摘 要：本文分析了污水处理厂污泥的主要处理处置工艺，并认为焚烧及协同焚烧为污泥最稳定、安全、减量的最终处置方式。笔者结合污泥的组成成分特点，开发了污泥有机无机分离及精准资源化技术，并将该项技术和污水处理厂进行完美的整合，实现了污泥的就地消纳稳定化处理，同时将污泥中的各组分根据其特点完成了资源化。经过分离后的有机污泥主要作为生物质燃料进行焚烧或者协同焚烧，降低了碳排放；无机泥砂则作为建筑原料；无机铝铁则作为除磷剂药剂回收至污水厂前端，降低了污水处理的药剂成本；无机磷盐作为磷肥的主要原料回收利用，解决了磷资源短缺的问题。
关键词：污泥成分分离；污泥焚烧；资源化；碳减排
1.污泥的产生及处理处置现状
1.1污泥的处理处置现状
随着我国城镇化进程的加快，城市污水产量激增，污水处理行业得到了迅速发展，进而污水厂产生的污泥量也相应增加。据统计，截止2020年底，全国城市污水处理厂共计2618座，污泥产量接近6000万吨（含水率80%计），其中能得到稳定化处置的占比不超过75%。“十三五”期间，我国新增污水处理及相关投资额近6000亿元，其中，新增或改造污泥无害化处理处置设施投资不足300亿元，占比仅为5%，远低于发达国家的8%。
目前市政污泥最常见的处理技术包括卫生填埋、厌氧消化、焚烧以及堆肥等。污泥的卫生填埋是指将污泥干化至含水率小于60%，然后运至垃圾填埋场进行处理。这种处置方式具有投资低、处置成本低的特点。但是这种处置方式存在着诸多的安全隐患与环境问题，会导致二次污染的发生。污泥的堆肥是指通过利用微生物好氧发酵的方式降低污泥的含水率，稳定其中的有机质，最终转化为肥料等进行利用。但是该种处置方式需要添加大量的生物质等辅料，导致堆肥产品质量差，并且有毒害的重金属等物质也会对土壤和人体造成一定的危害。污泥的厌氧消化是污泥在缺氧的条件下有机质分解消化为甲烷等气体的过程。厌氧消化可以实现污泥的减量并杀灭病原菌，但厌氧后高氨氮和COD的沼液处理较为困难，同时产生了大量的沼渣，后续出路也存在一定的问题。污泥焚烧具有处理彻底、减量化效果显著、微生物全部被灭活等优点，很多发达国家如日本已经将污泥焚烧作为污泥最终处置的主要手段。
图1 我国污泥处置情况
1.2现有的污泥焚烧技术
污泥焚烧可以分为单独焚烧和协同焚烧两种处理方式。污泥单独焚烧是利用污泥焚烧炉，添加少量的天然气、煤等燃料进行直接焚烧的方式。协同焚烧是将污泥按照一定的比例掺入燃煤热电厂、垃圾焚烧厂、水泥窑等进行协同焚烧的方式。污泥的单独焚烧按照炉型不同可以分为流化床焚烧、回转窑焚烧、炉排焚烧。
流化床焚烧是利用流态化原理对污泥进行焚烧，污泥在炉内呈沸腾状态。流化床的热传质效果好，能在短时间内使污泥完全焚烧，适合热值较低的污泥。回转窑焚烧是国内应用较多的污泥焚烧技术。窑体以一定的旋转速度旋转，一端加料，另一端排出灰渣和烟气。炉排式焚烧炉形式多样化，市场占有率较大，技术成熟稳定。但是炉排式焚烧炉焚烧的过程中，污泥点火后的通透性较差，前端的着火效果不好，需补充煤粉、生物质等燃料才可以继续进行。
污泥协同焚烧是将一定比例的污泥掺入焚烧炉中，主要有垃圾发电厂、燃煤热电厂和水泥窑等协同处置方式。协同焚烧根据污泥含水率的不同，掺入的比例不同。相对于80%含水率的污泥，掺烧比例较低，而经过干化后至含水率40%以下，掺烧比例较高。由于污泥的热值偏低，污泥的协同焚烧对焚烧炉以及烟气处理均会产生一定的影响。
但是污泥焚烧技术也存在一定的问题。首先由于污泥含水率高，需要大量的热能进行干化后才可以进行焚烧，能耗较高。二是由于我国污泥的泥质特点，有机质含量较低，因此污泥的热值普遍偏低，无法实现污泥的自持焚烧，焚烧过程需要添加大量煤、天然气等燃料，因此处理成本升高。
2.污泥有机无机分离及资源化技术
2.1.污泥有机无机分离技术
由于我国城市管网建设时雨污分流不彻底，污水厂除砂设备效率较低，导致进水COD偏低，进而产生的污泥含砂量增加，有机物含量普遍偏低（低于50%），从而严重制约了污泥的资源化途径。
结合上述原因及污泥处理的现有技术方法，我公司提出了污泥的有机无机分离及其资源化技术。分离技术主要是通过灭菌及菌胶团的破解、水洗的工艺对污泥原泥中的铝、铁、磷盐等溶解性无机盐溶解出来，同时灭菌过程对污泥改性处理，破坏了污泥胞外聚合物（EPS）的粘性，使得紧密结合的有机物和泥砂等大颗粒物质分开，再通过有机物和无机物的比重差（大约在3-4倍），利用重力分选原理实现有机物和泥砂的分离，从而得到了有机物含量更高的有机污泥，以及由无机金属盐和泥砂组成的无机污泥。分离后的有机污泥有机物含量可提升原泥的50%以上，后续可以作为生物质燃料进行焚烧；而无机污泥的有机物含量低于5%，又由于含有大量的无机盐，后续则可以继续进行无机盐的提取及资源化利用。
图2 污泥有机无机分离技术
利用污泥有机无机分离技术产出的有机污泥燃料可在干化阶段完全依靠自身热能实现热平衡，并使最终的焚烧炉渣酌减率小于5%。图3为应用本技术分离出的有机污泥燃料检测报告。
图3 有机污泥燃料检测报告
利用有机无机分离技术，后续磷回收率可达70%，回收磷资源产品的有效磷（以P2O5计）含量接近30%，打破了国内污泥处理磷难以回收的现状。图4为应用有机无机分离技术回收的磷资源产品检测报告。
图4 磷资源产品检测报告
2.2污水厂污泥有机无机分离处理工艺
基于上述污泥有机无机分离技术参数的探究，我公司分别进行了武清污泥焚烧项目、宜昌污泥堆肥项目的应用实践，得到了相对成功的工程化应用实践经验。以上分离工艺的污泥样品是基于污水处理厂经过“调理+机械处理”的污泥（含水率80%），该工艺需要单独选址建立污泥处理厂，并利用运输设备进行输送，期间会产生一定的运输费用，增加了处理成本。因此通过实践探究，对原有污泥有机无机分离工艺路线进行了升级，提出了具有更强应用价值的污泥就地消纳处理新工艺：污水厂的泥水协同处理工艺路线。新工艺路线主要是针对污水处理厂产生的浓缩污泥，就地进行污泥有机无机分离，分离后的有机污泥有机物含量提升，热值提升，可作为生物质燃料，生物质燃料燃烧不作为碳排放，而本工艺中经过处理的污泥可以作为生物质燃料进行焚烧或协同焚烧，因而可以降低碳排放，符合现有“双碳”政策和理念。分离的无机泥砂作为建筑原料，铝铁盐则回收作为除磷药剂回至污水处理厂的前端，降低了污水厂的药剂成本，同时降低了原有除磷药剂生产环节的碳排放。新工艺能够为中国现阶段低品质、难脱水、高昂处理费的污泥提供解决出路，降低了投资成本、处理成本、运行费用，因此具有重要的科学意义和广阔的市场前景。
图5 污水厂污泥有机无机分离工艺路线
3.工程实践的应用
3.1工艺流程
将污泥有机无机分离工艺和污水厂进行整合，实现了污泥的就地消纳处理，同时实现了分离后的多种样品资源化。基于此，我司建设了武汉市黄陂区污泥处置厂工程项目，工程地址位于黄陂区西河二通道（西堤闸）旁。该项目与污水厂贴建，采用的主要处理工艺路线为“污泥有机无机分离+脱水+焚烧”，设计污泥日处理能力100吨（含水率80%）。目前该项目已经进入设备的采购阶段，预计2022年8月完工，年底前完成投产试运行。
本项目的处理工艺为：首先将浓缩池污泥进行灭菌处理，使污泥中的细菌和微生物失去活性，防止后续处理过程中产生恶臭气体污染环境，灭菌的同时污泥的胞外聚合物（EPS）发生水解反应，失去絮凝作用；灭菌后的污泥进入有机无机分离单元，将污泥分离为有机污泥和无机污泥（无机盐和无机泥砂）；有机污泥进入高压脱水装置，含水率降低至65%以下，然后进入干化单元，最终成为生物质燃料进行焚烧处理，焚烧过程产生的余热通过余热回收锅炉回收至干化单元；无机污泥中的无机泥砂经过脱水后作为建筑原料；无机铝铁磷盐经过一系列的反应分别回收，磷盐作为有机磷肥的原料，铝铁则直接回到污水厂前端作为除磷药剂。
图6 武汉市黄陂区污泥处置项目
3.2工艺亮点
本工艺将率先在国内实现污泥有机无机分离及全面精准资源化利用，污泥中的有机成分实现利用自身热能完全焚烧，在焚烧工艺过程中不掺加任何的外加燃料，实现焚烧全系统热能平衡。生物质燃料燃烧不作为碳排放，而本工艺中经过处理的污泥可以作为生物质燃料进行焚烧，因而可以降低碳排放，符合现有“双碳”政策和理念。分离后的泥砂作为建筑原料利用；分离后的铝铁盐回收作为除磷药剂回到污水处理厂前端，降低了污水厂的药剂成本；分离回收的磷作为磷肥原料，打破了国内磷无法回收的困境。
