導 讀
以石家莊市為例，目標導向與問題導向相結合，在污水專項規劃層面開展了城市污泥處理處置系統化方案研究。考慮污水提質增效與尾水排放標準提高影響，合理預測城市污泥量；基于綠色發展、循環低碳理念，同步考慮污水與污泥處理需求，確定污泥處理處置方式與用地布局，構建“4+n+1”多元化污泥處理處置網絡，實現了泥水共治與土地集約化利用。
0 引言
2015年4月，國家“水十條”提出，地級及以上城市污泥無害化處置率應在2020年底前達到90%以上。但截至2018年，我國城鎮污泥無害化處置率不足60%。大部分污泥僅完成脫水減量化，實現污泥穩定化處理的污水處理廠不足3%，污泥二次污染風險較大。面臨與日俱增的環保壓力，污泥處理處置不規范成為很多城市的隱患問題。
國外發達國家在實現污泥穩定化與無害化基礎上，已經開始向低碳與資源化方向發展，包括污泥土地利用、建材利用、能源利用等資源化途徑。例如，美國60%污泥通過穩定化處理后變成肥料回用于農田；日本引進污泥焚燒制磚技術，建造生態水泥廠，污泥建材利用率達到65%；德國推行沼氣綜合利用，污水處理廠自給供電和供熱量分別達到58%和98%，能耗和能量自給程度水平較高。與發達國家相比，我國污泥資源化利用在政策、技術、工程應用及產業化推廣等方面尚有較大差距。2019年政府工作報告強調，要大力推動綠色發展，探索以生態優先、綠色發展為導向的高質量發展新路子。全面實現污泥無害化處置，并進一步挖掘污泥資源化潛力，推動能源回收利用，成為我國污泥行業未來面臨的挑戰與發展方向。
2019年4月，住房和城鄉建設部、生態環境部、發展改革委聯合發布了《城鎮污水處理提質增效三年行動方案》，要求全面提升城市生活污水收集處理能力和水平。京津冀、長三角、珠三角等水污染防治重點區域近年相繼出臺了更加嚴格的水污染排放標準，河北省頒布了《子牙河流域水污染物排放標準》，進一步提高重點控制區污水處理廠尾水排放限值。石家莊市位于重點控制區內，污水提質增效的實施與排放標準的提高，對污水處理廠進出水帶來較大變化，對污泥泥質、泥量以及污泥處理處置設施建設造成較大影響。
1 石家莊市污泥處理處置現狀
1.1 現狀污泥量
石家莊市中心城區現共有6座污水處理廠，其中生活污水處理廠3座，進水含工業廢水的污水處理廠3座，總處理規模126萬m3/d，出水標準執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A標準。
根據2018年運行數據，6座污水處理廠實際處理水量106萬m3/d，外運污泥量1 203 t/d，含水率60%～80%。折合成80%的含水率，總產泥量1 311 t/d，平均產泥率12.3 t/萬m3污水（見表1）。
1.2 現狀污泥處理處置情況
污水處理廠污泥根據污水類型不同，現狀主要采用兩類方式進行處理處置。生活污水處理廠污泥，主要采用濃縮脫水、蚯蚓處理并結合土地利用的方式處理處置。橋東和橋西污水處理廠內建有厭氧消化設施但目前未運行，污泥經濃縮脫水至含水率達到80%，運往城郊苗圃地堆放，污泥經蚯蚓分解后就地利用；滹沱河污水處理廠污泥在廠內濃縮脫水后，外運堆肥及土地利用。含工業廢水污水處理廠污泥，在廠內脫水干化處理后，外運至水泥廠或熱電廠焚燒處置。
總體來看，污水處理廠均與第三方簽訂協議，將污泥外運交由個體企業處理處置。堆肥及土地利用成本較低，每噸污泥處理處置成本不超過25元；工業污泥焚燒成本較高，每噸污泥處置成本在200～400元（見表2）。
2 石家莊市污泥處理處置問題
2.1 污泥處理處置方式存在風險
2.1.1 蚯蚓處理不穩定存在土壤污染風險
當前橋西、橋東污水處理廠污泥蚯蚓堆肥處理方式較為粗放，未實現污泥穩定化處理。一是處理場所位于中心城區外圍，污泥露天存放、處理，缺少必要防護措施；二是蚯蚓堆肥方式存在處理不完全、二次污染土壤的風險；此外，冬季蚯蚓活性降低，污泥需求量減少，污泥處理不穩定問題更加突出。
2.1.2 焚燒處置方式存在不確定性
污泥焚燒產生二口惡英等劇毒物質，易造成大氣污染，因此對焚燒尾氣處理要求較高。當前東部產業區3座污水處理廠污泥外運至水泥廠、建材廠等小型企業進行焚燒處置，一方面，尾氣控制效果無法保證；另一方面，此類小型企業自身存在大氣污染風險，未來可能因環保壓力取消，因此現狀污泥焚燒處置方式存在不確定性。
2.1.3 通溝污泥無序處置
目前，石家莊市老城區排水管道日常養護清掏產生的通溝污泥量約3.6萬t/年，現采用簡易的自然干化法處置，對周邊環境造成一定影響。由于缺少專門的處理場所，一定程度上影響了汛前管道疏通工作的開展，增大了城市內澇風險。
2.2 污泥處置運營模式存在風險
當前，污水處理廠污泥交由第三方企業處置（苗圃基地、水泥廠、建材廠等），市政管理部門缺乏對處理處置的全過程監管與效果考核，最終污泥無害化效果無法保障，運營模式存在較大風險。
3 石家莊市污泥處理處置規劃方案
3.1 總體思路
以石家莊市新一輪污水專項規劃編制為契機，在綠色發展戰略要求、污水提質增效、尾水排放標準提高等背景下，以綠色、循環、低碳為目標導向，以解決污泥現存風險為問題導向，開展了石家莊市污泥處理處置規劃方案研究。
統籌考慮污水處理廠、排水管網及污水系統提質增效要求，合理預測城市污泥量。
按照綠色、環保、循環、低碳的污泥處置技術路線，遵循因地制宜、多元化發展、近遠期結合等理念，結合現狀污泥出路，確定了污泥處置方式、設施規模與布局。
遵循綠色、循環、低碳、處理處置協調統一等原則，結合現狀污泥處理設施、運行成本以及用地條件等因素，確定了污泥處理方式、設施規模、布局與運行模式等。
3.2 污水提質增效背景下的污泥量預測
3.2.1 技術路線
傳統的城市污泥量預測方法，是通過規劃污水處理量乘以規劃產泥率，得到污水處理廠規劃產泥量，從而確定污泥設施建設規模。本規劃充分考慮污水處理提質增效要求，對石家莊城市污泥量預測做出改進。一方面，考慮污水提質增效、尾水排放標準提高對泥質泥量影響，合理確定規劃產泥率，并依托污水規劃部分確定的規劃污水量，更加科學地計算污水處理廠產泥量；另一方面，將排水管網定期養護產生的通溝污泥量納入市政污泥總量進行統籌規劃與管理。
3.2.2 城市污水處理廠污泥量預測
石家莊市中心城區規劃11座污水處理廠，6座為現有，5座為規劃新建，總處理能力187萬m3/d。根據《子牙河流域水污染物排放標準》（DB 13/2796-2018），至2021年，污水處理廠尾水均執行子牙河流域重點控制區排放限值（見表3）。
注：括號外為水溫>12 ℃時的控制指標，括號內為水溫≤12 ℃時的控制指標。
污水處理廠產泥率受排水體制、進出水水質、工藝及運行情況等因素影響。石家莊市排水體制以分流制為主，污水系統中外來水比例低，現狀生活污水處理廠進水BOD5濃度約120～167 mg/L，基本接近于近、遠期提質增效目標（分別為150 mg/L、200 mg/L）；同時，近期出水標準由GB 18918-2002一級A提升至子牙河流域重點控制區排放限值；綜合考慮進出水兩方面變化，以提質增效系數體現其對現狀污水處理廠泥量增加的影響。對于現狀工業污水處理廠，來水成分基本保持穩定，規劃產泥率取現狀值。對于規劃污水處理廠，結合規范推薦值及相鄰相似污水處理廠，確定其規劃產泥率。
經計算，按外運含水率60%計，規劃污泥總產量約1 320 t/d（見表4）。
3.2.3 通溝污泥量預測
石家莊市現狀污水管道淤積嚴重，根據排水管理處統計，二環內每年產生含水率70%的通溝污泥約3.6萬t。現狀主城區排水管道長度約2 325 km，規劃末期預計總長度達到6 500 km。據此推算，規劃通溝污泥量約280 t/d。
3.3 污泥處置方案
3.3.1 污泥處置路線選擇
常用污泥處置路線見表5。從政策上看，填埋場地接近滿負荷且存在較高二次污染風險，因此不鼓勵污泥填埋；土地利用是一種積極、有效且經濟的資源化處置方式，符合綠色、循環、低碳與可持續發展理念，對符合條件的污泥，鼓勵盡可能土地利用。不符合土地利用條件的污泥可焚燒，灰渣用作建材產品原料，或干化后直接作為建材利用，徹底實現污泥無害化處置。
3.3.2 污泥處置規劃方案
規劃5座生活污水處理廠，污泥經穩定化處理后，泥質滿足《城鎮污水處理廠污泥處置 園林綠化用泥質》（GB/T 23486-2009）標準，具備土地利用條件。外運污泥含水率由80%降至60%，外運污泥總量與現狀持平，可繼續與原橋東、橋西污水處理廠污泥接收企業簽訂協議，將污泥運至城郊林地，作為園林綠化的有機肥料、土壤改良材料回用。考慮污泥土地利用可能存在的環保風險、土地施用污泥總量限制以及市場的不穩定性，遠期需要提供其他出路作為兜底措施。
根據高新區、良村污水處理廠數據，含工業廢水污水處理廠污泥有機質含量、干基熱值較低，后續焚燒能耗與運行成本高。但從污泥無害化處置角度考慮，由于工業污泥成分復雜、重金屬含量高，6座含工業廢水的污水處理廠污泥推薦焚燒處置路線，集中焚燒后灰渣作建材利用，保障污泥安全處置與出路穩定。規劃于市區南部建設一座多功能生態環境園，對生活垃圾、餐廚垃圾、城市污泥等綜合管理，集中焚燒與綜合利用。其中，污泥部分預留1 500 t/d處置規模，包括6座工業污水處理廠污泥量、通溝污泥量以及遠期為土地利用污泥預留的兜底處置量，占地6 hm2。污泥與垃圾協同焚燒，剩余部分單獨焚燒，焚燒后的最終出路為建材利用。近期保留水泥廠、建材廠等協同焚燒模式。
3.4 污泥處理方案
3.4.1 污泥處理方式選擇
污泥處理一般流程為：污泥濃縮處理后，通過脫水、干化、厭氧消化、好氧發酵等技術進一步實現減量化與穩定化（見表6）。
3.4.1.1土地利用污泥的處理方式
污泥土地利用前，必須經過穩定化處理，單獨脫水、干化法無法實現污泥穩定化進而回用于土地。好氧消化法能耗與運行費用高，不符合污水處理廠由高耗能走向低耗能的發展理念，不適用于省會城市中心城區污水處理廠。
從用地角度考慮，好氧堆肥對選址及衛生防護要求高，需單獨選址；厭氧消化設施建在污水處理廠內，污水規劃中可直接預留用地。從運輸角度考慮，堆肥外運污泥體積（含水率80%）是厭氧消化+干化后污泥體積（含水率60%）的2倍，運輸成本較高。此外，厭氧消化能夠在污泥處理環節實現能源回收，在減量化、穩定化、資源化等方面具有明顯優勢，是國外最常用的污泥穩定化方法，約50%以上污泥采用厭氧消化法處理。綜合考慮，規劃選擇厭氧消化處理路線。
與傳統厭氧消化相比，熱水解-厭氧消化具有提高產氣質量、運行效率、降低后續運行成本等優點，但考慮當前各廠缺乏厭氧消化運行經驗、熱水解設備操作復雜、工藝流程長等因素，規劃近期采用單獨厭氧消化法，遠期根據運行情況可實施改造。
3.4.1.2 焚燒污泥的處理方式
良村南污水處理廠在新版污水規劃中服務范圍和處理規模減小，用地相應縮減16 hm2，規劃利用該用地建設厭氧消化中心，保留其市政用地屬性，接收本廠與南村、良村北污水處理廠污泥集中處理。污泥最終處置方式為干化焚燒，與直接焚燒相比，通過厭氧消化可大幅度降低污泥量、減少焚燒量，從全過程能量平衡和減少碳排放角度具有明顯優勢，該技術路線可行。高新區、高新區南、良村污水處理廠污泥在廠內脫水、干化含水率降至60%，外運至污泥集中處置中心焚燒。
3.4.2 厭氧消化設施布局
通常，污水處理能力大于10萬m3/d污水處理廠可采用厭氧消化法處理污泥。橋西、橋東污水處理廠規模分別為46萬m3/d、60萬m3/d，分別利用廠內現有消化設施進行污泥厭氧消化；對于規模較小的滹沱河、杜北以及西兆通污水處理廠（均位于中心城區北部），規劃擴大滹沱河污水處理廠用地規模，建設一處污泥厭氧消化處理中心，接收三座污水處理廠污泥集中處理，提高沼氣產量與回收利用效果；此外，規劃建設良村南污泥厭氧消化處理中心，接收良村南、南村、良村北污水處理廠污泥集中處理，實現土地集約化利用與污泥能源回收。
污泥可通過管道運輸和脫水運輸兩種方式運至厭氧消化中心。管道運輸是通過在污水處理廠間建設污泥管道，將含水率高于97%的污泥輸送至處理中心，該方法對管道運行管理要求較高，例如日本橫濱的一些污水處理廠；脫水運輸是污泥在本廠內先脫水至80%以下再用車輛運輸。結合石家莊市實際情況，規劃采用脫水運輸方式。
3.5 通溝污泥處理處置方案
通溝污泥是有排水管道沉積物，以水和礦化顆粒混合物為主，其有機質含量低，不可燃成分含量高，理化性質與污水處理廠污泥差異較大，處理不當會引起二次污染等環境問題。
目前，通溝污泥處置分別有污泥干化場、重力脫水和綜合處理方法，參考國內城市成熟經驗做法，規劃在石家莊市中心城區建設通溝污泥綜合處理站，采用綜合處理方法，對管道污泥進行洗滌篩分處理，分離后的細沙、砂礫等作為低端建筑材料再利用，脫砂有機污泥運至污泥集中處置中心焚燒。
通溝污泥點多量少，規劃在橋西、新華、裕華、長安、高新區、良村南片區各建設1座通溝污泥綜合處理站，共6座，其選址宜與大型生活垃圾轉運站結合考慮，便于統一管理和運輸。每座處理站規模60 t/d，占地1 500 m2，最高日處理能力達到360 t。
3.6 多元化污泥處理處置網絡
通過建設4處厭氧消化處理中心、1處污泥集中處置中心，以及分散污泥土地利用消納場地，構建了石家莊市中心城區“4+n+1”多元化污泥處理處置網絡，確保污泥出路穩定。近期，污水處理廠污泥60%經厭氧消化處理送至城郊林地土地利用，40%經消化或干化后送至污泥處置中心焚燒及建材利用；遠期，焚燒設施預留充足規模，作為全市污泥出路兜底措施（見圖1）。
圖1 石家莊市中心城區污泥處理處置網絡布局
4 結論與建議
本文以目標導向與問題導向相結合，在污水專項規劃層面，對城市污水與污泥處理進行同步、統籌規劃，開展了石家莊市污泥處理處置系統化方案的研究，構建了互補互備的污泥處置路線與多元化污泥處理處置網絡。
在規劃污泥量上，以當前黑臭水體治理、污水提質增效實施為契機，對規劃預測方法做出改進。除傳統城市污水處理廠污泥外，將排水管網通溝污泥以及城市水系定期清淤產生的污泥量也納入計算，統籌考慮城市污泥處理處置設施的布局及建設規模。
在污泥處理處置方案選擇上，一方面，遵循多元化原則，建立土地利用與焚燒并存的污泥處置路線，確保污泥出路穩定；另一方面，將污泥處理處置融入到城市綠色發展中，高度重視污泥“資源”屬性，謀求污泥無害化與資源利用最優化。污泥處置方面，安全的土地利用方式是實現污泥資源化重要途徑，未來在攻克技術瓶頸前提下，進一步打通“水、泥、土”產業鏈，真正實現污泥資源有效利用。污泥處理方面，未來我國污水處理廠要盡快補齊污泥穩定化處理設施短板，污泥厭氧消化是低碳、高性價比的處理工藝，在丹麥和英國等國家已實現能源正向輸出，污泥厭氧消化與協同處理方式應用前景廣闊。
在污泥管理層面，建議由市政管理部門對城市污泥設施進行統籌管理，建立全過程監管體系，加強考核力度，嚴格把控污泥無害化效果，確保污泥中的有害成分得到安全處置。
來源： 給水排水
作者： 劉冠琦等