城市污水污泥资源化技术研究
【摘要】近年来，随着我国污水处理率的上升，污泥的产量日益增加，污水处理厂污泥的处理及处置成为比较严重的问题。本文对污水处理厂污泥的传统处理存在的问题，进行了分析和研究，并就资源化利用技术作了归纳，分析了今后的发展趋势。
【关键词】城市污水污泥；处置；污泥资源化
1. 前言
城市污水污泥是指城市污水处理厂处理废水所产生的固态废弃物，含有大量的水分、丰富的有机物及N，P，K等营养元素，同时还含有重金属及病原菌等有害物质。随着我国污水处理事业的发展，产生的污泥量正在日益增加。根据《2004年中国环境状况公报》数据显示，2004年废水排放量为482.4亿吨（年度增长率4.8%），其中工业废水排放量为221.1亿吨，生活污水排放量为261.3亿吨，全年城市污水处理量达到了162亿立方米（城市污水处理率45.6%）相当惊人的数量。长期以来，我国存在着重废水处理，轻污泥处理的倾向。因此，寻求经济有效的减量化、无害化和资源化的处理和利用，具有重要意义。
2. 传统污泥处置方法
传统的污水污泥处置方法主要有海洋投弃、卫生填埋、污泥焚烧和土地利用等，这些处置方式在实际应用中发挥了一定的作用，但随着环境标准的更加严格化，当人们审视整体环境效益的时候，其弊端就明显暴露出来了。传统污泥处置方法的具体问题分析见表1。
表1 传统污泥处置方法
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方法名称 |
基本概念 |
优点分析 |
问题分析 |
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海洋投弃 |
靠海的污水处理厂将其液态剩余污泥直接排海的污泥处置方法。 |
方法简单，在一定限度范围内利用了水体的自净能力，经济费用低。 |
没有从根本上解决环境污染问题，在某种程度上只是一种将污染由陆地转移到海洋的消极方法，污泥进入水体后导致水生环境恶化。 |
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卫生填埋 |
基本方式是污泥经过灭菌处理后，直接倾倒于低地或谷地后加以封固。 |
处理成本低、不需要高度脱水，初步解决污泥出路问题。
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需占用大量土地、耗费可观；存在渗滤液污染地下水、病原体继续繁殖、臭味、污泥消化导致的气体爆炸等问题。 |
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污泥焚烧 |
利用污泥中有机成分高，具有一定热值的特点来处置污泥。 |
处理时间短、占地面积小、残渣量少、可达到完全灭菌的目的，并能实现一定的热能回收利用。 |
技术和设备复杂，一次性投资大；能耗高，操作管理复杂，运行管理费亦高；存在“二恶英” 等气体污染。 |
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土地利用 |
利用污泥中含有丰富的有机营养成分氮、磷、钾等元素的特点，投放到农(林)业耕地、牧业草地、园林绿地等土地中进行利用的方法。 |
实现了一定的肥效利用，不失为污泥资源化的一种重要途径 |
污泥中重金属造成土壤及作物的二次污染：污泥中的病毒、病原体对环境造成影响；氮磷等物质浓度过高会造成对地下水的污染。 |
显而易见，传统的污水污泥处置方法未能提供稳定可靠安全的处理处置途径，存在着污泥二次污染的严重隐患及环境风险。
3. 污泥资源化技术的研究进展
污泥资源化技术的开发和运用，符合经济发展和资源环境的客观要求，有利于对环境和资源的可持续发展，有助于建立循环经济，有利于使社会效益、经济效益和环境效益相统一。下面介绍主要的污泥资源化技术及其研究进展。
3.1污泥堆肥土地利用技术
堆肥化是利用自然界广泛存在的细菌、放线菌、真菌等微生物，有控制地促进固体废弃物中可生物降解的有机物向稳定的类腐殖质生化转化的微生物学过程。在它的微生物生化转化过程中，将污泥中的有机物分解，并杀灭传染病菌、寄生虫卵与病毒，同时提高污泥肥分为后续的资源化利用提供产品。目前，世界各国对有机固废的堆肥化技术进行较系统的研究，已形成相当成熟的堆肥化技术。一般工艺流程如图1：
图1 污泥堆肥一般工艺流程
近年来，对污泥堆肥产品的土地利用进行了大量的研究。南京农业大学资源环境学院周立祥等[2]通过培养试验、盆栽试验和田间试验系统地研究了污泥的组分特征、性质及其农地和城市园林绿化地利用对作物或绿化灌木、土壤肥力及其环境的影响。结果表明，污泥富含有机质和N、P等矿质养分，且养分当季有效性介于化肥与普通农家肥之间。广州市园林研究所[3]把污泥与木屑(绿化公司修剪下来的树枝粉碎)混合堆肥，作为育苗和花卉基质，效果不亚于用泥炭土开发的花卉基质。中国科学院沈阳应用生态研究所[4]以沈阳北部污水处理厂污泥为研究对象，开展了污泥堆肥土地利用对树木生长及土壤环境影响的研究。结果表明，污泥堆肥与对照相比树高，增加了11％～25％，地径粗增加了19％～50％，加速了树木生长，缩短了木材的生长循环，增加了木材产量。污泥土地利用不但提高了土壤中N、P及有机质含量，同时明显增加了土壤中Cd元素的含量，不同处理土壤Cd含量比对照增加了12．95％～154．48％，土壤Pb、Cu、Zn含量变化甚微。
众多的研究表明，城市污水污泥堆肥后的产品可作为农肥或土壤改良剂,堆肥的土地利用是很有发展前景的一种处置方法，它是城市污水污泥处置中一条经济有效的出路。
3.2污泥制取复合微生物肥技术
污泥制取复合微生物肥是指污泥经过烘干、粉碎后加入氮、磷、钾等植物生长所需营养元素和菌粉，然后进行混合造粒，再经低温干燥冷却后与复混肥混合配成的复合肥。此类肥料在我国主要依赖进口，试验和生产才刚刚起步。张学洪等[5]进行了城市污水污泥复合微生物肥水稻施肥试验，结果表明：该有机复合肥对水稻的增产效果显著，肥效与常规化肥相当，在肥效长效性上更有显著的优势。陈同斌等[6] 通过盆栽和大田试验，初步探讨了污泥复合微生物肥种植小麦的肥效及其对小麦重金属吸收的影响，试验结果表明：污泥复合微生物肥对小麦的增产效果和土壤的培肥效果明显优于化肥，等同于市售复合肥。它能促进植株生长发育，提高小麦产量，对土壤速效养分的积累有明显的促进作用。张国占等[7] 利用城市污水厂污泥进行了复合微生物肥中试及产品的田间试验，结果表明污泥复合微生物肥可增加农作物产量而且不会引起重金属超标。对污泥制肥中的污泥干燥及相关政策问题进行了探讨。此外，还进行了污泥制造复合微生物肥的技术应用实践，对实验产品进行了田间试验，取得了良好效果。污泥复合微生物肥生产的一般工艺流程如图2：
图2 污泥复合微生物肥生产的一般工艺流程
3.3污泥能量利用技术
城市污水污泥中含有大量的有机物，质量分数约70％～80％，脱水污泥发热量也很高，约为8360J／g，具有较好的能源利用价值。胡光埙等研究表明[8]，坝煤50％、消化污泥35％、添加剂(含固硫剂)15％配制的合成燃料，其热效率比坝煤热效率高出l4.71％，炉渣含碳量、二氧化硫排放量、林格曼黑度等级均比坝煤低。另外，污泥具有粘结性能，活性污泥作为粘结剂将无烟粉煤加工成型煤，而污泥在高温气化炉内被处理，防止了污染；污泥作为型煤粘结剂，可改善在高温下型煤的内部孔结构．提高型煤的气化反应性，降低灰渣中的残炭。唐黎华[9] 的研究表明，污泥添加质量分数为2％(干基)．白泥添加为0-3％(干基)时，所制型煤抗压强度、跌落强度、热稳定性与白泥型煤相当，且污泥型煤无二次污染，其气化成分符合氨原料气的要求。经过此种技术合成的燃料，燃烧产生的烟气可以通过常规的气体净化装置去除其中的酸性气体及其他大气污染物，为污泥处理提供了一条新的途径。温俊明等[10] 利用热重分析仪研究了污泥在空气环境下以不同升温速率(20℃／min、30℃／min、50℃／min)从50～950℃的燃烧特性，并通过最小二乘法计算得出由3个独立的、连续的平行反应组成的燃烧动力学模型，模型计算结果与实验结果吻合较好。为污泥焚烧设备的设计、运行以及燃烧工况的实施提供指导。
3.4污泥制取吸附剂技术
对于含碳较多的生化污泥，在一定的高温下，可通过化学途径将其制成吸附剂。如日本，以脱水污泥滤饼为原料，开发出了高性能活性炭，在500℃～600℃下碳化脱水，经酸洗除杂质，再用碱活化[11]。该法制得的活性炭其细孔的比表面积是市售品的1.8倍以上，吸附能力大大增强。其工艺流程如图3：
图3 污泥制取吸附剂工艺流程
杨丽君等[12]以污水处理厂产生的污泥为原料，采用微波辐照磷酸活化的方法制备污泥活性炭，得出磷酸微波法制污泥炭的最佳条件为：微波功率480W、辐照时间260s、磷酸浓度40％。该条件下，制得的污泥炭碘值为517.4mg／g，产率为43％。用其处理TNT废水，取得了良好的效果。
李桂芳等[13]在对污水污泥吸附处理染料废水的工艺条件进行优化的基础上，得到污水污泥对3种染料(中性橙、中性黑BL，元青)的最大吸附量及其吸附类型。结果表明，污泥焙烧温度、废水pH值和吸附时间对吸附效果有影响，而废水温度的变化则不会引起脱色率的较大改变。在最佳工艺条件下(污泥经400度焙烧，废水pH值为1，吸附时间为30min，水温为30度)，3种染料废水的脱色率均达到98％，其最大吸附量都在29mg·g-1左右，与活性炭的效果相当，而高于其它种类的吸附剂。焙烧后的污泥对中性黑BL的吸附符合Langmuir方程，对中性橙和元青的吸附符合Henry方程。焙烧污泥的优良脱色性能使其在染料废水处理方面具有较好的应用前景。
3.5其他污泥资源化技术
除了上述的研究较多资源化技术外，污泥的建材利用和热解处理等技术也获得很好的成效。利用污泥可以制砖、制纤维板，也可用于铺路等[14]。制砖时，可直接用干化污泥制砖，或用污泥焚烧灰制砖。污泥制造纤维板是由污泥中的蛋白质经变性作用和一系列物化性质的改变后，与预处理过的废纤维一起压制而成。污泥低温热解技术，通过无氧加热污泥干燥至一定温度(<500 度)，由干馏和热分解作用使污泥转化为油、反应水、不凝性气体(NGG)和炭四种产物[15]。何品晶[16]和欧国荣[17]等人也对该种技术进行了实验，并对转化过程的机理进行了探讨[18]。这些技术也正逐步走向实际应用，具有很好的发展前景。
4. 结语
污泥的资源化利用是它的根本出路，其处理和处置始终应以无害化、减量化和资源化为目标，而实现资源化利用的本身就是节约资源，就是实现经济效益与社会效益的同步增长，符合可持续发展与循环经济的原则。同时，污泥资源化利用有两个关键点：一是产品的市场性，二是加工过程的生态性。复杂的工艺和高昂的成本，必然成为污泥资源化利用的障碍；污泥的物质回收利用不能有效控制二次污染，也就失去了真正“资源化”的含义。（作者应俊辉 华东师范大学环境科学系在职研究生 徐亚同 华东师范大学环境科学系教授、博士生导师）
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