城市污泥的资源化利用
摘 要：污泥是城市污水处理厂的伴生产物，含有多种污染物，但也是一种二次资源。本文针对我国城市污水厂污泥的现状，对污泥资源化技术进行了分类，就污泥材料化技术，能源化技术，建材化技术，堆肥利用技术进行了综述与分析，并提出我国污泥资源化的制约因素。
关键词：污泥 资源化
1 前言
随着城市规模的不断扩大和人口的增加，城市污水处理厂的负荷迅速加大，而污水处理产生的大量固体废弃物——污泥的处置也日益成为一大难题。污泥是污水处理厂对污水进行处理过程中产生的沉淀物质以及污水表面漂出的浮沫所得的残渣。一座二级污水处理厂产生的污泥量约占总处理污水量的0. 3%～0. 5% (体积) ，如进行深度处理，污泥量还可能增加0. 5～1. 0倍[1] 。以广东省为例，至2010年6月底，广东省共建成城镇生活污水处理设施268座，日处理能力达1474.8万吨，污泥日产生量已达7000吨(含水率80%)[2] 。作为废水处理过程的副产品，污泥是包含水、泥沙、纤维、动植物残体及各种絮体、胶体、有机质、微生物、病菌、虫卵等的复杂多相体系[3]。中国的污水处理厂多采用二级生化处理工艺，污泥主要产自初沉、二沉及其他固液分离工序，含水率高( > 98 %) ，体积庞大，有机质含量约为 40～50 %，总氮含量 4～5 %，磷( P2O5 ) 含量 1～5 %，钾( K2O) 含量 0. 5～1 %[4];对于生活污水和工业废水混排的场合,污泥中还常含有激素类物质( E1、E2 等) 、毒性有机物(苯、氯酚等) 、重金属 ( Cd、Cr 等) 以及各种无机盐[5]。但由于污泥含有大量有机物、氮、磷等营养物质，若经过适当处理，可以作为优质的“二次资源”[6]。
当前污泥普遍采用的处理与处置方法是焚烧与填埋,然而这两种方法的缺点是： ①处理费用高。污泥的处理费用可高达一个污水处理厂的建设与日常管理总费用的50%左右[7]。②浪费了污泥中的氮、磷及植物生长所需要的多种其它元素。③在污泥焚烧过程中形成的含有多种重金属的烟雾和飞灰有造成二次污染的可能性。④填埋污泥不但需要占用大量土，且有可能污染地下水源。降低污泥处理成本的有效手段之一是通过适当资源化处理使其获得附加经济效益，反补到污水处理总成本之中;而此过程的直接环境效益是避免了污泥二次污染。可以说，污泥资源化处理是未来污泥处理的主流发展方向[8]。
2 污泥资源化利用的定义及分类
2.1 污泥资源化利用的定义
污泥资源化的定义：根据不同使用场合，通过各种物理、化学和生物工艺，提取污泥有价组分，将其重组或转化成其他能量形式，获得再利用价值，并消除二次污染[8]。
2.2 污泥资源化利用的分类
按照所获产品种类不同，可将污泥资源化技术分成：材料化技术、能源化技术、建材化技术、堆肥利用技术。
3 材料化技术
污泥材料化主要包括制备活性炭、制备生物膜载体填料、制备微生物灭蚊剂、蛋白质提取利用等。
3.1 污泥制活性炭
活性炭是以含炭物质为原料，经高温炭化活化制成.目前活性炭的制造方法大体上可分为药品活化法和气体活化法。由于污泥含有一定的有机碳源,根据污泥的组成，适当添加锯末、果壳、果核等副料，提高炭含量，采用在污泥中添加无机盐等活化剂(如 ZnCl2、FeSO4、K2S 等) 浸渍活化处理，在一定温度下炭化，再经活化即可获得活性炭。制备污泥活性炭时，活化剂浓度、固液比、活化温度及活化时间这4个影响因素的控制对污泥活性炭的吸附性能起决定性作用[9-10]。以城市污泥为主要原料制备活性炭符合固体废物污染控制的减量化、资源化、无害化原则，利用现有的活性炭制备技术路线和设备即可满足其生产要求，可以制备出用于去除污水中污染物的吸附剂，体现以废治废，化害为利的原则，对污泥资源化有一定的指导作用。
3.2 污泥制生物膜载体填料
曹凤云和单舒曼等研究了以污泥代替天然原料，在一定条件下可以烧制成填料，并能用作污水处理中生物膜载体。以脱水污泥为主料，添加适量粉煤灰和粘土，制备生物膜载体填料是实验研究的主要内容。实验表明，污泥使用量为70%、 粉煤灰和粘土各15%时，烧成温度为1000±25℃、保温时间为 40 min,烧制的填料抗压强度能达到25mpa、吸水率17%;用于药厂废水处理测试，在常温下的化学需氧量 (CODcr)的平均去除率为74.0%、 悬浮物 ( SS)的去除率为54 . 1%[11]。
3.3 污泥制微生物灭蚊剂
污泥中含有大量可被微生物利用的碳、氮、磷以及其它营养物质。已经证实，可以利用污泥为唯一发酵原料生产苏云金杆菌生物杀虫剂[12]。罗刚和周顺桂等以活菌数、芽孢数和毒效为参数，通过摇瓶发酵试验探讨了污泥为原料制备微生物灭蚊剂的可行性。其研究表明，在含固率适宜的条件下，污泥是微生物灭蚊菌株Bacillus thuringiensis subs p. israelensis 187 (Bti 187 )和Bacillussphaericus 2362 (Bs 2362)的优良产孢产毒培养基. Bti 187和Bs 2362在污泥中发酵42h,活菌数、抗热性芽孢数均显著高于常规培养基.毒力测定表明,在污泥中发酵 42h后，Bti 187发酵液、Bs 2362发酵液对淡色库蚊和白纹伊蚊的48h的半致死浓度与常规培养基相比，杀蚊幼虫毒效显著提高。采用污泥发酵制备微生物灭蚊剂可降低生产成本，且发酵性能优良，为污泥资源化开辟了新途径[13]。
3.4 污泥蛋白质提取利用
作为一种微生物絮体，污泥中的微生物胞内、胞外酶及其他代谢产物含量较高，从中可提取微生物絮凝剂，在水处理中可替代化学絮凝药剂，且不对后续水处理无不利影响[14]。同时，由于污泥含蛋氨酸、胱氨酸、苏氨酸和缬氨酸等粗蛋白氨基酸28. 7%～40. 9%，可利用剩余污泥制备符合国家公共安全行业标准的蛋白质泡沫灭火剂[15]。而赵顺顺等以某污水处理厂剩余活性污泥为材料，采用加热水解法从中提取细胞蛋白，纯度较高，可检测7种必需氨基酸和8种非必需氨基酸且含量很高，可作为很好的饲料添加剂[16]。.
4 能源化技术
污泥能源化主要包括厌氧消化制沼气、污泥燃料燃烧发电、合成燃料、低温热解制油等。
4.1 污泥厌氧消化制沼气
污泥处理过程中可以直接利用厌氧消化产生的沼气燃烧产生的热量加热消化污泥，也可以利用沼气内燃机驱动发电机发电与厂内供电并网，并利用余热回收装置回收沼气内燃机的余热加热消化污泥。资源化利用污泥厌氧过程中产生的沼气，不但可以解决污泥出路问题，而且对节能和降低污水
厂运行费用都有很大意义[17] 。
4.2 污泥燃料燃烧发电
由于含有大量有机质，污泥的热值高达12. 56MJ ·kg – 1，略低于煤饼。污泥可作为替代/辅助能源[18]。脱水污泥的含水率直接影响到污泥处理规模以及干化焚烧的热量平衡，理论上越低越好，但是脱水程度越高，设备投资会增加，能量消耗也会增加，处理成本随之提高，因此，合理选择设计含水率非常重要[19]。根据苏丹等人的计算，污泥燃烧最高限含水率为 67.7%，高于一般污泥机械脱水设备的水平，直接以脱水污泥为燃烧处理对象的焚烧炉，大多需要使用辅助燃料。污泥燃料燃烧所释放出的热能通过热回收系统和发电系统实现能量的转化[20]。
4.3 污泥合成燃料
生物污泥中可燃成分较多，通过掺加适当比例的煤、添加剂等，可制成新型合成燃料。陈瑞军等人经研究，在原料煤粉中加入干化污泥制备民用蜂窝煤，当干化污泥的加入量为25%时，蜂窝煤的热值为20.25MJ/kg，符合国家的有关标准[21]。
4.4 污泥低温热解制油
污泥低温热解是利用污泥有机质在加热条件下的部分热裂解过程产生污泥衍生燃料的技术。经此过程，污泥转化为燃烧特性优越的油、炭和可燃气[22]。国外的污泥低温热解已经开始用于生产实践设备多，主要有流化床反应器、旋转炉热解器。目前国内的污泥低温热解还停留在实验阶段，工艺流程简单，设备也较为简单[23]。
5 建材化技术
污泥的建材化目前主要包括制转、制水泥、制陶粒等。
5.1 污泥制砖
目前与污泥混合制砖的原料主要有黏土、页岩、煤矸石、粉煤灰，而研究表明烧结砖的原料还可以是黄金尾矿、硬质钢渣、河沙、建筑垃圾[24~26]等。污泥制砖国内外有4种制法：污泥+土、污泥+页岩、污泥+土+页岩、污泥+土+砂[27]。利用污泥制砖，实现了污泥的资源化，具有良好的社会效益。在煅烧过程中将有毒重金属封存在砖坯中，杀死了有害细菌。污泥砖质轻、孔隙多，具有一定的隔音、 隔热效果等优点;但在污泥制砖的过程中，因污泥中含有大量的有机物，无论是污泥灰的制作过程还是污泥砖的烧制过程，会产生恶臭，应考虑二次污染的控制问题。另外污泥制砖对污泥的预处理要求高，烧制砖的成本比一般的黏土制砖要高，这些问题还有待于进一步的探索研究。
5.2 污泥制水泥
一般情况下，污泥中的灰分和化学特性与粘土接近，因此从理论上污泥可替代30%的粘土原料参与水泥的生产[28]。广州市某水泥厂利用水泥窑尾热烟气干化城市污泥，污泥水分由80% 烘干至低于30%，分解炉使污泥快速完全燃烧，检测结果表明烟气重金属污染浓度、恶臭污染浓度及二恶英排放浓度均达标[29]。日本利用污泥焚烧灰为原料生产 “生态水泥”。 这种类型水泥的原材料中约60%为废料，水泥烧到温度为1000～1200 ℃，因而燃料用量和CO2 的排放量也较低[30]。
5.3 污泥制陶粒
生产陶粒的传统原料为粘土，而粘土的来源绝大部分取自耕地，不符合可持续发展战略污泥陶粒以污泥为原料，掺加适量辅料，经成球、焙烧而成。利用污泥制备陶粒不仅可以解决污泥的出路问题，还可以获得明显的环保效益、经济效益，作为绿色建材产品势必会越来越受到重视[17]。
6 堆肥利用技术
污泥堆肥就是将污泥与调理剂(锯末、秸秆、树叶、粪便、垃圾)及膨胀剂(木屑、秸秆、花生壳、玉米芯等)在一定条件下进行堆沤，利用细菌、放线菌、真菌等微生物作用，促进可被生物降解的有机物可控制地向稳定的腐殖质转化的生物学过程。污泥堆肥除可施用于农田、园林绿化、草坪、废弃地等外，还可用作林木、花卉育苗基质，能降低育苗成本[31]。.
6.1 农田施用
污泥堆肥施入土壤后,能改变土壤的理化性质，增加土壤 N、P、K含量，调节土壤 pH值，促进团粒结构的形成，改善土壤透水性、蓄水保肥性、通气性及耕作性。张桥等研究表明：污泥堆肥产品施用于土壤中，可促进土壤有机质和养分含量增加，增强微生物活动性,增加微生物数量，但作物和土壤中的重金属含量也有不同程度的提高[32]。污泥堆肥的农田施用应防止有害重金属含量超标。
6.2 园林绿地施用
将污泥堆肥使用在森林土壤中， 一方面污泥中的营养成分和微量元素可促进树木生长，另一方面污泥林地使用不进入食物链，不会对人类造成危害。一般林场、森林等地区在非人口密集区并且面积较大，使用也较安全。在城市园林绿化中施用污泥，绿化效果相当显著，树高、灌木的花期、开花量等明显增加。
7 结语
随着社会的发展，我国污水处理率不断提高，随之产生的污泥量不断加大。作为一种二次资源，污泥含有丰富的营养物质和可用的无机组分，应在兼顾环境效益、社会效益和经济效益的前提下，尽可能地加以资源化利用。
污泥的资源化利用将成为符合我国国情的污泥处置的发展方向。不过，鉴于我国目前部分地区工业废水和生活污水混合处理以致污泥重金属含量较高、出厂污泥含水率较高、且欠缺污泥利用相关的标准的指引及要求等实际情况，选择何种污泥资源化技术，应综合考虑该地区污水处理的工艺特征、污泥性质以及行业需求，才能将污泥科学合理的资源化。
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