通溝污泥處理工藝及其資源化利用研究
摘要：對排水管道沉積物的清撈會產生大量通溝污泥，并引起一系列管網維護與環境問題。因此，通溝污泥的處理處置逐漸被納入各城市規劃中。介紹了通溝污泥的性質和危害，分析了通溝污泥處理處置技術。通溝污泥處理技術一般包括水力淘洗和濕式多級分離兩種，由于后者資源化利用程度高，用水量相對較小，逐步取代前者成為主流處理技術。然而第一代通溝污泥處理工藝因尾水中超細砂沉積而易導致下游工段不能正常運行。為此第二代通溝污泥處理工藝增加精細格柵對有機浮渣進行去除，再通過旋流+砂分離對超細砂進行分離，有效解決了超細砂沉積問題，保障了下游工段的正常運行。為了減少沖洗水用量，第三代通溝污泥處理工藝引入高效沉砂池，結合高效沉砂池和氣浮的特點，可實現約100%沖洗水全回用，并提高了超細砂的提取率；同時可設計成移動式處理站，方便現場處理處置。最后，詳細探討了砂的資源化利用問題，旨在為需求方提供一套可行的處理處置方案。
隨著我國政府對排水管理工作的重視，城鎮排水管網通溝污泥的處理處置工作也逐步被納入各地政府的規劃中。上海、北京、蘇州、深圳等多個城市率先實施了通溝污泥的減量化、無害化、資源化處理工程，在此過程中積累了大量經驗。為此，對通溝污泥的來源、產量、危害、處理工藝和資源化等方面的資料進行整理，以期為后續開展通溝污泥處理處置的相關人員提供參考。
01 通溝污泥的性質和危害
1.1通溝污泥的來源與產量
在管道養護、清淤過程中清撈出來的管道沉積物又被稱作通溝污泥，其來源為生活污水、工業廢水進入排水管渠系統的顆粒物和雜質，以及進入排水管網的大件垃圾、建筑垃圾、建筑工地泥漿等，其產生具有點多、面廣、分散、不定時及量小的特點。排水管網中管道沉積物普遍存在，可根據《城鎮排水管渠污泥處理技術規程》（T/CECS 700 —2020）對通溝污泥量進行估算，具體算式如下：
式中：Ma為通溝污泥年產量，t/a；L為管網長度，km；Q為單位長度管網每次清掏量，t/（km·次）；N為管網養護頻率，次/a。
從式（1）可以看出，通溝污泥的產量與管網長度、管道養護頻率以及單位管道長度的產泥量密切相關。通常相關養護管理部門會收集片區內5～10年的排水設施量、養護量及污泥產量等基礎數據，對近遠期通溝污泥量進行預測。隨著我國城市化進程的不斷加快，排水系統基礎設施建設也同步高速發展，通溝污泥產量也逐年攀升。不同地區單位長度通溝污泥產量的差異主要與污泥含水率、管道養護頻率等因素直接相關，同時受到地下水位等因素的影響。此外，隨著管道日常維護、清淤工作的加強以及排水管網的逐步完善，排水管網維護清理的制度化和規范化不斷加強，通溝污泥的產生量還會不斷加大。
1.2 通溝污泥的理化性質
由于通溝污泥來源復雜，成分隨城市、用地類型和管道類型不同而有較大的波動，因此，有必要提高對通溝污泥性質的認識，以便為其處理處置提供合適的技術路徑與方案。
根據T/CECS 700—2020要求，對通溝污泥的檢測指標至少應包括含水率、有機物含量和不同粒徑分布。其他參考檢測指標也可包括通溝污泥pH、重金屬、總氮、總磷、揮發酚、礦物油、糞大腸菌群值等。當檢測難以進行時，可對通溝污泥性質進行估計。采用機械作業清淤時，排水管網污泥含水率為80%～90%；采用人工清淤時，排水管網污泥含水率為50%～60%。除此以外，天氣條件對通溝污泥含水率的影響也很大，雨季時高含水率（>70%）的情況較為多見，而低含水率（<30%）的情況多出現在旱季或者過渡季節。通溝污泥的pH為6.5～8.5，整體偏中性，有機物占比為3%～35%。
通溝污泥的理化性質會對其后續的處理處置工藝造成影響，一般在項目實施前應對通溝污泥進行必要的檢測。與市政污水廠的污泥相比，通溝污泥中的有機質含量相對較低，其無機質部分主要由無活性的、含量可達58%的SiO2組成。因此通溝污泥的密度一般為1.10～2.76g/cm3，高于一般污水廠活性污泥的密度（0.5～1.1g/cm3）。
通溝污泥中不同粒徑顆粒占比會影響后續處理設備的選擇以及分離物的資源化利用方式。根據《建設用砂》（GB/T 14684—2011）和《建設用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）中的規定，對砂的粒徑定義范圍是0.075～4.75mm，而對碎石的粒徑定義范圍是4.75mm以上。從資源化角度來看，砂、石的可利用場合最多，因此提取污泥中的砂、石具有較高的經濟價值。調研發現，各地通溝污泥中的無機顆粒物質以砂礫的占比最高，上海大多數通溝污泥的砂礫尺寸都小于1mm， 粒徑在0.2mm以下的顆粒占50%以上。因此，從資源回收的角度考慮，通溝污泥處理工藝的設計應實現對粒徑為0.075mm以上的顆粒進行有效分離和回收。
不同管網類型的通溝污泥性質也存在較大差別。分流制雨水管網的通溝污泥含有較多泥、砂、石等無機物質，污水管網或合流制管網的通溝污泥往往含有較高比例的有機物甚至生活垃圾，分流制污水管道中的污泥較合流制的污泥可能具有更高的含水率，COD和臭氣濃度也較高。
不同用地類型也會影響通溝污泥的性質。城市主干道附近的污泥通常砂石較多，居民區的污泥通常有機質含量較高、生活垃圾等較多。而在餐飲密集的商業區則污泥有機質含量高，對砂礫的清洗以及有機物的去除要求較高。
通溝污泥在管道溢流時會對接納水體造成污染，因此，所含污染物的種類和濃度也應引起重視。除了碳、氮、磷等污染物含量外，通溝污泥中重金屬含量也不容忽視。除了重金屬可能造成的環境污染外，往往對通溝污泥處置產物或資源化利用產品中的重金屬含量也有嚴格要求。通溝污泥中的重金屬含量同樣與管網類型有密切關系。合流制管網或居民區、工業區管網的通溝污泥中重金屬含量較高，更確切地說是和人類活動密切相關。
1.3 通溝污泥的危害
城市排水管網系統是城市基礎設施的重要組成部分，在雨水和污水輸送過程中，水中易沉降物質會發生沉積并逐漸累積。這些沉積物會減小管道排水斷面、增加水力摩擦，降低管道的排水能力，甚至會堵塞管道，影響輸送效率。管道沉積物還對整個排水系統構成許多其他威脅，如增加CH4、N2O等溫室氣體的排放量，產生揮發性有機化合物（VOCs），消耗污水中的BOD5等。管道沉積物累積還是導致排水系統過載和無計劃污水排放的常見原因之一，是雨季溢流導致的面源污染的主要來源。
此外，排水管網中管道沉積物生物膜已被證明是攜帶抗生素耐藥基因（ARG）的細菌和病原體增殖的潛在“窩點”。如具有ARG的耐藥菌株和致病菌經廢水進入自然界，會給人類健康造成威脅。
1.4 解決措施
針對以上管道沉積物導致的問題，可采用技術手段進行控制或改善。
水力沖洗被廣泛用于沖刷管道中的沉積物，并將其輸送至下游具備充分自潔條件的管段。沖洗效率主要與顆粒的大小和直徑有關，同時由于沖刷的水力條件不會直接影響沉積物中的微生物胞外聚合物，水力沖洗無法完全降低下水道沉積物的黏結強度，導致沖洗效率不高。另外，水力沖洗的初始能量較高，在閘門段下游的管道中觀察到了侵蝕效應。而且沖刷后的沉積物中特細砂極易在中途泵站集水池、污水處理廠中沉積，加劇設備的磨損，增加運維費用。因此一般認為管道清淤是維護排水管網的一種更經濟、有效的補充方法。其好處不僅在于減小管網堵塞的風險，還可以有效控制管道沉積物帶來的污染和負面環境影響。
清淤后的排水管網可大幅降低溫室氣體CH4排放量，而H2S和VOCs排放、污水碳源消耗和管道污水承載力的損失等問題也會得到緩解。因此，在城市排水管網系統的綜合運營新愿景下，管理目標應向更強的可持續性和更少的碳足跡邁進，進而迫切需要一種更主動、更高效的方法來管理管網沉積物，而不是在管網系統出現問題后再進行維護。
02 通溝污泥的處理處置技術
2.1 通溝污泥處理處置工藝分析
近年來國家密集出臺了多部與城市污泥和固體廢物處理處置相關的政策與規范，其核心是實現污泥的減量化、資源化和無害化。通溝污泥有機質含量低、灰分高、低位熱值低、營養物含量不穩定，不適于農用、土壤改良、園林綠化和焚燒，可經過一定處理后作為建材利用。因此，在通溝污泥最終處置前需要進行相匹配的處理。
通溝污泥的處理技術主要有自然干化、重力脫水和綜合處理。自然干化適用于有機質含量低的通溝污泥（如雨水管通溝污泥），且氣候比較干燥、降雨時間少、占地不緊張以及環境衛生條件允許的地區。重力脫水適用于含水率較高的通溝污泥（如95%的含水率），經過24h沉積后含水率可減少到70%左右，有利于污泥運輸，可作為通溝污泥中轉站的污泥減量化工藝。目前一般通溝污泥站都設計污泥儲存池，容積按照不小于2 d的處理量設計。
綜合處理工藝包括儲泥、預處理、粗料分離、砂分離、細料分離和泥處理等環節，一般有水力淘洗和濕式多級分離技術。水力淘洗可以實現大塊磚石、輕質浮渣和沉砂的分離，但是對顆粒物的粒徑分級程度不夠高、耗水量較大、資源化利用程度較低，且設備磨損率較高。濕式多級分離采用水力旋篩+砂石分離工藝，于2013年在北京清河作為全國示范工程成功投入運轉，上海市排水管理處在經過比對后主推此工藝，并將其用于浦東區、楊浦區、閔行區、崇明區、金山區的通溝污處理。近幾年，該工藝在蘇州、深圳和常州等地也陸續得到建設應用。因此，著重探討該工藝在通溝污泥處理上的發展，以期為從事該行業的設計人員提供設計思路。
2.2 可持續的通溝污泥處理技術發展歷程
2.2.1 第一代工藝
理想的通溝污泥處理與處置技術需要具備高效和可持續性的特點。北京清河通溝污泥處理工藝（第一代工藝）流程見圖1。
圖1初代通溝污泥處理工藝
該技術采用德國HUBER洗砂器，對0.2～10mm砂礫的篩分率可以達到95%以上，故障率低，運行維護方便。淘洗后有機物含量<3%，可以長期存放并作為低檔建筑材料或者路基材料。由于粒徑<0.2mm的超細砂隨尾水排放時極易在泵站、管網中沉淀，嚴重影響有關設備、設施的正常運行，增加維護費用，所以，在原有工藝基礎上，于砂水分離裝置后再設置細篩分離裝置對有機浮渣進行去除，然后通過旋流+砂分離的處理手段對超細砂進行分離。改進工藝有效減緩了超細砂的沉積問題，極大減緩了下游管網和污水泵站集水池的高風險運行狀況。目前改進工藝已在上海、蘇州昆山、北京等地得到了較多應用，但是仍存在通溝污泥中油含量高影響超細砂沉積、超細砂由于沒有經過洗滌不能直接資源化利用等問題。因此在該改進工藝基礎上，HUBER推出第二代通溝污泥處理工藝。
2.2.2 第二代工藝
第二代通溝污泥處理工藝（見圖2）利用高效沉砂池（HUBER GritWolf?，簡稱砂狼）取代旋流+砂分離，以提高超細砂的資源利用率。由于沉砂池的重力沉降以及撇渣作用，使得該池出水可以作為對水質要求不高的洗滌轉鼓用水，以節約大部分的沖洗用水量。
雖然第二代通溝污泥處理工藝可以將約70%以上的沖洗水回用，但是針對洗砂裝置和精細格柵裝置，仍需提供外來水源，該部分用水量約為16～41m3/h （該數值受到通溝污泥處理量和處理工藝的影響）。因此，對于某些缺水地區，通溝污泥的處理需要考慮沖洗水全回用的工藝。另外，我國通溝污泥中粒徑<0.075mm的粉砂占比較高，有些地方甚至達到50%以上，這些粉砂對管網輸送過程的影響雖然比0.075mm以上砂粒小很多，但會導致尾水懸浮物濃度較高；再加上尾水中較高的COD濃度（1500～4500mg/L），對下游小型污水處理廠造成了不小的沖擊負荷，提高尾水水質也勢在必行。因此，對于水環境敏感地區要考慮通溝污泥沖洗水的全回收利用。再者，通溝污泥大部分都是通過污泥運輸車送到集中站點進行處理，運輸成本較高，且污泥量較少，通溝污泥疏浚點分散度高，因此移動式通溝污泥處理一體化設備十分必要。
2.2.3 第三代工藝
對于移動式通溝污泥處理站，需要統籌考慮其沖洗水來源、尾水排放、篩分物處理、占地等因素。針對上述考慮，HUBER推出一種緊湊式的沖洗水全回用的通溝污泥處理工藝，即第三代通溝污泥處理工藝，其流程見圖3，相關設備見圖4。
第三代通溝污泥處理工藝特點在于：①該設備占地小，可根據需要設計成移動車載式通溝污泥處理站（見圖5）或固定通溝污泥處理站。②可迅速實現通溝污泥最大程度的篩分，將通溝污泥中的生活垃圾、建筑垃圾、生物質垃圾有效篩分成粒徑>10mm的粗大垃圾、0.1～10mm的細砂、2～10mm的有機柵渣、粒徑<0.1mm的超細砂、含固率>20%的污泥等，且得到的篩分物衛生條件良好，方便后續資源化利用。③可實現設備沖洗水約100%回用，極大節約水資源，減少尾水排放量和污染物濃度。
該全回用水工藝已應用于德國Hammerer Kanalservice項目，處理量為10t/h，建于2021年。具體工藝布置形式見圖6。
03 通溝污泥處理渣料資源化利用技術
通溝污泥經處理后產生的各種渣料的資源化利用是整個通溝污泥處置過程中實現碳減排和可持續性的關鍵步驟。
① 對于粒徑>10mm的粗大物質，其成分復雜，含有生活垃圾（樹葉、樹枝、塑料袋、塑料瓶、衛生巾、濕紙巾、玻璃瓶等）和建筑垃圾（石塊和木塊），經過洗滌后衛生條件較好，可根據后續需要將石塊分選出來，作為建筑材料使用；其他物質可作為生活垃圾進入環衛系統處理。
② 對于粒徑為0.1～10mm的細砂，出料占比為5.4%～14.9%，有機燒失率<3%，含水率為9%～40%。由于其具有較低的有機質含量，可以直接作為低檔建材回收利用，如燒結磚、免燒結磚、透水磚以及陶粒的制作，或者用作硅酸鹽制品的骨料，以及用于管道基槽和溝槽回填。當細砂用于制備燒結磚時，其摻比不高于10%，pH應為5～10，含水率<40%，有機質含量<50%。當細砂用于免燒結磚和透水磚的制作時，對其性質并沒有統一要求，但是產品品質須符合相關質量標準。而當細砂用于陶粒制作時，根據其粒徑大小可以分為細集料（粒徑<4.75mm）或者粗集料。相關規范還對細砂的細度模數、堆積密度、筒壓強度、吸水率、軟化系數、有害物質含量（其中有機質含量須小于3%）等指標有進一步要求。當用細砂制備免燒結陶粒時，可輔以添加粉煤灰、膠結材料和激發劑等，一般細砂的占比可以達到80%。如果將細砂作為硅酸鹽制品的骨料，應關注所含氧化物的種類和含量，其中SiO2含量至少要在65%以上，不足的部分應摻入其他材料以滿足制備要求。一些硅酸鹽產品對細砂的粒徑也有要求，須在2.36mm以下。洗凈后的細砂成分與粉煤灰中的化學成分高度相似，且符合粉煤灰對有機燒失率的要求，故可以作為路基材料。除了以上介紹的資源化利用途徑外，細砂還可用作土壤滲透性改良材料，如雨水花園中的填料，以提高徑流水質和削減徑流水量。
③ 對于粒徑<0.1mm的超細砂，出料占比為5%～15%，有機燒失率<20%，含水率為9%～40%。該部分物質可用于制備三渣混合材料。王志新等將粒徑<0.2mm的超細砂作為細集料，制成各項路用性能完全符合要求的三渣混合材料，其早期強度和耐久性明顯好于普通三渣，且可有效控制污泥中的重金屬滲漏，實現了通溝污泥變廢為寶、綜合利用的目的。該部分超細砂也可協同0.1～10mm的細砂制陶粒。
④ 粒徑為2～10mm的有機柵渣占比為2.1%～6.4%，含水率為60%～70%，由于含有較高的有機物，可以進行好氧堆肥、太陽能干化后焚燒或者協同干化后的污泥一起焚燒。
⑤ 脫水污泥出料占比為0.1%～3%，含水率<80%。該部分物質為粉粒或黏粒級別礦物質和有機物的混合物，協同粒徑<0.1mm的超細砂可考慮利用水熱固化技術制磚。但是該制磚技術需要將污泥干化至含水率10%左右，且對來料有機質含量有一定的要求，并需選取其他無機固廢協同處置，以保證產品強度。對于通溝污泥分離的污泥和超細砂，有機物和無機物的配比接近該技術的需求，且處理量不大，可建立固定式處理站，污泥干化后與超細砂進行水熱固化反應制磚。
04 結語
① 城市排水管網中的沉積物會造成管道堵塞、溫室氣體排放、管道腐蝕、臭味和溢流污染等一系列運行與環境問題。在碳中和與可持續發展的背景下，需要對排水管網中的沉積物采取更加高效、主動的管理措施來減少其帶來的各種負面問題。同時隨著城市化發展與城市管網系統的逐步拓展與完善，亟需對管道沉積物清理出來的越來越多的通溝污泥進行合理處置。
② 不同城市通溝污泥的性質差別很大，同時污泥性質還受到管網類型與用地類型的影響。濕式多級分離處理工藝對通溝污泥性質變化適應性強，還可兼顧污泥的資源化利用。鑒于“節水即治污”的理念，堅持節水優先的政策，對于水資源敏感地區，可采用沖洗水全回用的通溝污泥處理工藝。該工藝可實現約100%沖洗水回用，有利于大幅降低尾水排放量，提高通溝污泥資源化利用率。該工藝可采用移動式通溝污泥處理站形式，解決通溝污泥處理點分散的問題。
③ 通溝污泥處理工藝分離得到的篩分物有較好的資源化利用潛力，可根據具體的通溝污泥性質選擇合適的資源化利用技術。未來通溝污泥處理工藝的發展應向更大程度的碳減排，以及無人值守的工業4.0方向發展，以進一步提高處理工藝的社會經濟效益，減少工藝運行維護成本。
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