廣西市政污水處理廠污泥產(chǎn)生及處理處置現(xiàn)狀研究
技術(shù)支持
隨著中國城鎮(zhèn)居民生活污染防治工作的不斷推進，污泥處理設(shè)施建設(shè)及配套污水管網(wǎng)不斷完善，城鎮(zhèn)居民生活污水處理能力逐年增長，根據(jù)《2019年城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》，中國運行污水處理廠2471座，生活污水處理量約1.44×108m3/d，干污泥產(chǎn)生量約3.0×105t/d。在污水處理能力逐步提升的同時，剩余污泥處理處置壓力也不斷增加。污泥的“減量化、資源化和無害化”成為當前研究的熱點，其中資源化是實現(xiàn)污泥化“廢”為寶，是污泥處理的主流，在多年研究發(fā)展中形成了“厭氧消化+土地利用、好氧發(fā)酵+土地利用、干化焚燒+灰渣填埋或建材利用、深度脫水+應(yīng)急填埋”等4種主流處理處置技術(shù)路線，有效支撐了中國污泥處理處置問題的解決。
由于不同地區(qū)自然條件、污泥產(chǎn)量、泥質(zhì)等方面存在較大的差異，受經(jīng)濟技術(shù)水平不足、相關(guān)污泥產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)不完整等因素影響，廣西污泥處理處置仍面臨較大困難。為全面掌握廣西污泥處理處置現(xiàn)狀，一方面開展廣西已建成縣級及以上市政污水處理廠的污泥產(chǎn)生及處理處置現(xiàn)狀調(diào)查；另一方面選取典型市政污水處理廠脫水污泥，開展為期一年的采樣分析，并結(jié)合污泥特性開展污泥資源化利用潛勢分析。
1 材料及方法
1.1 調(diào)查對象
通過資料收集及現(xiàn)場調(diào)研方式，調(diào)查廣西118個縣級及以上市政污水處理廠的污泥產(chǎn)生及處理處置現(xiàn)狀，選取4座典型市政污水處理廠脫水污泥，開展為期一年的采樣分析（每2個月采樣一次），調(diào)查污泥含水率、有機質(zhì)含量、pH值、氮磷元素含量、熱值等基本理化性質(zhì)。
1.2 分析方法
pH值采用電位法測定（HJ962-2018），含水率采用重量法測定（CJ/T221-2005），有機質(zhì)采用土壤檢測第6部分：土壤有機質(zhì)的測定（NY/T1121.6-2006）、總氮采用森林土壤氮的測定（LY/T1228-2015），總磷采用氫氧化鈉熔融后鉬銻鈧分光光度法（CJ/T221-2005）。
2 結(jié)果與討論
2.1 廣西市政污水處理廠污泥產(chǎn)生情況
2020年廣西118座縣級及以上市政污水處理廠，污水處理量約516.97萬m3/d，脫水污泥產(chǎn)生量約為1324.37t/d（含水率約80%）。南寧市、柳州市、桂林市、梧州市的脫水污泥產(chǎn)生量在100t/d以上4個城市脫水污泥產(chǎn)量合計853.4t/d，占廣西脫水污泥產(chǎn)量的67.2%；其余10個城市脫水污泥產(chǎn)量相對較小，脫水污泥產(chǎn)量共計471.01t/d，占脫水污泥產(chǎn)量的35.6%。南寧市的脫水污泥產(chǎn)量較大，15座縣級及以上污水處理設(shè)施的脫水污泥產(chǎn)量達到406t/d。
2.2 污泥處理處置情況
由于污泥堆肥化處理方式具有投資少、運行費用低、可回收污泥營養(yǎng)物質(zhì)，實現(xiàn)剩余污泥無害化、資源化等優(yōu)點，受到廣泛應(yīng)用，約有52.8%污水處理廠通過好氧堆肥+土地利用方式進行污泥處理處置；有32.2%的污水處理廠依托水泥廠、焚燒廠，通過水泥窯/燒磚/焚燒發(fā)電的方式進行污泥處理處置；其余10.1%、4.9%的污水處理廠分別通過填埋、厭氧消化方式進行污泥處理處置。根據(jù)于嶸等前期對廣西污水處理廠污泥處理現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，2015年廣西通過土地利用、焚燒及其他方式進行處理處置的污泥有72.2%，通過填埋進行處置的污泥有27.8%；2020年廣西采用填埋方式進行處理處置的污泥比例降低至10.9%，其余87.6%的污泥通過土地利用、水泥窯協(xié)同處置、焚燒等方式進行處置。
廣西市級污水處理廠的脫水污泥處理處置方式主要為堆肥后土地利用，占比為55.2%；其次為水泥窯協(xié)同處置/焚燒/制磚等多種方式，占比為44.8%。縣級污水處理廠的脫水污泥處理處置方式主要為衛(wèi)生填埋，占比43.7%；其次為堆肥后土地利用、水泥窯協(xié)同處置/焚燒/制磚等，占比分別為35.5%、19.2%。由此可見，縣級污水處理廠脫水污泥填埋比例仍然較大。
2.3 典型污水處理廠污泥理化性質(zhì)及資源化潛勢
2.3.1 污泥理化性質(zhì)
南寧市四座典型市政污水處理廠污泥的pH值基本在6.0～7.5之間，含水率范圍為62.4～83.6%，平均含水率基本在70%左右。在污泥資源化處理處置過程中焚燒、制作建筑材料等資源化利用方式對污泥含水率的要求，仍需通過預(yù)處理進一步降低污泥含水率。
典型污水處理廠污泥pH值、含水率狀況如下表所示：
污水處理廠 | pH | 含水率/% | ||
范圍 | 平均值 | 范圍 | 平均值 | |
A | 6.5～7.5 | 6.86±0.38 | 69.6～77.6 | 74.5±2.7 |
B | 6.4～7.4 | 6.89±0.39 | 62.4～74.7 | 70.5±5.9 |
C | 6.0～7.4 | 6.58±0.48 | 70.6～78.1 | 74.8±3.4 |
D | 6.3～7.5 | 7.03±0.43 | 62.5～83.6 | 74.8±6.9 |
四個污水處理廠的平均有機質(zhì)含量均在200g/kg以上，達到污泥農(nóng)用標準（CJ/T309-2009）的有機質(zhì)含量要求。與全國、廣西平均情況對比，分別為280g/kg、400g/kg，污水處理廠A由于調(diào)查期間部分月份有機質(zhì)含量存在波動，平均有機質(zhì)含量較低，未達到全國平均水平；B、C、D污水處理廠污泥有機質(zhì)含量均高于全國平均水平，具有較好的污泥資源化利用價值。
四個污水處理廠污泥總氮平均含量在18.32g/kg～38.16g/kg之間，總磷平均含量在13.63g/kg～21.80g/kg之間，污泥氮磷含量達到污泥農(nóng)用標準（CJ/T309-2009）的氮磷鉀含量要求（∑NPK＞30g/kg）。與全國、廣西平均情況對比，污水處理廠A、C的總氮平均含量較低，未達到全國平均水平；四個污水處理廠的污泥總磷含量均較低，均未達到全國平均水平。
四個污水處理廠污泥熱值范圍為5256～8561J/g、7612～10367J/g、7480～11045J/g、5296～11719J/g，與廣西平均情況對比，污水處理廠A的污泥熱值低于廣西平均水平（9135J/g），污水處理廠B、C、D的污泥熱值接近廣西均值。與標準煤熱值（29307.6J/g）對比，污泥平均熱值為標準煤熱值的17.9%～39.9%，而一般認為污泥含水率為80%時，干基熱值需要在14680J/g以上才可滿足污泥焚燒要求，因此在不采取其他預(yù)處理措施情況下，南寧典型污水處理廠污泥熱值難以滿足污泥焚燒的要求。
2.3.2 污泥資源化利用潛勢
根據(jù)前期相關(guān)研究及實際案例，單獨建設(shè)污泥焚燒裝置的焚燒效果好，但基建費用高、處理能耗大、運行成本高，如深圳某企業(yè)建設(shè)800噸/天污泥焚燒裝置，基建投資約4.8億元，在處理含水率為80%、低位熱值為8380～11523kJ/kg的污泥時，干化焚燒成本在500元/噸左右。南寧典型污水處理廠污泥熱值為5256kJ/kg～11719kJ/kg，平均含水率為74.8%，與深圳市污泥性質(zhì)相似，受地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展相對落后的制約，較難通過干化焚燒方式進行污泥處理處置。
污泥協(xié)同焚燒方式指利用污水處理廠周邊的水泥廠、垃圾焚燒廠、發(fā)電廠等窯爐進行污泥焚燒，同時污泥協(xié)同焚燒后可作為原料摻入污泥熟料或作為飛灰回收利用等，降低污水處理廠的剩余污泥監(jiān)管壓力，逐漸成為污水處理設(shè)施的主要污泥處理處置方式。但根據(jù)前期調(diào)研，廣西某焚燒廠協(xié)同處置脫水污泥費用約300元/噸，處理費低于污泥干化焚燒，但由于協(xié)同處置過程中對污泥熱值、含水率的要求較高，過大的污泥投配比可能影響燃燒效果、增加后續(xù)煙氣處理達標排放壓力、影響焚燒飛灰回收利用及水泥產(chǎn)品品質(zhì)等，目前仍然難以滿足大規(guī)模的污泥處理需求。
污泥厭氧消化是指在厭氧的條件下，通過厭氧或兼氧微生物作用，分解轉(zhuǎn)化污泥中有機物，并產(chǎn)生二氧化碳和甲烷的過程，在此過程中既可有效去除污泥中有機物，還可回收生物質(zhì)能源，是目前較普遍的污泥減量化、穩(wěn)定化和資源化技術(shù)之一，北京高碑店、天津津南、長沙黑麋峰等污泥厭氧消化工程的建設(shè)運行，取得良好示范作用。污泥有機質(zhì)含量是污泥厭氧消化過程能否產(chǎn)生經(jīng)濟效益的關(guān)鍵，由于南方地區(qū)污泥有機質(zhì)較低，部分區(qū)域污泥有機質(zhì)含量甚至不足40%，而根據(jù)相關(guān)研究，當污泥有機質(zhì)含量低于50%時，厭氧消化降解過程中易出現(xiàn)氨抑制現(xiàn)象，使厭氧消化設(shè)施運行負荷降低，影響處理效果，結(jié)合本次采樣分析結(jié)果，南寧市典型污水處理廠污泥平均有機質(zhì)含量在26%～45%，雖然可以通過將污泥與秸稈、餐廚垃圾、畜禽糞污等不同基質(zhì)協(xié)同進行厭氧消化，但由于目前廣西尚未形成完善的垃圾分類制度體系，短期內(nèi)難以大規(guī)模采用厭氧消化方式進行污泥處理處置。
好氧堆肥是指污泥在高溫條件下，通過好氧微生物降解污泥中的有機質(zhì)，同時殺死污泥中微生物、寄生蟲等有害物質(zhì)，堆肥形成的產(chǎn)品可進行土地利用，在好氧堆肥過程中，通常認為污泥混合物料較佳含水率為50%～60%，pH值為5.5～8.0，有機質(zhì)含量為20%～80%，從南寧市污泥特性來看，基本可以滿足污泥好氧堆肥要求。結(jié)合課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，南寧城市污泥重金屬的含量總體相對較低，且主要以殘渣態(tài)等為主，同時對污泥堆肥產(chǎn)品重金屬含量進行分析發(fā)現(xiàn)，堆肥產(chǎn)品中重金屬Hg、As、Ph、Cd、Cr含量分別為0.26～1.84mg/kg、4.01～24.7mg/kg、7.8～43.2mg/kg、0.31～1.78mg/kg、43～195mg/kg，均達到農(nóng)用污泥（GB 4284-2018）A級標準限值要求。
根據(jù)2021年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的《有機肥料》（NY/T 525-2021）標準，雖然污泥禁止作為農(nóng)用有機肥的原料，但園林綠化、礦山修復(fù)等方面對好氧堆肥污泥仍有較大需求，如重慶市自2005年起開展污泥的園林資源化研究，建設(shè)了市政污泥酵制園林營養(yǎng)土的生產(chǎn)線，利用高溫好氧堆肥工藝生產(chǎn)園林營養(yǎng)土，實現(xiàn)較好的環(huán)境效益與經(jīng)濟效益；美國、瑞典、加拿大、波蘭等發(fā)達 早在20世紀末就開展了穩(wěn)定化市政污泥應(yīng)用于銅礦、銅鉬礦、鉛鋅礦和煤礦等礦山廢棄地的植被恢復(fù)研究，結(jié)果表明，堆肥污泥施用可能帶來重金屬、氮、磷元素遷移富集，或?qū)λw硝酸鹽氮、有機質(zhì)等水質(zhì)指標產(chǎn)生短期不利影響，但堆肥污泥在礦山修復(fù)過程中具有同步實現(xiàn)礦山廢棄地土壤理化性質(zhì)改善、快速恢復(fù)植被和重建生態(tài)功能的優(yōu)勢，在實現(xiàn)污泥污染物有效控制基礎(chǔ)上，具有較好的應(yīng)用前景。
3 結(jié)語
廣西市級污水處理廠主要采用好氧堆肥、協(xié)同焚燒、生產(chǎn)建筑材料等方式進行污泥處理處置；縣級污水處理廠受資金、技術(shù)等多種因素制約，仍主要采用衛(wèi)生填埋方式，隨著污泥產(chǎn)量增加、衛(wèi)生填埋場地減少，急需找到適宜的污泥資源化處理處置途徑。結(jié)合南寧市市政污泥特性分析結(jié)果，由于市政污泥含水率較高、有機質(zhì)和熱值偏低的特點，單獨焚燒、水泥窯和焚燒廠協(xié)同處置、厭氧消化等方式較難廣泛應(yīng)用。因此采用污泥好氧堆肥后土地利用的方式在經(jīng)濟效益、環(huán)境收益等方面均具備一定優(yōu)勢，建議進一步加強污泥堆肥全過程中的重金屬管控，開展堆肥污泥在園林綠化、礦山修復(fù)施用過程污染轉(zhuǎn)移特性研究，探明污泥施用閾值，合理控制施用量，降低堆肥污泥生態(tài)風險，拓寬市政污泥資源化利用途徑。
