污泥处理：基于泥质，保障出路，逆向设计，分质处理
为了加速污泥处理处置工作的开展，近年来我国出台了一系列污泥处理处置标准和技术指南，但很多项目的设计、建设和运营过程中仍然存在诸多问题。一方面，许多项目只考虑采用单一技术实现污泥中单一组分的资源化，而缺乏系统的布局，特别是缺乏对污泥最终出路的详细规划，导致大量的消化污泥、干化污泥、焚烧灰渣等中间产物无处可去。另一方面，在常用的污泥处理处置技术路线中，污泥中的水分、有机质、无机质等三类组分往往互相制约，如污泥有机质含量及其组成严重影响污泥的水分脱出效率，而水分、无机质的存在也会影响有机质的燃烧转化。相反的，如果通过合适的流程设计实现污泥的分质处理，就可能提高污泥的处理效率。针对这些问题，一方面，在项目设计时就应该将污泥的最终处置环节纳入，并从污泥出路开始进行逆向设计；另一方面，需要全面客观认识我国污泥的特性，并对污泥处理处置技术进行重新定位和组合，实现污泥的分质处理。
1.污泥性质解析
1.1 污泥的贫资源特征
污泥常被认为拥有巨大的资源化潜力。然而，无论从产量还是品质上，污泥资源化潜力远不如生活垃圾、农林废弃物等大宗废物。据国家统计局数据，2016年，我国生活垃圾清运量达2.0亿吨，而市政污泥产生量约4000万吨（以80%含水率的脱水污泥计），扣除水分后，干固体仅800万吨。我国污泥有机质含量普遍偏低，一般为30~60%，这意味着前述干固体中还有大量缺乏资源化价值的无机质。虽然这些无机质可以用于制建材，但这种方式更适宜称为废弃物消纳而非资源化利用。有机质中，难以生物降解的木质纤维素含量约14~30%，腐殖酸含量约10~15%，它们的存在进一步降低了污泥生物转化能源的效率。以污泥有机质含量60%为例，脱水污泥成分可以用图1（a）概括。从污泥干固体元素组成看，其碳含量相远低于生物质废物。根据对几十座南方污水厂污泥性质的调查，其平均元素组成如图1（b）所示，其中碳元素作为多种资源化处理技术的利用对象，其比例仅45%。从污泥有机物组成看，蛋白质是主要成分，但其含量不超过50%，其次是多糖、腐殖酸、脂类等。
因此，污泥是一种高含水率、多组分构成的复杂废物，无论是以有机质、无机质为资源化对象，还是单纯以某一类组分或元素为资源化对象，其在污泥中的比例都很低。因此，污泥具有贫资源的特点，如果仅围绕某一类组分设计处理流程，其效率不高，而对某一类组分（如生物炭、蛋白质、磷）的过度追求可能会导致处理费用和环境负荷的大幅增加，因此应从废弃物消纳的角度综合考虑污泥的处理处置系统。
图1 脱水污泥的平均组成和元素含量
1.2 污泥的低热值特性
污泥能源化是污泥资源化的主要方向之一，其主要利用污泥中的有机质。然而，污泥中的大量水分不应忽略，应该纳入到整个处理流程中考虑。污泥干基热值与有机质含量的关系统计如图2所示。污泥有机质含量60%时，其干基热值约12000 kJ/kg，这意味着，1kg脱水污泥有机质热值约1440 kJ，低于水分蒸发所需的约2000 kJ热量。从这个角度看，污泥实际上是一种负热值或低热值废物，普通机械脱水+热干化+热化学处理（焚烧/混烧/热解/碳化等）均不能实现能量的净产出。上述技术路线实际上需要额外输入能量，并非严格意义上的“能源化”。
要降低污泥水分脱除的费用，可以采用太阳能、废热等廉价热能，但这需要合适的外部条件；而要减少水分蒸发能耗，可以通过强化机械脱水使污泥含水率从80%降至60%或更低，再进行热干化。尽管其电耗增加，但总的能耗要小于热干化。此外，还可以采用无需分离水分的有机质转化能源技术，如厌氧消化等。
图2 污泥有机质含量与热值的关系
1.3 污泥的絮体结构特征
和一般的生物质废物不同，剩余污泥颗粒由微生物细胞、胞外聚合物（EPS）为骨架的絮体构成，EPS之间由钙、镁等二价金属离子联结，而水分、细沙等被裹挟在絮体内。这些水分除少量自由水外，大量水分以附着水、毛细水、结合水的形式存在于絮体内部，难以脱除。污泥的高含砂量特性也会影响污泥处理设备的长期稳定运行，虽然可以通过离心机或水力旋流除砂器去除污泥中的砂砾，但这些方法对粒径小于200 μm的细砂分离效果一般，而且需要较大能耗。剩余污泥的这一絮体机构特征会对其脱水、干化和生物处理造成不利影响。
要进行科学的污泥处理处置，就必须充分认识污泥的贫资源、低热值和絮体结构特性，防止片面夸大污泥的资源属性，过度追求单一的资源化产品，而应在保证污泥无害化的前提下采用综合的污泥处理处置系统。
2. 污泥处理处置技术流程的逆向设计
污泥处理处置的全过程包括处理和处置两个阶段，处置就是要实现污泥的最终消纳，处置之前为处理阶段。许多污泥项目往往只有处理阶段，即从污泥来源开始，依照污泥的处理流程布置处理单元，而由于认识水平、政策导向、管理机制和市场竞争等原因忽略或简化了最终处置环节，使得这些项目成为了“半截工程”。例如，厌氧消化项目仅转化污泥中的部分有机质，对消化污泥仅提出可以进行土地利用，但对土地利用的预处理、场地和具体规程等都未进行说明；热干化项目仅是去除污泥中的水分，但对干化污泥的出路缺乏规划或者避而不谈；焚烧项目并非最终处置手段，对于有机质含量50%的污泥而言，500 t/d（脱水污泥）项目的灰渣产量将超过50 t/d（含有补充燃料和烟气治理引入的无机质），一些项目仅提出焚烧灰渣可以进行建材化利用，但对灰渣性质、建材种类、加工方法、销售途径语焉不详。这导致很多项目投产后运营不佳，不仅未达到资源化预期，还导致了污染物的再次转移。
为了解决上述问题，应该采用逆向设计代替传统的正向设计，从污泥的最终出路出发对全流程进行布置。严格来说，污泥的处置方式只有填埋、土地利用和建材化等。污泥填埋可以消纳全部污泥，是现阶段许多城市不得不采用的处置方式。然而，从填埋场运行管理以及政策导向看，尽量减少进入填埋场的水分和有机质是污泥填埋的主要趋势。因此，在污泥填埋之前应脱除水分和去除有机质。污泥建材化主要利用其中的无机质，包括水泥窑协同处置、制砖和制陶粒等。水泥窑协同处置对污泥前处理过程要求较低，有机质可以在水泥窑中燃烧释放热量，湿污泥也可少量掺烧，但更好的方式是利用余热干燥污泥后再入窑，因此这一处置方式的前处理过程主要是脱除水分。污泥制砖、制陶粒时需要采用干污泥，有机质在烧结过程中可以提供热量和促进孔隙生成，但从提高陶粒或砖的质量以及增加污泥消纳量的角度，适宜采用污泥灰渣进行烧结或制免烧砖，因此其前处理过程包括脱除水分和去除有机质。污泥土地利用主要是利用其中的营养元素和稳定化的有机质（如腐殖质），无机质对其影响较小，因此土地利用之前要进行水分脱除和有机质转化。
根据上述逆向设计思想，可以将污泥最终处置方式与前处理技术相结合，筛选出可用的处理技术路线。水分去除的常用方式包括机械脱水和热干化，而有机质去除或转化的常用方式包括厌氧消化、热化学处理（焚烧/混烧/热解等）、堆肥等。这样，污泥主要处理处置流程可以归纳为图3。其中，污泥经高干脱水后可以填埋，但仅适宜作为过渡和应急方法。厌氧消化可以去除部分有机质，从而增加机械脱水过程中去除的水分总量，减少后续热干化水分蒸发的能耗，因此厌氧消化+干化焚烧/热解的方式在国外一些污水厂获得了应用，但这一方式的总体效果还需进一步评估。另外，虽然厌氧消化可以实现污泥稳定化，但其稳定化程度不如好氧堆肥，消化污泥一般要经晾晒或短暂的好氧处理后才适宜土地施用。
图3 基于最终出路的污泥主要处理处置流程
3. 污泥分质处理方案及技术需求
从上述污泥处理处置途径看，由于污泥含水率高，水分的去除是所有途径的核心环节，其决定了整个工艺流程的效率、能耗和费用。在机械脱水和热干化两个主要的脱水环节中，机械脱水又更为关键。由于机械脱水能耗相对较低，机械脱水程度的增强将大幅降低热干化过程中的水分蒸发能耗。影响污泥脱水效果的内在因素是其水分存在形态，而水分存在形态又取决于污泥颗粒结构与有机质构成。因此，如果能在污泥脱水前尽量去除有机质，将其转变为近似无机污泥，就可以大幅改善脱水效果。然而，在图3的常用处理流程中，除厌氧消化外，污泥水分脱除环节一直位于有机质去除环节之前，即现有工艺流程为：水分去除→有机质转化→无机质处置，这就导致水分脱除受到有机质的干扰，效率很低。从分质处理的角度出发，理想的流程为：有机质去除→水分去除→无机质处置或利用。
要实现上述分质处理目标，就需要在水分存在的条件下尽量实现有机质的去除或转化。现阶段可选技术包括厌氧消化、湿式氧化、超临界氧化和高压液化等，但除厌氧消化外，其它几种方式在能量回收上还存在不足，规模使用时还需要克服许多技术障碍。厌氧消化技术成熟，但其有机质降解率仅40%左右，消化污泥机械脱水后含水率约80%，脱水污泥总量减少24%（以污泥有机质含量60%计，下同），尚未到达分质处理的目标。要实现这一目标，需要开发新技术突破厌氧消化有机质降解率的极限。目前正在推广的污泥热水解预处理或后处理可以一定程度提高有机质降解率。污泥经热水解后，破解污泥在厌氧消化过程中有机质转化率达到60%，这意味着消化污泥有机质含量降至37.5%，已经趋于无机污泥。这样，消化污泥机械脱水后含水率可以低至50~60%，相对于未经上述处理的脱水污泥约减量70%，这可以大大降低污泥最终处置的费用。虽然污泥热水解+厌氧消化在国内外已有大量工程案例，但其距离真正的分质处理还有一定距离，后续改进方向主要包括：（1）开发污泥复合破解调质方法，进一步提高有机质转化率至90%以上，并降低这些辅助处理的能耗和费用；（2）避免预处理过程中生成难降解有机质，同时促进污泥中木质纤维素和腐殖酸类物质的转化，目前热水解预处理技术尚不能达到这一要求；（3）在无需脱水的前提下，实现消化污泥中抗性有机质的转化。
实际上，目前我国的污泥处理处置全工艺链条并不能实现能源自给。厌氧消化单一环节可以实现能量输出，但后续脱水、干化、处置等环节会使整个链条变成净耗能过程。但这也提示，厌氧消化是无需脱除水分实现有机质转化能源的重要途径，如果可以进一步改进这一技术，使有机质转化率达到90%以上，厌氧消化完全可以成为污泥处理处置的核心环节，而后续脱水和无机质利用也将更为简单，并且有利于污泥磷、氮的回收和重金属的固定化。
来源：环境论评
本文依据作者在2018年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会上的发言整理。
作者：李欢，长期从事有机固体废弃物处理及资源化技术研究，深圳市污泥及厨余协同处置与资源化技术工程实验室，清华大学深圳研究生院副教授。
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