污泥处理：基于泥质，保障出路，逆向设计，分质处理

本篇文章2715字，读完约7分钟

为了加快污泥处理处置的发展，我国近年来颁布了一系列污泥处理处置标准和技术导则，但许多项目在设计、建设和运行中仍存在诸多问题。一方面，许多项目只考虑使用单一技术实现污泥中单个组分的回收，但缺乏系统布局，尤其是对污泥的最终出口缺乏详细规划，导致大量中间产品如消化污泥、干化污泥、焚烧灰渣等。另一方面，在常用的污泥处理处置技术路线中，污泥中的水、有机物和无机物往往相互制约。例如，污泥中有机物的含量和组成严重影响污泥的除水效率，而水和无机物的存在也影响有机物的燃烧和转化。相反，如果通过适当的工艺设计来处理污泥，则有可能提高污泥处理效率。为了解决这些问题，一方面，污泥的最终处置应纳入工程设计，并从污泥出口进行逆向设计；另一方面，要全面客观地了解我国污泥的特性，重新定位并结合污泥处理处置技术，实现污泥的优质处理。

1.污泥特性分析

1.1污泥资源贫乏的特点

污泥通常被认为具有巨大的资源利用潜力。然而，就产量和质量而言，污泥回收的潜力远远低于生活垃圾、农林废弃物和其他散装废弃物。根据国家统计局的数据，2016年，我国生活垃圾的清运量达到2亿吨，而城市污泥的产生量约为4000万吨(按含水率80%的脱水污泥计算)。扣除水分后，干固体只有800万吨。我国污泥中有机质含量普遍较低，一般为30~60%，这意味着上述干固体中存在大量缺乏资源价值的无机物。虽然这些无机物可以用来制造建筑材料，但这种方法更适合称为废物消耗，而不是资源利用。在有机物中，可生物降解的木质纤维素的含量约为14~30%，腐殖酸的含量约为10~15%，这进一步降低了污泥生物转化的效率。以污泥中有机物含量为60%为例，脱水污泥的组成可总结在图1(a)中。从污泥的干固体成分来看，其含碳量远低于生物质废弃物。根据对华南几十个污水处理厂污泥性质的调查，平均元素组成如图1(b)所示，其中碳被用作各种资源处理技术的目标，仅占45%。从污泥的有机组成来看，蛋白质是主要成分，但其含量不到50%，其次是多糖、腐殖酸、脂类等。

因此，污泥是一种含水量高、成分多的复杂废弃物，无论是将有机物和无机物作为资源对象，还是将某种成分或元素简单地作为资源对象，其在污泥中的比例都很低。因此，污泥的特点是资源贫乏。如果处理过程仅围绕某类成分设计，其效率不高，过度追求某类成分(如生物炭、蛋白质和磷)可能导致处理成本和环境负荷的大幅增加。因此，应该从废物消耗的角度综合考虑污泥处理和处置系统。

图1脱水污泥的平均组成和元素含量

1.2污泥的低热值特性

污泥能量利用是污泥资源化利用的主要方向之一，主要是利用污泥中的有机物。然而，污泥中的大量水分不应被忽视，应在整个处理过程中加以考虑。污泥干基热值与有机物含量之间关系的统计如图2所示。当污泥中有机质含量为60%时，其干基热值约为12000 kj/kg，这意味着1kg脱水污泥中有机质的热值约为1440 kj，低于水分蒸发所需的约2000 kj的热量。从这个角度来看，污泥实际上是一种具有负热值或低热值的废物，普通机械脱水+热干燥+热化学处理(焚烧/混合燃烧/热解/碳化等)。)不能实现净能量输出。事实上，上述技术路线需要额外的输入能量，这不是严格意义上的“能量利用”。

为了降低污泥脱水的成本，可以使用廉价的热能，如太阳能和废热，但这需要合适的外部条件；为了减少水蒸发的能量消耗，可以通过加强机械脱水将污泥的含水量从80%降低到60%或更低，然后可以进行热干燥。虽然能耗增加，但总能耗低于热干燥。此外，还可以采用不分离水而将有机物转化为能量的技术，例如厌氧消化。

图2污泥有机质含量与热值的关系

1.3污泥的絮体结构特征

与一般的生物质废弃物不同，剩余污泥颗粒由以微生物细胞和胞外聚合物(eps)为骨架的絮状物组成，eps由钙、镁等二价金属离子连接，而水分和细砂则被包裹在絮状物中。除少量游离水外，大量的水以附著水、毛细水和结合水的形式存在于絮体中，难以去除。污泥含砂量高也会影响污泥处理设备的长期稳定运行。虽然污泥中的砾石可以通过离心机或水力旋流器去除，但是这些方法对粒径小于200微米的细砂具有一般的分离效果，并且需要大量的能量消耗。剩余污泥的这种絮凝结构将对其脱水、干燥和生物处理产生不利影响。

为了进行科学的污泥处理处置，必须充分认识污泥资源贫乏、热值低、絮体结构的特点，防止片面夸大污泥的资源属性和过分追求单一的资源化产品，在保证污泥无害化的前提下，采用综合的污泥处理处置系统。

2.污泥处理处置工艺流程的逆向设计

污泥处理处置的全过程包括处理和处置两个阶段。处置是实现污泥的最终消耗，处置前是处理阶段。许多污泥项目往往只有一个处理阶段，即从污泥源头开始，处理单元按污泥处理流程进行布置，但由于认识水平、政策导向、管理机制和市场竞争等原因，最终处置环节被忽略或简化，使这些项目成为“半项目”。例如，厌氧消化项目仅转化污泥中的部分有机物，仅提出消化后的污泥可用于土地利用，但未说明土地利用的预处理、场地和具体程序；热干燥项目只是去除污泥中的水分，但缺乏规划或避免谈论干燥污泥的出路；焚烧项目不是最终处置手段。对于有机物含量为50%的污泥，500 t/d(脱水污泥)项目的产灰量将超过50 t/d(包括烟气处理引入的补充燃料和无机物)。一些项目仅提出焚烧灰渣可作为建筑材料，但灰渣性质、建筑材料类型、加工方法和销售渠道尚不清楚。这导致许多项目投产后运行不良，不仅达不到资源利用的预期，还导致污染物的再转移。

为了解决上述问题，应该采用逆向设计代替传统的正向设计，从污泥的最终出路出发对全流程进行布置。严格来说，污泥的处置方式只有填埋、土地利用和建材化等。污泥填埋可以消纳全部污泥，是现阶段许多城市不得不采用的处置方式。然而，从填埋场运行管理以及政策导向看，尽量减少进入填埋场的水分和有机质是污泥填埋的主要趋势。因此，在污泥填埋之前应脱除水分和去除有机质。污泥建材化主要利用其中的无机质，包括水泥窑协同处置、制砖和制陶粒等。水泥窑协同处置对污泥前处理过程要求较低，有机质可以在水泥窑中燃烧释放热量，湿污泥也可少量掺烧，但更好的方式是利用余热干燥污泥后再入窑，因此这一处置方式的前处理过程主要是脱除水分。污泥制砖、制陶粒时需要采用干污泥，有机质在烧结过程中可以提供热量和促进孔隙生成，但从提高陶粒或砖的质量以及增加污泥消纳量的角度，适宜采用污泥灰渣进行烧结或制免烧砖，因此其前处理过程包括脱除水分和去除有机质。污泥土地利用主要是利用其中的营养元素和稳定化的有机质(如腐殖质)，无机质对其影响较小，因此土地利用之前要进行水分脱除和有机质转化。