城市污泥处理处置技术研究进展

杨传玺 王小宁

摘  要：目前我国城镇化的迅速发展及污水处理率的大幅提高，城市污泥产量急剧倍增且成分复杂，探究城市污泥有效地处理处置技术已成为环境工作者研究的热点。基于对城市污泥的产生来源、组成成分、理化特性和污染特征的探讨，归纳总结了城市污泥的典型污染特征及其环境危害性。为有效调控城市污泥环境风险，深入探讨了国内外城市污泥的处理处置方式。最后，对城市污泥的环境危害性及其处理处置方式的研究进行了展望，为优化城市污泥的处理处置方式提供理论依据与技术支撑。

关键词：城市污泥;污泥处理;污泥处置

中图分类号：X705 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）36-0157-03

Abstract： In recent years， with the rapid development of urbanization and the substantial increase in sewage treatment efficiency in China， the production of municipal sludge soars rapidly and the composition of it is complicated. Therefore， it has become a hot spot for environmental workers to explore the effective treatment and disposal technology of urban sludge. Based on the source， composition， structural characteristics and pollution characteristics of urban sludge， the typical pollution characteristics and environmental hazards were summed. In order to effectively control the environmental risk of urban sludge， the treatment and disposal methods was discussed. Finally， the outlook for the study on the environmental hazards and the treatment and disposal of urban sludge was included， which provides a theoretical basis and technical support for the treatment and disposal of urban sludge.

Keywords： urban sludge; sludge disposal; sludge treatment

城市污泥是指在污水處理过程中产生的固体、半固体或液体残留物，由细菌菌体、有机残片和无机颗粒等组成的成分极其复杂的非均质体，污染生态环境甚至威胁人类健康[1]。城市污水的处理方式方法决定了污泥的来源，污泥的生成受污水量、污水来源、处理工艺、污泥脱水程度等因素的影响，污泥在污水处理过程中的生成量约为污水体积的0.3-0.5%[2]。污水处理过程中产生的城市污泥主要有以下四种来源：一是由格栅和沉砂池产生的栅渣和无机颗粒物，污泥的产生量和物化性质受污水水质及沉砂池的设计运行情况影响;二是由初次沉淀池污泥产生的以浮渣和粗大颗粒为主的污泥，污泥量与悬浮物、沉淀效率和排泥浓度有关;三是由二次沉淀池产生的富含微生物的剩余活性污泥，产量取决于污水生物处理工艺和排泥浓度;四是由化学沉淀池产生的化学污泥，污泥性质取决于混凝剂的种类，污水中的悬浮物量和药剂投加量影响污泥的产生量。全球每年可以产生几千万吨的干污泥，而且我国城市污泥大约以每年10%的速度增长[3]，污泥的处理处置已成为环境保护工作的重点研究内容。

污泥表面呈黑色或黑褐色，粘滞状，颗粒粒径为100 μm左右，比重约为0.8g/cm3;污泥含水率为60-70%时为黏胶状，小于50%时为粘土状，干化后呈比较坚硬的固体，不易破碎，分散困难;污泥主要由有机质和硅酸盐粘土矿物组成，有机质含量高于硅酸盐粘土矿物时为有机污泥，有机质含量低于硅酸盐粘土矿物为土质污泥，二者含量相当时为有机土质污泥;污泥的热值取决于其中有机物质的含量，污泥有机质含量高达60-80%，病原菌和寄生虫卵等微生物含量较多，污泥容易腐化变臭，气味刺鼻难闻;污泥富含氮、磷、钾元素以及植物生长所必需的铁、锌、铜等微量元素，大部分污泥中铜、铅、汞等重金属含量较高[4-5]。

城市污泥经浓缩、离心机械脱水后含水率仍为70%左右，污泥仍含大量水分，而且还含有各种对环境有毒害作用的重金属元素;难降解有机物与其他残留的有机碎屑，同时污泥中还含有大量细菌、真菌、病毒等多种微生物，因而污泥若得不到有效地处理处置容易对环境造成二次污染。未得到有效处理处置的污泥存在多方面的问题：侵占土地，污泥堆积填埋占用大量土地资源;污泥中含有大量肠道细菌、蠕虫寄生虫和病毒等大量病原菌，且浓度远远高于污水中的含量，污泥渗滤液容易污染水体、河床，甚至威胁食物链安全;污泥中有机物质被分解释放出大量恶臭气体，严重污染大气环境[6];重金属含量高，污泥还田容易污染土壤，杀灭土壤微生物，破坏土壤结构，造成土壤板结退化[7]。1983年，LESTER等[8]基础性地综述了重金属在城市污泥处理和处置中的迁移转化规律，发现重金属的不同存在形态存在毒性差异，提出兼顾环境接收重金属的最终形态，制定更加严格细致的城市污泥重金属处理处置标准。本文对城市污泥基础特征特性和污泥处理处置方式进行了归纳总结，为进一步优化城市污泥处理处置方式和调控污泥产生水平提供理论支撑。

1 城市污泥处理技术

城市污泥是污水处理厂处理污水的衍生物，含有泥沙、纤维、重金属和病原菌等残留物，如果城市污泥未能够得到有效地处置，容易对环境安全和人类健康带来极大的威胁[9-10]。

1.1 污泥浓缩

污泥浓缩处理技术是通过重力、气浮或离心作用的方式达到固水分离的目的，可以显著降低污泥含水率同时减小污泥体积，减轻后续污泥处理的负担[11-12]。在污泥物理浓缩方式的基础上，通过添加化学絮凝剂可以有效减少污泥浓缩时间提高浓缩效率。污泥浓缩主要适用于含水率在96%以上的泥水混合液，经浓缩后含水率可降低2%-4%。2013年，孙兴福课题组[13]开创性地研究了两相一体式污泥浓缩消化反应器，发现在最佳污泥投配率下污泥浓缩后含水率可降低4%-7%，并最终形成特定的生态群落结构。

1.2 污泥干化

污泥稳定的目的是去除或减少污泥中一部分有机物，同时杀灭或抑制其中病原微生物增长，进一步降低污泥含水率的过程。一般城市污泥含水率在70%或调至70%左右时，均可通过厌氧微生物消化和好氧微生物发酵技术进行污泥稳定。厌氧微生物消化是在无氧或氧气含量低的条件下，由兼性或专性厌氧菌降解有机物产生二氧化碳和甲烷的过程;而好氧微生物发酵是对污泥进行长时间曝气，通过好氧微生物内源呼吸，经过升温、高温、降温和腐熟四个阶段进行自身氧化反应的过程[14-15]。由于厌氧微生物消化过程难以避免的产生大量堆体渗滤液，严重威胁生态安全和人类健康;目前，好氧微生物发酵技术以其污泥减容量显著、性质更稳定、产品除臭明显、病原菌含量低和用途更加廣泛等优点，已成为当下固体废物污泥稳定处理方法的研究热点[16]。2016年，吴直颖等[17]报道了经过20天的污泥生物干化试验后，发现堆肥物料表面出现明显的孔洞和裂纹，单位污泥有机质含量减少13.1%。

1.3 其他处理技术

城市污泥的处理技术还包括以下方法：（1）湿式空气氧化技术。该方法主要适用于处理有机物质含量高的难降解污泥，将污泥置于密闭反应器中，在高温高压下通入空气或氧气，进而氧化分解污泥中有机质[18]。（2）蚯蚓处理污泥技术。蚯蚓净化处理后，污泥中的铜、锌、镍等含量均有明显降低，恶臭味明显改善，处理产品土质疏松、营养丰富[19]。（3）污泥酸化技术。将水解酸化后的处理污泥回流至废水处理系统中集中处理代谢，降低污泥排放量[20]。（4）污泥人工湿地处理技术。该技术是一种将污泥浓缩、脱水、降解于一体的新型城市污泥处理技术，降低基建投资和运行费用[21]。

2 城市污泥处置技术

处理后的污泥需进行有效地处置，传统的污泥处置方式包括污泥填埋、焚烧和投海等。

2.1 污泥填埋

污泥填埋操作简单，适应性强;但投资费用高，占地面积大，渗滤液容易对土壤和地下水带来二次污染;填埋并不能最终消除污染，只是延缓了污染的发生时间。随着污泥处置技术的发展进步，污泥填埋处置所占比例越来越小。例如英国污泥填埋比例从1980年的27%降低至10%;欧洲在1992年有40%左右的污泥通过填埋法处置，但2005年仅有不足20%的污泥填埋;如今美国绝大部分的污泥填埋场早已被关闭[22]。近年来，由于渗滤液对地下水的潜在威胁和城市用地的严重不足，污泥卫生填埋处置技术的标准要求越来越高以及许多国家地区坚决反对新建污泥填埋场，因而污泥不合理地填埋及其造成的二次污染得到了有效预防。

2.2 污泥焚烧

污泥中含有一定量的有机组分，脱水干燥后的污泥可通过焚烧处理，实现有机物碳化、能量回收，杀死病原菌，最大限度降低污泥体积的目的。在日本已有超过60%的污泥经由焚烧处置，欧盟也在10%以上[23]。污泥焚烧主要分为两大类：一是将脱水污泥直接焚烧。直接焚烧需要掺入大量的煤或油等辅助燃料，运行成本高，燃烧效率和热效率均较低;二是先将脱水污泥低温干化后再焚烧，无需添加辅助燃料[24]。但污泥焚烧的缺点在于处理设施投资大，处理费用高，焚烧过程容易产生二噁英等有毒物质，对生态环境造成二次污染。

2.3 污泥投海

这是一种简单方便的污泥处置方式，投资处理费用较低，但会严重污染海洋环境和威胁人类健康。随着经济的发展和生态环保意识的不断加强，污泥投海技术已受到越来越多国家的禁止，早在1991年美国就已全面禁止污泥投海;欧洲国家从1999年开始禁止向海洋倾倒污泥;我国于1994年起不再在海上处置工业废物和污水污泥。

3 结束语

近年来，有关城市污泥处理处置技术的研究已经取得了较为理想的成果，然而在污泥的产生量调控、污泥有效处理、污泥合理处置及资源化综合利用方面仍存在一定的争议。目前，基于城市污泥处理处置中遵循的稳定化、无害化、减量化和资源化等原则，污泥处理处置技术应重点关注以下三点：

（1）污泥材料化，包括建筑材料（制砖、生态水泥、生化纤维板、轻质陶粒、蛋白塑料、路基地下水道衬垫、沥青细骨料、微晶玻璃）、环保材料（制备吸附剂、絮凝剂、黏结剂和可降解塑料等;提取重金属）、污泥养殖（饲料蛋白和提炼动物用维生素B12等动物饲料、饲料添加剂）。

（2）污泥能源化，包括制备可燃性的油和气等燃料（污泥低温热解制可燃性油和气、污泥消化产沼气、污泥发酵产氢、污泥合成燃料技术）、污泥发电（干污泥颗粒用于发电厂燃料掺合料、污泥燃烧发电，污泥厌氧发酵产沼气发电）和污泥焚烧产热（掺入燃煤中焚烧法）。

（3）污泥土地利用，包括污泥农用（风干后直接施肥等污泥直接农用、堆肥或制成污泥复合肥之后的农业利用等间接农用、城市污泥植物处理和直接农用结合）、森林园艺利用（用于园林绿化地和林地的建设、城市园林绿化的肥料）和土壤修复（土壤改良剂，如污泥改良黄土）。

参考文献：

[1]Yang G， Zhang G M， Wang H C. Current state of sludge production， management， treatment and disposal in China[J]. Water Research， 2015，78：60-73.

[2]Murray A， Horvath A， Nelson K L. Hybrid life-cycle environmental and cost inventory of sewage sludge treatment and end-use scenarios： a case study from China[J]. Environmental Science & Technology，2008，42（9）：3163-3169.

[3]张振涛，王传奇，徐东.污水污泥处理处置的新思想[J].科技导报，2010，28（22）：124.

[4]Ennouri H， Miladi B， Diaz S Z， et al. Effect of thermal pretreatment on the biogas production and microbial communities balance during anaerobic digestion of urban and industrial waste activated sludge[J]. Bioresource Technology， 2016，214：184-191.

[5]Guo Q， Dai X H. Analysis on carbon dioxide emission reduction during the anaerobic synergetic digestion technology of sludge and kitchen waste： Taking kitchen waste synergetic digestion project in Zhenjiang as an example[J]. Waste Management， 2017，69：360-364.

[6]Liang C， Das K C， Mcclendon R W. The influence of temperature and moisture contents regimes on the aerobic microbial activity of a biosolids composting blend[J]. Bioresource Technology， 2003，86（2）：131-137.

[7]Macnicol R D， Beckett P H T. The distribution of heavy metals between the principal components of digested sewage sludge[J]. Water Research， 1989，23（2）：199-206.

[8]Lester J N， Sterritt R M， Kirk P W. Significance and behaviour of heavy metals in waste water treatment processes II. Sludge treatment and disposal[J]. Science of the Total Environment， 1983，30：45-83.

[9]Kelessidis A， Stasinkis A S. Comparative study of the methods used for treatment and final disposal of sewage sludge in European countries[J]. Waste Management， 2012，32（6）：1186-1195.

[10]Martin J， Camacho-Munoz D， Santos J L， et al. Occurrence of pharmaceutical compounds in wastewater and sludge from wastewater treatment plants： removal and ecotoxicological impact of wastewater discharges and sludge disposal[J]. Journal of Hazardous Materials， 2012，239：40-47.

[11]Dhar B R， Nakhla G， Ray M B. Techno-economic evaluation of ultrasound and thermal pretreatments for enhanced anaerobic digestion of municipal waste activated sludge[J]. Waste Management， 2012，32（3）：542-549.

[12]徐玉裕，陸大根，黄健平，等.杭州污泥产生处置现状及综合利用研究[J].环境污染与防治，2009，31（11）：99-103.

[13]孙兴福，艾海男，李茂林，等.两相一体式污泥浓缩消化（TISTD）反应器微生物多样性研究[J].环境科学学报，2013，33（01）：58-66.

[14]Liu Y， Ma L， Li Y， etal. Evolution of heavy metal speciation during the aerobic composting process of sewage sludge[J]. Chemosphere， 2007，67（5）：1025-1032.

[15]Pang L， Ge L， Yang P， et al. Degradation of organophosphate esters in sewage sludge： Effects of aerobic/anaerobic treatments and bacterial community compositions[J]. Bioresource Technology， 2018，255：16-21.

[16]张振涛，杨鲁伟，周远，等.污泥太阳能干化技术研究进展[J].科技导报，2010，28（22）：39-42.

[17]吴直颖，蔡璐，郑国砥，等.生物干化工艺对污泥有机质组分与颗粒结构的改善[J].中国给水排水，2016，32（05）：4-8.

[18]Ghoreishi S M， Haghighi R. Chemical catalytic reaction and biological oxidation for treatment of non-biodegradable textile effluent[J]. Chemical Engineering Journal， 2003，95（1-3）：163-169.

[19]陈学民，黄魁，伏小勇.微小双胸蚓处理城市污泥的试验研究[J].安全与环境学报，2010，10（2）：61-64.

[20]Chen Y， Jiang S， Yuan H， et al. Hydrolysis and acidification of waste activated sludge at different pHs[J]. Water Research， 2007，41（3）：683-689.

[21]Horne A J. Nitrogen removal from waste treatment pond or activated sludge plant effluents with free-surface wetlands[J]. Water Science and Technology， 1995，31（12）：341-351.

[22]Couillard D， Mercier G. Optimum residence time （in CSTR and airlift reactor） for bacterial leaching of metals from anaerobic sewage sludge[J]. Water Research， 1991，25（2）：211-218.

[23]Sercombe D C. The control of septicity and odours in sewerage systems and at sewage treatment works operated by Anglian Water Services Limited[J]. Water Science and Technology， 1995，31（7）：283-292.

[24]馬淞江，张仲欢，王劲，等.半焦与城市污泥混合物的燃烧性能研究[J].环境污染与防治，2016，38（5）：22-26.