城市污泥综合利用研究进展

赵 璇，张 蓓，李 琛

（陕西理工学院化学与环境学院，陕西 汉中723001）

城市污泥综合利用研究进展

赵 璇，张 蓓，李 琛

（陕西理工学院化学与环境学院，陕西 汉中723001）

污泥是城市污水处理厂的伴生产物，也是一类可利用性极高的二次资源，对污泥资源化技术的研究一直备受国内外学术界的关注。本文讨论了国内外污泥处理的现状，并对目前各种污泥处理方法进行了比较。在此基础上提出污泥资源化的一些途径，认为污泥资源化将是我国污泥处理的主要发展方向。同时指出，污泥资源化在中国的发展不仅需要在技术上持续创新，更重要的是在政策上大力支持。

城市污泥；资源化利用；进展

随着我国经济的发展和城市人口的增多，环境污染日益严重。而人们环境保护意识的加强和对环境质量要求的提高必然使越来越多的废水需要处理。污泥［1］是污水处理后的附属品，含水率和有机物含量高，有机物部分充满着各种各样的细菌、病菌和寄生物，容易腐烂发臭；污泥中还浓缩了锌、铜、铅、镉等重金属化合物及有毒的有机化合物等，如不妥善处理，会形成严重的二次污染。如何妥善地处置污水处理厂污泥，并将其作为一种新的资源加以有效的利用，已成为环保界关注的重大课题。

1 城市污泥的来源和分类

城市污水是城市居民生活、工商业生产排放液体或水携废物和地下水、地表水、雨水的混合物。城市污泥（简称污泥）是城市污水净化过程中产生的生物质垃圾，是由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物和无机物组成的集合体，其性状通常介于液体和固体之间。污泥的主要特性是含水率高（可高达99%以上），有机物含量高，容易腐化发臭，并且颗粒较细，比重较小，呈胶体液状。污泥的种类很多，分类复杂，目前一般按以下方法分类［2～3］：（1）按污泥的来源，主要可分为生活污水污泥、工业废水污泥和给水污泥；（2）按污泥的处理方法可分为初沉污泥、活性污泥、腐殖污泥及化学污泥。随着废水二级处理的普及，目前一般废水处理厂的污泥大都是上述各者的混合污泥。（3）按污泥的不同产生阶段，可分为生污泥、浓缩污泥、消化污泥、脱水污泥和干燥污泥。（4）按污泥的成分和某些性质，可分为有机污泥、无机污泥、亲水性污泥和疏水性污泥。

2 城市污泥的综合利用

采取何种方式处置污泥，因国家和地区科技水平、经济状况和自然环境的不同而异。从环境污染、卫生安全和经济有效等方面考虑，无论那种处置方式都存在利弊。我国城市生活污水处理行业，也必将面临污泥的出路问题，采取哪种方式处理污泥应视具体情况而定，但污泥的根本出路是资源化和能源化［4］。

2．1 堆肥利用

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（pH、C／N、通气、水分、温度）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［5］，有较好的经济效益、环境效益和社会效益［6］。

2．1．1 农田施用

污泥中含有大量的氮、磷、钾等多种植物需要的营养元素和有机质等可利用成分，其肥效可高于一般农家肥［7］，也不像化肥会使土壤板结，因此施用污泥既可肥田，又有利于土壤质量的改良，并减少了农业生产的成本。田间试验表明污泥用于农田后，能改善土壤的理化性质，增加土壤养分，提高其可耕作性［8~9］，从而有利于农业的可持续发展。研究表明［10~11］，施用污泥或污泥堆肥栽种水稻、玉米、小麦、棉花、蔬菜等作物，植株的生长状况、产量和品质明显比不施肥好，与施用化肥或优质农家肥相当，甚至更好。我国郭媚兰等人［12］对污泥农田施用后对土壤的改良作用进行了研究，其盆栽和田间实验表明，施用污泥后，土壤中氮、磷、钾、总有机碳等营养成分及田间持水量、土壤团粒结构、土壤空隙度等都随污泥或污泥堆肥用量的增加而相应增加，土壤结构得到明显改善。董克虞［13］在冬小麦、玉米、油菜上施用试制的4种污泥肥，使作物大幅度增产。于彩虹［14］将污泥与城市垃圾混合的堆肥进行了盆栽及小区试验，平均增产春小麦50%左右，增产大白菜1倍以上，并能增加作物蛋白质含量。

2．1．2 园林绿化施用

污泥堆肥用于城市园林绿化，一是比污泥直接利用干净卫生，二是减少费用，为城市园林绿化提供了可观的有机肥［15］。在城市园林绿化中施用污泥或污泥堆肥，绿化效果也相当显著，与对照相比树高、树径、花卉的花期、开花量等都明显增大。郭眉兰等对污泥堆肥作为园林绿地肥源的研究表明，污泥是一种有发展前途的园林绿地肥源，将污泥与生活垃圾以1∶1进行堆肥发酵处理后，既提高了有效养分的含量，又消除了污泥的臭味，降低了有害物质的含量，适用于城市园林绿化。张增强等［16］针对污泥施用于几种草坪草进行了研究，发现施用污泥堆肥后，许多草坪草类生物量增加，绿色期延长；施用于几种花卉，发现开花量增加，花期延长，生长参数明显增大。薛澄泽等［17］对复合污泥施用于高速公路绿化带的研究发现，土壤的CEC、速效氮、速效磷、有机质和含水量均增加，而容重下降，植物体内的氮、磷含量比对照要高，且随堆肥用量增大而增高，硝态氮淋溶仅达40~60 cm，未影响地下水。

2．1．3 林地施用

污泥除可用于农田外，还被使用在森林土壤中。一方面污泥中的营养成分和微量元素可促进树木生长；另一方面由于污泥林地施用不进入食物链，不会对人类健康造成危害［18］。 研究表明［19］，美国南卡罗来纳4年生火炬松施用污泥后，平均直径比对照增加56%～76%。西安张天红等人［20］曾对陕西省长安县一林场进行污水污泥施用实验，其结果表明，施用一段时间后，林木的高度和直径都随污泥施用量的增加而增加。李艳霞等［21］将污泥和垃圾堆肥替代污泥炭用作林木育苗容器基质，发现此方法可以部分替代泥炭，能明显促进苗木生长。

2．1．4 矿业废弃地修复

我国大部分非金属矿山废弃地中并不含过多的重金属元素和有毒物质，将污泥堆肥处理后，可作为有机肥料替代品或土壤改良剂，施用于矿山废弃地，对其进行复垦［22］。莫测辉及陈涛和熊先哲分析了污泥堆肥作为矿山复垦肥料的技术可行性，指出：矿山复垦要求快速建立植被体系，而污泥生物肥作为比较好的肥力资源和土壤保水剂，不仅可以发挥促进植物生长的作用，还因避开了食物链，故可弱化对其的处理过程，降低生产成本，为大规模在矿山应用提供了可能［23~24］。

2．2 建材利用

利用污泥生产建材可以实现资源、能源的充分利用，还可将其中的有毒有害物质分解或固化。污泥制造建筑材料的资源化利用具有显著的优势。建材行业原料需求量非常大，能够就地消纳大量污泥，对于有机物含量偏低、不宜农用的污泥是一种有效的处理方式，具有广阔的应用前景［25］。目前，污泥的建材利用在日本以及欧美国家逐渐发展起来，其中，日本已经有多家城市污水处理厂引进了污泥焚烧灰制砖技术，英国也计划大规模应用污泥制作建材。

2．2．1 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［26~28］等。台湾的一个研究小组发现，下水道污泥可压制成普通的建筑用“生态砖”。这种污泥生态砖是在黏土砖中混入10%污泥，并在900℃条件下烧制，可达到最佳效果。这种方法不仅处理了污泥，还在烧制过程中将有毒重金属都封存在污泥中，也杀死了所有有害细菌和有机物，而且这种砖完全没有异味［29］。

2．2．2 制水泥

污泥含有大量的灰分，尤其是混凝法处理废水的污泥中含有大量的Al、Fe等成分，是建筑材料可用的添加剂。Nanyang技术大学的研究人员利用污泥、石灰石和粒土进行粘结材料的生产，产品性能优于美国材料实验学会（ASTM）规定的砌筑水泥的标准［30~31］。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。这种水泥不需预处理，有机物能全部清除，不产生水泥、烟尘、NOX等的二次污染［32］。

2．2．3 替代沥青细骨料

沥青混合物中必须加入细骨料才能增强沥青的粘度、稳定性和耐久性等。日本1997年开始探讨用污泥灰的可行性，经实验分析，加入了污泥灰的沥青混合物其各方面性能与传统材料制成的混合物相同。平均每年节约成本1000万日元，减少9t CO2排放［33］。

2．2．4 制轻质陶粒

通过控制污泥的掺量及焙烧温度可以获得性能较好的陶粒及轻质材料，不仅充分利用了污泥中的有机质作为陶粒焙烧过程中的发泡物质，而且污泥中的无机成分也得到了利用，并大大降低了原料的成本，一定程度上解决了污泥出路的问题。Tay和Show的研究发现将脱水消化污泥和黏土混合后在1050～1080℃的制砖窑里焙烧，产生的灰渣是一种轻质聚合混凝土的潜在材料，且都达到了推荐的强度［34］。英国夏文公司利用洗煤厂产生的污泥在无泄露的闭路系统中烧制人造骨粒，余热也得到了利用［35］。Basegio等探索了利用制革厂污泥制陶瓷的可行性，结果指出，污泥制陶粒可以作为建筑材料应用［36］。

2．2．5 微晶玻璃

微晶玻璃类似人造大理石，可以作为建筑内外装饰材料应用。生产微晶玻璃的原料目前常用污泥焚烧灰，沉砂池的沉砂和废混凝土［37］。原料调整后，熔融温度控制在1400～1500℃。熔融物放置一定时间，然后注入模具中成型，随温度的降低生成晶核（FeS），再加热处理，促使晶体成长。热处理后自然冷却，得到各种形状的微晶玻璃［38］。

2．2．6 制生化纤维板

污泥制纤维板，主要是利用活性污泥中含有的粗蛋白（有机物）、球蛋白（酶）能溶解于水及稀酸、稀碱、中性盐的水溶液这一性质，在碱性条件下加热、干燥、加压后，发生蛋白质的变性作用，从而制成活性污泥树脂，使之与漂白、脱脂处理的废纤维压制成板材，其质量优于国家三级硬质纤维板［39］。

2．3 污泥的其它利用

2．3．1 污泥燃烧发电

美国Hyder环保公司提出了一种将污泥 （已经机械脱水过）首先进行热干燥，然后再在沸腾炉中燃烧产生高压蒸汽，推动蒸汽机发电的综合系统。和焚烧系统相比，全年处理9．5万t干污泥，可节省资金60%［40］。

2．3．2 污泥热处理

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。目前美、英、日等国主要研究的是热化学液化法，即把脱水污泥在300℃、10 MPa左右使污泥反应生成油状物［41］；德国和加拿大以热分解油化法为主，把干燥的污泥在无氧条件下加热到300～500℃，使之产生气体 ，将气体冷却转变成油状物，澳大利亚Perth也正在建造利用热化学方法将污泥制油的工厂，而在国内污泥制油技术则刚刚起步。

2．3．3 污泥改性制吸附剂

由于生化污泥中有较多的碳，在一定的高温下，以生化污泥为原料，通过化学法改性活化处理可制得含碳吸附剂，含碳吸附剂处理有机废水，COD去除率可达80%左右，是一种性能良好的有机废水处理吸附凝聚剂［42］。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，经酸洗除杂质，再用碱活化。该法制得的活性炭其细孔的比表面积是市售品的118倍以上，吸附能力大大增强［43］。

2．3．4 活性污泥作粘结剂

活性污泥本身具有一定热值，又有一定的粘结性，能够作为黏结剂将无烟粉状煤加工成型煤，而污泥在高温气化炉内被处理，防止了污染。以它作粘结剂，可改善高温下型煤的内部孔结构，提高了型煤的气化反应性，提高了碳转化率。同时，污泥的热值也得到了利用［44］。

2．3．5 污泥制动物饲料

污泥中含有大量有价值的物质，粗蛋白占28．7%～40．9%、 灰分占26．4～46．0%、纤维素占26．6%～44．0%、脂肪酸占0～3．7%。污泥中70%的粗蛋白质是以氨基酸形式存在，以蛋氨酸、胱氨酸和缬氨酸为主，且各种氨基酸之间相对平衡，是一种很好的饲料蛋白。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，可检测到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［45］。

2．3．6 污泥降解塑料

聚羟基烷酸（PHA）是一类可完全生物降解、具有良好工作性能和广阔应用前景的新型热塑材料。国外已成功从活性污泥中分离出用于合成生物可降解塑料的物质如聚3-羧基丁酸及3-羧基戊酸，郝晓地等［46］总结了利用混合菌群活性污泥法实现生物可降解塑料PHA的合成。活性污泥经过培养后，其中含有的可降解塑料的含量大大增加。利用剩余污泥制可降解塑料既让废物得到了利用又避免了“白色污染”，创造了良好的社会效益、环境效益和经济效益［47］。

2．3．7 污泥生产沼气

沼气是有机物在厌氧条件下经厌氧细菌的分解作用产生的以甲烷为主的可燃性气体，是一种比较清洁的燃料。污泥进行厌氧消化即可制得沼气。污泥沼气发热量为20850～25020 kJ·m-3，1m3气体约相当于1 kg煤［48］，因此，利用污泥制沼气，不仅可以解决污泥出路问题，而且对节约能源和降低污水厂运行费用都有很大意义。

近年来，随着人们对污泥处理的重视，一些新的污泥处理利用方法不断问世，如对氯代化合物的降解作用、污泥铁屑综合应用、污泥构筑湿地、制备蛋白质泡沫灭火剂等，但这些方法还不成熟，需要进一步实践和验证。

3 城市污泥综合利用的前景展望

城市污泥处理是全世界环境领域的难题之一。污泥处理不当，直接排入环境中会造成环境污染，也会造成资源和能源的浪费。我国是一个农业大国，经济基础较为薄弱，污泥的资源化利用尤其是农业利用，不但可以节省大量的污泥终端处置费用，更可以为肥力低下的农田增添有机质、提高肥力，促进农业生产发展、实现农业生态环境的良性循环。因此，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，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。在推广污泥综合利用的同时，应建立、健全相关法律、法规，划分污泥种类，发展和制定配套的环境监测方法和制度。总之，要想安全有效的处置污泥，需要政府、科研、环保、用户各方面的通力合作才能真正实现。

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Research Progress on Comprehensive Utilizati of Municipal Sewage Sludge

ZHAO Xuan，ZHANG Bei，LI Chen
（College of Chemistry and Environmental Science，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723001，China．）

As a concomitant of sewage treatment in urban effluent reatment plant，the sludge was also a kind of reuseful resource．More and more attention had been paid to the researched on sludge resource utilization technologies since the problem was brought out．The disposal actualities of the sludge in China and other countries were analyzed，and many disposal techniques at present were also compared．Based on these facts，some comprehensive utilization methods of the municipal sludge were put forward．It was considered that the comprehensive utilization should be the main development direction for the municipal sludge disposal in China．It was also pointed out that the persistent innovations of the technologies and support from government would act as the impetus for the sludge utilization in China．

municipal sewage sludge；resource utilization；progress

X 703．1

A

1671-9905（2011）06-0056-05

赵璇（1989-），女，陕西渭南人，在读本科生

李琛（1980-），男，河南周口人，硕士，讲师，主要从事环境工程及污染防治方面的研究，Email：leechen_317＠126．com电话：15991868805，通信地址：陕西省汉中市陕西理工学院化学与环境科学学院

2011-03-11