城市污水污泥一體化處理模式研究
摘要: 在城市污水處理行業中，城市污水污泥處理的問題已成為行業發展瓶頸。文章在對城市污水污泥處理的發展及現狀進行系統分析的基礎上，借鑒國外成熟經驗，結合我國實際情況，提出城市污水污泥一體化處理模式，在有效解決城市污水污泥處理難題的同時，充分實現城市污水污泥資源化。
關鍵詞: 城市污水污泥, 一體化處理模式, 資源化
1 引言
近年來，隨著我國城市化進程的不斷加快以及城市人口的大量增加，城市污水產生量不斷激增，污水處理事業得到迅速發展。在城市污水得到有效處理的情況下，由污水處理產生的城市污水污泥卻帶來了新的問題，城市污水污泥污染的問題變得十分突出。據環境保護部最新統計，截至2009 年3 月，我國已經投入運行的城鎮污水處理設施達到1 590 個［1］，平均每天處理污水9 204 × 104 立方米，根據一般污泥產生量為所處理的污水處理量的1% ～ 3% 來估算，每天產生城市污水污泥量約為36 × 104 立方米( 含水率97%) 。城市污水污泥產生量的與日俱增與處理能力的嚴重不足及處理手段的相對滯后形成尖銳的矛盾，大量城市污水污泥隨意外運、簡單填埋，致使許多城市出現“污泥圍城”的現象［2］，城市污水污泥處理問題已經成為我國無法回避的城市環境問題。
城市污水污泥處理的難題，已經引起我國各級政府的高度重視，城市污水污泥處理是一個高投入、高耗能的過程，如以國外大型污水處理廠的數據為例: 污泥處理費用占污水處理總處理費用的40% ～ 50%［3］。可見，合理解決城市污水污泥，降低污泥處理成本，能夠有效地創造經濟和社會效益，同時也可以促進水處理行業的發展，是城市環保建設中必須面對和解決的重要問題。
本文在分析國內外城市污水污泥處理現狀及趨勢的基礎上，以循環經濟理論和資源再生理論為基礎，以實現城市污水污泥處理“減量化、穩定化、無害化、資源化”為目標，提出城市污水污泥處理新模式———一體化處理模式，并結合大連東泰夏家河子污泥處理廠進行案例分析，探討該模式的應用價值。
2 國內外城市污水污泥處理處置現狀
2. 1 國外現狀及模式
20 世紀60 年代以來，發達國家就對城市污水污泥進行安全處理處置方面的研究，總體來說主要的城市污水污泥處理處置方法有三種: 土地利用、衛生填埋、焚燒。
2. 1. 1 土地利用
城市污水污泥的土地利用主要包括污泥農用、污泥用于森林與園藝、廢棄礦場等場地的改良等［4］。考慮到城市污水污泥中含有的大量病原菌、寄生蟲及重金屬等諸多有害物，在城市污水污泥土地利用之前，必須經過穩定化和無害化處理，達到相關的技術標準。歐盟各國根據其實際情況，制定了城市污水污泥土地利用的技術標準，如以植物吸收、土壤風蝕和滲透作用去除的最小金屬含量作為城市污水污泥中重金屬限值標準，制定城市污水污泥農用指令86 /278 /EEC［5］。表1 給出了歐盟部分國家和中國關于城市污水污泥土地利用的使用標準數據。美國聯邦政府對城市污水污泥土地利用有嚴格規定，將其分為A 和B 兩大類。A 類可作為農作物肥料、園林植物，生活垃圾填埋場覆蓋土等; B 類只能用于林業，不直接用于糧食作物［6］。
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2. 1. 2 衛生填埋
城市污水污泥的衛生填埋開展較早，是一種比較簡單的處理處置方法。在衛生填埋過程中主要存在兩大問題: 一是填坑中城市污水污泥的各種有害物質可能污染地下水環境; 二是經過科學選址的適宜填埋場所十分有限。因此，出于環境安全與土地保護的要求，發達國家對于城市污水污泥衛生填埋有很多相關的限制規定和法令，包括選址、工藝和污染物標準等［7］。歐盟要求所有成員國用于土地填埋的固體廢棄物中有機物含量必須逐年遞減，其中城市污水污泥就是該法令規定的固體廢棄物種類之一。
由于衛生填埋并不能有效解決城市污水污泥處理的難題以及其環境污染問題，因此，在歐洲，2000 年后衛生填埋在城市污水污泥處置中所占比例迅速減少，美國很多地方政府基本禁止城市污水污泥填埋。
2. 1. 3 污泥焚燒
城市污水污泥焚燒是將污泥中的有機成分在高溫條件下充分碳化生成穩定無機物的一種污泥處理方法。焚燒方式有兩種: 一是脫水污泥直接焚燒; 二是脫水污泥先干化再焚燒。由于直接焚燒方式含水率高，需消耗的能量較高，因此污泥焚燒一般都要進行干化處理。該方式最大的優點在于實現污泥減量化的效果最好，另外，最有形成的殘留物可以用作制造水泥、陶瓷等的原料，亦可實現資源化。
目前，污泥焚燒技術在西歐和日本得到較快推廣，技術水平比較先進，處理污泥比例較高。焚燒污泥可最大程度的實現減量化，但是成本較高，操作程序復雜，且可能產生廢氣污染。
2. 2 國內現狀及模式
我國城市污水污泥處置系統發展較為緩慢，這主要是受經濟條件的制約。由于城市污水污泥處置的基建費用及運行費用較高，其投資和運行費用已占全廠總投資和運行費用的20% ～ 50% ，因此許多污水處理廠把城市污水污泥處置放在二期工程，有些污水處理廠即使有污泥處置設施，也很少運轉，致使城市污水污泥處置基本仍以傳統的填埋方式為主［8］。實踐證明，將城市污水污泥與生活垃圾一起填埋會導致諸多問題，如滲濾液處理、垃圾堆體穩定性等。
我國城市污水污泥的土地利用主要方向為農業利用，包括堆肥、城市綠化、建材原料等。由于城市污水污泥本身含有大量有毒有害物質和重金屬元素，須做相應的無害化處理才能進行利用。陳同斌等對污泥的重金屬特性進行統計分析，為進一步研究堆肥技術提供了有益信息，提出了污泥堆肥處置及其產業化的幾個關鍵問題［9 ～ 10］。牛紅義、馬娜等認為土地利用是一種有效的污泥處理方式，具有良好的經濟和社會效益，該方式主要是將城市污水污泥用于農田等施肥，墾荒地、貧瘠地等受損土壤修復及改良，園林綠化建設，森林土地施用等，研究方向主要是土地利用中有害物質的控制及對土壤、植物、周邊環境的影響分析［11 ～ 12］。
國內城市污水污泥焚燒處理，基本都是引進國外設備與技術，考慮到成本和管理問題，應用范圍不大。但是，余杰等認為城市污水污泥焚燒處理能迅速實現減量化，如能充分利用余熱，成本水平未必高于其他處理方法，且隨著技術進步，能滿足更高水平的環保要求［13］。除了以上研究之外，其他研究方向包括城市污水污泥源頭減量化技術和處理過程技術，前者主要考慮城市污水污泥的減量化，后者主要是針對城市污水污泥的后續處置方式而進行有目的的特殊處理的過程技術［14 ～ 15］。
從以上分析可以看出，現有的國外城市污水污泥處理處置技術和模式已經比較成熟，但由于各種技術標準的差異，導致引進設備的處理效果很不理想，并不能完全適合我國的基本國情。國內的地區和經濟水平差異導致城市污水污泥處理處置方式有很大不同，城市污水污泥處理效果很不理想。城市污水污泥處理作為一項系統工程，應當總體考慮，因地制宜，制訂綜合的解決方案，這樣才能有效解決城市污水污泥處理難題。
3 城市污水污泥一體化處理模式構建
3. 1 理論基礎
3. 1. 1 循環經濟理論
20 世紀60 年代美國經濟學家鮑爾丁提出的“宇宙飛船理論”標志著循環經濟思想的誕生，其核心內容就是將線性的“資源—產品—廢物”生產模式轉變為循環的“資源—產品—再生資源”發展模式，從依賴自然資源開發利用的增長轉變為依賴自然資源和再生資源增長。循環經濟是以資源反復利用為核心，依托科技進步，促進經濟、環境與人類社會協調發展的運行狀態，是從總體上對經濟發展與資源、環境的協調，從國民經濟宏觀體系上提出的新概念、新觀點［16］。所謂循環，并不是簡單意義上經濟循環，而是強調資源在社會生產體系消費和使用過程中的循環利用。最能體現循環經濟理論本質的是“3R”原則，即減量化、再利用、再循環。
減量化考慮輸入端，減少生產活動中資源消耗、廢棄物產生，強調源頭控制。再利用屬于過程原則，要求提高產品可以實現重復利用，延長生命周期，提高資源利用效率。再循環考慮輸出端，要求產品完成生命周期后可以通過物理或化學方法盡可能轉變為再生資源，減少最終廢物的處置量，即資源再生和綜合利用。
3. 1. 2 資源再生理論
人類活動從遠古時代開始就開始利用資源，并創造人類的文明。在利用資源的過程中，產生了資源再利用的想法。工業革命以來，大量生產和大量消費的經濟模式給人類帶來嚴重環境問題的同時，資源的大量消耗甚至枯竭使人們越來越重視資源的再生利用。隨著科技的進步，人類生產和生活活動的廢棄物更多地作為有利用價值的資源回收利用，即資源再生，被利用的這一類經濟資源被稱為再生資源。因此，再生資源是指人類社會生產活動和生活過程中產生的，無使用價值或失去使用價值的廢棄物，經過加工重新獲得使用價值的物質的總稱［17］。
資源經過一次或多次利用后產生的廢棄物一般可以分為以下兩種方式: 一是資源利用后原有功能受損，經過一定的技術處理可以全部或部分恢復原有功能，可以再次利用，如水資源經過污染后，進入污水處理廠處理后可做中水回用; 二是資源利用后原有功能完全喪失，但仍保留一定的動能，可以從中回收能量，如城市污水污泥作為污水處理后的廢物，其本身仍包含大量有機物和微量元素，經過技術處理后，也可產生沼氣、肥料等新資源。資源和垃圾界定都是以人類的需求為基點，凡是能夠被利用并創造效益的物質可以通稱為資源。資源再生理論為人類社會緩解資源消耗，實現循環經濟和可持續發展，提供了理論支撐。
3. 2 一體化處理模式
一般的城市污水污泥處理過程分為四個階段: 第一階段為污泥濃縮，主要目的是使污泥初步減容，縮小后續處理構筑物的容積或設備容量; 第二階段為污泥消化，使城市污水污泥中的有機物分解; 第三階段為污泥脫水，使城市污水污泥進一步減容; 第四階段為污泥處置，采用某種或多種途徑將最終的污泥予以消納。以上各階段產生的清液或濾液中仍含有大量的污染物質，在經過相應處理之后，須送回到污水處理廠中加以重新處理，同時產生的沼氣等再生資源可以回用至城市污水污泥處理中［18］。由于實際條件的不同，工藝的選擇也不相同，導致城市污水污泥處理處置狀況和資源再生利用也有很大差別，見表2。
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基于以上城市污水污泥處理流程分析，可以考慮從資源化的角度將污泥濃縮、污泥消化和污泥脫水等諸多工藝集成看作一個整體的污泥處理系統，通過該處理系統的城市污水污泥可以有效地將本身的潛在資源要素轉變為可利用產品，在達到污泥處理無害化目標的同時，實現污泥的資源化再利用，從而構建城市污水污泥一體化處理模式。該模式在城市污水污泥處理過程中，遵循循環經濟理念和實現廢棄物綜合利用的目標，以先進的處理工藝和管理模式為基礎，強調各個單元工藝優化整合，實現最優的處理效果，最終達到剩余污泥穩定化、減量化、無害化和資源化的目的。從一體化處理模式出發，城市污水污泥處理的基本路徑為城市污水污泥→預處理→污泥處理→資源化產出，具體技術框架示例見圖1。
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城市污水污泥一體化處理模式將為解決污泥處理難題提供一種更有效的方式。城市污水污泥處理本身包含多種工藝流程，每個流程都有各自的工藝特點，不能片面強調單元工藝的先進性而忽視整體過程處理的效果。由于一體化處理模式是由單一處理模式發展出來，它將填埋、堆肥、焚燒的優勢進行集成，同時也避免了單一處理的缺點。采用一體化處理后，營養元素和可燃有機物都得到充分利用，故廢物輸出量很少，不會帶來二次污染。
城市污水污泥一體化模式將污泥處理過程看作一項系統工程，從城市污水處理廠污泥的產出，到污泥減量化技術流程，到最后的剩余污泥綜合處理，按照工業生態學的要求，進行一體化的工藝設計，應用一體化的管理模式，充分利用處理過程中產生的中間物和廢物，實現污泥處理與資源再生利用雙重目標。
根據以上分析，城市污水污泥一體化模式在解決污泥處理難題中有兩點優勢: 一是意識到城市污水污泥這種廢物的資源利用潛力，由于其自身包含大量有機物質和微量元素，將城市污水污泥看作可再生利用的資源。二是應用系統化集成化工藝手段，實現城市污水污泥減量化、穩定化、無害化、資源化，有效解決城市污水污泥污染問題。
4 結論
近年來，城市污水污泥問題受到了普遍重視，但由于 “重水輕泥”以及相應設施不健全，導致城市污水污泥處理處置問題沒有得到很好的解決。另外，城市污水污泥處理是水處理行業發展中一個關鍵環節，解決好污泥問題，可以促進水處理產業鏈更快發展。
從技術工藝的角度來看，城市污水污泥處理是一個復雜的系統工程，必須要結合實際情況，合理選擇城市污水污泥處理方式，同時要強調工藝流程整體的集成效果［19］，這為實現城市污水污泥一體化處理提供了有力的硬件支持。從產業發展的角度來看，城市污水污泥處理行業應向產業化方向發展，明確企業是城市污水污泥處理的責任主體和政府監管責任的定位，市場化和產業化道路可以減輕政府負擔，同時推進水處理和城市污水污泥處理行業的發展。從資源再生利用的角度出發，城市污水污泥也是一種資源，需要轉變污泥處理觀念，充分認識到城市污水污泥資源化的潛力，變末端處理為廢物再生利用，實現變廢為寶。
城市污水污泥一體化處理模式正是以無害化為首要目標，穩定化為首要手段，充分實現資源化再利用，促進廢物循環利用，降低能耗和污染風險。與其他模式相比，城市污水污泥一體化處理模式有以下優勢:
( 1) 可以有效處理城市污水污泥，徹底解決由城市污水污泥帶來的環境污染問題。
( 2) 最大限度、最高效率地回收資源，因產生沼氣等可再生資源，故可在一定程度上補償其運行費用，亦可生產腐殖土和沼液等用于市政綠化和填埋場覆土。
( 3) 自動化水平高，城市污水污泥處理車間工作環境好，可以減少二次污染，對周邊影響小。
城市污水污泥一體化處理模式從城市社會經濟發展和環境保護的角度出發，在有效解決城市污水污泥的同時，實現資源再生利用，可以取得良好的社會、經濟和環境效益。
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