（來源：生態(tài)修復網(wǎng)）
雙碳目標下城市多源污泥處理處置技術(shù)選擇與發(fā)展趨勢
張辰* 段妮娜 趙水釬 王峰 譚學軍
上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司
摘 要
摘 要隨著城市化進程的快速推進、排水系統(tǒng)提質(zhì)增效和“源網(wǎng)廠河一體”全要素水環(huán)境治理工作的開展，城市多源污泥產(chǎn)量顯著增加，科學處理處置面臨嚴峻挑戰(zhàn)。分析了不同來源污泥的特性和面臨的碳排放挑戰(zhàn)，基于雙碳目標提出了多源污泥有機質(zhì)和無機質(zhì)梯級利用的途徑和適用技術(shù)，強調(diào)通過技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)能耗和物耗的降低、溫室氣體的有效控制和資源的高效替代，并探討了系統(tǒng)思維指導下的多元協(xié)同模式和減碳策略，包括多源物料協(xié)同、上下游協(xié)同和跨行業(yè)協(xié)同，以期在更廣泛的范圍內(nèi)實現(xiàn)更深層次的減碳效益。
研究背景
在全球氣候變化的大背景下，減少溫室氣體排放已成為國際社會普遍關(guān)注的重大議題。隨著城市化進程的快速推進、排水系統(tǒng)提質(zhì)增效和“源網(wǎng)廠河一體”全要素水環(huán)境治理工作的開展，污水污泥、管渠污泥、河湖底泥等產(chǎn)量均顯著增加。多源污泥來源各異、組分復雜，科學處理處置面臨嚴峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)分散、單一、粗放、無序的處理處置方式已無法滿足生態(tài)文明建設(shè)對再生資源和環(huán)境質(zhì)量的高標準要求。多源污泥兼具污染和資源雙重屬性，其資源和能源的開發(fā)利用已成為解決污泥問題的重要途徑和手段，并且是污水處理廠實現(xiàn)能源自給、水環(huán)境領(lǐng)域落實雙碳目標的關(guān)鍵路徑。
近年來，國內(nèi)外出臺了一系列政策文件，國內(nèi)出臺的《污泥無害化處理和資源化利用實施方案》（發(fā)改環(huán)資〔2022〕1453號）、《國務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導意見》（國發(fā)〔2021〕4號）、《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃綱要》（國發(fā)〔2021〕5號）等，旨在推動包括污泥處理處置在內(nèi)的排水、固廢行業(yè)的綠色、循環(huán)和低碳發(fā)展。歐盟于2020年更新了《循環(huán)經(jīng)濟行動計劃》（circular economy action plan，CEAP），不僅鼓勵成員國采取措施促進資源高效利用，減少廢物產(chǎn)生，還特別強調(diào)了污泥作為有機廢棄物管理中的重要組成部分，應通過循環(huán)利用和低碳技術(shù)來降低環(huán)境影響。
多源污泥組成和特性不同，所適用的資源利用方式和處理技術(shù)也存在差異。目前，國內(nèi)外基本形成了主流的處理處置技術(shù)體系。然而，在雙碳目標下，如何基于泥質(zhì)特性選擇資源利用途徑并進一步降低處理過程的碳排放，是實現(xiàn)污泥處理減污降碳協(xié)同增效的關(guān)鍵所在。本文基于不同來源污泥的特性，總結(jié)資源化利用的主要途徑和雙碳目標下的適用技術(shù)，并探討在系統(tǒng)思維指導下多元協(xié)同的減碳策略。
01
多源污泥特性和碳排放挑戰(zhàn)
1.1污水污泥
污水污泥來源于城鎮(zhèn)污水處理廠的初沉池、二沉池和深度處理設(shè)施。國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)［1］顯示，2023年我國城市污水處理總量已達642.7億m3，污水處理污泥總量已突破7527萬t（以含水率80%計）。我國污泥有機質(zhì)含量（以揮發(fā)性固體含量VS表示）通常為30%~70%，均值為50%。北方城市如北京、青島等，污泥VS可達55%~70%，而南方城市如九江、蕪湖、鎮(zhèn)江等，VS一般僅為20%~50%。污泥富集了污水中大部分污染物質(zhì)和資源物質(zhì)，如果不妥善處理處置，在污染環(huán)境的同時將產(chǎn)生大量碳排放。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部對全國城鎮(zhèn)污泥處置量的統(tǒng)計，約28%進行土地利用，34%焚燒，18%建材利用，13%填埋，另有8%采用其他處置方式。由此估算，污泥處理處置產(chǎn)生的碳排放總量每年約為1440萬t。
1.2管渠污泥
管渠污泥是排水管網(wǎng)養(yǎng)護過程中清撈出的沉積物，不僅包含了來自雨水和污水中的容易沉淀的顆粒物，還混有道路沖洗物、生活垃圾、砂石和來自建筑工地的泥沙等成分。目前，我國開展例行管渠清撈養(yǎng)護和管渠污泥處理的城市主要包括上海、北京、武漢、南京等。根據(jù)上海市管渠污泥采樣分析數(shù)據(jù)，管渠污泥VS為17%~20%，無機質(zhì)占比超過80%［2］。管渠污泥沉積于管網(wǎng)中，富集了污水中5%~30%的懸浮固體和污染負荷［3］，如不及時清撈處理，易在厭氧環(huán)境下產(chǎn)生大量CH4。研究表明，管渠污泥平均CH4產(chǎn)率可達0.13~2.09 g/（m2·d）［4］，由此造成的碳排放不容忽視。目前，管渠污泥的處理普遍采用多級篩分工藝，處理后的有機和無機篩渣多為填埋處置，有機篩渣填埋產(chǎn)生CH4是管渠污泥處理處置碳排放的主要來源。
1.3河湖底泥
河湖底泥是河流、湖泊中的泥沙、黏土和動植物殘骸等經(jīng)長時間物理化學和生物轉(zhuǎn)化沉降于水體底部形成的沉積層。河湖底泥的VS通常為3%~15%，主要由腐殖質(zhì)構(gòu)成，還包括動植物腐敗分解殘留的蛋白質(zhì)、脂肪、多糖等。這些有機質(zhì)在缺氧環(huán)境下被微生物分解時會產(chǎn)生CH4，而在有氧條件下則主要產(chǎn)生CO2。因此，河湖底泥在自然狀態(tài)下的碳排放取決于水體狀態(tài)，受溫度、水流速度、水體類型等因素影響，可占水體CH4排放的5%~20%［5,6］，黑臭水體的底泥碳排放往往也較高。河湖底泥經(jīng)疏浚后，主流處理處置方式仍為脫水后填埋或棄土場處置。在運輸、填埋或棄置過程中，有機質(zhì)分解仍會產(chǎn)生CH4，長距離運輸?shù)哪芎囊彩翘寂欧艁碓粗弧?/p>
02
資源利用途徑和技術(shù)選擇
多源污泥處理處置過程中產(chǎn)生的碳排放主要包括以下幾個方面：能源消耗和化學藥劑使用導致的能量源碳排放、逸散性溫室氣體排放，以及資源回收和產(chǎn)物利用帶來的碳補償效應。當前，多源污泥處理處置的目標正朝著資源利用和能源回收的方向發(fā)展，通過技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)能耗和物耗的降低、溫室氣體的有效控制和資源的高效替代已成為行業(yè)共識［7］。污泥中的有機質(zhì)是能源資源稟賦的重要載體，有機質(zhì)利用是污泥處理處置減碳增匯的重要途徑。對于VS≥30%的污泥，如污水污泥，應優(yōu)先通過能源化和資源化途徑實現(xiàn)有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用。對于VS<30%的污泥，如管渠污泥、河湖底泥，則宜優(yōu)先考慮建材、工程利用，通過替代傳統(tǒng)礦物資源降低碳排放。基于不同污泥的有機質(zhì)含量可以選擇適用的處理技術(shù)和利用途徑，同時還要滿足利用方式對污泥或處理產(chǎn)物環(huán)境和資源屬性的要求，其技術(shù)路線如圖1所示。
基于多源污泥有機質(zhì)含量的適用處理技術(shù)和資源利用途徑
注：有機質(zhì)水平和主流處理工藝間的連接線及其弧度方向表示有機質(zhì)高于或低于某個水平時推薦其連接的處理工藝。
2.1污泥有機質(zhì)利用途徑和技術(shù)
有機質(zhì)含量較高的污泥，應優(yōu)先轉(zhuǎn)化利用其中的有機質(zhì)，實現(xiàn)能源和資源利用，主流利用途徑的經(jīng)濟性和碳排放如表1所示。其中，基于土地利用途徑的厭氧消化和好氧發(fā)酵技術(shù)是污水處理系統(tǒng)建設(shè)和運行環(huán)節(jié)的“鼓勵行為”［8］。在雙碳背景下，采用主流利用途徑的同時，還可通過設(shè)計、運行優(yōu)化或選擇替代性技術(shù)，進一步降低碳排放。
表1高有機質(zhì)污泥主流利用途徑的經(jīng)濟性和碳排放
2.1.1厭氧消化
厭氧消化是污泥穩(wěn)定化和無害化處理的重要手段，不僅能回收污泥中的生物質(zhì)能，其產(chǎn)物經(jīng)腐熟陳化后還可用于土地利用。厭氧消化過程中產(chǎn)生的碳排放主要來源于污泥加熱和保溫消耗的熱量、消化污泥脫水以及沼液脫氮等處理環(huán)節(jié)的能耗和藥耗。然而，產(chǎn)生的沼氣可回收利用，補充系統(tǒng)部分甚至全部的耗能，從而實現(xiàn)低碳甚至負碳排放。
厭氧消化工藝減碳的重點通常在于提高消化單元的降解率和產(chǎn)氣量，主要途徑包括以提高含固率等方式提高有機負荷［9］，以預處理［10］、添加代謝促進物質(zhì)［11,12］、改善消化池反應條件［13,14］等方式提高轉(zhuǎn)化效率，以調(diào)控轉(zhuǎn)化路徑等方式提高CH4轉(zhuǎn)化率［15］等。例如，通過采用高含固厭氧消化工藝，進泥含固率從傳統(tǒng)的5%提升到15%，在同等處理規(guī)模下，消化池體積可節(jié)省2/3，加熱保溫能耗顯著降低。此外，隨著垃圾分類工作有序推進，城鎮(zhèn)污水污泥和廚余垃圾等有機廢棄物協(xié)同資源化利用展現(xiàn)了廣闊的應用前景。通過優(yōu)化消化池型和攪拌、合理設(shè)計停留時間、投加促效材料等手段可以提高污泥有機質(zhì)的降解率，假設(shè)降解率從40%提高至50%，1座規(guī)模為400 t/d（以含水率5%計）的傳統(tǒng)厭氧消化設(shè)施的沼氣產(chǎn)量可增加800~1000 m3/d，相應的CO2排放減少2.7~3.4 t/d，同時也能降低消化液脫水能耗、藥耗和產(chǎn)物運輸?shù)哪茉聪摹?/font>
除了核心單元，采用厭氧氨氧化、氨回收等沼液處理方式實現(xiàn)氮的轉(zhuǎn)化或回收通常具有更低的能耗、物耗和運行成本，并且可以降低或避免傳統(tǒng)生物脫氮過程中N2O等直接碳排放，因此更具碳減排優(yōu)勢。
2.1.2厭氧消化好氧發(fā)酵
好氧發(fā)酵能夠?qū)⑽勰嘀械挠袡C質(zhì)轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，使得產(chǎn)物具有較高的穩(wěn)定化程度，便于土地利用。在此過程中，碳排放主要來源于設(shè)備運行中的能耗和物耗導致的間接排放，以及堆體產(chǎn)生的CH4和N2O造成的直接排放。
好氧發(fā)酵工藝的碳排放量與其控制和運行水平密切相關(guān)。通過裝備化和智能化手段實現(xiàn)發(fā)酵條件和過程的精確控制是降低碳排放的重要途徑�；跍囟取穸群脱鹾康汝P(guān)鍵參數(shù)的自動監(jiān)測，結(jié)合物料輸送、供氧、勻翻和除臭等環(huán)節(jié)的協(xié)同控制，可以優(yōu)化整個發(fā)酵流程，確保其穩(wěn)定運行的同時實現(xiàn)節(jié)能降耗［16,17］。例如，采用傳感器實時檢測污泥堆體內(nèi)的氧含量和溫度變化，根據(jù)實際需要精確調(diào)節(jié)曝氣頻率，可避免厭氧條件的發(fā)生、減少CH4的排放，并避免過量曝氣，節(jié)約通風用電量和輔料投入。近年來，隨著好氧發(fā)酵技術(shù)裝備水平的不斷提升，滾筒動態(tài)好氧發(fā)酵設(shè)備、一體化智能好氧發(fā)酵等集成化技術(shù)得到了快速發(fā)展，通過在密閉環(huán)境中進行發(fā)酵并輔以智能化過程控制，提高物質(zhì)傳遞和轉(zhuǎn)化效率，節(jié)能降耗并減少溫室氣體泄漏。
2.1.3焚 燒
焚燒具有減量徹底、高效集約無害化等優(yōu)勢，是利用污泥熱值的過程。濕污泥（含水率約80%）熱值較低，需要通過脫水或干化降低含水率、提高熱值進而實現(xiàn)自持燃燒。碳排放主要來源于干化能耗、焚燒啟爐的輔助燃料，以及焚燒過程產(chǎn)生的少量逸散性CH4和N2O，碳排放量和污泥熱值、干化工藝、系統(tǒng)熱效率等直接相關(guān)。我國污泥焚燒常采用熱干化預處理，熱干化能耗是碳排放的主要構(gòu)成部分。盡管污泥焚燒過程中釋放的熱量經(jīng)回用后可補充部分干化熱能消耗，但由于我國污泥有機質(zhì)含量較低，尚不足以完全抵消熱干化能耗，仍需外源熱能。焚燒和預處理過程的熱能回收和節(jié)能降耗是降低碳排放的重要途徑。
污泥焚燒爐排出的煙氣溫度通常為850~870℃，其熱能涵蓋了焚燒系統(tǒng)輸入的絕大部分熱能，通常采用余熱鍋爐和空氣預熱器回收200℃以上的煙氣熱能，用于補充污泥熱干化熱能或預熱燃燒空氣，這部分熱能約占焚燒煙氣總熱能的50%以上［18］。然而，<200 ℃的煙氣熱能在大多數(shù)污泥焚燒項目中未得以充分回收利用，這部分熱能占煙氣總熱能的40%~50%，是污泥焚燒熱損失占比最大的一項［19］，可以進一步回收利用。此外，采用熱干化預處理時，熱干化是污泥焚燒項目的主要耗能單元，干化尾氣洗滌等造成的熱損失也是焚燒項目熱損失的重要組成部分。上海某污泥干化焚燒項目對熱干化余熱回收后用于加熱進泥，換熱后進泥溫度提高了30℃，使得熱干化能耗降低15%~20%。
2.1.4熱解碳化
熱解碳化是在一定溫度（通常為400~700 ℃）、無氧或缺氧條件下，通過裂解方式將污泥中揮發(fā)分脫出，同時保留污泥中的大部分碳，使最終產(chǎn)物穩(wěn)定性和碳含量大幅提高的過程。在碳化過程中，有機質(zhì)分解產(chǎn)生熱解氣、焦油以及以固定碳和無機物為主的固體碳化產(chǎn)物，固體碳化產(chǎn)物和木炭具有相似的物理特性，可用于土地改良、建材制造、吸附材料和燃料等多種資源化利用方式。
污泥熱解碳化和焚燒同樣具有顯著減量［20］、集約高效無害化的優(yōu)勢，并且具有更低的硫氧化物、氮氧化物和溫室氣體排放［21］，不產(chǎn)生二噁英，且固體產(chǎn)物中重金屬穩(wěn)定性較高［22］。污泥碳化技術(shù)在日本被視為一種較焚燒更具資源化和碳減排潛力的替代技術(shù)，并已得到較多的工程應用。日本國土交通省評估了碳化技術(shù)的減碳效果。以處理規(guī)模為50000 m3的污水處理廠為例，與污泥焚燒相比，采用碳化技術(shù)后的碳排放量可降低75%［23］。近年來，我國污泥碳化的工程化呈現(xiàn)較快發(fā)展趨勢，在武漢、蕪湖、青島、上海等地均已得到應用。上海某污水處理廠擴建項目采用污泥熱解碳化技術(shù)，設(shè)計規(guī)模為100 t/d（含水率80%），污泥干化到含水率約20%進入碳化爐，在400~600 ℃進行碳化處理，減量化程度高達87%，可產(chǎn)生約12 t/d的固體碳化產(chǎn)物，主要用于土地利用和建材加工。
2.2污泥無機質(zhì)利用途徑和技術(shù)
污泥中無機質(zhì)主要組成和黏土、砂土組成相似，可以替代天然黏土和砂土進行建材、工程利用。成熟工藝主要有2類：一類為生產(chǎn)燒結(jié)型建材，如燒制水泥、燒結(jié)制磚；另一種為生產(chǎn)免燒建材或工程材料，如免燒磚、回填材料。
2.2.1生產(chǎn)燒結(jié)型建材
燒結(jié)制磚瓦或陶瓷產(chǎn)品時，可使用污水污泥或河湖底泥部分替代天然黏土。在有氧、900~1400 ℃條件下，污泥等原料中的硅氧化物、鋁氧化物會失水并重新結(jié)晶，形成如3Al₂O₃·2SiO₂等晶體。雜質(zhì)生成的液相有助于固相之間的黏結(jié)，從而增加坯體密度、減少體積空隙，最終在冷卻后固化成形。而在燒制水泥熟料的過程中，污水污泥或河湖底泥同樣可以作為黏土的部分替代品。在1300~1500 ℃高溫下，污泥等原料中的硅、鋁氧化物和石灰石分解產(chǎn)生的CaO反應生成硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣等晶體，這些晶體通過重排、收縮和密實，最終形成色澤灰黑、結(jié)構(gòu)致密的水泥熟料。污泥用于生產(chǎn)燒結(jié)型建材的碳排放主要來源于運輸、脫水或干化過程的能耗。如果采用熱干化預處理，則可利用磚廠、水泥窯余熱來顯著降低碳排放和處理成本。
2.2.2生產(chǎn)免燒建材或工程材料
免燒建材或工程材料的生產(chǎn)通常采用VS含量低于10%的污泥，如污泥焚燒灰渣、管渠污泥無機篩渣、河湖底泥等。污泥和其他原料按一定比例與水和固化劑（通常為水泥）混合，固化劑和水發(fā)生水化反應，生成凝膠水化物晶體和Ca（OH）2。Ca（OH）2能夠進一步和砂土等顆粒表面的硅、鋁、鐵氧化物反應，生成更多的凝膠狀水化物晶體。這些凝膠狀物質(zhì)和顆粒物結(jié)合形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨著水化反應的持續(xù)進行，晶體生長并相互黏結(jié)，形成緊密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，最終硬化成為免燒磚、硬化混凝土或具有一定強度的回填材料等，不僅通過資源回收利用避免了污泥的無序處置，還通過替代天然原料減少了碳排放。
03
多元協(xié)同模式和減碳策略
雙碳目標下，傳統(tǒng)以簡單棄置為導向的粗放和單程式處理處置模式將逐漸被資源循環(huán)利用驅(qū)動的物質(zhì)、設(shè)施、產(chǎn)業(yè)多元協(xié)同模式所取代。中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會組織編寫的《城鎮(zhèn)水務(wù)系統(tǒng)碳核算與減排路徑技術(shù)指南》，從源頭控制、過程優(yōu)化、工藝升級、低碳能源和植物增匯5個方面提出減碳策略［24］；國家發(fā)改委、住建部、生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《污泥無害化處理和資源化利用實施方案》（發(fā)改環(huán)資〔2022〕1453號）鼓勵處理設(shè)施共建共享，提出“統(tǒng)籌城市有機廢棄物的綜合協(xié)同處理，鼓勵將污泥處理設(shè)施納入靜脈產(chǎn)業(yè)園區(qū)”。以上均體現(xiàn)了多元協(xié)同、系統(tǒng)治理的理念，不但有助于促進資源高效回收和循環(huán)利用，還有利于在更廣泛的范圍內(nèi)實現(xiàn)更顯著的減碳效益。
3.1多源物料協(xié)同
雙碳目標為多源污泥和其他物料協(xié)同處理與利用提供了發(fā)展契機。通過與城市有機廢棄物協(xié)同回收資源、與傳統(tǒng)礦物原料協(xié)同建材或工程利用，可以實現(xiàn)碳減排和經(jīng)濟效益的雙重提升。
3.1.1有機物料協(xié)同
隨著垃圾分類工作有序推進，城鎮(zhèn)污水污泥和廚余垃圾等有機廢棄物協(xié)同資源化利用展現(xiàn)出廣闊的應用前景。采用厭氧消化協(xié)同處理污泥和廚余垃圾，將有機質(zhì)高效轉(zhuǎn)化為沼氣，不僅可以利用基質(zhì)互補優(yōu)勢，提高厭氧消化的產(chǎn)氣效率，穩(wěn)定厭氧消化工藝的運行，還能通過集中處理不同類型的廢棄物實現(xiàn)成本分攤，利用現(xiàn)有資金和基礎(chǔ)設(shè)施，更好地發(fā)揮規(guī)模效應，提高土地資源的利用效率，降低單位投資成本。以我國中等規(guī)模地級市的污泥和廚余垃圾產(chǎn)量為例，假設(shè)污泥和廚余產(chǎn)量各為150 t/d（含水率80%），采用協(xié)同厭氧消化相較于2種物料分別獨立厭氧消化，總投資成本可節(jié)省20%~40%，占地可節(jié)省30%~50%，運行成本可節(jié)省10%~30%，因協(xié)同基質(zhì)下產(chǎn)氣量增加、加熱保溫等實現(xiàn)的能源消耗降低可減少碳排放20%~30%。
位于美國威斯康辛州的希博伊根（Sheboygan）污水處理廠于2002年全面啟動能源回收計劃，將有機質(zhì)含量高且易降解的奶酪垃圾、啤酒廠廢液等外源食品廢物和剩余污泥進行協(xié)同厭氧消化，產(chǎn)生的沼氣進行熱電聯(lián)產(chǎn)，電能用于污水處理運行，熱能用于消化池保溫和冬季污水廠建筑物取暖，沼渣用作農(nóng)業(yè)肥料，于2013年基本實現(xiàn)了能源自給自足［25］。經(jīng)過長期研究和工程實踐，污泥協(xié)同廚余垃圾等有機質(zhì)資源利用在國內(nèi)的推廣應用也日益廣泛，在鎮(zhèn)江、蘇州、泰州、北京、大連、重慶、九江、德陽和攀枝花等十余座城市成功應用，合計處理規(guī)模達8000 t/d以上，產(chǎn)生沼氣達30萬m3/d以上，按照每立方米沼氣發(fā)電2.0 kW·h計算，每年可發(fā)電2.19億kW·h，相應減少碳排放14萬t。
3.1.2無機物料協(xié)同
多源污泥中無機質(zhì)的主要組成和黏土、砂土相似，可以協(xié)同其他無機材料用于建材制造，如制備水泥熟料、磚瓦、工程回填材料等。以污泥燒制水泥熟料為例，可協(xié)同利用脫水、深度脫水、半干化的污水污泥或脫水后的河湖底泥。生產(chǎn)1 t熟料需要1.3 ~1.6 t的生料，其中最多14%的生料可以用污水污泥（以干基計）替代，替代比例受限于P2O5和Fe2O3對熟料品質(zhì)的影響［26］。若10%的生料由污泥替代，每利用1 t干污泥可減少CO2排放53 kg。若利用水泥窯余熱進行污泥干化，干化后的污泥熱值較高，還可替代部分燃煤，進一步增強減碳效果。
此外，污泥焚燒灰渣、管渠污泥無機篩渣、河湖底泥等可與建筑垃圾、建筑渣土等協(xié)同制備免燒磚或再生回填材料。免燒磚由污泥、礦渣、砂石、石灰等原料加入少量水泥制成；再生回填材料則可用于地下工程、道路建設(shè)。例如，將河湖底泥與水泥、石灰和高爐礦渣按一定比例混合，固化處理后養(yǎng)護90 d作為填筑土材料［27］；紐約、新澤西港通過在疏浚底泥中混入石灰石等材料消除了原硫礦中的酸性浸出液，使其可以充填露天礦石場［28］。通過這種方式，污泥部分替代了黏土、砂土等天然資源，減少對自然資源的開采，從而降低碳排放。
3.2上下游協(xié)同
污水污泥、管渠污泥都來源于排水系統(tǒng)，污泥的碳減排需要和上游排水系統(tǒng)協(xié)同考慮。以污水污泥為例，污水的水質(zhì)、污水處理工藝和處理效果決定了污泥泥質(zhì)，污泥處理處置的工藝選擇、能耗物耗和碳排放與污水系統(tǒng)密切相關(guān)。我國污泥的有機質(zhì)含量顯著低于發(fā)達國家，污泥泥質(zhì)的改善對于污泥處理處置和整個排水系統(tǒng)的碳減排均具有重要意義。污泥的提質(zhì)始于污水的提質(zhì)，污泥處理處置的碳減排應和污水系統(tǒng)整體優(yōu)化相結(jié)合，通過科學管理和技術(shù)改進實現(xiàn)協(xié)同降碳。
3.2.1科學取消化糞池
化糞池可以將生活污水分格沉淀，但同時也會截留碳源，并通過厭氧過程產(chǎn)生大量CH4。根據(jù)第七次全國人口普查，我國城鎮(zhèn)人口為90199萬人，人均BOD產(chǎn)生量按50 g/（人·d）計，化糞池設(shè)置比例若為0.5，化糞池對BOD的去除率取60%［29］。根據(jù)IPCC計算公式計算得到我國城鎮(zhèn)化糞池CH4年排放當量約為2778萬t/a（以CO2計，下同），接近全國污水處理廠碳排總量3246萬t/a�；S池減少了進入后續(xù)處理單元的富含有機質(zhì)的懸浮固體量，從而影響后續(xù)污水處理系統(tǒng)產(chǎn)生的污泥性質(zhì)。結(jié)合雨污混接改造、分流制改造科學取消化糞池，不僅可以改善污水濃度和C/N值、降低碳排放，還有利于改善污泥泥質(zhì)，將原本在化糞池無序轉(zhuǎn)化未能利用的有機質(zhì)部分轉(zhuǎn)移到污泥中，提高污泥的資源利用價值，同時降低因CH4散逸和污泥處理產(chǎn)生的碳排放。
3.2.2提升除砂性能
我國城鎮(zhèn)污水處理廠進水普遍存在無機懸浮固體濃度高的現(xiàn)象，尤其是在南方地區(qū)，進水濃度低、碳源不足的問題導致許多污水處理廠取消了初沉池，無機顆粒去除的壓力都集中在沉砂段，沉砂池的效果將對污水處理廠的正常運行和污泥泥質(zhì)產(chǎn)生較大影響。一方面，我國污水進水中顆粒物粒徑分布有別于發(fā)達國家。美國大部分地區(qū)污水處理廠進水中>200 μm的砂粒占50%以上［30,31］，對我國南方某城市7座污水處理廠的調(diào)研顯示，進水顆粒物中粒徑>200 μm的占比<15%，沉砂池對進水顆粒物的去除率僅為5%~13%［32］，除砂效果遠低于預期。另一方面，對污水處理廠除砂單元運行和設(shè)計的重視有待提升。通過優(yōu)化沉砂池的停留時間、曝氣量、流態(tài)等參數(shù)，可以提高無機顆粒的去除率。隨著微細顆粒分離技術(shù)的發(fā)展，探索在進水端選擇合適的技術(shù)分離進水中的粉砂，不僅對于提升污泥有機質(zhì)水平具有重要意義，還有利于延長污水處理系統(tǒng)的設(shè)備使用壽命、提高運行穩(wěn)定性，具有污水污泥協(xié)同提質(zhì)、增效和減碳效益。
3.2.3優(yōu)化污水處理工藝
污水處理工藝的選擇和運行與污泥產(chǎn)量和泥質(zhì)密切相關(guān)［33］，由于我國存在多個污水處理廠產(chǎn)生的污泥集中在獨立設(shè)施處理的情況，污水處理和污泥處理往往具有各自獨立的物理邊界和管理邊界，造成污水處理的設(shè)計、運行常常只考慮水質(zhì)和需要處置的泥量，不關(guān)心泥質(zhì)和后續(xù)污泥處理處置。污水處理工藝的選擇和運行不應與污泥處理處置割裂，兩者需協(xié)同考慮。奧地利因斯布魯克市的斯特拉斯（Strass）污水處理廠以主流AB法和側(cè)流厭氧氨氧化工藝相結(jié)合的方式使剩余污泥產(chǎn)量最大化，且污水中的有機質(zhì)資源充分富集在污泥中，再通過污泥厭氧消化和熱電聯(lián)產(chǎn)，早在2005年其產(chǎn)能與耗能比值已達到108%［34］。對于現(xiàn)有污水處理廠，采用精細化智能管控，優(yōu)化曝氣和藥劑投加，避免污泥內(nèi)源代謝、過量加藥，也有利于提升污泥的有機質(zhì)含量和品質(zhì)，達到污水與污泥協(xié)同節(jié)能降耗和減碳目的。
3.3跨行業(yè)協(xié)同
實現(xiàn)雙碳目標是全社會共同的責任，需要各行各業(yè)的通力合作。這一目標的達成不應局限于單一行業(yè)的努力，而是需要跨行業(yè)之間的緊密協(xié)作和支持。每個行業(yè)在追求自身減排目標的同時，也應積極探索和其他行業(yè)協(xié)同減碳的機會�？缃鐓f(xié)同不但為解決本行業(yè)問題提供新的解決思路，而且有助于加速整個社會向低碳轉(zhuǎn)型的步伐，對于我國全面實現(xiàn)雙碳目標具有重要意義。
污泥資源利用是排水行業(yè)和其他行業(yè)協(xié)同減碳的重要切入點。前文提到的污泥和其他物料協(xié)同厭氧消化、建材利用等均是排水行業(yè)和其他行業(yè)協(xié)同減碳的成功實踐。近年來，我們開始以更開放和創(chuàng)新的態(tài)度探索新的資源化和協(xié)同減碳路徑，充分挖掘污泥中的優(yōu)質(zhì)資源，并形成更具競爭力的跨行業(yè)產(chǎn)品，使環(huán)保行業(yè)在推動綠色低碳發(fā)展中發(fā)揮更積極的作用。
污泥作為污水處理產(chǎn)物，是微生物殘體的聚集體，含有豐富的有機質(zhì)、營養(yǎng)元素、腸道菌群及其代謝產(chǎn)物。熱堿處理可以從污泥中高效溶出超過50%的氮元素，并保持高比例的有機氮形態(tài)，同時增加氨基酸、腐殖酸、植物原生激素等植物生長促進物質(zhì)的產(chǎn)量［35］。研究表明，這種處理后的液相產(chǎn)物中的重金屬含量符合肥料標準，并能促進作物生長，改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，提高土壤化肥的轉(zhuǎn)化效率［36,37］。使用該技術(shù)處理的液相產(chǎn)物進行水稻種植時不減產(chǎn)，且無需使用農(nóng)藥，并可減少30%的化肥使用量。昭通市第二污水處理廠應用此技術(shù)處理污泥，其產(chǎn)物已成功用于多種農(nóng)作物種植，替代部分化肥和農(nóng)藥，提升了作物品質(zhì)。處理后的泥餅可用于煙草種植、礦山修復和制備吸附性板材。每噸含水率80%的污泥經(jīng)熱堿處理后資源利用的全鏈條碳排放為負值（-326~-253 kg，以CO2計），通過污泥的跨行業(yè)資源利用，實現(xiàn)了傳統(tǒng)人類糞便資源與農(nóng)田循環(huán)的閉環(huán)。由于大幅度減少土壤化肥和農(nóng)藥殘留，這一技術(shù)從根本上削減了農(nóng)業(yè)面源污染，促進排水行業(yè)和農(nóng)業(yè)的協(xié)同減污降碳。
04
展 望
隨著全球?qū)夂蜃兓年P(guān)注日益增強，污泥處理處置領(lǐng)域的技術(shù)選擇將更加重視節(jié)能降耗和資源利用，對于污水污泥，應優(yōu)先采用能源化和資源化途徑，如高含固、協(xié)同厭氧消化，提高產(chǎn)氣率、降低CH4散逸等排放。土地利用受限時，積極采用熱解碳化工藝，采用焚燒工藝時應重視低品位余熱的回收利用。對于管渠污泥和河湖底泥，重點在于去除雜質(zhì)后無機顆粒的建材、工程利用，充分利用無機質(zhì)替代天然黏土，減少自然資源開采，并盡量減少長距離運輸帶來的碳排放。
污泥處理處置的減碳策略將在系統(tǒng)思維的指導下得到進一步深化和發(fā)展，更加注重系統(tǒng)性和協(xié)同性。未來將不僅聚焦于單一環(huán)節(jié)的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，還將強化全鏈條協(xié)同、跨行業(yè)合作，促進上下游產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展。通過綜合運用高效節(jié)能技術(shù)、拓展污泥和其他物料的協(xié)同利用途徑、優(yōu)化上下游的協(xié)同管理、以及探索跨行業(yè)的協(xié)同減碳機會，有望在更廣泛的范圍內(nèi)實現(xiàn)更深層次的碳減排效益。
