污泥液体肥的应用及优化研究进展*

陈小洁，李夏桐，杨 林，白 科，程 刚

（西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安 710048）

污泥堆肥产品含多种重金属、持久性有机污染物，施用农田存在较高的生态风险[1]。而剩余污泥制备液体肥无需脱水，重金属等污染物可充分释放且有效清除，不仅可灵活控制营养元素配方，且能提取腐殖酸肥料[2]，成为污泥土地利用的新方向。

目前，利用有机废弃物制备液体肥研究主要集中在植物残渣[3]、厨余垃圾[4]及病死畜禽尸体[5]等方面，利用污水厂剩余污泥制备液体肥的研究较少。污泥消化是获取液体肥的主要途径，其中，好氧消化法能耗高，且消耗污泥中大部分有机质,不利于磷的释放[6]，而厌氧消化法资源利用充分、能耗低，产生的污泥液体肥已应用多年。由于污泥中主要营养物包裹在污泥絮体及细胞壁内难以释放，限制了污泥的厌氧水解速率[7]，养分利用不彻底。为此，人们通过物理、化学、生物及其组合手段，促进污泥水解与营养释放。考虑到污泥液体肥含水率高，不便运输，部分学者研究利用膜[8]分离技术提高液体肥浓缩倍数，大大降低了运输费用。

本文介绍了污泥液体肥的特点，归纳总结了国内外污泥液体肥的应用现状，分析了不同方法对污泥液体肥肥效的影响，并对今后的研究方向与工程化应用做出展望。

1 污泥液体肥特点

污泥液体肥含有普通商品矿物肥的大量元素（氮、磷、钙）、腐殖酸及多种微量元素，营养全面、生产费用低、施用方式多样，而且能够被作物快速吸收，利用率高[9]。此外，还可以提高土壤中有机质的含量，改善土质，削弱商品肥造成土地盐碱化的危害。研究表明，污泥液体肥中氮、磷、钾及腐殖酸含量最大值可分别达到3400～5200、234～400、99～10500和1957～142100mg·L-1[10,11]，但养分含量波动较大，不同工艺间差别明显。

2 污泥液体肥的应用现状

2.1 国外应用研究

国外关于污泥液体肥的应用较早。在1976 年A.K K 等人通过罐车将液体消化污泥施用于农田中，以商品肥为对照，评估了污泥的肥用价值。研究证明，由于污泥中有机氮、磷的持续矿化作用，污泥厌氧消化液的应用可以收获等于或高于施用高比例商品肥所获得的产量，提高土壤的长期肥力。Badza T[12]等基于18 个污水处理厂的调研结果表明，污泥厌氧消化液可作为补充土壤有机质的可靠来源，用于修复退化土壤。相较于其它形式的污泥，厌氧消化污泥的氮大多以NH4-N 的形式存在，可被植物直接吸收，平均值为344 mg·L-1。然而，厌氧消化的EC 值在100mS·m-1左右，超过200mS·m-1会引发盐分的积累，直接施用易造成土壤盐碱化，故应稀释再利用。Cristina G[13]等从农艺学角度研究了污泥消化液的肥效及对贫瘠土壤的影响。结果表明，消化液中含有64.7%~68.5%的有机质、7.5%的氮、4.16%~5.75%的磷、0.69%的钾以及多种微量元素，含水率高达95.2%，可同时满足作物对于水分和养分的需求。但高剂量消化液的施用不利于植物生长，这与土壤性质密切相关。酸性土壤金属生物利用时间更久，碱性土壤氨在总氨氮中占比较高。与其他剂量相比，中等氮剂量（170kgN·ha-1）显示出最有利的结果。

2.2 国内应用研究

国内对于污泥液体肥的应用起步较晚。张君超[14]研究了污泥沼液对种子萌发的影响，结果表明，10%污泥沼液种子萌发率最高，为（94±3.5）%。当浸种时间较长时，低浓度沼液的发芽率更高。其原因可能是，沼液中存在部分重金属，致使沼液呈现轻微的毒性，抑制种子萌发。杨永康[15]基于厌氧消化特性，开发了一套气/肥联产一体化装置。结果表明，处理后形成的沼液中富含氮、磷、钾及氨基酸，氨基酸含量较高为113.9mg·L-1，且氨态氮是氮素的主要形式，易被作物吸收。重金属含量也满足国家安全要求。与施用化肥的对照组相比，施用污泥液体肥的田地，土壤微生物量增加，养分供给全面，改善效果显著。

国内外主要将厌氧消化污泥作为污泥液体肥进行应用，污泥经消化后可产生营养丰富的液体肥产品。污泥液体肥可以经矿化作用将有机质变为无机养分，持续供植物生长，是一种良好的缓释型肥料。但厌氧环境要求高，反应时间长以及重金属残留、营养元素浓度低，都是目前厌氧消化亟需解决的问题。

3 优化方法

污泥消化反应时间长有两方面原因：（1）污泥结构复杂，大多数有机物在微生物细胞内部，难以直接利用；（2）污泥中的腐植酸和蛋白质等有机物总是以稳定的聚合结构存在，难以降解，导致水解反应速率受限。因此，现研究常采用不同的处理方式增强厌氧消化反应，提高养分释放效率，同时使重金属浸出，方便重金属进一步去除，有利于后续厌氧消化固体物质的处理与处置。按照处理方式不同可分为物理、化学以及物理-化学方法。

3.1 物理方法

3.1.1 超声波 超声波作用于污泥时产生的微气泡爆破瞬间营造出极端环境（高温高压），并引发强大的剪切力和高活性自由基（H·和OH·）。破坏污泥絮体及微生物细胞结构，使细胞中的营养元素及重金属释放至液相。江云[16]研究结果表明，Cu、Zn、Mn 3种重金属在超声处理时间为7~13min 时含量最少，其中声能密度为1.2W·mL-1时，Cu 减少了15.65%、Zn、Mn 在声能密度为2.4W·mL-1时，分别减少30.59%、19.33%；污泥固相TP 含量随反应时间及声能密度的增加呈先减小后增大的趋势，声能密度为1.2W·mL-1时，TP 减少了11.77%，声能密度为2.4W·mL-1时，TP增加了54.67%；可见低声能密度超声处理更有利于污泥液体肥的制备。Malwina T[17]考察了两种超声装置的处理效果。结果表明，低功率、发射器表面积大的超声装置处理效果更好。在超声功率为90W，发射器表面积为19.6cm2的条件下，处理1920s后，SCOD0/SCODUD 由22.8%增加到39.2%，TN、TP 分别增加43 倍和7 倍。

超声处理可有效破碎污泥絮体及细胞结构，提高水解速率，同时对重金属有一定的浸出效果。然而，高强度的超声处理，不利于氮磷溶出，污泥中重金属也难以释放。

3.1.2 热水解 污泥热水解是指在高温高压条件下，污泥菌胶团受热膨胀爆裂，胞内有机物得以释放，同时高温下粒子的布朗运动加快，液化程度增强。热水解过程中污泥养分和重金属的转化和再分布与反应温度和反应时间密切相关。Wang L 等[18]研究了营养物和重金属在水热过程中的迁移和转化。结果表明，随着反应强度（120~300℃，30~180min）的增加，液相中重金属的浓度升高，但总含量仍然较低。液相TN 浓度呈指数增长，从1425 mg·L-1增加到5767mg·L-1，氨氮和有机氮是液相的主要氮形态。Malhotra M[19]等人考察了利用剩余污泥和脱水污泥进行热水解处理，随着反应温度由160℃升至220℃，溶液中的磷含量增加，腐殖酸含量也由653mg·L-1增加到2650mg·L-1。

热解可有效促进重金属及营养元素的释放，但是因高温条件造成的高能耗及臭味问题不容忽视。

3.2 化学方法

3.2.1 有机酸 研究表明，污泥中有机质经厌氧水解，不仅有氮、磷等养分溶出，还产生了乙酸、丙酸等有机酸物质，使污泥体系pH 值下降，重金属溶出，污泥毒性降低。由于污泥厌氧酸化时间较长，故也采用直接投加有机酸的方式。鲁顺宝等人[20]直接投加不同小分子有机酸。结果表明，Cu 的浸出效果受有机酸种类影响最大，Zn 次之；同类型的单羧基有机酸，碳链越短，浸出效果越好，故本研究中，甲酸＞乙酸＞丙酸。而且相比于对照组，污泥中的TN、TP 及TK 释放量增加。黄亮等人[21]研究发现，柠檬酸对Pb、Zn 的浸出效果强于草酸和乙酸，Pb、Zn 浸出率分别为76%、92.5%；利用3 种有机酸脱除污泥重金属前后，污泥上清液中的硝态氮和铵态氮含量均有所增加。而相较于柠檬酸，草酸和乙酸更有利于对有效氮的提取。以0.5mol·L-1草酸效果最佳，析出液中硝态氮大部分转化为铵态氮，含量高达888.1mg·L-1。

有机酸可有效瓦解胞外聚合物（EPS）的凝胶结构，促进硝态氮和铵态氮的析出，提高肥效；同时有机酸作为一种绿色的淋滤剂，有利于重金属浸出，高效且无二次污染。但投加有机酸降低了pH 值，后期需投加碱回调pH 值，增加了药剂费用。

3.2.2 臭氧 O3具有强氧化性, 氧化过程包含破壁、溶胶和矿化3 阶段，其强氧化作用导致细胞破裂，胞内物质释放；此外，有机物进一步被氧化分解，减少了污泥对重金属的吸附位点，同时污泥滤液pH值下降，促使更多的重金属由固相转化到液相。薛喆涵[22]利用臭氧处理剩余污泥，污泥可降解物质含量提高，SCOD 浓度由33mg·L-1增长至1055mg·L-1；同时导致胞内乙酸、丙酸等酸性物质溶出，pH 值下降。由此可见，O3处理还有利于重金属的释放。赵强[23]研究了O3处理过程中有机物和重金属的变化情况，考虑到O3有效利用率，最佳投加量为56mgO3/gTSS，SCOD、TCOD 和TP 分别由810、1324 和40.7mg·L-1增加到4308、12212 和204.4mg·L-1；反应3h 后，Cu、Ni、Cd、Pb、Zn 含 量 分 别 减 少 了34.78%、38.63%、12.35%、36.45%、18.41%。

由于不会给系统造成二次污染，O3从众多氧化剂中脱颖而出，被广泛应用于污泥处理。不但能增强污泥细胞的解体，而且有很多研究表明，O3对污泥重金属浸出起到促进效果。

3.3 物理-化学方法

由于污泥成分复杂，相较于单一处理技术，组合工艺处理可以使污泥中更多的养分释放至污泥上清液中，提高处理效率。Wei L 等人[24]发现，超声和酸处理组合效果由于单独超声处理，酸性条件下污泥胞外聚合物破解并水解，有利于超声波进一步降解溶解性有机物。相较于单独超声处理（1.5W·mL-1，10min），联合工艺（1.5W·mL-1，pH 值为2，10min）处理后，污泥溶解性有机物含量增加了62.6%。Sevil C等人[25]将O3和微波处理相结合，观察到在pH 值为2 的条件下，污泥溶解和养分释放最高。其中MLVSS增溶51.5%，COD 溶解了48%，PO4-P 增加579%，NH4-N 增加了94%。Yingcai W 等人[26]用微波辅助NaOH 处理污泥，比单独的微波和碱处理释放更多的磷，约34.20%~43.73%的TP 释放至污泥上清液。微波减弱胞外聚合物与固相之间的结合力，增加污泥比表面积，从而提高了碱处理效率。

相较于单独处理工艺，联合工艺不仅可以实现污泥的高效溶解，还可以节约药剂，缩短反应时间，降低能耗，更有利于工程化应用。但是对于不同方法间的相互作用机理需要进一步研究，以帮助进行不同工艺的优势组合。

3.4 膜分离技术

污泥液体肥产品，营养元素浓度偏低以及含水率高、体积大，导致运输成本高，而且消化液中残留重金属及有机污染物，加大了污泥液体肥的农业化应用难度。因此，如何提高污泥液体肥的养分含量，将成为推进污泥液体肥农用的关键一步。

刘伟丽等人[27]利用砂滤和碟管式反渗透组合方式对消化液的浓缩效果进行考察，研究表明，该组合方式有效保留了消化液的营养物质，浓缩20 倍，消化液体积由5000L 降至250L，-N 增长了14 倍，含量为9988mg·L-1。杨世辉[28]研究了陶瓷超滤膜回收取腐殖酸生产液体肥的工艺可行性。结果表明，富力酸和胡敏酸是腐殖酸的主要成分，相对分子量为几千到几万不等，故该研究采用分子截留量为1000 的陶瓷超滤膜，浓缩因子为20 时，浓缩液含量为36g·L-1，满足《NY 1106-2010 含腐殖酸水溶肥》标准要求。梁康强等人[29]研究反渗透膜运行压力及浓缩倍数对厌氧消化液的浓缩效果的影响，结果表明，浓缩倍数越高，运行压力越大，导致运行时间缩短，需要频繁的反冲洗，增加了运行费用。该研究浓缩倍数设置为4，持续运行20d，TN、NH3-N 及TP 分别提高了248.6%、208.9%、250.4%。

膜分离技术可以有效回收污泥消化液的营养成分，提高污泥液体肥肥效及资源化利用度，但污泥消化液含有的生物聚合物也是引发膜污染，造成膜堵塞的主要原因，使膜分离技术难以工程化应用。

4 结论

目前，国内外污泥液体肥主要以污泥厌氧消化液，结合物理、化学及其联合预处理方法，不仅可以提高污泥养分释放速率，缩短反应时间，同时可以提高有机物的降解及重金属释放效率，便于重金属去除，降低污泥农用风险。而膜分离技术可以有效减小污泥液体肥体积、提高肥效，但膜成本高且膜污染问题一直存在，难以推广。因此，未来要深入研究污泥养分转化规律，开发成本低廉、操作方便的污泥液体肥制备工艺。