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戴小虎:我国污泥处理处置现状及发展趋势 [复制链接]

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京东
随着我国经济持续快速稳定发展,我国城镇污水处理规模日益提升,污泥产量也相应增加。据统计,2019年我国污泥产量已超过6000万吨(以含水率80%计),预计2025年我国污泥年产量将突破9000万吨。但是,由于我国长期以来“重水轻泥”,污泥处理处置没有与污水处理同步提升,污泥处理处置问题未能得到有效解决,形势十分严峻。
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我国污泥泥质特性及处理处置现状
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污泥性质
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污泥作为污水处理的副产物,富集了污水的污染物质(重金属、难降解有机物、持久性有机物、微塑料等)和营养物质(C、N、P等),源头上具有“资源”和“污染”双重属性。污泥中含有的丰富有机质可通过厌氧处理得到甲烷生物气(沼气)、氢气(H2)等热值较高的燃料,另外也能通过蛋白质提取等技术回收污泥中丰富的资源。处理后的稳定产物还能实现土地利用(营养物质、有机质稳定化处理产物)和建材利用(无机物)等,从而实现污泥的稳定化、无害化和资源化。% W) Y. s2 t- o7 ~$ N, M1 p
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与发达国家相比,我国城镇污水处理厂污泥具有有机质含量低、含沙量高、产量大等特点,因而污泥处理处置技术路线的选择应结合我国城镇污水处理厂污泥的特定性质,充分考虑污泥的“资源”和“污染”双重属性,实现环境、经济和社会效益的最大化。
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' b$ _9 Q  o3 B: [$ X我国污泥的处理处置现状! A0 q$ ]" ?+ S. M" B

7 \% P) E/ r2 X/ O9 ?0 p国家“水十条”明确指出污水处理设施产生的污泥应进行稳定化、无害化和资源化处理处置,并禁止处理处置不达标的污泥进入耕地,从而保障污水厂污泥的全量安全处置,处理过程和处置环节不会对环境产生二次污染。
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目前我国常用的污泥处理技术主要包括污泥浓缩技术、污泥脱水技术、污泥厌氧消化技术、高温好氧发酵技术、污泥热干化技术等。
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经过处理的污泥需要进行安全处置。目前我国通常采用的处置方法有土地利用(农用)、焚烧、卫生填埋。但这些处置方式现在都遇到了不同程度的阻碍:土地利用对污泥泥质要求较高,污泥中重金属和其他有毒有害物质往往超标;由于污泥含水率较高,焚烧的能耗太高,不生态环保;卫生填埋通常遇到无地可埋的尴尬处境。
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由于污泥处理处置责任主体及最终处置路线不明确、法律法规监管体系不完善及我国城市污水处理厂早期建设过程中存在的严重“重水轻泥”现象,当前我国污泥处理设施仅基本实现污泥的减量化, 并未真正实现“三化”,存在严重的二次污染风险。据统计污泥厌氧消化普及率仅为3%,远低于发达国家50%的水平。目前我国的污泥处理处置与发达国家间存在的差距主要体现在:我国污泥处理设施处理能力不足;污泥稳定化、资源化利用率不足;绿色生态化处置方式不足等。
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污泥处理处置主流技术路线
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针对我国污泥产量大,处理处置形势严峻的问题,“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划也明确指出污泥应进行稳定化、无害化和资源化处理处置。十二五期间,大量科研资金的投入使得我国污泥处理处置技术得到快速发展。引进国外成熟技术的同时,紧密围绕我国污泥有机质含量低、含沙量高的特点,形成了稳定化处理与安全处置的四条主流技术路线:厌氧消化—土地利用、干化焚烧—灰渣填埋或建材利用、好氧发酵—土地利用、深度脱水—应急填埋。" P2 z- v0 g6 M8 f
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3 v1 @- d. K5 @+ F1 n6 R" g2 ^4 A厌氧消化—土地利用
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污泥厌氧消化是指污泥中可生物降解的有机物在兼性菌和厌氧细菌的作用下分解,随着污泥的稳定化,产生大量高热值的沼气作为能源利用,实现污泥资源化的过程。同时,厌氧消化过程也是污泥减量化过程,可降解污泥中35%~50%的挥发性固体,提高污泥脱水性能,脱水后污泥可减少30%~60%。近年来,因其经济有效且可持续性强的优势,厌氧消化成为目前实现污泥资源化回收的主流技术。传统厌氧消化通常指采用中温(35~37℃)或高温(52~55℃)对浓缩污泥(含固率为5%左右)进行厌氧消化,存在单位容积产气率低、有机负荷低、工程效益不明显等缺点 [1]。因此我国在十二五期间开发了高含固厌氧消化、热水解预处理、协同厌氧消化等一系列高级厌氧消化技术,并在实际工程中得到应用 [2]。北京高碑店污水处理厂污泥高级消化工程、长沙黑糜峰污泥高级厌氧消化示范工程等均采用“污泥热水解—厌氧消化”技术,提高了污泥厌氧消化性能,降低了沼气中H2S浓度,提升了沼气品质;十二五期间在污泥与餐厨等有机质协同方面也开展了探索,建成了镇江污泥与餐厨协同高级厌氧消化等示范工程。北排在“高碑店”“小红门”“槐房”“高安屯”和“清河二”五个污泥处理处置中心推行“高温预处理+厌氧消化”技术,实现污泥的稳定化和无害化,产品用于土壤改良、苗圃种植和制肥,为全国提供了可借鉴的污泥资源化土地利用模式。
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干化焚烧—建材利用! R/ N' b) I  ?6 ?; z. I

: }# c% R' C4 n  {0 c污泥干化焚烧技术是指先采用热方法使污泥水分蒸发成干化污泥,而后采用有氧燃烧使污泥无机化的过程,污泥焚烧后的灰渣,首先考虑建材利用。该技术时效性高,能在短时间内处理大量污泥,并能回收焚烧热量,属于国际上污泥处理处置的一种高效技术手段。我国上海、浙江等地有若干项目 [3],如上海市石洞口污泥处理工程采用流化床污泥干化和流化床焚烧工艺,是国内第一座污泥干化焚烧工程。2010年,嘉兴热电协同污泥处置工程在国内首试了污泥与燃煤混烧的污泥协同处置技术,该项目全部建成后总计新增年发电量3亿千瓦时左右,节约标煤约10万吨/年。此外,焚烧后的炉渣还可作为建筑原料。这种利用现有的工业焚烧炉将干化污泥与其他物质进行混合焚烧的协同焚烧技术,在欧盟及日本的法律上是允许的。虽然从投资和运行成本看,污泥协同焚烧比单独焚烧更具优势,但是我国尚无协同焚烧相关标准,协同焚烧的烟气稀释排放、监测和处理等问题亟待解决。干化焚烧技术的发展仍处于起步阶段,能耗高、投资运营要求高、臭气及尾气的处理问题制约着该技术的应用。
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% {9 Y+ L& x# Z3 R好氧堆肥—土地利用
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8 k- u, z! R6 f+ v% n, V污泥好氧堆肥是指在一定的水分、C/N和通风条件下,通过好氧微生物繁殖并降解污泥中的有机物,产生较高的温度,从而杀死污泥中大部分的寄生虫、病原体等,将污泥转变成性质稳定且无害的腐殖化产物(肥料)的过程 [4]。城镇生活污水厂产生的污泥经过好氧堆肥后能够达到限制性农用、园林绿化及土壤改良的标准,其中的有机质及营养元素得到有效地循环利用。另外,污泥好氧堆肥工艺建设和运行维护成本较低,工艺运行及操作相对简单,且工艺稳定性高,比较适合进行土地利用。因此,高温好氧发酵成为鼓励污泥土地利用的国家(如澳大利亚等)较为普遍的污泥处理技术。我国十二五期间已有一批示范工程,如秦皇岛绿港污泥处理厂 [5],并且开发了高温好氧发酵技术智能化控制,滚筒一体化好氧发酵设备;但由于污泥含水率高、占地面积大、恶臭气体产物出路受限等问题,该技术推广应用受到限制。
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, F+ S9 |5 t: q) N$ \( B6 ^# Q深度脱水—应急填埋. l3 r% P# C$ r+ x, {
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我国传统的污泥填埋多采用脱水泥饼(含水率75%~85%)直接填埋的方式,造成了大量的环境问题,主要表现为占用大量土地资源,产生大量渗滤液,造成地下水和地表水污染,破坏原有的生态环境。这些问题产生的根源在于前端缺乏稳定化处理和充分的水分减量。因此近年来,深度脱水—填埋技术应运而生。深度脱水是我国特有的一种脱水工艺,该技术能够通过调理预处理,破除细胞壁,释放毛细附着水和细胞内水,改善污泥的脱水性能,从而将污泥的含水率降低到60%以下。目前较为成熟的污泥深度脱水技术有酸处理、高级氧化技术和热处理等物理化学方法以及生物沥浸和酶处理等生物降解方法,使污泥的脱水性能及经济性等各方面达到最优条件 [6]。后续采用机械压力脱水及新型板框压滤机压滤脱水等技术进行脱水。但由于面临着无地可埋的严峻问题,填埋不符合未来发展趋势,只能作为阶段性、应急性的过渡性处置技术,不能成为主流技术。
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污泥厌氧消化工程案例

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7 C( N' D! P. z+ o2 ~厌氧消化作为世界上污泥处理处置的主流技术,可实现污泥的稳定化与减量化,并能同时实现生物质能(沼气)的回收,但由于我国长期以来“重水轻泥”,污泥厌氧消化普及率仅为3%,且厌氧消化存在有机质转化率低、设施处理负荷低、工程运行效益低三大瓶颈问题,因此围绕国家急需解决的污泥生物稳定化处理与资源化利用技术难题,开发了水热活化预处理、高含固厌氧消化、污泥与餐厨等有机质协同厌氧消化技术,为我国城市污泥处理提供可持续发展的解决方案。
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长沙市污水处理厂污泥集中处置工程4 o  f, _7 s. d9 @, ]# c
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长沙市污水处理厂污泥集中处置工程采用“污泥热水解预处理+高含固厌氧消化+污泥脱水+干化”高级厌氧消化处理工艺,是国内首个具有自主知识产权的污泥热水解耦合高含固厌氧消化的示范工程,也是该技术在国内的首次探索,日处理规模500吨/天(含水率80%),工程总投资近4亿元。# E6 T# Y" r% e% e4 ~0 y6 d' o

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长沙项目热水解预处理—高含固厌氧消化工艺流程
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  t# Y% s/ u% ]) {( v2 \该项目来料污泥经热水解预处理得到调理,有机质溶出、黏度降低,经后续高含固厌氧消化产生生物能源沼气,残余物脱水干化后用作填埋场覆盖土,作为一项资源化利用及环境治理项目,有效解决了城市生活污泥的出路问题。
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3 z" d( N. M. D  w: E) \) O6 ~6 V$ A通过该示范工程的实施,在城市污泥生物质能能源回收—资源综合利用技术领域上取得突破,可解决城市污泥处理的能源化与资源化的问题。+ J  C& A; u% p7 z# ]) I5 I

, {0 L& n8 {! Z# z, [  o镇江污泥与餐厨协同高级厌氧消化示范工程, \1 I% t% S: j2 O2 [1 f2 t( t

+ l/ `. K6 Y2 E1 {5 r  h7 ~1 ~镇江污泥与餐厨协同高级厌氧消化示范工程,是国内首个城镇污水厂污泥和餐厨垃圾协同厌氧消化处理的工程项目,主要采用“餐厨源头预处理+污泥热水解+高含固率厌氧消化+沼渣深度脱水太阳能干化利用+沼气净化提纯制天然气”工艺方案,日处理规模260吨/天,其中餐厨垃圾140吨/天(其中废油脂20吨/天),城镇污水厂污泥120吨/天(含水率80%),工程总投资近1.8亿元,可实现污泥与湿垃圾的“智能混合”协同处置。
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# ?% i. @2 x" s1 B6 j. Z) Z: X0 s. H镇江项目污泥和餐厨废弃物共消化工艺流程
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, W5 U+ U# K1 c/ _' t9 L西安市污水处理厂污泥集中处置项目工艺流程图8 e  T2 Z+ r+ A" `
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该项目采用太阳能干化,有利于减小脱水后污泥的含水率,并充分实现热能的循环利用。污泥与餐厨的协同消化还可增大消化设施的容积利用率,提高有机负荷。同时,通过物料的互相稀释,明显缓解了高含固污泥厌氧消化中存在的氨抑制问题以及餐厨垃圾厌氧消化中的盐抑制问题,提高工艺运行稳定性。该项目使现有污泥厌氧消化设施的甲烷产率提高1倍以上,为我国“垃圾分类”及“长江大保护”等国家战略实施提供有力的科技支撑。, R: r5 s" M( k* }7 T) s

7 k0 r- N. |0 `- ~) X9 ^西安市污水处理厂污泥集中处置项目% X. D% g& n4 `3 D( {/ Z

9 ?3 [. d- X3 S1 t+ V西安市污水处理厂污泥集中处置项目建设的污泥高级厌氧消化工程,是西安市首个污泥规范化集中处置PPP项目,也是目前我国首个拥有完全自主知识产权的项目,日处理规模达1000吨/天(含水率80%),单体投资成本与国外同类技术相比可降低40%以上。
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, z- [5 \# F- {: g9 @该项目主要采用“热水解+厌氧消化+脱水+热干化”的工艺路线,处理后的终端产品可作为园林绿化和肥料等,实现污泥无害化安全处理。处理后产生的沼气可经过净化和脱硫后,供厂区内锅炉燃用,为整个厂区提供热量。
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污泥资源化回收利用途径

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. _  I2 w6 s6 y1 j; ~6 J+ @污泥组分复杂,富含了大量有机物和氮磷等资源。污泥资源化利用着眼于两个方向即物质回收和能源利用。污泥可以通过产甲烷、产氢、产热等方式回收能源;也可以通过提取蛋白质、聚羟基脂肪酸(PHA)、磷(P)回收、作为污水脱氮除磷的碳源、提取金属、制生物碳土等回收物质。以下对污泥资源化回收——物质回收中的部分方法作阐述。
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3 O. `8 ^3 s- x4 D& O0 S5 G蛋白回收& D; h; n2 d3 s! k
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剩余污泥含有大量有机物,最高可达污泥干重的70%,而蛋白质是剩余污泥中含量最高的有机物,约占有机物的40%~60%,相关研究 [7]表明剩余污泥有机物中含有61%的蛋白质、11%的碳水化合物、不到1%的脂质和27%以上的未知成分。同时,蛋白质也是微生物菌体内含量最高的有机物,占细菌干重的50%~60%。污泥中蛋白质含量丰富,回收利用潜力巨大。/ \1 i5 P1 a! M: j8 ]
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目前,从剩余污泥中提取回收蛋白质的方法有物理法、化学法、生物法以及上述方法的联合方法。# p+ [/ D2 k, u

: |- u8 @# t0 n# e% l, j0 v( s污泥中提取的蛋白质可作为动物饲料、农作物肥料等,相关研究较多。有研究利用剩余污泥中回收的蛋白质作为动物饲料,污泥经碱处理后超声处理、酸沉干燥回收后的蛋白质营养成分与商品蛋白饲料相当,证明了利用从剩余污泥中回收粗蛋白作为动物饲料是可行的 [8]。有研究以脱水污泥蛋白质为原料,开发了氨基酸螯合微量元素肥料生产工艺 [9]。有研究从造纸厂二沉池废水中回收蛋白质作为木材黏合剂 [10]。有研究利用剩余污泥水解产物作缓蚀剂,其表面吸附能有效抑制钢在酸性介质中的腐蚀反应 [11]。
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制PHA
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8 f* C& i/ }2 U0 {% A+ G; ?传统塑料难降解、易引发环境问题,已有490万至1270万吨塑料进入海洋,预计到2025年将增加一个数量级 [12]。近年来,生物降解塑料的研究引起了广泛关注。生物降解塑料是在自然界或特定条件下,可被微生物降解的一类塑料。与传统塑料相比,生物降解塑料易降解且不易引发环境问题。生物降解塑料按照生产原料的来源不同可分为:聚乳酸(PLA)、聚羟基丁酸酯(PHB)、PHA等 [13]。目前,PLA和PHA已经用于工业生产,但生产原料较高的成本使其价格仍高于传统塑料。挥发性脂肪酸(VFA)广泛应用于PHA的生产 [14]。作为厌氧消化过程的中间产物,尤其是产酸相产生的VFA可作为PHA生产原料。以污泥为原料厌氧消化产VFA作为PHA的原料,可实现污泥资源化的同时,减少PHA的生产成本。
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污泥厌氧发酵制VFA已被广泛研究,在pH值为11、温度60℃和发酵时间7天的条件下,利用污泥厌氧发酵,最大PHA产率为56.5% [15]。研究表明,污泥发酵产生的VFAs是生产PHA的适宜碳源。; N( ^; F. T& U, x# U" U0 x: y: z/ J

, _& v$ n3 x3 O( H  O- N7 M1 o: e; TP回收: e5 n) u9 q6 V& ^, ^) w3 V! C
, M, F) {) s; t0 y8 v7 u& h! ?
作为一种不可再生资源,磷是生物体生命活动必需的元素。然而,自然水体磷浓度的超标和磷资源的匮乏是一基本矛盾 [16],从磷去除理念到磷回收理念的转变是必然趋势。污水污泥中富集了原水95%的总磷(TP),从污泥中回收磷已经被广泛研究。
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/ d: Q' O0 J0 I# S) ?9 {1 C2 M从污泥中回收磷,首先需要对污泥进行预处理,使污泥中的磷充分释放。目前,预处理方式可分为生物法和化学法。生物法如厌氧消化法 [17]和好氧消化法、其中好氧消化法常与其他方法联用 [18]。污泥释磷的化学方法有水热处理、酸热处理、碱热处理、氧化预处理、超声波预处理等。污泥中磷回收的方法有吸附解吸法、化学沉淀法、鸟粪石结晶法等。其中鸟粪石结晶法由于其操作简单,且可同步实现氮的部分回收而被广泛研究和应用。, x+ [* }8 c& T1 ~! x" I
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研究展望
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# @0 v, t0 W  @9 N4 q9 [$ c, i近年来,围绕“减量化、稳定化、无害化、资源化”的基本原则,我国污泥处理处置技术取得了一定的进展,热水解预处理、与餐厨等有机质协同的高级厌氧消化技术等污泥稳定化技术实现了良好的应用和推广,我国污泥处理处置方面的政策和标准也在逐渐完善。但面对社会发展对生物质能源以及环境质量提出的更高要求,我国污泥处理处置需要以无害化为目标,以资源化为手段,大力开发高效回收、利用污泥中能源与资源(生物质清洁能源及氮磷等)的技术,并在实现污泥中能源资源高效回收的同时,实现污泥中污染物的稳定化或高效去除,提高污泥处理产物后续利用的安全性,解决污泥的最终出路问题。6 Q& S1 E# o4 k5 V2 f+ ]

7 I" Y- l2 d' h面临气候变化,能源资源短缺,环境容量缺乏等问题,“资源循环”是未来新技术创新的重点,巨大的市场需求和科技投入,相信会有一批适合中国国情的“污水污泥资源化利用新技术”进入市场。
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