編者按：碳中和運行已成為未來污水處理廠運行重要內容。因此，作為資源和能源載體的剩余污泥將不再是污水處理的“負擔”，進而可能變成回收資源與能源的緊俏原料。本期回顧2016年發(fā)表文章，梳理早期關于污泥處理、處置的理念與觀念。這篇文章綜述了5年前國內外剩余污泥處理、處置情況，著重介紹了污泥厭氧消化能源利用的基本情況與趨勢，提出變傳統(tǒng)“污泥減量”模式為“污泥增量”發(fā)掘能源方法。針對我國市政污水COD普遍偏低情況，文章闡明有機固體廢棄物與污泥共消化才是污泥增量的“對癥良藥”。盡管污泥共消化實現(xiàn)的碳中和嚴格意義上說屬于“偽中和”，但這種利用廢棄外源有機物能源轉化并實現(xiàn)污水處理碳中和的方式并非無可取之處，只是相較潛能巨大的污水余溫熱能來說顯得有些出力不討好。
01、國內外剩余污泥能源轉化現(xiàn)狀
國外： 朝碳中和運行目標邁進
歐美及周邊一些亞洲國家相繼頒布了面向21世紀污水理碳中和運行的路線圖，并付諸實踐。例如荷蘭早在2008年便提出了污水處理的 NEWs 概念，美國推行的“Carbon-free Water” ，日本發(fā)布“Sewerage Vision 2100”，以此實現(xiàn)污水處理碳中和目標。
然而，具有足夠的剩余污泥量，方能保證其在厭氧消化過程中轉化為碳中和運行的自給自足所需能量。為此，歐美等國家通過結合前端篩分COD技術或后端厭氧共消化技術，以最大化“污泥增量”方式從污水或外源有機物中通過厭氧消化獲取能源(CH4)，并已完全或部分實現(xiàn)碳中和運行目標。
國內： 為消除“負擔”而提倡污泥減量
因認識導致的政策問題普遍存在著“重水輕泥”現(xiàn)象，往往只處理污水而很少涉及污泥處置，2014 年我國污水處理廠污泥處理能力(近95% 為非能源利用方式，或雖有設施而實際不用) 約為1 100×104 t/d，而污泥實際產量為3 250×104 t/d，污泥處置缺口達60%以上。大量未經任何有效處理處置的污泥直接給水體、大氣帶來嚴重的“二次污染”，導致黑臭水體、霧霾等環(huán)境現(xiàn)象加劇。
一方面現(xiàn)有技術能源轉化效率低。但隨著厭氧消化強化技術的研究增多，在今后將能顯著提升污泥能源轉化效率的水平。因此，污泥厭氧消化轉化能源并不存在技術障礙。更重要的是因為政府目前尚無政策甚至資金支持。我國污泥處理、處置費用投資只占污水處理費用總投資的20%~45% ，而國外一般水平即高達50%。我國雖在“十二五”期間新增污水處理及相關投資額4 300億元，但其中污泥處理、處置設施投資僅347億元，占比僅為8% ，導致目前污泥成為“負擔”的尷尬局面。
污泥非能源化處置癥結
減量化→穩(wěn)定化→無害化→資源化是國內處理處置剩余污泥等固體廢棄物的一般導則。然而只要污泥實現(xiàn)能源化，其他“三化“將隨之實現(xiàn)，不攻自破。將之前的污泥處置思路順序顛倒： 資源化→無害化→穩(wěn)定化→減量化，就能誘導污泥能源化方式成為污泥處置的首要目的。當然，污泥能源化首當其沖的污泥處置策略需要政府給予宏觀政策支持甚至予以經濟補貼，這一點需要向歐洲國家學習。在歐洲，凡是利用污泥等有機固體廢物轉化甲烷用于發(fā)電都能獲得政府的補貼。
02、污泥能源轉化碳中和運行潛力
污水處理過程中產生的剩余污泥量完全取決于進水COD負荷的高低，COD負荷越高則產生的剩余污泥量就越大。一些歐美國家以碳中和為運行目標的污水處理實例表明，如果進水COD≤600 mg/L，采用傳統(tǒng)處理工藝( 如A2/O等脫氮除磷工藝) 所產生的剩余污泥量通過厭氧消化轉化能源很難完全滿足(100%) 碳中和運行目標，一般達到70%碳中和運行率就已足矣。
圖中繪出了能量平衡計算中剩余污泥(初沉+二沉) COD 截留率(污泥中總COD與進水COD之比)與碳中和率的關系曲線; 實例計算中53%的碳中和運行率對應于60%的污泥COD截留率，趨勢表明，要想獲得更大的碳中和運行率便需要有更多的污泥相對應，即所謂的“污泥增量”概念。
污泥COD截留率與碳中和運行率的關系
03、污泥增量方法與措施
A/B法A段濃縮COD
A段采用極短污泥齡(SRT=8~25 h) ，充分利用細菌對顆粒與膠體狀COD初期生物絮凝、吸附性能以及對溶解性COD的直接吸收、降解性能從污水中有效分離COD，并在細菌表面吸附大量未降解的COD，最后可導致進水中70%～80% 懸浮狀和溶解狀COD通過中間沉淀池予以截留后送至厭氧消化轉化能源。與二沉污泥相比，A段截留污泥可消化性較好，可產生甲烷含量較高的生物氣。
定位于能源與磷回收的市政污水處理概念工藝
前端篩分COD技術
基于低能耗微濾裝置，輔以化學混凝＋絮凝作用，最大程度隔離、濃縮污水中COD，使之用于厭氧消化轉化甲烷，供污水處理廠自身能量消耗，降低污水處理廠對化石燃料能源的依賴，即以污水處理碳中和運行為目標，工藝流程如圖所示。
德國CARISMO前端COD篩分及后續(xù)污水、污泥處理工藝
污泥共消化技術
針對我國進水COD負荷低、有機能源含量先天不足的市政污水，有時所含碳源甚至都不能夠滿足脫氮除磷的需要。在這種情況下，采用前端分離COD的做法顯然不符實際，不得不考慮其他方式來實現(xiàn)碳中和運行目標。餐余垃圾、旱廁糞便、綠化草木等有機固體廢棄物完全可以利用污水處理廠厭氧消化剩余空間，與剩余污泥一同共消化而轉化能源，達到“1+1>2”的能量轉化效果。
污泥共消化發(fā)揮了基質間的協(xié)同作用，提高了底物的降解速率和降解程度，使能源轉化效率顯著提高。圖中列出了幾種不同外源有機廢棄物與剩余污泥共消化后呈現(xiàn)出的能量轉化效果，剩余污泥與其他有機廢棄物共消化潛力可見一斑。
不同種類/比例外源基質與污泥共消化能源轉化效果
04、結語
污泥已經不是污水處理過程中的“負擔”，而是實現(xiàn)為碳中和運行的所需能源載體。轉變對剩余污泥處理、處置的觀念與思路，變現(xiàn)行“減量化→穩(wěn)定化→無害化→資源化”方式為未來“資源化→無害化→穩(wěn)定化→減量化”策略勢在必行。新理念下污泥資源化需要有政府宏觀政策支持甚至是財政補貼，看似“貼錢”的舉措?yún)s能帶來利好的綜合環(huán)境效益，在污泥增量方面，無必要實施污泥減量技術，而是應尋求與廚余垃圾等市政有機固體廢棄物共消化的機會，才不致使我國的碳中和運行目標最終成為天方夜譚。
作者：李季，郝曉地等
來源： 水業(yè)碳中和資訊
