本文看點
➤ 國內(nèi)污泥處理處置形勢
➤ 污泥處理處置目標(biāo)
➤ 污泥處理處置技術(shù)現(xiàn)狀
➤ 污泥處理處置的發(fā)展方向
重水輕泥——我國污泥產(chǎn)量大、污泥處理處置形勢嚴(yán)峻
數(shù)據(jù)
➢污水廠數(shù)量 (2017)：3900座，污水處理能力：1.8億m3/d
➢目前污泥年產(chǎn)量：>4000萬噸，預(yù)計2020年產(chǎn)泥量：6000萬噸
l 污泥處理處置投資占總投資的30%、運行占總運行費用的50%以上；
➢ 污泥中含原水30-50%有機物、30-50%TN、95%TP；含重金屬、病原菌、持久性有機物；
污水提標(biāo)改造，污水消毒、四類水、再生水等快速推進，而污泥問題卻沒有得到解決；
污泥是污水處理中的“世界難題”，污泥處理處置現(xiàn)狀與我國污水處理差距甚大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后發(fā)達國家，與我國大國地位及生態(tài)文明建設(shè)不相符；
新一輪環(huán)保督查中，污泥問題依然十分突出。
1、污泥處理處置標(biāo)準(zhǔn)粗放、落地困難、差距大
污泥處理處置的各類標(biāo)準(zhǔn)
由上圖可見，污泥處理處置標(biāo)準(zhǔn)繁多，但和實際需求相比，到底污泥要處理到什么水平？哪種標(biāo)準(zhǔn)才真正符合要求？其實，標(biāo)準(zhǔn)繁多，有時會導(dǎo)致無法考核監(jiān)管。
2、處置決定處理，污泥處置出路不清晰
（1）土地利用
水十條：禁止處理處置不達標(biāo)的污泥進入耕地污泥土地利用標(biāo)準(zhǔn)（食物鏈和非食物鏈）單元技術(shù)的銜接，環(huán)境經(jīng)濟效益全生命周期評估。
缺點及弊端：污泥無處可去。
（2）焚燒/填埋/建材
處理單元技術(shù)的銜接，減量化技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)焚燒量最低，新技術(shù)開發(fā)。
缺點及弊端：公眾接受度低，成本太高。
（3）填埋
我國現(xiàn)有填埋場將滿負(fù)荷運行臨時過渡性的技術(shù)路線不符合未來發(fā)展趨勢。、
缺點及弊端：無地可埋。
針對污泥處理處置標(biāo)準(zhǔn)粗放、考核監(jiān)管不明確、出路不清晰等現(xiàn)狀及弊端，“水十條”中提出穩(wěn)定化、無害化和資源化的污泥處理處置目標(biāo)。
污水處理設(shè)施產(chǎn)生的污泥應(yīng)進行穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置。
——“水十條”
技術(shù)
1、科技創(chuàng)新的必要性
污泥中富含有機物和營養(yǎng)物質(zhì)，隨著污水資源化研究的深入，污泥資源化領(lǐng)域的研究已成為全球研究熱點。
我國城市污泥量大，質(zhì)差，在世界范圍內(nèi)十分罕見；國外既有污泥處理處置理論和技術(shù)無法切實解決當(dāng)前面臨的特殊困境，迫切需要通過科技創(chuàng)新，形成我國污泥綠色低碳安全的理論體系和系統(tǒng)性解決方案。
污泥的資源化
能源、資源短缺、全球氣候變化、糧食安全、土壤礦化，全球磷資源的短缺等現(xiàn)實問題，污泥資源化也越來越受到重視，污泥資源化能源化符合目前科技發(fā)展水平。
國外發(fā)達國家成功經(jīng)驗，回收污水運行能耗50-60%、污泥氮、磷回收，可替代一部分氮、磷肥需求，污泥有機質(zhì)土壤改良。
2、科學(xué)問題、目標(biāo)導(dǎo)向
問題：
➢ 污泥水分的去除；
➢污泥中“污染物”資源化；
➢ 污泥難降解污染物去除與穩(wěn)定；
➢ 污泥產(chǎn)物的環(huán)境行為及交互屬性。
目標(biāo)導(dǎo)向：
➢污泥水的結(jié)合賦存形態(tài)；
➢污泥水的高效去除原理及方法；
➢ “污染物”存在形態(tài)；
➢ 生物反應(yīng)過程物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化及微生物調(diào)控機制；
➢ 物理化學(xué)過程物質(zhì)轉(zhuǎn)化原理；
➢污泥復(fù)雜體系多級多相/分質(zhì)分相資源回收方法；
➢ 重金屬、微塑料、持久性有機物賦存及轉(zhuǎn)化機制；
➢ 污泥產(chǎn)物環(huán)境行為與交互屬性；
➢污泥處理處置風(fēng)險評估與碳排放基準(zhǔn)；
➢ 污泥殘渣制備功能材料原理。
3、污泥處理技術(shù)創(chuàng)新核心：穩(wěn)定化、減量化
污泥處理技術(shù)路線多樣化、穩(wěn)定化、減量化是共性工藝
4、污泥含水率高是污泥處理的瓶頸
污泥濃縮：含水率從99%下降到95%，體積將減少200公斤；
污泥脫水：含水率從95%下降到80%，體積將減少到50公斤；
污泥深度脫水：可將含水率降低到60%，體積減少到25公斤；
污泥干化：含水率降至40%以下體積降至17公斤；
污泥焚燒：分解有機物，灰渣。
核心：污泥減量與改性。
1、污泥穩(wěn)定化與減量化的技術(shù)和發(fā)展方向
污泥厭氧消化是污泥處理技術(shù)，是較經(jīng)濟的污泥減量化穩(wěn)定化資源化技術(shù)，與末端污泥焚燒是互補關(guān)系。
2、污泥厭氧消化技術(shù)研究熱點
➢ 有機質(zhì)轉(zhuǎn)化效率較低（max. 50%）、停留時間較長（18d)、沼氣產(chǎn)率0.8-1.0、甲烷含量65%；
➢ 微生物定向調(diào)控機制？微量污染物的賦存形態(tài)及遷移轉(zhuǎn)化？
➢ 沼渣（原污泥量的20-50%）的最終出路？
➢ 沼液單獨處理達標(biāo)排放成本較高？植物激素？富里酸生成機制與調(diào)控？
3、技術(shù)瓶頸與發(fā)展方向
識別污泥有機質(zhì)賦存形態(tài)及其與厭氧生物轉(zhuǎn)化的聯(lián)系；
揭示微生物間電子傳遞機制與調(diào)控種群互營代謝；
開發(fā)污泥高效厭氧消化新技術(shù)及闡明物質(zhì)流特征。
4、轉(zhuǎn)化機制與強化策略
（1）污泥有機質(zhì)厭氧生物轉(zhuǎn)化屏障-污泥結(jié)構(gòu)特征
（Dai et al. Water Res. 2017, 115: 220-228; Xu et al. Water Res. 2017, 126: 329-341; Duan et al. Water Sci. Technol. 2016, 74: 2152-2161）
微米級砂粒和有機結(jié)合態(tài)金屬改變了污泥胞外有機質(zhì)的空間構(gòu)象，限制了污泥生物轉(zhuǎn)化潛勢。
（2）污泥有機質(zhì)厭氧生物轉(zhuǎn)化-微生物種間DIET
（Shawn et al., Nature. 2015, 526: 531-535; Summers et al., Science. 2010, 330: 1413-1415; Morita et al., Mbio. 2011, 2: 1-8; Rotaru et al., Energ. Environ. Sci, 2014, 7: 408-415. ）
微生物種間電子交換新機制：DIET，引入導(dǎo)電材料強化微生物種間的DIET
5、消化副產(chǎn)物回收利用
（1）高含固污泥厭氧消化沼渣制備碳基光/電催化材料
➢ 污泥前體向高活性光/電催化劑的控制轉(zhuǎn)化，是一種高附加值資源化利用途徑；
➢ 利用沼渣制備合成高效、穩(wěn)定的多相催化劑；
➢ 高催化速率。
➢ 鐵催化位點與污泥中二氧化硅結(jié)合；
➢污泥中重金屬作為可見光活性基團；
➢ 優(yōu)越的可見光Fenton活性。
（Yuan et al. Chinese J. Catal. 2016, 37: 735-742; Yuan et al. Environmental Science: Nano 2017, 4:17-26）
（2）高含固污泥厭氧消化沼渣穩(wěn)定化機制研究
沼渣胡敏酸芳香結(jié)構(gòu)重聚顯著，高含固厭氧消化過程有機質(zhì)趨于穩(wěn)定；
沼渣胡敏酸芳構(gòu)重聚意味著芳香位點增加，通過控制植物毒性物質(zhì)分布影響發(fā)芽指數(shù)。
6、污泥/有機質(zhì)高效協(xié)同厭氧消化
協(xié)同消化優(yōu)勢的機理：平衡對于厭氧消化比較重要的物料參數(shù)，如常量微量元素、營養(yǎng)物質(zhì)、C/N、pH、可降解有機質(zhì)比例、抑制性物質(zhì)、甲烷含量的調(diào)控、傳質(zhì)影響機理等。
生物質(zhì)廢棄物協(xié)同厭氧消化技術(shù)
7、污泥及生物質(zhì)廢棄物資源化研究熱點
（1）能源和營養(yǎng)物質(zhì)回收
➢ 作為污水除磷脫氮的補充碳源：總氮和磷去除率平均提高約30%(Xiang Li et al., 2011)；
➢ 產(chǎn)甲烷：1g COD~0.35m3甲烷，即12530kJ/g COD (Daigger, 2009)；
➢ 產(chǎn)氫：最大能達到0.27 l H2/g COD (Prasertsan et al., 2008)；
➢ 制PHA：轉(zhuǎn)換效率高達36.9% mg C/mg C (Takabatake et al., 2002; Yan et al. 2006)；
➢ 微生物燃料電池（MFC）：理論上1kg COD能轉(zhuǎn)化成4 kWh電能 (Halim, 2012)；
➢ 生物柴油：美國污水廠每年可產(chǎn)生大約1.4×106 m3的生物柴油，相當(dāng)于全美柴油需求量的1% (Dufreche et al., 2007)；
➢ 熱解/水熱制生物碳土：碳減排12% (Woolf et al., 2010)；
➢ 提取蛋白：蛋白最大化回收80-90% (Chishti et al., 1992; Hwang et al., 2008)；
➢ 制氮肥：干污泥中N含量3-4% 多為有機氮(US, EPA), 若污水中的氮全部利用，可占氮肥產(chǎn)量的30% (WERF, 2011)；
➢ 制磷肥：美國：干污泥中含P2-3%，1t干污泥含的P價值7美元(Jordan, 2011)；日本：將污水中的磷（每年5萬噸）回收可解決磷礦進口的20%。
（2）金屬提取
➢ 提取Ag, Cu, Au等：美國估算，1t干污泥含價值480美元的Ag, Cu, Au, Pt等13種主要金屬(Jordan Peccia, 2011)，1噸污泥焚燒灰含Au,,Ag約2kg(Cornwall,2015)。
（3）材料化轉(zhuǎn)化
➢ 制吸附材料：污泥富含C,Si和有機物，通過物理、化學(xué)活化或熱解等可制成多孔吸附材料，KOH活化法效果較好，產(chǎn)品比表面積>1800m2/g(Smith, 2009)；
➢ 制催化材料：污泥中的金屬，SiO2和有機固體使之具備制成金屬摻雜的多孔催化材料的優(yōu)勢�，F(xiàn)已證實可通過易操作的物理化學(xué)方法以污泥制負(fù)載TiO2可見光光催化材料，負(fù)載鐵多相光Fenton催化材料等(Yuan,2014,2015)；
➢ 制儲能材料：污泥經(jīng)過熱解碳化后能得到具有N，S，Fe共摻雜的活性碳材料，該碳材料具有優(yōu)越的儲能和電化學(xué)性能(Yuan, 2015), 但離商業(yè)化還有距離。
結(jié)語
● 我國環(huán)境容量缺乏，污泥量大，污泥泥質(zhì)差，污泥問題十分嚴(yán)峻；
● 相比污水處理（提標(biāo)、四類水等），污泥處理處置的投入和重視程度嚴(yán)重滯后，污水處理任務(wù)沒有完成；
● 處置決定處理，處置途徑不暢是我國污泥處理處置的關(guān)鍵問題；
● 觀念、理念的轉(zhuǎn)變是解決污泥問題的核心；
● 污泥的泥質(zhì)、泥量隨著管網(wǎng)提質(zhì)會有所改變，永久性措施需慎重考慮；
● 面臨氣候變化，能源資源短缺等問題，“資源循環(huán)、綠色、健康”的未來技術(shù)創(chuàng)新的重點，污水污泥中“污染物”資源化回收利用是未來發(fā)展趨勢。
