馬賀蒙，李紅欣

（河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 承德 067000）

污泥由污水中原有的固體物質(zhì)以及污水處理過程中產(chǎn)生的微生物等固體物質(zhì)組成，是污水處理廠的日常運(yùn)行副產(chǎn)物。隨著我國城市人口不斷增加、工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大，城市污水、工業(yè)污水的排放量逐年增加，隨之而來的是污泥產(chǎn)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(chǎn)生量高達(dá)3 923萬t（含水率為80%）[1]。

國家發(fā)改委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)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(yīng)在90%以上。

污水處理廠“重水輕泥”的習(xí)慣和污泥處理現(xiàn)狀不能滿足當(dāng)前有關(guān)污泥處理處置的要求。依照“十四五”規(guī)劃的要求，污泥處理要盡可能地?zé)o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(nèi)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(fā)，遵循無害化、資源化、減量化的原則，對污泥處理相關(guān)技術(shù)進(jìn)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(tuán)與其吸附的有機(jī)物和無機(jī)物的集合體，富含有機(jī)物、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)。污泥的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)主要包括污泥含水率、pH以及灰分、揮發(fā)分、有機(jī)質(zhì)、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(jī)物、重金屬、病原菌等，如果處理不當(dāng)，會造成二次污染。

2 污泥預(yù)處理技術(shù)

污泥預(yù)處理的主要目的是通過破壞菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)和胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）結(jié)構(gòu)，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(yù)處理技術(shù)可以分為化學(xué)法、物理法和生物法3類。

2.1 化學(xué)預(yù)處理

化學(xué)預(yù)處理是指向污泥中投加藥劑，破壞菌膠團(tuán)及EPS結(jié)構(gòu)，改變污泥絮體結(jié)構(gòu)。

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(huán)境。在酸性環(huán)境下，污泥的EPS結(jié)構(gòu)被水解，微生物細(xì)胞破裂，被包裹在EPS及微生物內(nèi)部的水分被釋放出來。經(jīng)過酸處理，污泥的可脫水程度提高，可在短時間內(nèi)改善污泥的脫水效果。

研究發(fā)現(xiàn)，pH為2～3是酸處理的最佳條件。過酸會使EPS結(jié)構(gòu)水解分散得過于細(xì)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(dá)到酸處理的目的。單獨(dú)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(jié)合其他技術(shù)，共同實現(xiàn)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(xì)胞結(jié)構(gòu)，釋放出有機(jī)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(fù)電荷，二價金屬離粒子更有利于污泥絮體結(jié)構(gòu)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(guān)。

堿處理對污泥的預(yù)處理效果比酸處理好，這與污泥顆粒表面攜帶的負(fù)電荷有關(guān)[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(fù)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(yù)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(qiáng)、無選擇性、環(huán)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(jī)物、破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，改善污泥的脫水性能，處理效果優(yōu)于堿處理和酸處理[6]。

綜上，化學(xué)預(yù)處理能夠在短時間內(nèi)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(xù)處理的難度。

2.2 物理預(yù)處理

2.2.1 超聲法

超聲波在污泥中傳播時會產(chǎn)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(fù)壓的存在，拉力區(qū)域會出現(xiàn)微小氣泡，即超聲空穴?？昭ú环€(wěn)定、會破裂，在破裂的瞬間會產(chǎn)生局部高溫、高壓，同時產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力，瞬間破壞細(xì)胞壁，釋放細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)和水分，改善污泥的脫水性能。

研究發(fā)現(xiàn)，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(xì)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(xì)胞裂解，釋放出蛋白質(zhì)、多糖等有機(jī)物，同時釋放出被菌膠團(tuán)、EPS束縛的水分。研究發(fā)現(xiàn)，最佳熱處理條件是溫度在160 ℃左右、時間持續(xù)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(nèi)將污泥的含水率降到50%以下，明顯優(yōu)于化學(xué)預(yù)處理法。將化學(xué)預(yù)處理法與熱處理聯(lián)合使用，污泥含水率能達(dá)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(jié)構(gòu)改善污泥的脫水性能。在反復(fù)冷凍與融解過程中，污泥中的水分子冷凍形成不規(guī)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(nèi)部，絮體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，釋放大部分間隙水。凍結(jié)速率是影響凍融性能的重要參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，在較高溫度（-5 ℃）下，低速率凍結(jié)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(shù)量的有機(jī)物質(zhì)，而在融解階段釋放出大量化學(xué)需氧量（COD）。

2.3 生物預(yù)處理

生物預(yù)處理主要采用生物瀝浸技術(shù)，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(jìn)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(shù)中，自養(yǎng)型細(xì)菌替代原有異養(yǎng)型細(xì)菌成為優(yōu)勢菌群，自養(yǎng)型細(xì)菌分泌的EPS含量不到異養(yǎng)型細(xì)菌EPS的1/10，能夠改善污泥的脫水性能[10]。由于自養(yǎng)型細(xì)菌不分解有機(jī)物，處理后的污泥依舊含有高濃度的有機(jī)物。

3 污泥處理技術(shù)

污泥經(jīng)過預(yù)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(jìn)一步的處置，使其無害化、減量化和資源化。

3.1 衛(wèi)生填埋

衛(wèi)生填埋是最早使用、應(yīng)用范圍最廣的污泥處理手段。濕污泥經(jīng)過脫水、壓濾后，以泥餅的形式被外運(yùn)到填埋場進(jìn)行衛(wèi)生填埋。污泥中的有機(jī)物、致病菌、重金屬等被“封存”在填埋場內(nèi)，如果填埋場的后期運(yùn)行管理不當(dāng)，會對周圍的生態(tài)環(huán)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(yùn)輸填埋要耗費(fèi)大量人力、物力和財力[11]。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)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(jīng)不符合可持續(xù)發(fā)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(yīng)用可持續(xù)發(fā)展的污泥處理技術(shù)。

3.2 堆肥

從成分來看，雖然污泥成分復(fù)雜，但是含有大量有機(jī)物、N、P、K、礦物質(zhì)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(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀恢参锢玫母迟|(zhì)的過程。在微生物的作用下，污泥中的有機(jī)物被降解，堆肥反應(yīng)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(xiàn)階段，污泥堆肥技術(shù)主要有兩大類：好氧堆肥和厭氧消化，且工藝技術(shù)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(fā)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(xiàn)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(jī)物成分是污泥熱值的主要來源。當(dāng)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(jī)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(chǎn)生的熱量可被回收利用，實現(xiàn)污泥的無害化、資源化和減量化處理。

污泥焚燒的技術(shù)主要有單獨(dú)焚燒、與熱電廠聯(lián)合焚燒、垃圾焚燒爐聯(lián)合焚燒、水泥窯協(xié)同焚燒。

3.3.1 單獨(dú)焚燒

污泥單獨(dú)焚燒是利用污泥自身的熱值，在回轉(zhuǎn)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(shù)，適用于污水處理廠周圍無其他可利用焚燒設(shè)備的情況。

單獨(dú)焚燒分為兩種工藝，一種是污泥直接壓濾脫水進(jìn)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(jié)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(shè)備對污泥進(jìn)行預(yù)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(shè)備投入少，但是后續(xù)焚燒效果差；后者由于增加了污泥預(yù)處理，會加大前期的投入，但是后續(xù)污泥含水率低、焚燒效果更好[19]。

污泥在焚燒過程中，有機(jī)物被分解、致病菌被殺滅，實現(xiàn)了污泥的無害化、減量化和資源化處理。焚燒后，污泥變?yōu)榛以?、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(jìn)行重金屬回收，可避免對環(huán)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(tǒng)上要加設(shè)尾氣處理裝置，防止二惡口英對大氣造成污染。

目前，國內(nèi)應(yīng)用較多的是污泥干化再焚燒技術(shù)，已經(jīng)有成功的應(yīng)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(fā)電工程[20]。

3.3.2 混合焚燒

當(dāng)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(dú)焚燒相同，污泥混合焚燒也需要關(guān)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(fù)荷，甚至提高運(yùn)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(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，如果污泥處理不當(dāng)，不僅會影響熱電廠或者垃圾焚燒廠的正常運(yùn)行，還會導(dǎo)致后期處理成本遠(yuǎn)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(nèi)已有的工程案例有常州市污泥與熱電廠聯(lián)合焚燒處理工程、蘇州工業(yè)園區(qū)污泥干化-熱電廠聯(lián)合焚燒工程、紹興市污泥與垃圾焚燒聯(lián)合項目。

3.3.3 水泥窯協(xié)同處理

20世紀(jì)70年代中期，德國和日本率先提出了水泥窯協(xié)同處理污泥的技術(shù)。國內(nèi)最早的水泥窯協(xié)同處理污泥相關(guān)技術(shù)、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(xué)特性與水泥生產(chǎn)所用的原料基本相似，且污泥中重金屬含量低于標(biāo)準(zhǔn)限值。因此，利用水泥窯協(xié)同處理污泥，不僅能實現(xiàn)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(jìn)行二次處理。

水泥窯協(xié)同處理工藝按水泥生產(chǎn)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(tǒng)的某個環(huán)節(jié)加入，高溫焚燒污泥；把污泥煅燒活化成堿激發(fā)水泥。在水泥窯協(xié)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(jī)等不同環(huán)節(jié)加入。

與污泥單獨(dú)焚燒、混合焚燒技術(shù)相比，水泥窯協(xié)同處理污泥顯示出更加突出的優(yōu)勢[24]。（1）有機(jī)物分解徹底。水泥窯的煅燒溫度一般高達(dá)1 400 ℃，遠(yuǎn)高于普通焚燒爐的溫度，污泥中的有機(jī)物在水泥窯中被徹底分解，致病菌被徹底殺滅；（2）不產(chǎn)生飛灰。水泥煅燒過程中產(chǎn)生的廢氣粉塵被收集后作為水泥原料投放到窯內(nèi)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(chǎn)生二惡口英，而水泥窯的溫度高達(dá)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(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)后被固定在水泥結(jié)構(gòu)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(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)，且不會隨時間的延長而增加浸出量，因此不會對環(huán)境產(chǎn)生影響。

國外先進(jìn)的水泥窯協(xié)同處理技術(shù)開始將關(guān)注點轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移富集到污泥中，經(jīng)過水泥窯協(xié)同處理后進(jìn)入水泥中[26]。研究表明，污泥中的磷元素進(jìn)入水泥后，對水泥的物理化學(xué)性質(zhì)沒有不利影響，甚至?xí)谝欢ǔ潭壬涎娱L凝固時間，進(jìn)而加大水泥強(qiáng)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(jìn)入水體，造成水體磷元素含量超標(biāo)。因此，污泥中磷元素的回收成為水泥窯協(xié)同處理技術(shù)的新研究方向。

雖然水泥窯協(xié)同處理污泥有不足之處，但是利大于弊。隨著技術(shù)的推廣，水泥窯協(xié)同處置污泥的應(yīng)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(jié)語

污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的二次產(chǎn)物，成分復(fù)雜，有毒有害物質(zhì)濃度高，單一的處理處置技術(shù)很難滿足污泥的處理要求，因此，要考慮多種技術(shù)聯(lián)合使用，結(jié)合地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展情況，選擇合適的污泥預(yù)處理、深度處置方式。