摘 要：本文分析了污水處理廠污泥的主要處理處置工藝，并認為焚燒及協同焚燒為污泥最穩定、安全、減量的最終處置方式。筆者結合污泥的組成成分特點，開發了污泥有機無機分離及精準資源化技術，并將該項技術和污水處理廠進行完美的整合，實現了污泥的就地消納穩定化處理，同時將污泥中的各組分根據其特點完成了資源化。經過分離后的有機污泥主要作為生物質燃料進行焚燒或者協同焚燒，降低了碳排放；無機泥砂則作為建筑原料；無機鋁鐵則作為除磷劑藥劑回收至污水廠前端，降低了污水處理的藥劑成本；無機磷鹽作為磷肥的主要原料回收利用，解決了磷資源短缺的問題。
關鍵詞：污泥成分分離；污泥焚燒；資源化；碳減排
1.污泥的產生及處理處置現狀
1.1污泥的處理處置現狀
隨著我國城鎮化進程的加快，城市污水產量激增，污水處理行業得到了迅速發展，進而污水廠產生的污泥量也相應增加。據統計，截止2020年底，全國城市污水處理廠共計2618座，污泥產量接近6000萬噸（含水率80%計），其中能得到穩定化處置的占比不超過75%。“十三五”期間，我國新增污水處理及相關投資額近6000億元，其中，新增或改造污泥無害化處理處置設施投資不足300億元，占比僅為5%，遠低于發達國家的8%。
目前市政污泥最常見的處理技術包括衛生填埋、厭氧消化、焚燒以及堆肥等。污泥的衛生填埋是指將污泥干化至含水率小于60%，然后運至垃圾填埋場進行處理。這種處置方式具有投資低、處置成本低的特點。但是這種處置方式存在著諸多的安全隱患與環境問題，會導致二次污染的發生。污泥的堆肥是指通過利用微生物好氧發酵的方式降低污泥的含水率，穩定其中的有機質，最終轉化為肥料等進行利用。但是該種處置方式需要添加大量的生物質等輔料，導致堆肥產品質量差，并且有毒害的重金屬等物質也會對土壤和人體造成一定的危害。污泥的厭氧消化是污泥在缺氧的條件下有機質分解消化為甲烷等氣體的過程。厭氧消化可以實現污泥的減量并殺滅病原菌，但厭氧后高氨氮和COD的沼液處理較為困難，同時產生了大量的沼渣，后續出路也存在一定的問題。污泥焚燒具有處理徹底、減量化效果顯著、微生物全部被滅活等優點，很多發達國家如日本已經將污泥焚燒作為污泥最終處置的主要手段。
圖1 我國污泥處置情況
1.2現有的污泥焚燒技術
污泥焚燒可以分為單獨焚燒和協同焚燒兩種處理方式。污泥單獨焚燒是利用污泥焚燒爐，添加少量的天然氣、煤等燃料進行直接焚燒的方式。協同焚燒是將污泥按照一定的比例摻入燃煤熱電廠、垃圾焚燒廠、水泥窯等進行協同焚燒的方式。污泥的單獨焚燒按照爐型不同可以分為流化床焚燒、回轉窯焚燒、爐排焚燒。
流化床焚燒是利用流態化原理對污泥進行焚燒，污泥在爐內呈沸騰狀態。流化床的熱傳質效果好，能在短時間內使污泥完全焚燒，適合熱值較低的污泥�；剞D窯焚燒是國內應用較多的污泥焚燒技術。窯體以一定的旋轉速度旋轉，一端加料，另一端排出灰渣和煙氣。爐排式焚燒爐形式多樣化，市場占有率較大，技術成熟穩定。但是爐排式焚燒爐焚燒的過程中，污泥點火后的通透性較差，前端的著火效果不好，需補充煤粉、生物質等燃料才可以繼續進行。
污泥協同焚燒是將一定比例的污泥摻入焚燒爐中，主要有垃圾發電廠、燃煤熱電廠和水泥窯等協同處置方式。協同焚燒根據污泥含水率的不同，摻入的比例不同。相對于80%含水率的污泥，摻燒比例較低，而經過干化后至含水率40%以下，摻燒比例較高。由于污泥的熱值偏低，污泥的協同焚燒對焚燒爐以及煙氣處理均會產生一定的影響。
但是污泥焚燒技術也存在一定的問題。首先由于污泥含水率高，需要大量的熱能進行干化后才可以進行焚燒，能耗較高。二是由于我國污泥的泥質特點，有機質含量較低，因此污泥的熱值普遍偏低，無法實現污泥的自持焚燒，焚燒過程需要添加大量煤、天然氣等燃料，因此處理成本升高。
2.污泥有機無機分離及資源化技術
2.1.污泥有機無機分離技術
由于我國城市管網建設時雨污分流不徹底，污水廠除砂設備效率較低，導致進水COD偏低，進而產生的污泥含砂量增加，有機物含量普遍偏低（低于50%），從而嚴重制約了污泥的資源化途徑。
結合上述原因及污泥處理的現有技術方法，我公司提出了污泥的有機無機分離及其資源化技術。分離技術主要是通過滅菌及菌膠團的破解、水洗的工藝對污泥原泥中的鋁、鐵、磷鹽等溶解性無機鹽溶解出來，同時滅菌過程對污泥改性處理，破壞了污泥胞外聚合物（EPS）的粘性，使得緊密結合的有機物和泥砂等大顆粒物質分開，再通過有機物和無機物的比重差（大約在3-4倍），利用重力分選原理實現有機物和泥砂的分離，從而得到了有機物含量更高的有機污泥，以及由無機金屬鹽和泥砂組成的無機污泥。分離后的有機污泥有機物含量可提升原泥的50%以上，后續可以作為生物質燃料進行焚燒；而無機污泥的有機物含量低于5%，又由于含有大量的無機鹽，后續則可以繼續進行無機鹽的提取及資源化利用。
圖2 污泥有機無機分離技術
利用污泥有機無機分離技術產出的有機污泥燃料可在干化階段完全依靠自身熱能實現熱平衡，并使最終的焚燒爐渣酌減率小于5%。圖3為應用本技術分離出的有機污泥燃料檢測報告。
圖3 有機污泥燃料檢測報告
利用有機無機分離技術，后續磷回收率可達70%，回收磷資源產品的有效磷（以P2O5計）含量接近30%，打破了國內污泥處理磷難以回收的現狀。圖4為應用有機無機分離技術回收的磷資源產品檢測報告。
圖4 磷資源產品檢測報告
2.2污水廠污泥有機無機分離處理工藝
基于上述污泥有機無機分離技術參數的探究，我公司分別進行了武清污泥焚燒項目、宜昌污泥堆肥項目的應用實踐，得到了相對成功的工程化應用實踐經驗。以上分離工藝的污泥樣品是基于污水處理廠經過“調理+機械處理”的污泥（含水率80%），該工藝需要單獨選址建立污泥處理廠，并利用運輸設備進行輸送，期間會產生一定的運輸費用，增加了處理成本。因此通過實踐探究，對原有污泥有機無機分離工藝路線進行了升級，提出了具有更強應用價值的污泥就地消納處理新工藝：污水廠的泥水協同處理工藝路線。新工藝路線主要是針對污水處理廠產生的濃縮污泥，就地進行污泥有機無機分離，分離后的有機污泥有機物含量提升，熱值提升，可作為生物質燃料，生物質燃料燃燒不作為碳排放，而本工藝中經過處理的污泥可以作為生物質燃料進行焚燒或協同焚燒，因而可以降低碳排放，符合現有“雙碳”政策和理念。分離的無機泥砂作為建筑原料，鋁鐵鹽則回收作為除磷藥劑回至污水處理廠的前端，降低了污水廠的藥劑成本，同時降低了原有除磷藥劑生產環節的碳排放。新工藝能夠為中國現階段低品質、難脫水、高昂處理費的污泥提供解決出路，降低了投資成本、處理成本、運行費用，因此具有重要的科學意義和廣闊的市場前景。
圖5 污水廠污泥有機無機分離工藝路線
3.工程實踐的應用
3.1工藝流程
將污泥有機無機分離工藝和污水廠進行整合，實現了污泥的就地消納處理，同時實現了分離后的多種樣品資源化。基于此，我司建設了武漢市黃陂區污泥處置廠工程項目，工程地址位于黃陂區西河二通道（西堤閘）旁。該項目與污水廠貼建，采用的主要處理工藝路線為“污泥有機無機分離+脫水+焚燒”，設計污泥日處理能力100噸（含水率80%）。目前該項目已經進入設備的采購階段，預計2022年8月完工，年底前完成投產試運行。
本項目的處理工藝為：首先將濃縮池污泥進行滅菌處理，使污泥中的細菌和微生物失去活性，防止后續處理過程中產生惡臭氣體污染環境，滅菌的同時污泥的胞外聚合物（EPS）發生水解反應，失去絮凝作用；滅菌后的污泥進入有機無機分離單元，將污泥分離為有機污泥和無機污泥（無機鹽和無機泥砂）；有機污泥進入高壓脫水裝置，含水率降低至65%以下，然后進入干化單元，最終成為生物質燃料進行焚燒處理，焚燒過程產生的余熱通過余熱回收鍋爐回收至干化單元；無機污泥中的無機泥砂經過脫水后作為建筑原料；無機鋁鐵磷鹽經過一系列的反應分別回收，磷鹽作為有機磷肥的原料，鋁鐵則直接回到污水廠前端作為除磷藥劑。
圖6 武漢市黃陂區污泥處置項目
3.2工藝亮點
本工藝將率先在國內實現污泥有機無機分離及全面精準資源化利用，污泥中的有機成分實現利用自身熱能完全焚燒，在焚燒工藝過程中不摻加任何的外加燃料，實現焚燒全系統熱能平衡。生物質燃料燃燒不作為碳排放，而本工藝中經過處理的污泥可以作為生物質燃料進行焚燒，因而可以降低碳排放，符合現有“雙碳”政策和理念。分離后的泥砂作為建筑原料利用；分離后的鋁鐵鹽回收作為除磷藥劑回到污水處理廠前端，降低了污水廠的藥劑成本；分離回收的磷作為磷肥原料，打破了國內磷無法回收的困境。
