污水处理厂污泥处理资源化利用技术探究

席尚东

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300000）

目前，我国大多数城市污水处理厂采用活性污泥技术，净化污水过程中会产生污水量为0.5%～15.0%的剩余污泥。根据原环境保护部和污泥处理行业的相关报告，2012年建成污水处理厂3 272个，设计的生活污水处理能力达到1.42亿m3/d。据估计，80%污泥的年含水量将达到2 590万t，只有约10%的污泥被重新用于厌氧消化和堆肥，约20%用于卫生填埋、焚烧和建筑材料，其余大部分只是进行垃圾填埋或临时堆放。由于体积大，含水量高，臭味难闻，易腐烂，含有重金属、多环芳烃等有毒有害物质和病原微生物，未经妥善处理的污泥将对环境造成极其严重的污染。

传统的污泥处理和处置一般遵循“三合一”原则，即减量化、稳定化和无害化。采用的技术路线包括“脱水或深度脱水→填埋”“厌氧消化→脱水→填埋”“脱水或深度脱水→水泥窑，火力发电厂或垃圾焚烧炉联合焚烧”，基本达到三个要求。然而，由于污泥产量巨大，它们都有致命的问题，即成本高。例如，按照最简单、最经济的卫生填埋方法，每吨水含量80%污泥的处理成本为180元，预计2012年产生的2 590万t污泥将被处理。所需资金投入为46.6亿元。因此，寻找回收污泥，从污泥中回收有价值的材料和能源，补偿一些（甚至全部）污泥处理和处置，实现污泥的综合处理和处置是明智的选择。此外，人类发展所面临的资源和能源短缺日益突出。例如，世界磷矿石储量预计仅持续约100年[1]。实现污泥中磷的回收和再循环，这对人类可持续发展来说是巨大的贡献。目前，世界各地的科技工作者已充分认识到资源循环利用的重要性与必要性。污泥处理和处置的重点也将是新技术的发展，特别是在减少污泥、无害化和资源利用等新技术的研究和开发方面[2]。

1 国内外的研究现状

1.1 国外的研究进展

1.1.1 污泥在土地方面的利用

污泥在土地方面的利用主要有以下形式：改良农业、林业和园艺等用地土壤，改善废弃矿山。在美国，土地使用量高达45%。对于污泥土地使用不当的后果，欧美很多国家根据具体情况制定了严格的污泥重金属浓度标准。

对于城市中的污泥土地使用，美国的法规非常严格。一般来说，污泥主要分为A和B两类。在经过脱水、高温堆肥以及无菌处理后，有毒有害物质指标达到环境许可标准。A类的污泥可用作肥料、园地土壤、生活垃圾填埋场等；B型的污泥简单地通过全部脱水或者局部脱水处理，仅仅用于林业土壤，不能够直接用于改良农田。污泥含有大量重金属、病原微生物、有毒有害化合物等，可能通过土壤进入食物链，对人体健康构成威胁，这也使得土地利用还存在较大争议。

1.1.2 将污泥用于卫生填埋

美国环境保护局预计，将来的几十年内，6 500个垃圾填埋场被关闭至少80%。相比于1984年，2000年欧盟统计的污泥填埋量也增加了4%，同期的污泥总量也增多了16%。种种迹象表明，发达国家的污泥填埋场数量呈减少的趋势。最终，垃圾填埋场无法回收，必须从使用周期中退出。

1.1.3 污泥作为肥料使用

污泥可以用于堆肥。在堆肥过程中，污泥中的微生物将生活垃圾、植物、木屑等有机物氧化，形成的腐殖质可以作为肥料。连续污泥发酵在日本、美国和欧洲等地得到了广泛的应用。日本于1954年建造了第一个污泥堆肥中心，北海道的札幌有日本最大的堆肥厂，并且配备快速发酵旋转仓和生产线，具有规模化、机械化、自动化等特点。污泥连续发酵消除了气味对环境的污染，并通过高温发酵杀死大部分病原体和寄生虫卵。经过堆肥的污泥质地疏松，含多种植物生长促进剂，使污泥的肥效提高并易于被植物吸收，这样既可将污泥处理处置，又可以充分利用污泥[3]。

1.1.4 将污泥进行热干化处理

人们可以利用热能来干燥污泥，在高温作用下灭活病原菌和寄生虫卵等。加热干燥后，污泥体积可减少80%，效果明显。同时，污泥性能得到优化，符合安全卫生指标，可代替能源和土地实现综合利用。

1.2 国内研究进展

污水处理业务起步较晚，仅在过去20年才发展起来。虽经过近20年的研究和探索，但它处于试验研究阶段。目前，全国已建有400多座污水处理厂，污泥年产量已超过1亿t，配置污泥处理工艺的仅占30%，污泥稳定处理设施约占25%。大中城市90%以上的污水处理厂不配置污泥处理设施，部分中小城市基本没有污泥处理设施。目前，国产污泥处理设备存在较多问题，如能耗高、质量差、设备缺乏创新等，因此缺乏竞争力，制约了我国城市污水污泥处理处置行业的发展[4]。

2 城市污水处理厂污泥的综合利用

2.1 能源化

2.1.1 热解制油

污泥低温热解是一种产生污泥衍生燃料的技术，如油、木炭和可燃气体，在加热条件下，通过部分热裂解，污泥有机物质可以更好地燃烧。有人对双流化床的污泥热解油和半焦燃烧过程进行了研究，发现污泥能够在双流化床上发生耦合反应。所以，改善污泥热解半焦，能够提升污泥热解半焦中重金属的去除率。热解过程中的金属从氧化态向氯化态转变，促进了污泥热解残渣的去除。目前，氯化镁、氯化钙、氯化氢等不同供氯剂对污泥热解中重金属去除的影响已经得到了充分研究。结果都一致表明，投氯剂的加入能够有效去除掉污泥中的重金属成分。

2.1.2 厌氧消化

厌氧消化过程指的是有机物在厌氧条件下分解为CH4的反应步骤。厌氧消化后的产物主要包括气体和固体两种。除硫化氢外，气体的主要成分有氢气、甲烷、二氧化碳等[5-6]。固体为污泥，其中含有的有机物比硝化前少，污泥中含有的大量微生物能够使活性稳定，在厌氧过程中产生的甲烷气体能够用作能源。

2.1.3 污泥制氢

氢气近年来在环保产业受到人们广泛的关注。污泥含有大量的有机物质，可作为氢源。研究表明，发酵过程的温度值、污泥pH值、处理时间和底物浓度是影响活性污泥处理过程中制氢的几个主要因素。张庆明等介绍了污泥制氢的一些新技术，包括活性污泥制取氢气以及超临界状态下的水气化等。研究表明，能量回收是污泥资源化处置的方向。

2.1.4 MFC

MFC技术是一种新型技术，它是利用微生物将污水中的污染物进行降解、转化。污水中的有机物被转换为可利用的电，同时达到了污水的净化目的。基本原理是通过污泥和污水中微生物的降解作用，其间产生的电子被转移到阳极电极，电子在外部电路中到达阴极，被受体吸收，该过程能够形成连续的电流通电。

2.2 材料化

2.2.1 合成水泥

污泥中灰分化学性质与黏土接近，理论上可以使用污泥代替黏土作为原材料参与水泥的生产[7-9]。人们可以将城市污水处理厂污泥作为水泥熟料煅烧过程中的添加剂。结果表明，污泥具有独特的矿物结构，可以替代黏土作为水泥熟料。同样，由污泥批次煅烧的熟料烧制温度具有降低的趋势，并且是环境友好且节能的。污泥制水泥技术在日本应用较多，但该技术所生产的水泥强度较差，制作成本较高，处理污泥量较小，该技术有待进一步发展。

2.2.2 制备陶粒

污泥陶粒是利用黏合剂和改良剂，以污泥为主要原料，进行混合、造粒、焙烧和冷却而得到的材料。利用污泥制备陶粒，在解决污泥处理问题的同时避免了对耕地资源的破坏。

2.2.3 吸附材料

在符合资源合理使用和固体废物污染控制原则的基础上，使用污泥制备活性炭具有一定的可行性。有研究以ZnCl2为催化剂制备了活性炭污泥，指出低成本活性污泥在污染控制方面具有潜在价值[7]。另外，有学者使用微波诱导热解污泥成功制备了污泥吸附剂，证实了该技术具有一定的可行性[10]。

2.3 土地利用

有研究人员研究了污泥堆肥土地利用，分析了堆肥对金盏花和高羊茅中重金属积累的影响，发现金盏花和高羊茅在堆肥中的比例分别为20%和10%，污泥混合土中重金属特别是锌和铜的去除效果较好[11]。将草坪草直接种植在脱水污泥上，地毯草在未经处理的污泥上生长迅速，并降低污泥中的含水量、微生物种群数量，反应室内干燥和稳定，暂无其他负面影响。以污泥为底物，以煤渣和沙土等作为辅料，研究了污泥对无土草坪的影响，发现草坪上面的草能够富集重金属元素，且收获后基质中重金属含量降低，其处理后结果符合农业相关标准，操作简单，无危险产生。

3 结论

随着污水处理率的提高，产生的污泥量逐渐增加，污泥的储存面积会越来越多。如何减少污泥也是未来的研究趋势。污泥含有丰富的营养成分和无机成分。人们要充分考虑环境因素、经济因素以及社会影响等，而综合处理污泥资源化将成为污泥处理的最终发展方向。人们应该研究不同工艺处理污泥的特性，然后选择经济合理的污泥处理技术，提升处理效果，既能保证资源不浪费又能避免对环境造成二次伤害。