导 读
以石家庄市为例，目标导向与问题导向相结合，在污水专项规划层面开展了城市污泥处理处置系统化方案研究。考虑污水提质增效与尾水排放标准提高影响，合理预测城市污泥量；基于绿色发展、循环低碳理念，同步考虑污水与污泥处理需求，确定污泥处理处置方式与用地布局，构建“4+n+1”多元化污泥处理处置网络，实现了泥水共治与土地集约化利用。
0 引言
2015年4月，国家“水十条”提出，地级及以上城市污泥无害化处置率应在2020年底前达到90%以上。但截至2018年，我国城镇污泥无害化处置率不足60%。大部分污泥仅完成脱水减量化，实现污泥稳定化处理的污水处理厂不足3%，污泥二次污染风险较大。面临与日俱增的环保压力，污泥处理处置不规范成为很多城市的隐患问题。
国外发达国家在实现污泥稳定化与无害化基础上，已经开始向低碳与资源化方向发展，包括污泥土地利用、建材利用、能源利用等资源化途径。例如，美国60%污泥通过稳定化处理后变成肥料回用于农田；日本引进污泥焚烧制砖技术，建造生态水泥厂，污泥建材利用率达到65%；德国推行沼气综合利用，污水处理厂自给供电和供热量分别达到58%和98%，能耗和能量自给程度水平较高。与发达国家相比，我国污泥资源化利用在政策、技术、工程应用及产业化推广等方面尚有较大差距。2019年政府工作报告强调，要大力推动绿色发展，探索以生态优先、绿色发展为导向的高质量发展新路子。全面实现污泥无害化处置，并进一步挖掘污泥资源化潜力，推动能源回收利用，成为我国污泥行业未来面临的挑战与发展方向。
2019年4月，住房和城乡建设部、生态环境部、发展改革委联合发布了《城镇污水处理提质增效三年行动方案》，要求全面提升城市生活污水收集处理能力和水平。京津冀、长三角、珠三角等水污染防治重点区域近年相继出台了更加严格的水污染排放标准，河北省颁布了《子牙河流域水污染物排放标准》，进一步提高重点控制区污水处理厂尾水排放限值。石家庄市位于重点控制区内，污水提质增效的实施与排放标准的提高，对污水处理厂进出水带来较大变化，对污泥泥质、泥量以及污泥处理处置设施建设造成较大影响。
1 石家庄市污泥处理处置现状
1.1 现状污泥量
石家庄市中心城区现共有6座污水处理厂，其中生活污水处理厂3座，进水含工业废水的污水处理厂3座，总处理规模126万m³/d，出水标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准。
根据2018年运行数据，6座污水处理厂实际处理水量106万m³/d，外运污泥量1 203 t/d，含水率60%～80%。折合成80%的含水率，总产泥量1 311 t/d，平均产泥率12.3 t/万m³污水（见表1）。
1.2 现状污泥处理处置情况
污水处理厂污泥根据污水类型不同，现状主要采用两类方式进行处理处置。生活污水处理厂污泥，主要采用浓缩脱水、蚯蚓处理并结合土地利用的方式处理处置。桥东和桥西污水处理厂内建有厌氧消化设施但目前未运行，污泥经浓缩脱水至含水率达到80%，运往城郊苗圃地堆放，污泥经蚯蚓分解后就地利用；滹沱河污水处理厂污泥在厂内浓缩脱水后，外运堆肥及土地利用。含工业废水污水处理厂污泥，在厂内脱水干化处理后，外运至水泥厂或热电厂焚烧处置。
总体来看，污水处理厂均与第三方签订协议，将污泥外运交由个体企业处理处置。堆肥及土地利用成本较低，每吨污泥处理处置成本不超过25元；工业污泥焚烧成本较高，每吨污泥处置成本在200～400元（见表2）。
2 石家庄市污泥处理处置问题
2.1 污泥处理处置方式存在风险
2.1.1 蚯蚓处理不稳定存在土壤污染风险
当前桥西、桥东污水处理厂污泥蚯蚓堆肥处理方式较为粗放，未实现污泥稳定化处理。一是处理场所位于中心城区外围，污泥露天存放、处理，缺少必要防护措施；二是蚯蚓堆肥方式存在处理不完全、二次污染土壤的风险；此外，冬季蚯蚓活性降低，污泥需求量减少，污泥处理不稳定问题更加突出。
2.1.2 焚烧处置方式存在不确定性
污泥焚烧产生二口恶英等剧毒物质，易造成大气污染，因此对焚烧尾气处理要求较高。当前东部产业区3座污水处理厂污泥外运至水泥厂、建材厂等小型企业进行焚烧处置，一方面，尾气控制效果无法保证；另一方面，此类小型企业自身存在大气污染风险，未来可能因环保压力取消，因此现状污泥焚烧处置方式存在不确定性。
2.1.3 通沟污泥无序处置
目前，石家庄市老城区排水管道日常养护清掏产生的通沟污泥量约3.6万t/年，现采用简易的自然干化法处置，对周边环境造成一定影响。由于缺少专门的处理场所，一定程度上影响了汛前管道疏通工作的开展，增大了城市内涝风险。
2.2 污泥处置运营模式存在风险
当前，污水处理厂污泥交由第三方企业处置（苗圃基地、水泥厂、建材厂等），市政管理部门缺乏对处理处置的全过程监管与效果考核，最终污泥无害化效果无法保障，运营模式存在较大风险。
3 石家庄市污泥处理处置规划方案
3.1 总体思路
以石家庄市新一轮污水专项规划编制为契机，在绿色发展战略要求、污水提质增效、尾水排放标准提高等背景下，以绿色、循环、低碳为目标导向，以解决污泥现存风险为问题导向，开展了石家庄市污泥处理处置规划方案研究。
统筹考虑污水处理厂、排水管网及污水系统提质增效要求，合理预测城市污泥量。
按照绿色、环保、循环、低碳的污泥处置技术路线，遵循因地制宜、多元化发展、近远期结合等理念，结合现状污泥出路，确定了污泥处置方式、设施规模与布局。
遵循绿色、循环、低碳、处理处置协调统一等原则，结合现状污泥处理设施、运行成本以及用地条件等因素，确定了污泥处理方式、设施规模、布局与运行模式等。
3.2 污水提质增效背景下的污泥量预测
3.2.1 技术路线
传统的城市污泥量预测方法，是通过规划污水处理量乘以规划产泥率，得到污水处理厂规划产泥量，从而确定污泥设施建设规模。本规划充分考虑污水处理提质增效要求，对石家庄城市污泥量预测做出改进。一方面，考虑污水提质增效、尾水排放标准提高对泥质泥量影响，合理确定规划产泥率，并依托污水规划部分确定的规划污水量，更加科学地计算污水处理厂产泥量；另一方面，将排水管网定期养护产生的通沟污泥量纳入市政污泥总量进行统筹规划与管理。
3.2.2 城市污水处理厂污泥量预测
石家庄市中心城区规划11座污水处理厂，6座为现有，5座为规划新建，总处理能力187万m³/d。根据《子牙河流域水污染物排放标准》（DB 13/2796-2018），至2021年，污水处理厂尾水均执行子牙河流域重点控制区排放限值（见表3）。
注：括号外为水温>12 ℃时的控制指标，括号内为水温≤12 ℃时的控制指标。
污水处理厂产泥率受排水体制、进出水水质、工艺及运行情况等因素影响。石家庄市排水体制以分流制为主，污水系统中外来水比例低，现状生活污水处理厂进水BOD5浓度约120～167 mg/L，基本接近于近、远期提质增效目标（分别为150 mg/L、200 mg/L）；同时，近期出水标准由GB 18918-2002一级A提升至子牙河流域重点控制区排放限值；综合考虑进出水两方面变化，以提质增效系数体现其对现状污水处理厂泥量增加的影响。对于现状工业污水处理厂，来水成分基本保持稳定，规划产泥率取现状值。对于规划污水处理厂，结合规范推荐值及相邻相似污水处理厂，确定其规划产泥率。
经计算，按外运含水率60%计，规划污泥总产量约1 320 t/d（见表4）。
3.2.3 通沟污泥量预测
石家庄市现状污水管道淤积严重，根据排水管理处统计，二环内每年产生含水率70%的通沟污泥约3.6万t。现状主城区排水管道长度约2 325 km，规划末期预计总长度达到6 500 km。据此推算，规划通沟污泥量约280 t/d。
3.3 污泥处置方案
3.3.1 污泥处置路线选择
常用污泥处置路线见表5。从政策上看，填埋场地接近满负荷且存在较高二次污染风险，因此不鼓励污泥填埋；土地利用是一种积极、有效且经济的资源化处置方式，符合绿色、循环、低碳与可持续发展理念，对符合条件的污泥，鼓励尽可能土地利用。不符合土地利用条件的污泥可焚烧，灰渣用作建材产品原料，或干化后直接作为建材利用，彻底实现污泥无害化处置。
3.3.2 污泥处置规划方案
规划5座生活污水处理厂，污泥经稳定化处理后，泥质满足《城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质》（GB/T 23486-2009）标准，具备土地利用条件。外运污泥含水率由80%降至60%，外运污泥总量与现状持平，可继续与原桥东、桥西污水处理厂污泥接收企业签订协议，将污泥运至城郊林地，作为园林绿化的有机肥料、土壤改良材料回用。考虑污泥土地利用可能存在的环保风险、土地施用污泥总量限制以及市场的不稳定性，远期需要提供其他出路作为兜底措施。
根据高新区、良村污水处理厂数据，含工业废水污水处理厂污泥有机质含量、干基热值较低，后续焚烧能耗与运行成本高。但从污泥无害化处置角度考虑，由于工业污泥成分复杂、重金属含量高，6座含工业废水的污水处理厂污泥推荐焚烧处置路线，集中焚烧后灰渣作建材利用，保障污泥安全处置与出路稳定。规划于市区南部建设一座多功能生态环境园，对生活垃圾、餐厨垃圾、城市污泥等综合管理，集中焚烧与综合利用。其中，污泥部分预留1 500 t/d处置规模，包括6座工业污水处理厂污泥量、通沟污泥量以及远期为土地利用污泥预留的兜底处置量，占地6 hm²。污泥与垃圾协同焚烧，剩余部分单独焚烧，焚烧后的最终出路为建材利用。近期保留水泥厂、建材厂等协同焚烧模式。
3.4 污泥处理方案
3.4.1 污泥处理方式选择
污泥处理一般流程为：污泥浓缩处理后，通过脱水、干化、厌氧消化、好氧发酵等技术进一步实现减量化与稳定化（见表6）。
3.4.1.1土地利用污泥的处理方式
污泥土地利用前，必须经过稳定化处理，单独脱水、干化法无法实现污泥稳定化进而回用于土地。好氧消化法能耗与运行费用高，不符合污水处理厂由高耗能走向低耗能的发展理念，不适用于省会城市中心城区污水处理厂。
从用地角度考虑，好氧堆肥对选址及卫生防护要求高，需单独选址；厌氧消化设施建在污水处理厂内，污水规划中可直接预留用地。从运输角度考虑，堆肥外运污泥体积（含水率80%）是厌氧消化+干化后污泥体积（含水率60%）的2倍，运输成本较高。此外，厌氧消化能够在污泥处理环节实现能源回收，在减量化、稳定化、资源化等方面具有明显优势，是国外最常用的污泥稳定化方法，约50%以上污泥采用厌氧消化法处理。综合考虑，规划选择厌氧消化处理路线。
与传统厌氧消化相比，热水解-厌氧消化具有提高产气质量、运行效率、降低后续运行成本等优点，但考虑当前各厂缺乏厌氧消化运行经验、热水解设备操作复杂、工艺流程长等因素，规划近期采用单独厌氧消化法，远期根据运行情况可实施改造。
3.4.1.2 焚烧污泥的处理方式
良村南污水处理厂在新版污水规划中服务范围和处理规模减小，用地相应缩减16 hm²，规划利用该用地建设厌氧消化中心，保留其市政用地属性，接收本厂与南村、良村北污水处理厂污泥集中处理。污泥最终处置方式为干化焚烧，与直接焚烧相比，通过厌氧消化可大幅度降低污泥量、减少焚烧量，从全过程能量平衡和减少碳排放角度具有明显优势，该技术路线可行。高新区、高新区南、良村污水处理厂污泥在厂内脱水、干化含水率降至60%，外运至污泥集中处置中心焚烧。
3.4.2 厌氧消化设施布局
通常，污水处理能力大于10万m³/d污水处理厂可采用厌氧消化法处理污泥。桥西、桥东污水处理厂规模分别为46万m³/d、60万m³/d，分别利用厂内现有消化设施进行污泥厌氧消化；对于规模较小的滹沱河、杜北以及西兆通污水处理厂（均位于中心城区北部），规划扩大滹沱河污水处理厂用地规模，建设一处污泥厌氧消化处理中心，接收三座污水处理厂污泥集中处理，提高沼气产量与回收利用效果；此外，规划建设良村南污泥厌氧消化处理中心，接收良村南、南村、良村北污水处理厂污泥集中处理，实现土地集约化利用与污泥能源回收。
污泥可通过管道运输和脱水运输两种方式运至厌氧消化中心。管道运输是通过在污水处理厂间建设污泥管道，将含水率高于97%的污泥输送至处理中心，该方法对管道运行管理要求较高，例如日本横滨的一些污水处理厂；脱水运输是污泥在本厂内先脱水至80%以下再用车辆运输。结合石家庄市实际情况，规划采用脱水运输方式。
3.5 通沟污泥处理处置方案
通沟污泥是有排水管道沉积物，以水和矿化颗粒混合物为主，其有机质含量低，不可燃成分含量高，理化性质与污水处理厂污泥差异较大，处理不当会引起二次污染等环境问题。
目前，通沟污泥处置分别有污泥干化场、重力脱水和综合处理方法，参考国内城市成熟经验做法，规划在石家庄市中心城区建设通沟污泥综合处理站，采用综合处理方法，对管道污泥进行洗涤筛分处理，分离后的细沙、砂砾等作为低端建筑材料再利用，脱砂有机污泥运至污泥集中处置中心焚烧。
通沟污泥点多量少，规划在桥西、新华、裕华、长安、高新区、良村南片区各建设1座通沟污泥综合处理站，共6座，其选址宜与大型生活垃圾转运站结合考虑，便于统一管理和运输。每座处理站规模60 t/d，占地1 500 m²，最高日处理能力达到360 t。
3.6 多元化污泥处理处置网络
通过建设4处厌氧消化处理中心、1处污泥集中处置中心，以及分散污泥土地利用消纳场地，构建了石家庄市中心城区“4+n+1”多元化污泥处理处置网络，确保污泥出路稳定。近期，污水处理厂污泥60%经厌氧消化处理送至城郊林地土地利用，40%经消化或干化后送至污泥处置中心焚烧及建材利用；远期，焚烧设施预留充足规模，作为全市污泥出路兜底措施（见图1）。
图1 石家庄市中心城区污泥处理处置网络布局
4 结论与建议
本文以目标导向与问题导向相结合，在污水专项规划层面，对城市污水与污泥处理进行同步、统筹规划，开展了石家庄市污泥处理处置系统化方案的研究，构建了互补互备的污泥处置路线与多元化污泥处理处置网络。
在规划污泥量上，以当前黑臭水体治理、污水提质增效实施为契机，对规划预测方法做出改进。除传统城市污水处理厂污泥外，将排水管网通沟污泥以及城市水系定期清淤产生的污泥量也纳入计算，统筹考虑城市污泥处理处置设施的布局及建设规模。
在污泥处理处置方案选择上，一方面，遵循多元化原则，建立土地利用与焚烧并存的污泥处置路线，确保污泥出路稳定；另一方面，将污泥处理处置融入到城市绿色发展中，高度重视污泥“资源”属性，谋求污泥无害化与资源利用最优化。污泥处置方面，安全的土地利用方式是实现污泥资源化重要途径，未来在攻克技术瓶颈前提下，进一步打通“水、泥、土”产业链，真正实现污泥资源有效利用。污泥处理方面，未来我国污水处理厂要尽快补齐污泥稳定化处理设施短板，污泥厌氧消化是低碳、高性价比的处理工艺，在丹麦和英国等国家已实现能源正向输出，污泥厌氧消化与协同处理方式应用前景广阔。
在污泥管理层面，建议由市政管理部门对城市污泥设施进行统筹管理，建立全过程监管体系，加强考核力度，严格把控污泥无害化效果，确保污泥中的有害成分得到安全处置。
来源： 给水排水
作者： 刘冠琦等