污泥预处理及深度处置技术的研究进展

马贺蒙，李红欣

（河北石油职业技术大学，河北 承德 067000）

污泥由污水中原有的固体物质以及污水处理过程中产生的微生物等固体物质组成，是污水处理厂的日常运行副产物。随着我国城市人口不断增加、工业生产规模日益扩大，城市污水、工业污水的排放量逐年增加，随之而来的是污泥产量逐年增加。截至2019年年底，全国共有5 476座污水处理厂，年污水处理量累计650亿m³，年污泥产生量高达3 923万t（含水率为80%）[1]。

国家发改委、住房和城乡建设部联合印发的《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》明确要求提升城市和县城污泥无害化、资源化利用水平，城市污泥无害化处置率应在90%以上。

污水处理厂“重水轻泥”的习惯和污泥处理现状不能满足当前有关污泥处理处置的要求。依照“十四五”规划的要求，污泥处理要尽可能地无害化，并利用污泥中的能源资源，同时提高污泥处置率。目前，国内对污泥的处理方式以填埋为主，部分用于堆肥、自然干化、焚烧、制作建材等[2]，比例分别为65%、15%、6%、3%、11%。

本研究从污泥的组成出发，遵循无害化、资源化、减量化的原则，对污泥处理相关技术进行简要分析。

1 污泥的组成

污泥是多种微生物组成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物的集合体，富含有机物、氮、磷等营养物质。污泥的物理性质、化学性质指标主要包括污泥含水率、pH以及灰分、挥发分、有机质、氮、磷、重金属的含量等。

从资源的角度来看，污泥是一种可利用资源。但是，污泥中含有难降解的有机物、重金属、病原菌等，如果处理不当，会造成二次污染。

2 污泥预处理技术

污泥预处理的主要目的是通过破坏菌胶团结构和胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）结构，提高污泥的沉降性能，改善污泥的脱水性能，降低污泥的含水率。常用的污泥预处理技术可以分为化学法、物理法和生物法3类。

2.1 化学预处理

化学预处理是指向污泥中投加药剂，破坏菌胶团及EPS结构，改变污泥絮体结构。

2.1.1 酸处理

酸处理是通过投加酸性药剂，使污泥中形成酸性环境。在酸性环境下，污泥的EPS结构被水解，微生物细胞破裂，被包裹在EPS及微生物内部的水分被释放出来。经过酸处理，污泥的可脱水程度提高，可在短时间内改善污泥的脱水效果。

研究发现，pH为2～3是酸处理的最佳条件。过酸会使EPS结构水解分散得过于细小，会影响污泥颗粒的沉降性能。通过投加浓硫酸、浓盐酸或者其他废酸液，均可达到酸处理的目的。单独使用酸处理仅改变污泥的可脱水程度，不会影响脱水速率，可以采用酸处理结合其他技术，共同实现污泥可脱水程度及脱水速率的提高[3]。

2.1.2 碱处理

碱处理是通过投加NaOH、KOH、Ca(OH)2、Mg(OH)2等碱性溶液，抑制污泥中微生物的活性，破坏细胞结构，释放出有机物和水分，提高污泥过滤脱水性能。

实验表明，在相同条件下，Ca(OH)2、Mg(OH)2、NaOH、KOH的处理效果依次降低，这是因为污泥颗粒带负电荷，二价金属离粒子更有利于污泥絮体结构的形成，同主族金属离子的处理效果与原子核对最外层电子的控制能力有关。

碱处理对污泥的预处理效果比酸处理好，这与污泥颗粒表面携带的负电荷有关[4]。在酸处理中，污泥颗粒与酸根离子同性相斥，而金属离子带正电荷，可中和污泥颗粒所带的负电荷，较大程度地改善污泥的沉降性能和脱水性能。

2.1.3 高级氧化法

在污泥预处理中，常用的高级氧化法有芬顿法、过氧化氢法、臭氧法、过硫酸盐法等[5]。其中，芬顿氧化法由于氧化能力强、无选择性、环保无污染等特点而广受欢迎。高级氧化法是通过氧化污泥中的有机物、破坏细胞结构，改善污泥的脱水性能，处理效果优于碱处理和酸处理[6]。

综上，化学预处理能够在短时间内提高污泥的沉降性能，改善污泥的脱水性能，但是药剂的使用不仅会提高处理成本，还会增加后续处理的难度。

2.2 物理预处理

2.2.1 超声法

超声波在污泥中传播时会产生压力和拉力，压力使污泥颗粒聚集，而拉力使污泥颗粒分离。由于负压的存在，拉力区域会出现微小气泡，即超声空穴。空穴不稳定、会破裂，在破裂的瞬间会产生局部高温、高压，同时产生强大的剪切力，瞬间破坏细胞壁，释放细胞内的物质和水分，改善污泥的脱水性能。

研究发现，低能量、长时间的超声波比高能量、短时间的超声波更有利于污泥脱水[7]。长时间、高能量的超声波对污泥颗粒的破坏力太大，污泥颗粒分散得过于细小，比表面积增大，不利于污泥的沉降和脱水。

2.2.2 热处理

污泥在加热过程中，EPS水解、细胞裂解，释放出蛋白质、多糖等有机物，同时释放出被菌胶团、EPS束缚的水分。研究发现，最佳热处理条件是温度在160 ℃左右、时间持续60 min左右。处理效果主要受温度影响，处理时间影响甚微。

热处理可以在较低温度范围内将污泥的含水率降到50%以下，明显优于化学预处理法。将化学预处理法与热处理联合使用，污泥含水率能达到25%左右，并且能耗较小。

2.2.3 冻融法

冻融法通过压缩污泥絮体结构改善污泥的脱水性能。在反复冷冻与融解过程中，污泥中的水分子冷冻形成不规则的冰针，并不断获取污泥絮体中的自由水，部分污泥颗粒被推挤包裹在冰晶内部，絮体网状结构被破坏，释放大部分间隙水。冻结速率是影响冻融性能的重要参数，研究发现，在较高温度（-5 ℃）下，低速率冻结可以提高污泥的脱水性能[8]。在污泥的冻融过程中，冷冻只释放有限数量的有机物质，而在融解阶段释放出大量化学需氧量（COD）。

2.3 生物预处理

生物预处理主要采用生物沥浸技术，利用氧化亚铁硫杆菌或氧化硫硫杆菌等嗜酸性硫杆菌对污泥进行生物氧化处理[9]。通过生物氧化和生物酸化作用，生物沥浸在很大程度上消除了污泥中的重金属、病原体以及恶臭。在生物沥浸技术中，自养型细菌替代原有异养型细菌成为优势菌群，自养型细菌分泌的EPS含量不到异养型细菌EPS的1/10，能够改善污泥的脱水性能[10]。由于自养型细菌不分解有机物，处理后的污泥依旧含有高浓度的有机物。

3 污泥处理技术

污泥经过预处理及深度脱水后，含水率大大降低，满足污泥处理对含水率的要求后，可对污泥做进一步的处置，使其无害化、减量化和资源化。

3.1 卫生填埋

卫生填埋是最早使用、应用范围最广的污泥处理手段。湿污泥经过脱水、压滤后，以泥饼的形式被外运到填埋场进行卫生填埋。污泥中的有机物、致病菌、重金属等被“封存”在填埋场内，如果填埋场的后期运行管理不当，会对周围的生态环境造成二次污染。压滤脱水后的污泥含水率依旧很高，污泥体积大，运输填埋要耗费大量人力、物力和财力[11]。

随着社会经济的不断发展，土地资源越来越紧张，填埋作为污泥处理最直接、最简单的方式，已经不符合可持续发展的要求，并且暴露出越来越多的问题，最常见的是地下水污染问题[12]。因此，要推广、应用可持续发展的污泥处理技术。

3.2 堆肥

从成分来看，虽然污泥成分复杂，但是含有大量有机物、N、P、K、矿物质元素等，这些对微生物和植物而言是具有可利用价值的能源资源。研究表明，80%以上的市政污泥所具有的肥力比一般的猪粪肥力高[13]。因此，研究利用污泥的肥力具有重要价值。

堆肥是利用微生物将污泥中可生物降解的有机物转变为可被植物利用的腐殖质的过程。在微生物的作用下，污泥中的有机物被降解，堆肥反应体因微生物旺盛的新陈代谢作用而温度升高，污泥中的致病菌和病原微生物在高温（60 ℃左右）条件下被杀灭[14]。堆肥后的污泥含水率降低，肥力提升，可用于园林绿化、荒山改造、花卉培育等。

现阶段，污泥堆肥技术主要有两大类：好氧堆肥和厌氧消化，且工艺技术成熟。无论是好氧堆肥还是厌氧消化，都没有完成污泥的最终处置，堆肥后的污泥要借助土地发挥作用[15]。常见的土地利用方式是园林绿化和土壤改良。其中，污泥作为土壤改良剂用于矿山治理是现在的热门研究方向，能同时解决污泥处置和矿山治理两个难题，并且效果显著[16]。

3.3 焚烧

污泥中的有机物成分是污泥热值的主要来源。当污泥的含水率低于30%时，热值约为11 000 kJ/kg，可满足污泥自身燃烧的条件[17]。污泥在高温条件下焚烧，可使有机物得到分解，致病菌被杀灭，重金属或者其他有害成分被钝化、固定[18]，同时，焚烧过程中产生的热量可被回收利用，实现污泥的无害化、资源化和减量化处理。

污泥焚烧的技术主要有单独焚烧、与热电厂联合焚烧、垃圾焚烧炉联合焚烧、水泥窑协同焚烧。

3.3.1 单独焚烧

污泥单独焚烧是利用污泥自身的热值，在回转窑焚烧炉、流化床焚烧炉或者炉排式焚烧炉的高温中完成污泥焚烧的技术，适用于污水处理厂周围无其他可利用焚烧设备的情况。

单独焚烧分为两种工艺，一种是污泥直接压滤脱水进行焚烧，另一种是污泥干化再焚烧。污泥压滤脱水再焚烧工艺流程简单，节省人力、物力和工程投资，但污泥含水率偏高、热值偏低，焚烧效果差。污泥干化再焚烧需要通过添加药剂、仪器设备对污泥进行预处理，可降低污泥的含水率，提高污泥的热值，提高污泥的焚烧效率。前者工艺简单、设备投入少，但是后续焚烧效果差；后者由于增加了污泥预处理，会加大前期的投入，但是后续污泥含水率低、焚烧效果更好[19]。

污泥在焚烧过程中，有机物被分解、致病菌被杀灭，实现了污泥的无害化、减量化和资源化处理。焚烧后，污泥变为灰渣、飞灰和烟气。污泥中的重金属主要集中在灰渣、飞灰中，对灰渣、灰分进行重金属回收，可避免对环境造成二次污染。同时，烟气中含有二恶口英等成分，在排烟系统上要加设尾气处理装置，防止二恶口英对大气造成污染。

目前，国内应用较多的是污泥干化再焚烧技术，已经有成功的应用案例，比如上海市石洞口城市污水处理厂污泥处理工程、成都市第一污水污泥处理厂、萧山污水处理厂污泥焚烧工程、山东胶南污泥焚烧发电工程[20]。

3.3.2 混合焚烧

当污水处理厂附近有热电厂、垃圾焚烧厂时，可考虑将污泥掺入焚烧。混合焚烧有两种方式：脱水污泥直接焚烧、利用余热或者废热将污泥干化后焚烧。显而易见，利用热电厂或者垃圾焚烧厂的余热、废热将污泥干化后再焚烧，可大大降低污泥的含水率，提高污泥的焚烧热值，降低焚烧过程中辅助燃料的使用量[21]。

与污泥单独焚烧相同，污泥混合焚烧也需要关注污泥焚烧后的灰渣、飞灰和烟气问题。对热电厂而言，污泥焚烧会增加灰渣量和尾气处理装置的负荷，甚至提高运行成本。对垃圾焚烧厂而言，污泥与垃圾混合后焚烧，其灰渣、烟气处理难度会加大[22]。

在工程实际应用中发现，如果污泥处理不当，不仅会影响热电厂或者垃圾焚烧厂的正常运行，还会导致后期处理成本远超污泥焚烧带来的价值，因此，混合焚烧需要一定的政策和资金支持。国内已有的工程案例有常州市污泥与热电厂联合焚烧处理工程、苏州工业园区污泥干化-热电厂联合焚烧工程、绍兴市污泥与垃圾焚烧联合项目。

3.3.3 水泥窑协同处理

20世纪70年代中期，德国和日本率先提出了水泥窑协同处理污泥的技术。国内最早的水泥窑协同处理污泥相关技术、专利可以追溯到2001年[23]。

多种实验研究表明，市政污泥的化学特性与水泥生产所用的原料基本相似，且污泥中重金属含量低于标准限值。因此，利用水泥窑协同处理污泥，不仅能实现污泥减量化、无害化，还能利用焚烧后的灰分作为水泥的原料，不用对灰渣进行二次处理。

水泥窑协同处理工艺按水泥生产过程可以分为3类：污泥用作水泥原料，在生料配料时加入；在水泥烧成系统的某个环节加入，高温焚烧污泥；把污泥煅烧活化成碱激发水泥。在水泥窑协同处理的污泥可以是含水率较高的湿污泥，也可以是干化后的污泥。湿污泥可以在生料配料时加入，直接用作水泥原料。干化后的污泥可以在水泥烧成过程中的分解炉到冷却机等不同环节加入。

与污泥单独焚烧、混合焚烧技术相比，水泥窑协同处理污泥显示出更加突出的优势[24]。（1）有机物分解彻底。水泥窑的煅烧温度一般高达1 400 ℃，远高于普通焚烧炉的温度，污泥中的有机物在水泥窑中被彻底分解，致病菌被彻底杀灭；（2）不产生飞灰。水泥煅烧过程中产生的废气粉尘被收集后作为水泥原料投放到窑内煅烧，无飞灰二次污染；（3）抑制二恶口英的生成，无尾气二次污染。普通焚烧炉的温度在800 ℃左右，在焚烧过程中会产生二恶口英，而水泥窑的温度高达1 400 ℃，不满足二恶口英的生成温度要求或者生成后又被分解[25]；（4）重金属固化作用。在高温条件下，污泥中的重金属与水泥原料发生物理化学反应后被固定在水泥结构中。重金属浸出毒性实验显示，被固定在水泥中的重金属浸出量远低于国家标准，且不会随时间的延长而增加浸出量，因此不会对环境产生影响。

国外先进的水泥窑协同处理技术开始将关注点转移到污泥中磷元素的回收利用上。污水中的磷元素在水处理工艺中不会被去除，磷元素被转移富集到污泥中，经过水泥窑协同处理后进入水泥中[26]。研究表明，污泥中的磷元素进入水泥后，对水泥的物理化学性质没有不利影响，甚至会在一定程度上延长凝固时间，进而加大水泥强度。水泥中的磷元素在长期的雨水冲刷过程中会被释放，重新进入水体，造成水体磷元素含量超标。因此，污泥中磷元素的回收成为水泥窑协同处理技术的新研究方向。

虽然水泥窑协同处理污泥有不足之处，但是利大于弊。随着技术的推广，水泥窑协同处置污泥的应用逐年增多[27]，典型的工程案例及工艺类型如表1所示。

表1 典型的工程案例及工艺类型

4 结语

污泥是污水处理过程中产生的二次产物，成分复杂，有毒有害物质浓度高，单一的处理处置技术很难满足污泥的处理要求，因此，要考虑多种技术联合使用，结合地区经济、社会发展情况，选择合适的污泥预处理、深度处置方式。