張 喻，樊英杰3,，楊鵬程，李學(xué)強，劉今乾，黨敏輝

（1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710070；2.國家能源煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化重點實驗室，陜西 西安 710070；3.西安交通大學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引言

市政污泥是污水廠產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)的具有惡臭的廢棄物，成分包括微生物菌體、重金屬、微生物蟲卵、致病菌等，必須得到妥善處置，但不同地區(qū)污泥泥質(zhì)不同，且受到當?shù)亟?jīng)濟條件、科技水平、農(nóng)田林地面積、民眾意識等限制，宜采用的污泥處置方式也會不同。

截至2017年3月，西安市共有污水廠27個，日污泥產(chǎn)量約1 900 t。雖然西安在2015年與當?shù)?家公司簽訂了污泥處置協(xié)議[1]，分別采用蚯蚓處置、粘土混合制磚、水泥窯協(xié)同焚燒來處置污泥，但三種工藝未在全國推廣，處置效果有待進一步考量。2017年6月爆出的污泥在田間堆放引發(fā)村民抗議的新聞，從側(cè)面反映了當?shù)匚勰嗵幹萌源嬖趩栴}。

1 西安地區(qū)典型市政污泥泥質(zhì)分析

為了探討適合西安地區(qū)市政污泥的處置措施，首先對西安主城區(qū)5個污水處理廠（以下稱為1污、2污、3污、4污、5污）的污泥泥質(zhì)進行檢測。

1.1 收到基含水率、pH、有機物含量

含水率、pH、有機物含量是污泥處理處置最基本的檢測參數(shù)，按照《城市污水處理廠污泥檢驗標準》CJ/T 221-2005要求執(zhí)行檢測，結(jié)果見表1。

表1 污泥含水率、pH、有機物含量

西安地區(qū)市政污泥普遍為二沉池剩余污泥經(jīng)重力沉淀、機械壓濾所得，并未經(jīng)過厭氧消化、熱水解、深層脫水等環(huán)節(jié)，含水率高。2污、3污使用工藝為氧化溝，1污、4污、5污為A2/O工藝，且各廠均在市區(qū)，工業(yè)排水少，進水特性相似，故pH值、有機物含量接近。

后續(xù)檢測本體為經(jīng)過烘干、冷卻、研磨的空干基污泥粉末，粒徑為80%通過200目篩。

1.2 元素分析、工業(yè)分析、發(fā)熱量

元素分析、工業(yè)分析、發(fā)熱量是污泥熱處理的重要參數(shù)。按照《煤中碳氫氮的測定儀器法》（GB/T 30733-2014）、《煤的工業(yè)分析方法》（GB/T 212-2008）、《煤的發(fā)熱量測定方法》（GB/T 213-2008）進行測定，同時神木紅柳林煤樺甸大城子礦油頁巖進行對比，結(jié)果見表2。

如表2，各污泥的N、C、H、S等元素含量接近，與煤相比呈現(xiàn)高N、高S、低C特征，與油頁巖相比，污泥的N、S含量高，而C、H含量接近；污泥工業(yè)分析接近，平均 Aad、Vad、FCad分別為 32.56%、56.66%、7.84%，與煤相比呈現(xiàn)高灰、高揮發(fā)分、低固定碳的特征，與油頁巖相比灰分更低，揮發(fā)分和固定碳含量更高。污泥平均熱值15.23 M J/kg，比油頁巖熱值高12.58%，但只有煤炭的50%左右。

1.3 重金屬含量

重金屬含量直接影響著污泥的農(nóng)用、園林綠化等多項處置措施。參考《生活飲用水標準檢測方法 金屬指標》GB/T 5750.6-2006對污泥中的重金屬進行測量，結(jié)果見表3。

可看出，各污水廠的重金屬含量差別較大，這是因為其收納水體包括少量工業(yè)廢水，而工業(yè)廢水重金屬含量高、差別大。各廠重金屬含量相對趨勢一致，Zn含量最高，Cu含量次之，同時含有少量的 H g、Cr、As、Pb 及微量的 Ni、Cd，營養(yǎng)元素 P、K含量高。

1.4 格金干餾實驗分析

污泥揮發(fā)分含量達煤的2～7倍，是優(yōu)質(zhì)油頁巖的1.5倍，理論上是良好的熱解原料。格金試驗可檢測物質(zhì)的熱解產(chǎn)油性能。依據(jù)《煤的格金低溫干餾試驗方法》GB/T 1341-2007，對污泥進行格金試驗分析，同時與紅柳林煤、大城子礦油頁巖對比，結(jié)果見圖1。

表2 污泥元素分析、工業(yè)分析、發(fā)熱量

表3 污泥重金屬含量

圖1 污泥格金分析及其與紅柳林煤、大城子油頁巖的對比

各市政污泥焦油產(chǎn)率高，最高的5污達到30%，是紅柳林煤的近3倍，是優(yōu)質(zhì)油頁巖的1.6倍；半焦產(chǎn)率約為45%，遠低于煤和油頁巖的半焦產(chǎn)率。這是因為污泥中的揮發(fā)分高于煤和油頁巖，而固定碳、灰分含量低于煤和油頁巖，熱解時揮發(fā)分大量逸出，固相殘留少。

2 污泥的處置方式

污泥的處理處置方式多樣，《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置分類》（GB/T 23484-2009）將污泥處置分為填埋、土地利用、建材利用、焚燒等。堆肥、干化熱解資源化利用作為污泥減量化、無害化、資源化的重要手段也受到重視。

2.1 填埋

污泥填埋主要指污泥進入生活垃圾填埋場進行混合填埋，具有工藝簡單、成本低的的特點，是我國目前普遍采用的污泥處置措施，但存在運費高、滲濾液量大、有塌陷風(fēng)險等缺陷。為此國家出臺《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)GB/T 23485-2009》，要求污泥混合填埋時含水率不大于60%，但板框壓濾、帶式壓濾等常規(guī)脫水技術(shù)難以直接達到填埋要求。

2.2 土地利用

污泥有機物含量高，可以作為有機肥料和土壤改良劑，用于農(nóng)田、林地、廢棄礦區(qū)等。Xi n等[2]將沈陽北污水廠污泥施用于當?shù)夭萜?，發(fā)現(xiàn)草地有機質(zhì)含量顯著提升，生物量增加，但重金屬含量有所升高。Ouyang等[3]將飛灰適量加入污泥并脫水，將污泥含水率降至40%～45%后，理化特性得到提升，可作為廢棄礦區(qū)的修復(fù)材料。但污泥富集了污水中的重金屬和致病微生物，同時富含N、P、鹽分，如不加處理、不加規(guī)劃將污泥直接、大量應(yīng)用于土地利用，可能造成土地不可逆退化，地下水、地表水富營養(yǎng)化。

2.3 堆肥

污泥堆肥，即在一定條件下，污泥中微生物利用空氣中的氧氣分解污泥中有機質(zhì)的自然過程[4]。堆肥過程中，污泥中的養(yǎng)分被微生物吸收分解，病原菌被高溫殺滅，水分蒸發(fā)體積變小，最終得到穩(wěn)定化的腐殖質(zhì)[5-7]，正因如此，堆肥技術(shù)已成為國內(nèi)外重要的污泥土地利用前處理技術(shù)。即便如此，污泥的土地利用技術(shù)的推廣仍存在困難。堆肥過程占地大、臭味重，產(chǎn)品缺乏標準、銷路不暢等，污泥中不斷被報道出的新興污染物仍存在風(fēng)險。Bondarczuk[8]指出，不論何種污水處理工藝，得到的污泥中均含抗生素、抗性細菌、抗性基因，污泥的土地利用將助推抗性細菌的擴散，對現(xiàn)代醫(yī)療產(chǎn)生沖擊。

2.4 材料化利用

污泥的材料化利用，主要包括水泥制品、陶粒、吸附材料、污泥磚等[9]。污泥摻混量過高會影響材料性能，Ingunza[10]將污泥摻混量控制在5%時軟泥磚的強度降低了45%，而制屋頂瓦的最大摻混量僅為4%[11]，導(dǎo)致污泥難以大規(guī)模處置。污泥中較多的碳含量及揮發(fā)分使其作為吸附劑原料成為可能，將污泥炭化后，對Pb（Ⅱ）、有機物、有明顯吸附效果[12-13]，而經(jīng)過適當?shù)幕罨绞剑尤胧乱说奶砑觿┚墒刮勰辔叫阅艿玫礁纳芠14-16]。然而污泥的預(yù)處理、活化等過程較為復(fù)雜導(dǎo)致污泥吸附劑成本較高[17]，規(guī)?；瘧?yīng)用仍需時日。

2.5 焚燒

焚燒減量化效果好，可殺滅寄生蟲卵及有害菌，污泥有機組分所含能量得到利用，處理速度快、占地小、無需長期貯存，日本早在2004年焚燒處置污泥量占當年污泥產(chǎn)量的72%[18]。我國東部沿海地區(qū)也一直在探索污泥的焚燒處置，已有多家工廠運行，但普遍存在成本高、能耗高、技術(shù)不成熟的問題。此外，限制污泥焚燒技術(shù)大規(guī)模推廣的原因還有重金屬、二噁英、酸性氣體、灰渣、飛灰等的二次污染。M i l l er[19]等將污泥與煤摻混后燃燒，飛灰中Cd、H g含量上升；焚燒產(chǎn)生的飛灰和未燃盡的顆粒給作為活化表面促進了二噁英的生成[20]。我國廢棄物焚燒鄰壁效應(yīng)嚴重，也影響了污泥焚燒的推廣。

2.6 干化熱解資源化

污泥的干化熱解資源化技術(shù)，即污泥含水率降至經(jīng)濟水平后熱解，并對產(chǎn)物進行再利用。由于熱解是在中低溫、缺氧的條件下進行，其硫氧化物、氮氧化物、重金屬的排放量遠低于焚燒過程[21]。邵立明、何品晶[22]通過對上海某污水廠脫水污泥低溫?zé)峤膺^程的能量進行分析，認為污泥低溫?zé)峤獾哪芰科胶鉅顩r優(yōu)于焚燒。焦油中含大量脂肪酸及含氮化合物，可作為燃料和化工原料，半焦與修飾過的硅酸鹽化合物特征相似，是廉價的吸附劑[23-24]，且產(chǎn)物分布及產(chǎn)物特性可通過熱解條件調(diào)節(jié)[25]。日本由于土地資源緊張，目前污泥處置主要以焚燒資源化利用為主，但正在逐漸向干化熱解資源化方式轉(zhuǎn)變；在中國，目前填埋仍是污泥處置的主要方式，新建的污泥處理廠主要采用焚燒和土地利用技術(shù)，而長遠來看，更為經(jīng)濟、環(huán)保的干化熱解資源化利用方式有望成為我國大城市污泥的重要處置措施。

3 西安地區(qū)污泥處置方式探討

從泥質(zhì)上分析。根據(jù)西安地區(qū)污泥特性檢測結(jié)果，其含水率高，無法混合填埋。雖然污泥中P、K含量高，但由于污水廠接納了工業(yè)廢水，部分污泥的As、H g等重金屬含量超出《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》（GB 4282-1984）、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（GB/T 23486-2009）規(guī)定，無法直接土地利用還田。污泥的揮發(fā)分含量高，熱值高，可實現(xiàn)自持燃燒，炭化后空隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，可以進行材料化、焚燒、干化熱解資源化處理，后者可固化穩(wěn)定化污泥中的重金屬[26-27]，進一步降低環(huán)境風(fēng)險。

從技術(shù)成熟度分析。污泥材料化利用正處于工程化試驗階段，實施風(fēng)險大。污泥的土地利用、堆肥、焚燒、干化熱解資源化等技術(shù)已有工程實例，實施風(fēng)險小，其中堆肥、土地利用工藝成熟，已在部分生活、工業(yè)污水分流完善和土地貧瘠的地區(qū)推廣。干化技術(shù)已相對成熟，如何與填埋、焚燒、熱解技術(shù)耦合，增效降耗，是新建項目的重點。

從成本分析。張義安等[28]對北京市的污泥處置技術(shù)的經(jīng)濟性進行了分析，綜合考慮能耗、設(shè)備折價、運輸、產(chǎn)物處置等因素，每噸干污泥的填埋500～760 元，堆肥 300～350 元，焚燒 771～1 000 元。西安市于2016年啟動污泥低溫炭化工藝的招標，成交標噸干污泥處置價格為825元，采用焚燒工藝的溫州污泥處理廠和上海石洞口污泥處理廠，噸干污泥處理成本分別為1 400元和1 195元[29-30]，相對于焚燒，干化熱解資源化技術(shù)的年投資回報率更高[31]。

從西安當?shù)氐厍榉治?。西安地處狹長的關(guān)中平原中部，唯一的生活垃圾填埋場——江村溝填埋場預(yù)計3年內(nèi)填滿，要求大場地處置填埋、堆肥及相關(guān)技術(shù)應(yīng)用受限。西安地區(qū)具有一定經(jīng)濟規(guī)模，人口基數(shù)大，漲幅明顯，污泥產(chǎn)量勢必迅速增加，減量化顯著、占地面積小、處置速度快的焚燒、干化熱解資源化技術(shù)應(yīng)是重點發(fā)展方向。但西安鄰避效應(yīng)嚴重，公眾對廢棄物焚燒接受度差，高陵垃圾焚燒項目歷經(jīng)19年選址，于2017年才正式啟動采購工作。

上述探討結(jié)果見表4。

表4 西安地區(qū)污泥處置方式對比

4 結(jié)論

（1）西安地區(qū)典型市政污泥泥質(zhì)為：含水率81%～86% ，pH 為 7.03～7.75，有機物含量 60% ～69% ，C含量 34.43%～36.31%，H 含量 4.11%～4.80%，S含量 0.83%～1.10%，N含量 5.55%～7.27%，灰分29.94%～36.26%，揮發(fā)分54.39%～59.13%，高位發(fā)熱量14.73 M J/kg～16.47 M J/kg，少數(shù)重金屬含量超出土地利用國家相關(guān)標準規(guī)定，格金焦油產(chǎn)率25%～30%，半焦產(chǎn)率41%～47%。

（2）基于污泥泥質(zhì)分析及技術(shù)成熟度、經(jīng)濟性、當?shù)氐厍?，焚燒和干化熱解資源化技術(shù)有望成為西安地區(qū)重點發(fā)展方向，其中焚燒項目的選址需特別關(guān)注“鄰避效應(yīng)”。