污水厂污泥中病原微生物控制技术研究进展

吴丽杰 ，苑宏英 ，陈练军，员 建 ，孙力平

(1. 天津城市建设学院 环境与市政工程系，天津 300384；2. 天津城市建设学院 天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384；3. 中国科学院 生态环境研究中心，北京 100085；4. 中科院 建筑设计研究院有限公司，北京 100190)

1 污泥病原微生物的危害及其控制标准

随着城市化进程的加快，每年污水处理厂都产生大量的污泥，且污泥量呈逐年增长的趋势.据统计，我国城市污水处理厂每年排放干污泥约20万t，湿污泥约为380万～550万t，并以每年 20%的速度递增[1].由此引起污泥中的病原微生物也存在量大增殖的特点.现能够引起人类疾病的病原微生物主要有 4类：细菌、病毒、原生动物和寄生虫，在生活污水中这些物质都能被检测到[2].美国环保署和其他组织的一些学者对污泥中的病原微生物进行了统计，发现确认的病原微生物至少有 24种细菌、7种病毒、5种原生动物和6种寄生虫[3].其中，噬菌体、蠕虫卵等因对环境有较强抵抗力而较难去除.

污泥被认为是最佳的土壤调节剂，且能缓慢释放营养物及微量元素[4].在许多国家，每年产生的污泥中超过一半回用于土壤[5].但污泥中含有的大量病原微生物又限制了污泥的回用.几种主要的病原微生物对人类的危害见表1.

表1 几种常见的病原微生物及其危害[6]

因此，寻求经济高效、安全实用的污泥病原微生物控制技术具有重要意义.

一些国家针对污水厂污泥中的病原微生物制定了相关标准.目前所报道的文献多参照美国环保署(USEPA)于 2000年颁布的“503法案”[7].我国在《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)[8]中对粪大肠菌和蠕虫卵做了相关规定，详见表 2.

从表2可以看出，与“503”法案相比，我国颁布的标准中，水污染物控制标准仅对粪大肠菌的余量做了规定，污泥控制标准局限于好氧堆肥处理，控制标准较“503法案”低.

表2 美国和中国颁布的关于污泥病原微生物控制标准

2 污泥病原微生物的控制技术

根据已颁布的标准，相关人员研究和探索了许多病原微生物的控制技术.其中，常规的控制技术有堆肥、消化等，旨在通过对传统污泥处理方法的研究来确定处理过程中病原微生物的失活率和处理后的余量，而这些方法又因不是针对病原微生物控制而设计的，所以存在局限性.近年来，利用蚯蚓堆肥、射线激发、微波处理等新技术控制污泥病原微生物的研究取得了一定的进展，而且有的新技术已应用于实践.

2.1 常规控制技术

2.1.1 堆肥

污泥堆肥是目前污泥处理中广泛采用且相对成熟的一种处理方式.该方法主要是通过高温以及微生物的拮抗作用来达到使病原菌快速死亡的目的[9].Nasr[9]以初始干物质含量为 39.2%的新鲜污泥为试验样品，堆肥 1周后沙门菌即被完全去除；5周后粪大肠菌完全去除；粪链球菌经 6周处理后降低了63.5%.陈玲等人[10]对脱水污泥进行了动态好氧堆肥处理研究，结果表明：在优化工艺条件下，控制物料初始含水率为(60±2)%，在＞55 ℃条件下维持4 d，病原菌均被去除；14 d反应周期结束时，出料松散且无臭味，堆肥产品卫生学指标达到了文献[8]的污泥病原微生物控制标准和美国 EPA“503法案”A类控制标准.另外，采用碱性堆肥[4]和旋转容器中堆肥[11]来控制病原微生物，也有较好的处理效果.

堆肥处理污泥中病原微生物存在以下不足：某些病原微生物因对堆肥有较强的抵抗力，因此难以去除[9]；堆肥过程中会使烟曲霉等病原性真菌得到生长，对堆肥操作人员的健康构成危害[12]；堆肥产品回用土地时存在病原微生物再发的可能[13].

2.1.2 消化

污泥消化是传统的污泥稳定方式.它是通过利用微生物对有机物氧化过程中释放出的热量来维持高温，以使病原微生物失活.Puchajda 等人[14]指出，高温消化和双消化均能使粪大肠菌和蛔虫卵失活，并能达到美国 EPA 污泥产品的 A 类标准；Wagner 等人[15]通过试验研究发现，污泥经高温厌氧消化超过24 h，单核细胞增多性李司忒氏菌、肠炎沙门菌、大肠杆菌以及空肠弯曲杆菌均不能存活；Parmar 等人[16]研究表明，在pH为12，温度为23 ℃的条件下停留48 h，或在 60 ℃条件下停留 3 h，沙门菌不被检出；Cheunbarn 等人[17]用厌氧中温-厌氧高温或厌氧高温-厌氧中温的双消化系统，处理初沉污泥和剩余污泥的混合物，当进料采用2～12 MPN/g TS的沙门菌浓度时，控制高温反应器的温度为62 ℃，持续14 d，中温反应器温度为37 ℃，持续1 d，粪大肠杆菌和沙门菌均能达到美国EPA污泥产品的A类标准.

污泥消化灭活病原微生物存在的问题有：与堆肥相比，厌氧消化污泥的微生物含量因太高而不能用作肥料[9]；许多高级消化工艺，如高温消化、三阶段消化，在连续流和半连续流时均不能达到 EPA的 A类污泥标准[5]；消化污泥经土地利用后，菌种有再发的可能[1318].

2.1.3 石灰稳定

石灰稳定因其具有操作简易性和经济实用性的特点，所以在污水处理厂中大约 20%采用该法处理污泥[19].所谓污泥的石灰稳定，就是向未处理的污泥中加入足量的石灰，使 pH≥12，随后的放热反应使污泥温度上升至 65 ℃，温度上升加上高 pH，使得病原体数目大大减少[20].通常，该工艺会与其他工艺相联合去除病原微生物.Jimenez 等人[21]通过对墨西哥城的城市污泥进行碱的后稳定处理，即将总固体脱水11.5%～29.0%，然后加入 15%～40%的生石灰进行碱处理，粪大肠菌、沙门菌以及蠕虫卵的灭活率分别达到 3.6lg～9.5lg、3.7lg～7.9lg 和 0.1lg～1.3lg.当污泥处于高温、高压、高 pH条件下，经化学处理还可使有机氮转化为氨，它可以强化污泥的碱稳定[22]；Méndez等人[22]通过对剩余污泥试验研究表明，当氨和 CaO含量分别在10%～50%、5%～40%的情况下，氨分别去除了 6lg的粪大肠菌和 5lg的沙门菌，且对活性蠕虫卵的去除率可达94%.

石灰稳定的缺点是：受季节性和市场波动的影响导致所需储量大[1]；用石灰稳定的污泥化学性质不稳定，即使采用很高的石灰投量也难以保证高的pH[20]；污泥碱稳定产生的氨会引发臭味[22]；石灰稳定污泥回用土壤后有病原微生物再发的可能[13].

2.1.4 污泥干燥

污泥干燥是将脱水污泥经过处理，使污泥中的毛细水、吸附水和内部水得到大部分去除的方法.Tallahassee[23]指出，当采取间接加热方式干燥时，可使污泥达到美国EPA污泥产品A类标准，且该过程产生的A级污泥可用作农业有机肥.

污泥干燥存在的问题：干燥后的污泥通常结块程度高，硬度大，较难粉碎，对污泥的后续利用产生影响[24]；设备投资和运行费用昂贵.

2.2 几种新技术

2.2.1 蚯蚓堆肥

污泥的蚯蚓堆肥就是在堆肥过程中，引入蚯蚓以对污泥进行更好的降解的一种污泥处理方法.它是对传统堆肥方法的一种改进.OCEPD(The Orange Country(Florida)Environmental Protection Division)工作人员认为，在某些情况下对污水污泥进行预堆肥以去除病原微生物是有必要的；然而，对于蚯蚓堆肥而言，该步骤则可省去，从而有利于“非高温通风蚯蚓堆肥技术”的发展[25].Eastman[25]指出，蚯蚓堆肥在降低病原微生物，并使其满足 EPA的A类标准方面具有良好效果；尤其对粪大肠菌、沙门菌、肠病毒以及蠕虫卵这4种病原指示微生物有显著的降低作用.

Eastman 等人[26]以固体含量为 17%的脱水污泥为原料，接种粪大肠菌、沙门菌、肠病毒以及蠕虫卵，并使测试行湿重蚯蚓量(赤子爱胜蚓)和污泥比为1∶1.5，发现在144 h内，测试行病原菌量较对比行要少很多.其中测试行四种菌的降低值分别为 6.4lg，8.6lg，4.6lg，1.9lg，而对比行的值分别为 1.6lg，4.9lg，1.8lg，0.6lg[26].同时指出，蚯蚓堆肥是产生 A 级污泥的可行方法[26].

当温度高于35 ℃时，会引起蚯蚓死亡[27]，所以当污水污泥采用蚯蚓堆肥时，应避免有利微生物被破坏掉[25].Tognetti 等人[27]通过对高温堆肥、高温堆肥后引入蚯蚓、非高温蚯蚓粪堆肥三种方案进行比较，发现第二种方案既可避免使蚯蚓致死，又可将高温灭菌和蚯蚓的作用有效结合，使处理效果达到最佳.Alidadi 等人[28]也指出，联合堆肥和蚯蚓堆肥可满足病原物降低的要求.

2.2.2 生物沥浸

生物沥浸又叫生物淋滤或生物沥滤，其主要原理是通过硫杆菌的生物氧化作用产生的低 pH环境，使污泥中的重金属溶出进入水相，再通过固液分离将其去除[29].可以看出，这是针对污泥中重金属的一种处理技术.郑冠宇等人[29]通过对大肠杆菌进行纯培养试验，结果表明沥浸作用产生的低 pH环境可对病原微生物起到削减的作用.

Narayanan 等人[30]的研究表明，城市污水污泥中含有好氧硫氧化细菌，在 45 ℃时，可使 pH 值由 7.0降至2.0；而在60 ℃时，使 pH 值由7.0降至 4.8. 郑冠宇等人[29]以某污水处理厂浓缩池的污泥(基本性状：pH为 7.5，含固率为 1.6%，有机质为 43%)为原料试验，在 28 ℃下对其进行 6～7 d的生物沥浸处理，使得异养细菌总数从 1.38×108个/mL降至 4.43×106个/mL.

也有采用同步污泥消化和金属沥浸联合的处理方式，该工艺包含两个连续的步骤：好氧污泥消化和固有的氧化硫微生物产生的酸作用[31].Blais 等人[31]对魁北克的 8个污水处理厂中不同类型的污泥进行了试验，研究发现，在污泥固体浓度为10～50 g/L、温度为 10～30 ℃的条件下，该工艺可使细菌性指示微生物降低 2.5lg～7.0lg，病毒性指示微生物降低 8.0lg以上；另据 Gamache 等人[32]研究可知，对于不同种类的污泥采用消化和金属沥浸工艺时，除头状芽生裂殖酵母和某种不明真菌外，新鲜污泥中的各种异养菌均有很大程度的破坏.

2.2.3 污泥芦苇滩处理系统

污泥芦苇滩处理系统因具有低能耗、低运行、维修费用少以及对环境影响小等优点，受到人们的重视[33].Nielsen[34]研究表明，赫尔辛格污泥经芦苇滩系统处理3～4个月后，使沙门菌＜2 MPN/100 g，肠球菌＜10 CFU①CFU——菌落形成单元./g，大肠杆菌＜200 CFU/100 g；肠球菌和大肠杆菌的降低值约分别为 5lg和 6lg～7lg；另据Enrica 等人[33]在西班牙加泰罗尼亚地区的干化芦苇滩现场试验得出：经芦苇滩处理后，沙门菌不被检出，大肠杆菌＜460 MPN/g.

在波兰，因小型污水处理厂污泥的利用和管理问题还未解决，在探索采用芦苇滩系统时，发现处理后污泥用作肥料存在的最大问题是污泥中重金属含量和蛔虫卵数量会提高[35].

2.2.4 射线激发

2018年7月29日，瑞士钟表行业还在集体度假中，又是一个星期天，没想到斯沃琪集团老板小海耶克（Nick Hayek）突然宣布要“退群”。

射线激发处理污水厂污泥具有高效、经济、灵活的特点.经射线激发的污泥不仅可使病原物失活，还可使有机污染物氧化，臭味、厌恶感去除和使另外一些特性得到增强[36].目前用于污水污泥射线激发的两种选择分别是 γ 射线源和电子加速器.在室温下(20 ℃)，当采用 γ 射线进行激发时，污泥需与60Co 或137Ce的同位素发出的 γ 射线接触而受到激发[7]；当采用 β 射线激发时，需要污泥受源于加速器的 β 射线激发，至少吸收 1.0,Mrad①Mrad——兆拉德（megarad），辐射吸收剂量的单位，1 rad等于1 kg物质吸收0.01 J能量.[7].

D10通常用来描述放射性敏感度.它指的是1lg病原微生物的失活或是病原微生物的90%致死所需γ射线的剂量.大肠埃希氏菌和鼠伤寒沙门菌的D10分别为 0.34 kGy②kGy——千戈瑞（kilogray），吸收剂量的SI单位，1 Gy等于每千克受照射物质吸收1 J电离辐射的能量.和 0.30 kGy[36].多数研究表明，吸收剂量为 2～4 kGy时足以使病原物失活到安全水平[36].Gautam 等人[37]用60Co 源 γ 射线激发初沉污泥，通过参数调整使大肠杆菌得到有效去除，并抑制了其再发；所得污泥产品经垃圾场干化后，可直接处置或用作粪肥，也可用作根瘤菌的生长基质以获得生物肥料.Rathod 等人[38]以洋葱为样进行现场试验，发现经 γ 射线激发的污泥与传统方法所得粪肥具有同样的品质.然而，不同的菌对于射线的敏感度是不同的.Paluszak 等人[39]通过使用电子加速器产生不同量的 β射线，以激发曝气池污泥、原污泥和脱水污泥，发现沙门氏菌森夫滕贝格W775和猪蛔虫幼虫卵对放射性较为敏感，而链球菌 D族、减少亚硫酸盐的厌氧菌所需的射线剂量则较高.

虽然超过30年的试验研究表明，辐射能使污泥病原微生物得到有效控制[40]，但由于大部分国家的政府部门对该技术知之较少，因而出于公众安全的考虑，会对其持保守态度[36]，这使得该技术在实际应用，尤其是大规模应用方面进展较慢.

2.2.5 微波处理

微波能对处理物提供快速均匀的热，可对处理物进行及时精确的热控制，并能对处理物进行选择性的集中供热[41]，由此可用作污泥病原微生物的控制技术.在控制污泥病原微生物时，微波常作为一种预处理手段.

Hong 等人[41]以初沉污泥和厌氧消化污泥进行试验，在 2450 MHz条件下，当温度升至 65 ℃时，均未发现粪大肠菌；当温度达到 85 ℃时，剩余污泥中的粪大肠菌也不被检出.同时指出，利用微波处理污泥升温至 65 ℃时，后接连续流中温厌氧消化器可生产出 EPA 要求的 A 类污泥[41].Pino-Jelcic 等人[42]的研究表明，对污泥进行微波预处理，使温度升至 60～65 ℃，然后进行中温厌氧消化，可使粪大肠菌的对数失活率达到 4.2±0.4，沙门菌的 85%不被检出；而传统的加热-消化使粪大肠菌的对数失活率为 2.9±0.5；与传统处理法相比，该方法还可使生物气产量提高(16.4±5.6)%.

2.2.6 冷冻-融解技术

冷冻-融解在彻底破坏污泥颗粒结构的同时发生的氧化作用以及低温过程，会对病原微生物的生存构成威胁.在自然温度较低的地区，对污泥进行冷冻-融解是一种经济上可行的污泥调理技术[43].

但该技术易受地域限制，而且有关这方面的文献报道相对较少，有待进一步深入研究.

2.2.7 污泥氧化技术

污泥氧化是一种生物消毒技术.它是通过氧化剂的高氧化还原电位来破坏病原微生物的酶或细胞机体结构，而使其减少的方法.Reimer 等人研究表明，在有二氧化氯存在，且 pH 值为 2.3，亚硝酸浓度在 1800～400 mg/L之间，与其对应的接触时间在2～24 h内，能产生符合EPA的A类标准污泥[45].Yu等人[46]采用微波强化的高级氧化技术去除污泥病原微生物，当微波升温至 70 ℃、双氧水投量为 0.04%时，粪大肠菌可完全去除且不再发.

因该方法需投加化学药剂，不够经济，因此限制了其使用.

2.2.8 其他技术

也有利用污泥造粒、污泥焚烧等技术对污泥中的病原微生物加以控制的.但有关这些技术的报道较少，需要进行广泛而深入的研究.

Choi 等人[47]采用日光干燥技术以控制污泥中的病原微生物，研究结果表明，采用太阳能干化床，在进行耕作、太阳能吸收等条件下，可使病原微生物的失活效果达到EPA的A类污泥标准.Brown[48]指出，造粒所得污泥因其在干化过程中所产生的高温，而使其能符合EPA的A类污泥标准.但该方法日常运行中成本和能源耗费较高，且造粒产品的再湿过程还会引发浓重的臭味[48]，提高金属的可浸出性、污泥毒性，并增加污泥浸出液量[49].污泥焚烧也可使污泥中的病原微生物得到控制，并可改善污泥的品质，但因焚烧会使有机质和含氮化合物的流失，从而影响其土地的利用[49].

3 结 语

污水厂污泥中的病原微生物数量大、种类多，限制了污泥的利用，对其进行风险控制具有重要意义.由于污泥的常规处理方法如堆肥、消化，对病原微生物的控制具有局限性，因此有研究探索利用蚯蚓堆肥、射线激发、微波、氧化等新技术对污泥中的病原微生物进行控制，收到一定成效；但其灭活机理以及如何推广应用还有待进一步研究.对我国而言，在控制污水厂污泥中病原微生物方面的文献报道相对较少，因此需要加强这方面的相关研究.

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