产物可作农肥和土壤改良剂等特点，但肥效较低，污泥中污染物还会污染土地、影响植物生长[18]。此外，堆肥对于污泥的减量效果有限、周期较长且易产生臭气。目前我国污泥土地利用产业面临的主要问题为缺乏工程应用技术规范指南、缺乏风险评价和管理体系、缺乏相应政策等[19]。

1.2.3 建材利用

剩余污泥中含有丰富的有机物以及硅、铝、铁等无机成分，在污泥中添加一定量的粉煤灰、高岭土等无机辅料后进行建材生产是一种经济有效的资源化方法，可以烧结砖、制轻质陶粒、制水泥等建材[20]，不仅可以解决污泥处理费用高、处理处置困难及对环境造成二次污染隐患的问题，更符合循环经济的发展理念，可产生一定的经济效益，有效利用资源达到保护环境的目的。但当前由于符合建材生产要求的污泥产量少，在制作建材的过程中添加大量无机辅料作为骨架，成本高、使用范围小且污泥成分复杂，用于生产污泥建材工艺不同对其性能影响较大，而我国尚缺乏污泥建材规范生产和检测相关标准规范。更重要的是，目前尚未形成完备的污泥再生建材产品出路，市场流通不足，导致污泥建材利用受限。为促进污泥资源化发展，在污泥建材利用方面的研究将集中于优化辅料配比以降低建材生产成本，研制以污泥为主料的新型建材，完善污泥再生建材生产技术标准规范及检测标准，并制定产业政策开拓建材利用市场。

1.2.4 污泥焚烧

污泥焚烧处置通常是在一定温度、有氧条件下对污泥进行焚烧，使污泥中的有机物发生燃烧反应，转化为二氧化碳、氮气、无机灰分等物质，是目前最彻底、最快速的污泥处置方式，能彻底实现污泥减量化，可最大限度减少污泥容积，将市政污泥体积减小70%～80%；彻底实现污泥稳定化与无害化，完全消除病毒和病原菌并将其转化成更为稳定的无机灰分[21]。污泥经过焚烧后，可将自身的热值转化为热能用于市政污泥的干化，或转化为电能用于发电[22]。污泥灰中富含磷，可从污泥焚烧灰分中提取高品位磷以缓解当前磷资源危机[23]。研究者[24]发现黑麦草施加市政污泥焚烧灰后，与对照组相比，施加市政污泥焚烧灰的黑麦草磷吸收明显增加。焚烧具有占地面积小、处理效率高且无害化彻底的优点，欧洲国家及日本早年就开始实施污泥焚烧处置，如图2 所示。随着填埋场地逐年变少，我国对污泥土地利用出台了严格政策，污泥焚烧的处置方式被逐渐重视，目前我国现有32.7%的污泥进行焚烧处置。污泥焚烧方式分为单独焚烧和共焚烧。其中，单独焚烧是指将污泥在辅助燃料下放入焚烧炉内进行焚烧。由于我国市政污泥热值较低，污泥与其他有机废物如秸秆等进行共焚烧后，增加了灰分中的土壤有效磷，且对各类作物的试验中效果均较好，尤其油料作物。