為了加速污泥處理處置工作的開展，近年來我國出臺了一系列污泥處理處置標準和技術(shù)指南，但很多項目的設(shè)計、建設(shè)和運營過程中仍然存在諸多問題。一方面，許多項目只考慮采用單一技術(shù)實現(xiàn)污泥中單一組分的資源化，而缺乏系統(tǒng)的布局，特別是缺乏對污泥最終出路的詳細規(guī)劃，導致大量的消化污泥、干化污泥、焚燒灰渣等中間產(chǎn)物無處可去。另一方面，在常用的污泥處理處置技術(shù)路線中，污泥中的水分、有機質(zhì)、無機質(zhì)等三類組分往往互相制約，如污泥有機質(zhì)含量及其組成嚴重影響污泥的水分脫出效率，而水分、無機質(zhì)的存在也會影響有機質(zhì)的燃燒轉(zhuǎn)化。相反的，如果通過合適的流程設(shè)計實現(xiàn)污泥的分質(zhì)處理，就可能提高污泥的處理效率。針對這些問題，一方面，在項目設(shè)計時就應該將污泥的最終處置環(huán)節(jié)納入，并從污泥出路開始進行逆向設(shè)計;另一方面，需要全面客觀認識我國污泥的特性，并對污泥處理處置技術(shù)進行重新定位和組合，實現(xiàn)污泥的分質(zhì)處理。

1.污泥性質(zhì)解析

1.1 污泥的貧資源特征

污泥常被認為擁有巨大的資源化潛力。然而，無論從產(chǎn)量還是品質(zhì)上，污泥資源化潛力遠不如生活垃圾、農(nóng)林廢棄物等大宗廢物。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2016年，我國生活垃圾清運量達2.0億噸，而市政污泥產(chǎn)生量約4000萬噸(以80%含水率的脫水污泥計)，扣除水分后，干固體僅800萬噸。我國污泥有機質(zhì)含量普遍偏低，一般為30~60%，這意味著前述干固體中還有大量缺乏資源化價值的無機質(zhì)。雖然這些無機質(zhì)可以用于制建材，但這種方式更適宜稱為廢棄物消納而非資源化利用。有機質(zhì)中，難以生物降解的木質(zhì)纖維素含量約14~30%，腐殖酸含量約10~15%，它們的存在進一步降低了污泥生物轉(zhuǎn)化能源的效率。以污泥有機質(zhì)含量60%為例，脫水污泥成分可以用圖1(a)概括。從污泥干固體元素組成看，其碳含量相遠低于生物質(zhì)廢物。根據(jù)對幾十座南方污水廠污泥性質(zhì)的調(diào)查，其平均元素組成如圖1(b)所示，其中碳元素作為多種資源化處理技術(shù)的利用對象，其比例僅45%。從污泥有機物組成看，蛋白質(zhì)是主要成分，但其含量不超過50%，其次是多糖、腐殖酸、脂類等。

因此，污泥是一種高含水率、多組分構(gòu)成的復雜廢物，無論是以有機質(zhì)、無機質(zhì)為資源化對象，還是單純以某一類組分或元素為資源化對象，其在污泥中的比例都很低。因此，污泥具有貧資源的特點，如果僅圍繞某一類組分設(shè)計處理流程，其效率不高，而對某一類組分(如生物炭、蛋白質(zhì)、磷)的過度追求可能會導致處理費用和環(huán)境負荷的大幅增加，因此應從廢棄物消納的角度綜合考慮污泥的處理處置系統(tǒng)。

圖1 脫水污泥的平均組成和元素含量

1.2 污泥的低熱值特性

污泥能源化是污泥資源化的主要方向之一，其主要利用污泥中的有機質(zhì)。然而，污泥中的大量水分不應忽略，應該納入到整個處理流程中考慮。污泥干基熱值與有機質(zhì)含量的關(guān)系統(tǒng)計如圖2所示。污泥有機質(zhì)含量60%時，其干基熱值約12000 kJ/kg，這意味著，1kg脫水污泥有機質(zhì)熱值約1440 kJ，低于水分蒸發(fā)所需的約2000 kJ熱量。從這個角度看，污泥實際上是一種負熱值或低熱值廢物，普通機械脫水+熱干化+熱化學處理(焚燒/混燒/熱解/碳化等)均不能實現(xiàn)能量的凈產(chǎn)出。上述技術(shù)路線實際上需要額外輸入能量，并非嚴格意義上的“能源化”。

要降低污泥水分脫除的費用，可以采用太陽能、廢熱等廉價熱能，但這需要合適的外部條件;而要減少水分蒸發(fā)能耗，可以通過強化機械脫水使污泥含水率從80%降至60%或更低，再進行熱干化。盡管其電耗增加，但總的能耗要小于熱干化。此外，還可以采用無需分離水分的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化能源技術(shù)，如厭氧消化等。

圖2 污泥有機質(zhì)含量與熱值的關(guān)系

1.3 污泥的絮體結(jié)構(gòu)特征

和一般的生物質(zhì)廢物不同，剩余污泥顆粒由微生物細胞、胞外聚合物(EPS)為骨架的絮體構(gòu)成，EPS之間由鈣、鎂等二價金屬離子聯(lián)結(jié)，而水分、細沙等被裹挾在絮體內(nèi)。這些水分除少量自由水外，大量水分以附著水、毛細水、結(jié)合水的形式存在于絮體內(nèi)部，難以脫除。污泥的高含砂量特性也會影響污泥處理設(shè)備的長期穩(wěn)定運行，雖然可以通過離心機或水力旋流除砂器去除污泥中的砂礫，但這些方法對粒徑小于200 μm的細砂分離效果一般，而且需要較大能耗。剩余污泥的這一絮體機構(gòu)特征會對其脫水、干化和生物處理造成不利影響。

要進行科學的污泥處理處置，就必須充分認識污泥的貧資源、低熱值和絮體結(jié)構(gòu)特性，防止片面夸大污泥的資源屬性，過度追求單一的資源化產(chǎn)品，而應在保證污泥無害化的前提下采用綜合的污泥處理處置系統(tǒng)。

2. 污泥處理處置技術(shù)流程的逆向設(shè)計

污泥處理處置的全過程包括處理和處置兩個階段，處置就是要實現(xiàn)污泥的最終消納，處置之前為處理階段。許多污泥項目往往只有處理階段，即從污泥來源開始，依照污泥的處理流程布置處理單元，而由于認識水平、政策導向、管理機制和市場競爭等原因忽略或簡化了最終處置環(huán)節(jié)，使得這些項目成為了“半截工程”。例如，厭氧消化項目僅轉(zhuǎn)化污泥中的部分有機質(zhì)，對消化污泥僅提出可以進行土地利用，但對土地利用的預處理、場地和具體規(guī)程等都未進行說明;熱干化項目僅是去除污泥中的水分，但對干化污泥的出路缺乏規(guī)劃或者避而不談;焚燒項目并非最終處置手段，對于有機質(zhì)含量50%的污泥而言，500 t/d(脫水污泥)項目的灰渣產(chǎn)量將超過50 t/d(含有補充燃料和煙氣治理引入的無機質(zhì))，一些項目僅提出焚燒灰渣可以進行建材化利用，但對灰渣性質(zhì)、建材種類、加工方法、銷售途徑語焉不詳。這導致很多項目投產(chǎn)后運營不佳，不僅未達到資源化預期，還導致了污染物的再次轉(zhuǎn)移。

為了解決上述問題，應該采用逆向設(shè)計代替?zhèn)鹘y(tǒng)的正向設(shè)計，從污泥的最終出路出發(fā)對全流程進行布置。嚴格來說，污泥的處置方式只有填埋、土地利用和建材化等。污泥填埋可以消納全部污泥，是現(xiàn)階段許多城市不得不采用的處置方式。然而，從填埋場運行管理以及政策導向看，盡量減少進入填埋場的水分和有機質(zhì)是污泥填埋的主要趨勢。因此，在污泥填埋之前應脫除水分和去除有機質(zhì)。污泥建材化主要利用其中的無機質(zhì)，包括水泥窯協(xié)同處置、制磚和制陶粒等。水泥窯協(xié)同處置對污泥前處理過程要求較低，有機質(zhì)可以在水泥窯中燃燒釋放熱量，濕污泥也可少量摻燒，但更好的方式是利用余熱干燥污泥后再入窯，因此這一處置方式的前處理過程主要是脫除水分。污泥制磚、制陶粒時需要采用干污泥，有機質(zhì)在燒結(jié)過程中可以提供熱量和促進孔隙生成，但從提高陶�；虼u的質(zhì)量以及增加污泥消納量的角度，適宜采用污泥灰渣進行燒結(jié)或制免燒磚，因此其前處理過程包括脫除水分和去除有機質(zhì)。污泥土地利用主要是利用其中的營養(yǎng)元素和穩(wěn)定化的有機質(zhì)(如腐殖質(zhì))，無機質(zhì)對其影響較小，因此土地利用之前要進行水分脫除和有機質(zhì)轉(zhuǎn)化。

根據(jù)上述逆向設(shè)計思想，可以將污泥最終處置方式與前處理技術(shù)相結(jié)合，篩選出可用的處理技術(shù)路線。水分去除的常用方式包括機械脫水和熱干化，而有機質(zhì)去除或轉(zhuǎn)化的常用方式包括厭氧消化、熱化學處理(焚燒/混燒/熱解等)、堆肥等。這樣，污泥主要處理處置流程可以歸納為圖3。其中，污泥經(jīng)高干脫水后可以填埋，但僅適宜作為過渡和應急方法。厭氧消化可以去除部分有機質(zhì)，從而增加機械脫水過程中去除的水分總量，減少后續(xù)熱干化水分蒸發(fā)的能耗，因此厭氧消化+干化焚燒/熱解的方式在國外一些污水廠獲得了應用，但這一方式的總體效果還需進一步評估。另外，雖然厭氧消化可以實現(xiàn)污泥穩(wěn)定化，但其穩(wěn)定化程度不如好氧堆肥，消化污泥一般要經(jīng)晾曬或短暫的好氧處理后才適宜土地施用。

圖3 基于最終出路的污泥主要處理處置流程

3. 污泥分質(zhì)處理方案及技術(shù)需求

從上述污泥處理處置途徑看，由于污泥含水率高，水分的去除是所有途徑的核心環(huán)節(jié)，其決定了整個工藝流程的效率、能耗和費用。在機械脫水和熱干化兩個主要的脫水環(huán)節(jié)中，機械脫水又更為關(guān)鍵。由于機械脫水能耗相對較低，機械脫水程度的增強將大幅降低熱干化過程中的水分蒸發(fā)能耗。影響污泥脫水效果的內(nèi)在因素是其水分存在形態(tài)，而水分存在形態(tài)又取決于污泥顆粒結(jié)構(gòu)與有機質(zhì)構(gòu)成。因此，如果能在污泥脫水前盡量去除有機質(zhì)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻�似無機污泥，就可以大幅改善脫水效果。然而，在圖3的常用處理流程中，除厭氧消化外，污泥水分脫除環(huán)節(jié)一直位于有機質(zhì)去除環(huán)節(jié)之前，即現(xiàn)有工藝流程為：水分去除→有機質(zhì)轉(zhuǎn)化→無機質(zhì)處置，這就導致水分脫除受到有機質(zhì)的干擾，效率很低。從分質(zhì)處理的角度出發(fā)，理想的流程為：有機質(zhì)去除→水分去除→無機質(zhì)處置或利用。

要實現(xiàn)上述分質(zhì)處理目標，就需要在水分存在的條件下盡量實現(xiàn)有機質(zhì)的去除或轉(zhuǎn)化�，F(xiàn)階段可選技術(shù)包括厭氧消化、濕式氧化、超臨界氧化和高壓液化等，但除厭氧消化外，其它幾種方式在能量回收上還存在不足，規(guī)模使用時還需要克服許多技術(shù)障礙。厭氧消化技術(shù)成熟，但其有機質(zhì)降解率僅40%左右，消化污泥機械脫水后含水率約80%，脫水污泥總量減少24%(以污泥有機質(zhì)含量60%計，下同)，尚未到達分質(zhì)處理的目標。要實現(xiàn)這一目標，需要開發(fā)新技術(shù)突破厭氧消化有機質(zhì)降解率的極限。目前正在推廣的污泥熱水解預處理或后處理可以一定程度提高有機質(zhì)降解率。污泥經(jīng)熱水解后，破解污泥在厭氧消化過程中有機質(zhì)轉(zhuǎn)化率達到60%，這意味著消化污泥有機質(zhì)含量降至37.5%，已經(jīng)趨于無機污泥。這樣，消化污泥機械脫水后含水率可以低至50~60%，相對于未經(jīng)上述處理的脫水污泥約減量70%，這可以大大降低污泥最終處置的費用。雖然污泥熱水解+厭氧消化在國內(nèi)外已有大量工程案例，但其距離真正的分質(zhì)處理還有一定距離，后續(xù)改進方向主要包括：(1)開發(fā)污泥復合破解調(diào)質(zhì)方法，進一步提高有機質(zhì)轉(zhuǎn)化率至90%以上，并降低這些輔助處理的能耗和費用;(2)避免預處理過程中生成難降解有機質(zhì)，同時促進污泥中木質(zhì)纖維素和腐殖酸類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，目前熱水解預處理技術(shù)尚不能達到這一要求;(3)在無需脫水的前提下，實現(xiàn)消化污泥中抗性有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

實際上，目前我國的污泥處理處置全工藝鏈條并不能實現(xiàn)能源自給。厭氧消化單一環(huán)節(jié)可以實現(xiàn)能量輸出，但后續(xù)脫水、干化、處置等環(huán)節(jié)會使整個鏈條變成凈耗能過程。但這也提示，厭氧消化是無需脫除水分實現(xiàn)有機質(zhì)轉(zhuǎn)化能源的重要途徑，如果可以進一步改進這一技術(shù)，使有機質(zhì)轉(zhuǎn)化率達到90%以上，厭氧消化完全可以成為污泥處理處置的核心環(huán)節(jié)，而后續(xù)脫水和無機質(zhì)利用也將更為簡單，并且有利于污泥磷、氮的回收和重金屬的固定化。

本文依據(jù)作者在2018年中國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術(shù)與應用高級研討會上的發(fā)言整理。

作者：李歡，長期從事有機固體廢棄物處理及資源化技術(shù)研究，深圳市污泥及廚余協(xié)同處置與資源化技術(shù)工程實驗室，清華大學深圳研究生院副教授。