0 引言
当前,关于国内市政污泥处理处置现状研究多集中于处理处置技术方面,而对国内各省污泥处理技术及项目建设情况的综述研究较少,本研究首先对国内市政污泥处理技术进行综述,并对国内各省已建项目进行统计分析,并针对各污泥处理工艺碳排放情况进行综述,以期为相关项目的规划与建设提供参考与建议。
1 污泥处理与处置技术
目前我国的污泥处理与处置主要是通过脱水、好氧发酵、厌氧消化、热解炭化等处理技术实现污泥的减量化、稳定化,通过土地利用、焚烧、卫生填埋、建材利用等处置技术实现污泥的无害化、资源化处置[4]。
1.1 污泥脱水
1.2 污泥好氧发酵
污泥好氧发酵的效果与污泥的含水率、有机质含量、C/N比、pH、孔隙度、含氧量等因素密切相关[10]。污泥通常需要使用脱水设备将其含水率降低至50% ~ 60%,通过添加膨松剂和调理剂调节C/N比为25∶1 ~ 35∶1,pH为6 ~ 9,通过翻抛、曝气等措施提供发酵所需的氧气。污泥好氧发酵按照反应器形式可分为条垛式发酵、槽式发酵、滚筒式发酵、罐式发酵、集成式发酵。
污泥在好氧发酵过程中会产生NH3、H2S和挥发性有机物等恶臭物质。高定等[11]对秦皇岛市绿港污泥处理厂发酵车间污染物监测结果表明,发酵池内部氨气、H2S、甲硫醚、二甲基二硫浓度分别达到了21.8 mg/m3、31.2 mg/m3、37.0 mg/m3、27.5 mg/m3。恶臭物质必须处理后达标排放以减轻对工作环境和大气环境的污染。
1.3 污泥厌氧消化
污泥厌氧发酵过程中除产生CH4、H2等高附加值产品外还会产生H2S,H2S燃烧后会对大气环境造成污染,沼气利用前必须进行脱硫处理,污泥厌氧过程中H2S含量一般在1 ~ 12 g/m3,利用前其含量须处理至不超过20 mg/m3[15]。
目前,我国污泥厌氧发酵技术以协同厌氧发酵和热水解+厌氧发酵技术为主。协同厌氧发酵是指污泥与餐厨垃圾、厨余垃圾、园林垃圾、畜禽粪污、农作物秸秆等按一定比例混合来改善污泥单独厌氧存在的低C/N比和低营养元素的特性进行厌氧消化的过程[16]。协同厌氧具有适应性强、高有机负荷和高产气率、占地面积小等优点,同时也存在原料预处理复杂等缺点。
污泥热水解是利用高温高压蒸汽对污水处理厂脱水污泥进行处理,能有效破碎污泥细胞结构,实现大分子有机物水解,彻底杀灭细菌,降低污泥黏度,提高后续厌氧消化速率和有机物降解效率。热水解的反应温度通常为150 ~ 260℃,压力为1.4 ~ 2.6 MPa,持续时间为30 ~ 60 min[17]。有工程案例表明,设置热水解的厌氧消化进泥含固率可从5%提高到10% ~ 12%,消化时间可从20 ~ 25 d缩短到15 ~ 20 d,每吨污泥（含水率80%）产气量可提高到60 ~ 70 m3,远高于国内同类常规消化项目的产气量40 ~ 50 m3。污泥热水解预处理设备的增加提高了工程的设备投资,但也有效提升了厌氧产气效率,降低了运行成本[18]。
1.4 污泥热解炭化
1.5 污泥焚烧
污泥焚烧是指在焚烧炉内利用高温将污泥中的可燃物质充分燃烧,最后生成水蒸气、CO2等无害物质并产生固体残渣的过程,因具有减量化和无害化程度高、处理彻底等优点而被广泛应用。同时,污泥焚烧存在投资运行成本高、资源化程度低、焚烧产生的烟气和固渣中含有大量有毒有害物质等缺点[23]。污泥焚烧技术主要包括单独焚烧、耦合垃圾协同焚烧、水泥窑协同处置等。当前,我国污泥焚烧以桨叶式干化、流化床干化与流化床焚烧炉组合工艺为主。影响污泥焚烧的主要因素有污泥含水率、停留时间、焚烧温度、过量空气系数等,通常要求污泥水分与挥发分比值<3.5,入炉污泥含水率<35%,焚烧温度>850℃,燃烧停留时间 ≥ 2 s,烟气停留时间 ≥ 3 s[24]。
污泥焚烧主要产生NOx、SO2、HCl、颗粒物、重金属、二噁英等污染物。张辉等[25]通过对市政污泥焚烧烟气特性进行调研分析,结果表明,污染物中NOx、SO2、HCl、颗粒物、重金属、二噁英浓度范围分别为50 ~ 300 mg/m3、2 000 ~ 5 000 mg/m3、50 ~ 300 mg/m3、25 000 ~ 40 000 mg/m3、3 ~ 5 mg/m3、1 ngTEQ/m3。烟气具有浓度高、危害大的特点必须经过严格处理以达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014）要求,减少对环境造成二次污染。
2 我国污泥处理处置项目分析
研究表明,我国已建污泥项目处理总规模为4 851.4万t/a,污泥无害化处置率达73.5%。以焚烧+ 灰渣填埋/建材利用、厌氧消化+土地利用、好氧发酵+土地利用、深度脱水+应急填埋、热解等技术为主,其中焚烧、厌氧消化、好氧发酵、干化+资源化、热解、深度脱水+应急填埋占比分别为65.41%、15.55%、9.61%、4.74%、2.74%、1.95%,见图1。
Fig. 1 The proportion of sludge treatment and disposal technologies in China图1 我国污泥处理处置各技术占比 |
各省市政污泥处理总规模及各技术占比如图2,全国污泥项目建设总规模达到13.30万t/d,处理能力排名前五的省份分别为浙江省、广东省、山东省、江苏省、安徽省,处置规模分别达1.56万t/d、1.51万t/d、1.25万t/d、1.23万t/d、0.89万t/d。污泥处理设施的完备程度基本与各省经济发达程度呈正相关,主要呈现出从东部沿海向西部内陆地区逐渐减弱的趋势,东部沿海地区主要以焚烧技术为主,例如浙江省、广东省、上海市、江苏省等地焚烧规模超过85%。中部城市呈现各种技术共同发展的趋势,例如河南省焚烧占比41.4%、厌氧占比27.3%、好氧占比26.3%;陕西省焚烧占比42.5%、厌氧占比23.6%、热解占比32.1%。西部地区污泥处置设施建设总体相对落后。
Fig. 2 Sludge treatment scale and proportion of each technology in each province图2 各省污泥处理规模及各技术占比 |
我国污泥各处理技术规模分布如图3所示,全国已建成污泥厌氧项目50余个,厌氧发酵在处理规模大于100 t/d的污泥项目中应用广泛。污泥厌氧发酵主要分为污泥与餐厨垃圾、畜禽粪便、园林废弃物等协同厌氧发酵和污泥进行热水解等预处理后厌氧发酵两种。全国已建成污泥好氧发酵项目60余个,好氧发酵在处理规模小于300 t/d的污泥项目中应用广泛。污泥热解技术作为新兴技术近年来也取得了较快发展,全国已建成污泥热解项目20余个,该技术通常适用于处理规模在300 t/d以下的污泥项目。全国已建成污泥焚烧项目近200个,因污泥可与燃煤电厂、水泥窑进行协同焚烧,无需单独新建焚烧厂,故污泥焚烧处理规模灵活,从十吨级到千吨级均可,但总体而言,处置规模趋向于100 t/d以上。污泥处理与处置技术的选择不仅与处置规模相关,还与各地政策、经济发展程度、污泥出路等诸多因素相关。
Fig. 3 Scale distribution of sludge treatment technologies: (a) anaerobic fermentation; (b) aerobic fermentation; (c) pyrolysis; (d) incineration图3 污泥处理技术规模分布：（a）厌氧发酵;（b）好氧发酵;（c）热解;（d）焚烧 |
Table 1 Sludge treatment and disposal project investment and operation cost comparison table表1 污泥处理处置项目投资与运行成本对比表 |
| 污泥处理处置技术 | 投资成本 / （万元/t泥） | 运行成本 / （元/t泥） | 减容率 / % | 适用场合 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 焚烧技术 | 协同焚烧 | 20 | 200 ~ 300 | ≥90[28] | 有已建垃圾焚烧发电厂、燃煤电厂、水泥窑 |
| 单独焚烧 | 30 ~ 100 | 400 ~ 600 | ≥90[28] | 污泥处理规模大、经济较为发达的大中型城市 | |
| 厌氧发酵+土地利用技术 | 50 ~ 60 | 80 ~ 120 | 30 ~ 60[12] | 有餐厨垃圾、畜禽粪便、园林垃圾处理需求 | |
| 好氧堆肥+土地利用技术 | 30 ~ 60 | 80 ~ 150 | 40 ~ 60 [29] | 有园林绿化、林地利用、盐碱地治理、矿山修复需求 | |
| 热解炭化技术 | 40 ~ 55 | 190 ~ 250 | ≥80[30] | 污泥处理规模较小 | |
| 干化+资源化 | 20 ~ 50 | 60 ~ 150 | ≥60[28] | 适用于周边有富余热能的项目 | |
综合考虑污泥处理技术适用性、投资和运行成本及产品的出路等因素,针对污泥处理规模在100 t/d以下的污泥项目,建议优先采用污泥好氧发酵技术和污泥热解技术。针对污泥处理规模在100 ~ 300 t/d的污泥项目,污泥处理技术的优先顺序为污泥与其他有机废弃物协同厌氧发酵、污泥协同焚烧、好氧处理、热解处理。针对污泥处理规模在300 t/d以上的污泥项目,建议优先采用污泥焚烧技术,其次是污泥厌氧发酵技术。
3 污泥处理工艺碳排放比较
随着碳中和、碳达峰任务目标的提出,中国政府出台相关政策要求在2035年前实现污水污泥的完全无害化、资源化利用。污水处理行业碳排放量占全社会排放量的1% ~ 2%。污泥的碳减排对实现碳达峰和碳中和目标具有积极意义。我国污泥的碳排放水平主要以联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）《国家温室气体清单指南》给出的核算准则进行测算,测算过程不仅要考虑一次能源、二次能源以及药剂的消耗,同时还要考虑处理过程中温室气体的逸散以及产品产出所产生的碳补偿。污泥的碳排放水平受污泥处理技术及污泥本身特性的影响。
戴晓虎等[26]从污泥浓缩开始到产品输出或能量回收为止,对比分析了不同污泥处理工艺碳排放水平,结果表明,污泥的碳排放水平由高到低为：深度脱水+应急填埋>干化焚烧>好氧发酵+土地利用>厌氧发酵+土地利用。李哲坤等[32]以每吨干泥为核算对象,从污泥浓缩开始到产品输出或能量回收为止,对典型污泥处置路线进行碳核算,结果表明,污泥热水解+厌氧+土地利用是碳排放最少的工艺线路,仅为0.099 t,污泥干化焚烧+建材利用、好氧堆肥+土地利用、深度脱水+填埋碳排放分别为0.43 t、0.55 t、1.72 t。王琳等[13]以处理1 t含水率为80%的脱水污泥为研究对象,对比分析了不同有机质含量污泥在不同处理工艺下的碳排放规律,结果表明,当污泥有机质含量为40% ~ 50%时,所有工艺都会产生碳排放,碳排放顺序为填埋>焚烧>热解>厌氧消化>好氧堆肥。当有机质含量为60% ~ 70%时,厌氧消化工艺可实现负碳排放,填埋>焚烧>热解>好氧堆肥>厌氧消化。ZHOU等[33]采用全生命周期评价方法,以浓缩污泥为研究对象,对我国目前的污泥处理处置技术进行评估,研究表明,协同焚烧、单一焚烧、厌氧消化和热水解-厌氧消化等路线在环境污染和碳排放控制方面是有优势的,由于其碳排放与堆肥、热解炭化、填埋等方式相比都相对较低或为负值。
综上所述,在碳达峰与碳中和目标下要大力发展绿色低碳的污泥处理技术。通过对污泥碳排放水平、处理成本、能源回收效率、资源化利用水平等因素的综合考虑,污泥厌氧消化是当前更具潜力的处理技术。但我国污泥有机质含量普遍低于60%,污泥的低C/N比、消化速率缓慢等缺点制约了厌氧技术的推广应用[34]。污泥厌氧消化技术的发展在处理原料方面要大力推广污泥与餐厨垃圾、畜禽粪便、园林垃圾等有机废弃物的协同厌氧,积极推广污泥的热水解等预处理技术以提高污泥的处置效率,在政策方面要积极将污泥处理费用纳入污水处理收费范围,积极推进污水污泥协同治理。
4 结论
通过对国内主要污泥处理处置技术综述及国内385个典型污泥处理处置项目典型指标特性分析,主要结论如下：
（1）国内污泥处理技术总体呈现多样化,技术特点各异,针对具体工程项目污泥处理处置工艺技术选择时,应综合考虑项目实际情况及各类技术特点。
（2）统计范围内,我国污泥处理处置项目以焚烧、厌氧消化、好氧堆肥为主,污泥无害化理论处置率达73.5%。
（3）当污泥处理规模小于100 t/d,建议优先采用污泥好氧发酵或污泥热解气化技术;当污泥处理规模为100 ~ 300 t/d时,建议采用污泥与其他有机废弃物协同厌氧发酵、污泥协同焚烧;当污泥处理规模大于300 t/d,建议优先采用污泥焚烧技术。
（4）污泥碳排放受污泥处理技术及污泥本身特性影响较大,通过对污泥碳排放水平、处理成本、能源回收效率、资源化利用水平等因素的综合考虑,污泥厌氧消化是当前更具潜力的处理技术。
