张怀宇|污泥好氧发酵：污泥物料回归的微循环之路
中国市政工程中南设计研究总院 张怀宇
➤ 背景
➤ 有效性和安全性
➤ 污泥好氧发酵的技术经济指标
➤ 与前序污水收集、处理过程的协调
➤ 与后序处置的协调
➤ 结语与展望
1、污泥产量提升与处置的矛盾
➢ 城镇污水实际处理量逐年上升，污泥量也同步上升，预测2018年城镇污泥4400万吨；
➢ 十二五规划中污泥项目的超低完成率的影响，将在后续年份中继续发酵；
➢2018年环保督察中多省出现城镇污泥违规倾倒现象，标明仍未得到妥善处置；
➢ 污泥出路未来将是艰巨的任务。
2、污泥土地利用节能减排效果显著，但NPK总量占比有限
➢ 尽管城镇污泥量迅速增长，从宏观角度总量仍然相当有限；
➢ 如以30%城镇污泥土地利用，则相对与化肥生产过程，从2014年的节能13.40万tCE增加到2018年的节能21.05万tCE（预测）；
➢ 自2015年后，化肥产量已有大幅度下降，但2018年预测污泥蕴含的N、P、K仅相当于化肥产量的0.23%~0.30%；
➢ 可以得出结论，我国从总体上污泥土地的出路仍然是广阔的。
3、冲突与问题
➢ 两个相互冲突的结论：
日益增长的污泥量造成了很多问题和麻烦；
污泥的土地利用不仅可以实现节能减排，在总体上的出路是广阔的。
➢ 问题的导出：
污泥的土地利用是否有效和安全？
污泥的土地利用是否经济？
当前的技术体系是否适应土地利用的模式？
当前的管理体系是否适应土地利用的导向？
1、国内外污泥处理处置（农用、园林）标准对比
国外：
◆ 40CFR PART503（美国标准，2018年版）；
◆ 86-278-EEC（欧盟标准86）；
◆ Working document on sludge, 3rd draft（欧盟草案2000）。
国内：
◆ GB 4284-2018 农用污泥中污染物控制标准（2019年6月生效）；
◆ GB 4284-1984 农用污泥中污染物控制标准（现行）；
◆ GB 7959-2012 粪便无害化卫生要求;；
◆ GB 18918-2002 城镇污水处理厂污染物排放标准；
◆ GB/T 23486-2009城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质；
◆ GB/T 24600-2009城镇污水处理厂污泥处置 土地改良用泥质；
◆CJ/T 510-2017 城镇污水处理厂污泥处理 稳定标准。
2、理化成分
3、重金属
◆ 全部重金属指标处于文献报导的较低水平，Cu甚至低于文献中的下限；
◆ 除Cd高于即将实施的农用A类标准外，满足B类标准及其他全部标准，以及美国、欧盟标准。
4、卫生学指标
➢ 蛔虫卵及沙门氏菌国标无定量指标；
➢ 卫生学指标中，蛔虫卵及沙门氏菌未检出，粪大肠菌虽然部分超过国标限值，但经过好氧发酵后可降低数个数量级，稳定达标。
5、环境激素
➢ 本研究中的环境激素远低于国内文献统计的均值；
➢ 环境激素指标符合当前最严格的标准（文献中部分DEHP高于丹麦标准）。
土地利用的有效性和安全性小结
1. 产业驱动生活模式-选择旅游型城镇；
2. 污泥中的营养成分较高，预期经过好氧发酵后，能满足土地利用（园林绿化或土地改良）的要求，其利用是有效的；
3. 研究对象的重金属、卫生学指标、环境激素等有害物质含量低，有害物质低于文献中位值，除Cd不能满足即将实施的污泥农用A级标准（能满足B级）外，经过好氧发酵等稳定化措施后，可以满足国内、美、欧相关标准，其利用是安全的；
4. 旅游型小城镇相对人口流动大、可以预计，人口流动相对较小的城镇的生活污水污泥，有效性和安全性能达到旅游型城镇的水准，预期可作用农用B级、园林绿化、土壤改良（营养土）。
1、污泥好氧堆肥（发酵）工程实施及工艺设备应用情况调研
主要资料来源：污泥好氧堆肥（发酵）工程实施及工艺设备应用情况调研（中国市政工程中南设计研究总院有限公司、中国人民大学，2014-2015，国家污泥处理处置产业技术创新战略联盟委托）。
调研方式：实地调研、问卷调研、文献调研。
2、调研对象的工艺统计
3、主要技术经济指标
调查项目中设施较为完备的污泥好氧发酵工程：
➢ 单位工程投资一般为25~45万元/(t/d)，平均34.71万元/(t/d)，单位工程投资在调研范围内未表现出显著的规模效益；
➢ 直接运行费用均值138.1元/t，规模150t以内者上下差异较大，未见均值随规模的显著变化；
➢占地指标0.164hm2/(t/d)。
4、成本压力
成本主要来源于辅料、能耗、人工，其中人工一般规模大者单位泥量人工较低。
（1）辅料与返混
辅料与返混各工程相差悬殊。
辅料常用的有稻壳、秸秆、锯末（木屑）、木块、花生壳、稻草、酒渣等；返混料一般为陈化的产品，也有未经陈化直接返混的，或添加菌种且不返混的。
以进场污泥为基数，以重量比论，辅料添加量0-20%；以体积比论，辅料添加量0-100%。
以进场污泥为基数，以体积比论，返混料添加量0-100%。
（2）能耗
共计10项工程获得电耗指标的数值。其中60%项目的单位能耗集中中20.0-26.3 kWh/t的范围内; 30%的项目单位能耗高于40 kWh/t；１项计10%采用自然通风的项目单位电耗8.0kWh/t。可见上述工程的电耗指标可分为3个群落：自然通风的项目单位电耗8.0kWh/t，常规能耗项目20.0-26.3kWh/t，高能耗项目40 kWh/t以上。高能耗项目均有较大的除臭风量。
（3）成本
辅料一般是污泥好氧发酵工艺的最大成本压力项。一般在污泥处理场建设时，辅料成本相对较低；运营中当地辅料价格上涨较快，造成较大的成本压力。部分厂商寻求辅料的替代品，包括惰性辅料、100%陈料替代辅料等，但尚无成熟的连续运行经验。
终端用户建设的污泥处理场尚未见显著辅料压力，可能和这些用户较为容易获得辅料有关。用于制肥的，因污泥是添加的辅料而非主料，不需要采购木质、草质辅料；直接土地利用的用户，园林废弃物易于获得。
污泥好氧发酵的技术经济指标-小结
1. 32项工程调研，覆盖北部、中部、南部、东部、西部，规模15-1000t/d，涵盖技术包括4个大类10个小类；
2. 平均单位投资34.71万元/(t/d)，直接运行费用均值138.1元/t，占地指标0.164hm2/(t/d)；
3. 能耗指标：自然通风参考值8.0kWh/t； 常规污泥好氧发酵参考值20.0~26.3 kWh/t；高通风除臭项目参考值40+ kWh/t；
4. 污泥好氧发酵占地相对较大，投资和运行费用具有竞争力。
1、系统布局与工艺比选
（1）工业废水和生活污水的总体布局
➣ 传统的工业废水和生活污水混合以利于处理转向；
➣ 含有害物质的工业废水分离和生活污水分离；
➣ 工业废水强化预处理后的合并处理。
（2）污水处理厂工艺设计
➣ 有机物留给土地的环境和经济效益；
➣ 厌氧产能的经济效益。
2、处理厂污泥产率与能耗控制
（1）工艺的改变
➣ 有机物由曝气氧化去除倾向于捕获（节能）；
➣ 氮由硝化-反硝化转向剩余污泥对氮的捕获（节能）
➣ 相应的产泥量增加。
（2）技术经济比较
➣ 处理厂对污泥由微观的减量（减少处置费用）转向宏观的减量（基于土地利用的全局费用的降低）；
➣ 水处理过程中的能耗降低+处置费用降低vs脱水+运输费用的增加。
1、污泥处置出路
（1）产品检测与泥质
Ø 自检率最高5项指标的依次为含水率、有机质或挥发性有机物、pH、N/P/K、种子发芽率等。自检率分别为100%、62%、46%、31%、23%；
Ø 各污泥处理场的污泥基本都能达到土壤改良或绿化标准。
（2）处置
Ø 污泥处置主要目标依次为园林绿化利用、土壤改良、制肥；
Ø 园林绿化和土壤改良占比59%，接近六成。
2、投资来源
（1）投资方
◆ 调研项目中，投资部门分别来自市政部门、技术持有商、终端用户，比例分别为56%、32%、12%。其中的技术持有方也包括采购技术的投资商。
◆ 实际项目中市政部门投资的可能比例更高，技术持有方、终端用户投资的比例在本调研中放大。
（2）存在问题
◆ 部分项目的污泥经过好氧发酵后没有出路，以至于停产。这种情况同时存在于市政部门也存在于技术持有方（第三方）。
◆ 对最终利用的去向缺乏足够的监管和跟踪。
1、树立循环利用的观念
（1）方案比选时，污泥好氧发酵经常被视作技术水平不高的选项，从而被忽略；
（2）污泥好氧发酵-土地利用的过程中，有机质和营养物质的回归是人类活动中物料循环的重要组成。在这个过程中同时实现了节能减排，也实现了土壤肥力的持续；
（3）污水厂污泥有不经处理的土地利用的现象；
（4）城市集中下水道出现后，出现集中的粪便制肥和利用，至化肥推广后中断；
（5）传统的农作中有粪便回田的物料循环利用（分散利用），污泥好氧发酵-土地利用不等同于粪便回田的概念。污泥好氧发酵与粪便回田相同的是循环利用，不同是科学的稳定化过程，卫生状况不同。
2、树立系统分析的观念
（1）物料回收与循环
◆ 有机质：在污水处理厂内耗费能量去除、在厌氧发酵过程中高损耗地转化为高品能源（一般低于1/3），还是回归土壤增加持久肥力（高效利用）？
◆ 营养物质（氮）：去除或回收？
◆ 工业废水和生活污水是分还是合？
◆ 目标定位土地利用后，污水处理的变化？
◆ 污泥处理：厌氧或好氧？
（2）污泥减量误区矫正
◆ 狭义的“污泥减量”，不符合污泥好氧发酵的特征；
◆ 好氧发酵过程中，除水分的减少实现的减重以外，有机质以转化为主、降解为辅；最终的产物堆积容重较低。狭义的减容、减重效果“不佳”；
◆ 污泥好氧发酵的减量是全局循环中实现100%减量，焚烧-危废焚烧残渣，填埋-碳排放。相对于其他工艺：减少了污水处理过程中的能耗、替代化肥的节能减排效应、回归土壤的持久肥力。
3、展望
◆日益增长的污泥量的麻烦vs土地利用从宏观上出路广阔的冲突，表明今后随着问题的解决，市场的潜力是巨大的、可持续的。
◆污泥好氧发酵的应用，将推动污水处理系统从收集到处理的模式。
◆污泥好氧发酵的应用还将推动投资、管理模式的变革。