污泥預處理及深度處置技術的研究進展

馬賀蒙，李紅欣

（河北石油職業技術大學，河北 承德 067000）

污泥由污水中原有的固體物質以及污水處理過程中產生的微生物等固體物質組成，是污水處理廠的日常運行副產物。隨著我國城市人口不斷增加、工業生產規模日益擴大，城市污水、工業污水的排放量逐年增加，隨之而來的是污泥產量逐年增加。截至2019年年底，全國共有5 476座污水處理廠，年污水處理量累計650億m3，年污泥產生量高達3 923萬t（含水率為80%）[1]。

國家發改委、住房和城鄉建設部聯合印發的《“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》明確要求提升城市和縣城污泥無害化、資源化利用水平，城市污泥無害化處置率應在90%以上。

污水處理廠“重水輕泥”的習慣和污泥處理現狀不能滿足當前有關污泥處理處置的要求。依照“十四五”規劃的要求，污泥處理要盡可能地無害化，并利用污泥中的能源資源，同時提高污泥處置率。目前，國內對污泥的處理方式以填埋為主，部分用于堆肥、自然干化、焚燒、制作建材等[2]，比例分別為65%、15%、6%、3%、11%。

本研究從污泥的組成出發，遵循無害化、資源化、減量化的原則，對污泥處理相關技術進行簡要分析。

1 污泥的組成

污泥是多種微生物組成的菌膠團與其吸附的有機物和無機物的集合體，富含有機物、氮、磷等營養物質。污泥的物理性質、化學性質指標主要包括污泥含水率、pH以及灰分、揮發分、有機質、氮、磷、重金屬的含量等。

從資源的角度來看，污泥是一種可利用資源。但是，污泥中含有難降解的有機物、重金屬、病原菌等，如果處理不當，會造成二次污染。

2 污泥預處理技術

污泥預處理的主要目的是通過破壞菌膠團結構和胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）結構，提高污泥的沉降性能，改善污泥的脫水性能，降低污泥的含水率。常用的污泥預處理技術可以分為化學法、物理法和生物法3類。

2.1 化學預處理

化學預處理是指向污泥中投加藥劑，破壞菌膠團及EPS結構，改變污泥絮體結構。

2.1.1 酸處理

酸處理是通過投加酸性藥劑，使污泥中形成酸性環境。在酸性環境下，污泥的EPS結構被水解，微生物細胞破裂，被包裹在EPS及微生物內部的水分被釋放出來。經過酸處理，污泥的可脫水程度提高，可在短時間內改善污泥的脫水效果。

研究發現，pH為2～3是酸處理的最佳條件。過酸會使EPS結構水解分散得過于細小，會影響污泥顆粒的沉降性能。通過投加濃硫酸、濃鹽酸或者其他廢酸液，均可達到酸處理的目的。單獨使用酸處理僅改變污泥的可脫水程度，不會影響脫水速率，可以采用酸處理結合其他技術，共同實現污泥可脫水程度及脫水速率的提高[3]。

2.1.2 堿處理

堿處理是通過投加NaOH、KOH、Ca(OH)2、Mg(OH)2等堿性溶液，抑制污泥中微生物的活性，破壞細胞結構，釋放出有機物和水分，提高污泥過濾脫水性能。

實驗表明，在相同條件下，Ca(OH)2、Mg(OH)2、NaOH、KOH的處理效果依次降低，這是因為污泥顆粒帶負電荷，二價金屬離粒子更有利于污泥絮體結構的形成，同主族金屬離子的處理效果與原子核對最外層電子的控制能力有關。

堿處理對污泥的預處理效果比酸處理好，這與污泥顆粒表面攜帶的負電荷有關[4]。在酸處理中，污泥顆粒與酸根離子同性相斥，而金屬離子帶正電荷，可中和污泥顆粒所帶的負電荷，較大程度地改善污泥的沉降性能和脫水性能。

2.1.3 高級氧化法

在污泥預處理中，常用的高級氧化法有芬頓法、過氧化氫法、臭氧法、過硫酸鹽法等[5]。其中，芬頓氧化法由于氧化能力強、無選擇性、環保無污染等特點而廣受歡迎。高級氧化法是通過氧化污泥中的有機物、破壞細胞結構，改善污泥的脫水性能，處理效果優于堿處理和酸處理[6]。

綜上，化學預處理能夠在短時間內提高污泥的沉降性能，改善污泥的脫水性能，但是藥劑的使用不僅會提高處理成本，還會增加后續處理的難度。

2.2 物理預處理

2.2.1 超聲法

超聲波在污泥中傳播時會產生壓力和拉力，壓力使污泥顆粒聚集，而拉力使污泥顆粒分離。由于負壓的存在，拉力區域會出現微小氣泡，即超聲空穴?？昭ú环€定、會破裂，在破裂的瞬間會產生局部高溫、高壓，同時產生強大的剪切力，瞬間破壞細胞壁，釋放細胞內的物質和水分，改善污泥的脫水性能。

研究發現，低能量、長時間的超聲波比高能量、短時間的超聲波更有利于污泥脫水[7]。長時間、高能量的超聲波對污泥顆粒的破壞力太大，污泥顆粒分散得過于細小，比表面積增大，不利于污泥的沉降和脫水。

2.2.2 熱處理

污泥在加熱過程中，EPS水解、細胞裂解，釋放出蛋白質、多糖等有機物，同時釋放出被菌膠團、EPS束縛的水分。研究發現，最佳熱處理條件是溫度在160 ℃左右、時間持續60 min左右。處理效果主要受溫度影響，處理時間影響甚微。

熱處理可以在較低溫度范圍內將污泥的含水率降到50%以下，明顯優于化學預處理法。將化學預處理法與熱處理聯合使用，污泥含水率能達到25%左右，并且能耗較小。

2.2.3 凍融法

凍融法通過壓縮污泥絮體結構改善污泥的脫水性能。在反復冷凍與融解過程中，污泥中的水分子冷凍形成不規則的冰針，并不斷獲取污泥絮體中的自由水，部分污泥顆粒被推擠包裹在冰晶內部，絮體網狀結構被破壞，釋放大部分間隙水。凍結速率是影響凍融性能的重要參數，研究發現，在較高溫度（-5 ℃）下，低速率凍結可以提高污泥的脫水性能[8]。在污泥的凍融過程中，冷凍只釋放有限數量的有機物質，而在融解階段釋放出大量化學需氧量（COD）。

2.3 生物預處理

生物預處理主要采用生物瀝浸技術，利用氧化亞鐵硫桿菌或氧化硫硫桿菌等嗜酸性硫桿菌對污泥進行生物氧化處理[9]。通過生物氧化和生物酸化作用，生物瀝浸在很大程度上消除了污泥中的重金屬、病原體以及惡臭。在生物瀝浸技術中，自養型細菌替代原有異養型細菌成為優勢菌群，自養型細菌分泌的EPS含量不到異養型細菌EPS的1/10，能夠改善污泥的脫水性能[10]。由于自養型細菌不分解有機物，處理后的污泥依舊含有高濃度的有機物。

3 污泥處理技術

污泥經過預處理及深度脫水后，含水率大大降低，滿足污泥處理對含水率的要求后，可對污泥做進一步的處置，使其無害化、減量化和資源化。

3.1 衛生填埋

衛生填埋是最早使用、應用范圍最廣的污泥處理手段。濕污泥經過脫水、壓濾后，以泥餅的形式被外運到填埋場進行衛生填埋。污泥中的有機物、致病菌、重金屬等被“封存”在填埋場內，如果填埋場的后期運行管理不當，會對周圍的生態環境造成二次污染。壓濾脫水后的污泥含水率依舊很高，污泥體積大，運輸填埋要耗費大量人力、物力和財力[11]。

隨著社會經濟的不斷發展，土地資源越來越緊張，填埋作為污泥處理最直接、最簡單的方式，已經不符合可持續發展的要求，并且暴露出越來越多的問題，最常見的是地下水污染問題[12]。因此，要推廣、應用可持續發展的污泥處理技術。

3.2 堆肥

從成分來看，雖然污泥成分復雜，但是含有大量有機物、N、P、K、礦物質元素等，這些對微生物和植物而言是具有可利用價值的能源資源。研究表明，80%以上的市政污泥所具有的肥力比一般的豬糞肥力高[13]。因此，研究利用污泥的肥力具有重要價值。

堆肥是利用微生物將污泥中可生物降解的有機物轉變為可被植物利用的腐殖質的過程。在微生物的作用下，污泥中的有機物被降解，堆肥反應體因微生物旺盛的新陳代謝作用而溫度升高，污泥中的致病菌和病原微生物在高溫（60 ℃左右）條件下被殺滅[14]。堆肥后的污泥含水率降低，肥力提升，可用于園林綠化、荒山改造、花卉培育等。

現階段，污泥堆肥技術主要有兩大類：好氧堆肥和厭氧消化，且工藝技術成熟。無論是好氧堆肥還是厭氧消化，都沒有完成污泥的最終處置，堆肥后的污泥要借助土地發揮作用[15]。常見的土地利用方式是園林綠化和土壤改良。其中，污泥作為土壤改良劑用于礦山治理是現在的熱門研究方向，能同時解決污泥處置和礦山治理兩個難題，并且效果顯著[16]。

3.3 焚燒

污泥中的有機物成分是污泥熱值的主要來源。當污泥的含水率低于30%時，熱值約為11 000 kJ/kg，可滿足污泥自身燃燒的條件[17]。污泥在高溫條件下焚燒，可使有機物得到分解，致病菌被殺滅，重金屬或者其他有害成分被鈍化、固定[18]，同時，焚燒過程中產生的熱量可被回收利用，實現污泥的無害化、資源化和減量化處理。

污泥焚燒的技術主要有單獨焚燒、與熱電廠聯合焚燒、垃圾焚燒爐聯合焚燒、水泥窯協同焚燒。

3.3.1 單獨焚燒

污泥單獨焚燒是利用污泥自身的熱值，在回轉窯焚燒爐、流化床焚燒爐或者爐排式焚燒爐的高溫中完成污泥焚燒的技術，適用于污水處理廠周圍無其他可利用焚燒設備的情況。

單獨焚燒分為兩種工藝，一種是污泥直接壓濾脫水進行焚燒，另一種是污泥干化再焚燒。污泥壓濾脫水再焚燒工藝流程簡單，節省人力、物力和工程投資，但污泥含水率偏高、熱值偏低，焚燒效果差。污泥干化再焚燒需要通過添加藥劑、儀器設備對污泥進行預處理，可降低污泥的含水率，提高污泥的熱值，提高污泥的焚燒效率。前者工藝簡單、設備投入少，但是后續焚燒效果差；后者由于增加了污泥預處理，會加大前期的投入，但是后續污泥含水率低、焚燒效果更好[19]。

污泥在焚燒過程中，有機物被分解、致病菌被殺滅，實現了污泥的無害化、減量化和資源化處理。焚燒后，污泥變為灰渣、飛灰和煙氣。污泥中的重金屬主要集中在灰渣、飛灰中，對灰渣、灰分進行重金屬回收，可避免對環境造成二次污染。同時，煙氣中含有二惡口英等成分，在排煙系統上要加設尾氣處理裝置，防止二惡口英對大氣造成污染。

目前，國內應用較多的是污泥干化再焚燒技術，已經有成功的應用案例，比如上海市石洞口城市污水處理廠污泥處理工程、成都市第一污水污泥處理廠、蕭山污水處理廠污泥焚燒工程、山東膠南污泥焚燒發電工程[20]。

3.3.2 混合焚燒

當污水處理廠附近有熱電廠、垃圾焚燒廠時，可考慮將污泥摻入焚燒?；旌戏贌袃煞N方式：脫水污泥直接焚燒、利用余熱或者廢熱將污泥干化后焚燒。顯而易見，利用熱電廠或者垃圾焚燒廠的余熱、廢熱將污泥干化后再焚燒，可大大降低污泥的含水率，提高污泥的焚燒熱值，降低焚燒過程中輔助燃料的使用量[21]。

與污泥單獨焚燒相同，污泥混合焚燒也需要關注污泥焚燒后的灰渣、飛灰和煙氣問題。對熱電廠而言，污泥焚燒會增加灰渣量和尾氣處理裝置的負荷，甚至提高運行成本。對垃圾焚燒廠而言，污泥與垃圾混合后焚燒，其灰渣、煙氣處理難度會加大[22]。

在工程實際應用中發現，如果污泥處理不當，不僅會影響熱電廠或者垃圾焚燒廠的正常運行，還會導致后期處理成本遠超污泥焚燒帶來的價值，因此，混合焚燒需要一定的政策和資金支持。國內已有的工程案例有常州市污泥與熱電廠聯合焚燒處理工程、蘇州工業園區污泥干化-熱電廠聯合焚燒工程、紹興市污泥與垃圾焚燒聯合項目。

3.3.3 水泥窯協同處理

20世紀70年代中期，德國和日本率先提出了水泥窯協同處理污泥的技術。國內最早的水泥窯協同處理污泥相關技術、專利可以追溯到2001年[23]。

多種實驗研究表明，市政污泥的化學特性與水泥生產所用的原料基本相似，且污泥中重金屬含量低于標準限值。因此，利用水泥窯協同處理污泥，不僅能實現污泥減量化、無害化，還能利用焚燒后的灰分作為水泥的原料，不用對灰渣進行二次處理。

水泥窯協同處理工藝按水泥生產過程可以分為3類：污泥用作水泥原料，在生料配料時加入；在水泥燒成系統的某個環節加入，高溫焚燒污泥；把污泥煅燒活化成堿激發水泥。在水泥窯協同處理的污泥可以是含水率較高的濕污泥，也可以是干化后的污泥。濕污泥可以在生料配料時加入，直接用作水泥原料。干化后的污泥可以在水泥燒成過程中的分解爐到冷卻機等不同環節加入。

與污泥單獨焚燒、混合焚燒技術相比，水泥窯協同處理污泥顯示出更加突出的優勢[24]。（1）有機物分解徹底。水泥窯的煅燒溫度一般高達1 400 ℃，遠高于普通焚燒爐的溫度，污泥中的有機物在水泥窯中被徹底分解，致病菌被徹底殺滅；（2）不產生飛灰。水泥煅燒過程中產生的廢氣粉塵被收集后作為水泥原料投放到窯內煅燒，無飛灰二次污染；（3）抑制二惡口英的生成，無尾氣二次污染。普通焚燒爐的溫度在800 ℃左右，在焚燒過程中會產生二惡口英，而水泥窯的溫度高達1 400 ℃，不滿足二惡口英的生成溫度要求或者生成后又被分解[25]；（4）重金屬固化作用。在高溫條件下，污泥中的重金屬與水泥原料發生物理化學反應后被固定在水泥結構中。重金屬浸出毒性實驗顯示，被固定在水泥中的重金屬浸出量遠低于國家標準，且不會隨時間的延長而增加浸出量，因此不會對環境產生影響。

國外先進的水泥窯協同處理技術開始將關注點轉移到污泥中磷元素的回收利用上。污水中的磷元素在水處理工藝中不會被去除，磷元素被轉移富集到污泥中，經過水泥窯協同處理后進入水泥中[26]。研究表明，污泥中的磷元素進入水泥后，對水泥的物理化學性質沒有不利影響，甚至會在一定程度上延長凝固時間，進而加大水泥強度。水泥中的磷元素在長期的雨水沖刷過程中會被釋放，重新進入水體，造成水體磷元素含量超標。因此，污泥中磷元素的回收成為水泥窯協同處理技術的新研究方向。

雖然水泥窯協同處理污泥有不足之處，但是利大于弊。隨著技術的推廣，水泥窯協同處置污泥的應用逐年增多[27]，典型的工程案例及工藝類型如表1所示。

表1 典型的工程案例及工藝類型

4 結語

污泥是污水處理過程中產生的二次產物，成分復雜，有毒有害物質濃度高，單一的處理處置技術很難滿足污泥的處理要求，因此，要考慮多種技術聯合使用，結合地區經濟、社會發展情況，選擇合適的污泥預處理、深度處置方式。