城市污泥綜合利用研究進(jìn)展

趙 璇，張 蓓，李 琛

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，陜西 漢中723001）

城市污泥綜合利用研究進(jìn)展

趙 璇，張 蓓，李 琛

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，陜西 漢中723001）

污泥是城市污水處理廠的伴生產(chǎn)物，也是一類可利用性極高的二次資源，對污泥資源化技術(shù)的研究一直備受國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的關(guān)注。本文討論了國內(nèi)外污泥處理的現(xiàn)狀，并對目前各種污泥處理方法進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上提出污泥資源化的一些途徑，認(rèn)為污泥資源化將是我國污泥處理的主要發(fā)展方向。同時指出，污泥資源化在中國的發(fā)展不僅需要在技術(shù)上持續(xù)創(chuàng)新，更重要的是在政策上大力支持。

城市污泥；資源化利用；進(jìn)展

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市人口的增多，環(huán)境污染日益嚴(yán)重。而人們環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng)和對環(huán)境質(zhì)量要求的提高必然使越來越多的廢水需要處理。污泥［1］是污水處理后的附屬品，含水率和有機(jī)物含量高，有機(jī)物部分充滿著各種各樣的細(xì)菌、病菌和寄生物，容易腐爛發(fā)臭；污泥中還濃縮了鋅、銅、鉛、鎘等重金屬化合物及有毒的有機(jī)化合物等，如不妥善處理，會形成嚴(yán)重的二次污染。如何妥善地處置污水處理廠污泥，并將其作為一種新的資源加以有效的利用，已成為環(huán)保界關(guān)注的重大課題。

1 城市污泥的來源和分類

城市污水是城市居民生活、工商業(yè)生產(chǎn)排放液體或水?dāng)y廢物和地下水、地表水、雨水的混合物。城市污泥（簡稱污泥）是城市污水凈化過程中產(chǎn)生的生物質(zhì)垃圾，是由多種微生物形成的菌膠團(tuán)及其吸附的有機(jī)物和無機(jī)物組成的集合體，其性狀通常介于液體和固體之間。污泥的主要特性是含水率高（可高達(dá)99%以上），有機(jī)物含量高，容易腐化發(fā)臭，并且顆粒較細(xì)，比重較小，呈膠體液狀。污泥的種類很多，分類復(fù)雜，目前一般按以下方法分類［2～3］：（1）按污泥的來源，主要可分為生活污水污泥、工業(yè)廢水污泥和給水污泥；（2）按污泥的處理方法可分為初沉污泥、活性污泥、腐殖污泥及化學(xué)污泥。隨著廢水二級處理的普及，目前一般廢水處理廠的污泥大都是上述各者的混合污泥。（3）按污泥的不同產(chǎn)生階段，可分為生污泥、濃縮污泥、消化污泥、脫水污泥和干燥污泥。（4）按污泥的成分和某些性質(zhì)，可分為有機(jī)污泥、無機(jī)污泥、親水性污泥和疏水性污泥。

2 城市污泥的綜合利用

采取何種方式處置污泥，因國家和地區(qū)科技水平、經(jīng)濟(jì)狀況和自然環(huán)境的不同而異。從環(huán)境污染、衛(wèi)生安全和經(jīng)濟(jì)有效等方面考慮，無論那種處置方式都存在利弊。我國城市生活污水處理行業(yè)，也必將面臨污泥的出路問題，采取哪種方式處理污泥應(yīng)視具體情況而定，但污泥的根本出路是資源化和能源化［4］。

2．1 堆肥利用

污泥堆肥就是將污泥與調(diào)理劑（鋸末、秸稈、樹葉、糞便、垃圾）及膨脹劑 （木屑、秸稈、花生殼、玉米芯等）在一定條件下（pH、C／N、通氣、水分、溫度）進(jìn)行堆漚，利用細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物作用，促進(jìn)可被生物降解的有機(jī)物可控制地向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物學(xué)過程。污泥堆肥除可施用于農(nóng)田、園林綠化、草坪、廢棄地等外，還可用作林木、花卉育苗基質(zhì)，能降低育苗成本［5］，有較好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益［6］。

2．1．1 農(nóng)田施用

污泥中含有大量的氮、磷、鉀等多種植物需要的營養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)等可利用成分，其肥效可高于一般農(nóng)家肥［7］，也不像化肥會使土壤板結(jié)，因此施用污泥既可肥田，又有利于土壤質(zhì)量的改良，并減少了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本。田間試驗表明污泥用于農(nóng)田后，能改善土壤的理化性質(zhì)，增加土壤養(yǎng)分，提高其可耕作性［8~9］，從而有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。研究表明［10~11］，施用污泥或污泥堆肥栽種水稻、玉米、小麥、棉花、蔬菜等作物，植株的生長狀況、產(chǎn)量和品質(zhì)明顯比不施肥好，與施用化肥或優(yōu)質(zhì)農(nóng)家肥相當(dāng)，甚至更好。我國郭媚蘭等人［12］對污泥農(nóng)田施用后對土壤的改良作用進(jìn)行了研究，其盆栽和田間實驗表明，施用污泥后，土壤中氮、磷、鉀、總有機(jī)碳等營養(yǎng)成分及田間持水量、土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、土壤空隙度等都隨污泥或污泥堆肥用量的增加而相應(yīng)增加，土壤結(jié)構(gòu)得到明顯改善。董克虞［13］在冬小麥、玉米、油菜上施用試制的4種污泥肥，使作物大幅度增產(chǎn)。于彩虹［14］將污泥與城市垃圾混合的堆肥進(jìn)行了盆栽及小區(qū)試驗，平均增產(chǎn)春小麥50%左右，增產(chǎn)大白菜1倍以上，并能增加作物蛋白質(zhì)含量。

2．1．2 園林綠化施用

污泥堆肥用于城市園林綠化，一是比污泥直接利用干凈衛(wèi)生，二是減少費(fèi)用，為城市園林綠化提供了可觀的有機(jī)肥［15］。在城市園林綠化中施用污泥或污泥堆肥，綠化效果也相當(dāng)顯著，與對照相比樹高、樹徑、花卉的花期、開花量等都明顯增大。郭眉蘭等對污泥堆肥作為園林綠地肥源的研究表明，污泥是一種有發(fā)展前途的園林綠地肥源，將污泥與生活垃圾以1∶1進(jìn)行堆肥發(fā)酵處理后，既提高了有效養(yǎng)分的含量，又消除了污泥的臭味，降低了有害物質(zhì)的含量，適用于城市園林綠化。張增強(qiáng)等［16］針對污泥施用于幾種草坪草進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)施用污泥堆肥后，許多草坪草類生物量增加，綠色期延長；施用于幾種花卉，發(fā)現(xiàn)開花量增加，花期延長，生長參數(shù)明顯增大。薛澄澤等［17］對復(fù)合污泥施用于高速公路綠化帶的研究發(fā)現(xiàn)，土壤的CEC、速效氮、速效磷、有機(jī)質(zhì)和含水量均增加，而容重下降，植物體內(nèi)的氮、磷含量比對照要高，且隨堆肥用量增大而增高，硝態(tài)氮淋溶僅達(dá)40~60 cm，未影響地下水。

2．1．3 林地施用

污泥除可用于農(nóng)田外，還被使用在森林土壤中。一方面污泥中的營養(yǎng)成分和微量元素可促進(jìn)樹木生長；另一方面由于污泥林地施用不進(jìn)入食物鏈，不會對人類健康造成危害［18］。 研究表明［19］，美國南卡羅來納4年生火炬松施用污泥后，平均直徑比對照增加56%～76%。西安張?zhí)旒t等人［20］曾對陜西省長安縣一林場進(jìn)行污水污泥施用實驗，其結(jié)果表明，施用一段時間后，林木的高度和直徑都隨污泥施用量的增加而增加。李艷霞等［21］將污泥和垃圾堆肥替代污泥炭用作林木育苗容器基質(zhì)，發(fā)現(xiàn)此方法可以部分替代泥炭，能明顯促進(jìn)苗木生長。

2．1．4 礦業(yè)廢棄地修復(fù)

我國大部分非金屬礦山廢棄地中并不含過多的重金屬元素和有毒物質(zhì)，將污泥堆肥處理后，可作為有機(jī)肥料替代品或土壤改良劑，施用于礦山廢棄地，對其進(jìn)行復(fù)墾［22］。莫測輝及陳濤和熊先哲分析了污泥堆肥作為礦山復(fù)墾肥料的技術(shù)可行性，指出：礦山復(fù)墾要求快速建立植被體系，而污泥生物肥作為比較好的肥力資源和土壤保水劑，不僅可以發(fā)揮促進(jìn)植物生長的作用，還因避開了食物鏈，故可弱化對其的處理過程，降低生產(chǎn)成本，為大規(guī)模在礦山應(yīng)用提供了可能［23~24］。

2．2 建材利用

利用污泥生產(chǎn)建材可以實現(xiàn)資源、能源的充分利用，還可將其中的有毒有害物質(zhì)分解或固化。污泥制造建筑材料的資源化利用具有顯著的優(yōu)勢。建材行業(yè)原料需求量非常大，能夠就地消納大量污泥，對于有機(jī)物含量偏低、不宜農(nóng)用的污泥是一種有效的處理方式，具有廣闊的應(yīng)用前景［25］。目前，污泥的建材利用在日本以及歐美國家逐漸發(fā)展起來，其中，日本已經(jīng)有多家城市污水處理廠引進(jìn)了污泥焚燒灰制磚技術(shù)，英國也計劃大規(guī)模應(yīng)用污泥制作建材。

2．2．1 制磚

目前與污泥混合制磚的原料主要有黏土、頁巖、煤矸石、粉煤灰，而研究表明燒結(jié)磚的原料還可以是黃金尾礦、硬質(zhì)鋼渣、河沙、建筑垃圾［26~28］等。臺灣的一個研究小組發(fā)現(xiàn)，下水道污泥可壓制成普通的建筑用“生態(tài)磚”。這種污泥生態(tài)磚是在黏土磚中混入10%污泥，并在900℃條件下燒制，可達(dá)到最佳效果。這種方法不僅處理了污泥，還在燒制過程中將有毒重金屬都封存在污泥中，也殺死了所有有害細(xì)菌和有機(jī)物，而且這種磚完全沒有異味［29］。

2．2．2 制水泥

污泥含有大量的灰分，尤其是混凝法處理廢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劑。Nanyang技術(shù)大學(xué)的研究人員利用污泥、石灰石和粒土進(jìn)行粘結(jié)材料的生產(chǎn)，產(chǎn)品性能優(yōu)于美國材料實驗學(xué)會（ASTM）規(guī)定的砌筑水泥的標(biāo)準(zhǔn)［30~31］。日本利用污泥焚燒灰為原料生產(chǎn)“生態(tài)水泥”。這種類型水泥的原材料中約60%為廢料，水泥燒到溫度為1000～1200℃，因而燃料用量和CO2的排放量也較低。這種水泥不需預(yù)處理，有機(jī)物能全部清除，不產(chǎn)生水泥、煙塵、NOX等的二次污染［32］。

2．2．3 替代瀝青細(xì)骨料

瀝青混合物中必須加入細(xì)骨料才能增強(qiáng)瀝青的粘度、穩(wěn)定性和耐久性等。日本1997年開始探討用污泥灰的可行性，經(jīng)實驗分析，加入了污泥灰的瀝青混合物其各方面性能與傳統(tǒng)材料制成的混合物相同。平均每年節(jié)約成本1000萬日元，減少9t CO2排放［33］。

2．2．4 制輕質(zhì)陶粒

通過控制污泥的摻量及焙燒溫度可以獲得性能較好的陶粒及輕質(zhì)材料，不僅充分利用了污泥中的有機(jī)質(zhì)作為陶粒焙燒過程中的發(fā)泡物質(zhì)，而且污泥中的無機(jī)成分也得到了利用，并大大降低了原料的成本，一定程度上解決了污泥出路的問題。Tay和Show的研究發(fā)現(xiàn)將脫水消化污泥和黏土混合后在1050～1080℃的制磚窯里焙燒，產(chǎn)生的灰渣是一種輕質(zhì)聚合混凝土的潛在材料，且都達(dá)到了推薦的強(qiáng)度［34］。英國夏文公司利用洗煤廠產(chǎn)生的污泥在無泄露的閉路系統(tǒng)中燒制人造骨粒，余熱也得到了利用［35］。Basegio等探索了利用制革廠污泥制陶瓷的可行性，結(jié)果指出，污泥制陶粒可以作為建筑材料應(yīng)用［36］。

2．2．5 微晶玻璃

微晶玻璃類似人造大理石，可以作為建筑內(nèi)外裝飾材料應(yīng)用。生產(chǎn)微晶玻璃的原料目前常用污泥焚燒灰，沉砂池的沉砂和廢混凝土［37］。原料調(diào)整后，熔融溫度控制在1400～1500℃。熔融物放置一定時間，然后注入模具中成型，隨溫度的降低生成晶核（FeS），再加熱處理，促使晶體成長。熱處理后自然冷卻，得到各種形狀的微晶玻璃［38］。

2．2．6 制生化纖維板

污泥制纖維板，主要是利用活性污泥中含有的粗蛋白（有機(jī)物）、球蛋白（酶）能溶解于水及稀酸、稀堿、中性鹽的水溶液這一性質(zhì)，在堿性條件下加熱、干燥、加壓后，發(fā)生蛋白質(zhì)的變性作用，從而制成活性污泥樹脂，使之與漂白、脫脂處理的廢纖維壓制成板材，其質(zhì)量優(yōu)于國家三級硬質(zhì)纖維板［39］。

2．3 污泥的其它利用

2．3．1 污泥燃燒發(fā)電

美國Hyder環(huán)保公司提出了一種將污泥 （已經(jīng)機(jī)械脫水過）首先進(jìn)行熱干燥，然后再在沸騰爐中燃燒產(chǎn)生高壓蒸汽，推動蒸汽機(jī)發(fā)電的綜合系統(tǒng)。和焚燒系統(tǒng)相比，全年處理9．5萬t干污泥，可節(jié)省資金60%［40］。

2．3．2 污泥熱處理

污泥低溫?zé)峤馐抢梦勰嘤袡C(jī)質(zhì)在加熱條件下的部分熱裂解過程，產(chǎn)生污泥衍生燃料的技術(shù)。經(jīng)此過程，污泥轉(zhuǎn)化為燃燒特性優(yōu)越的油、炭和可燃?xì)?。目前美、英、日等國主要研究的是熱化學(xué)液化法，即把脫水污泥在300℃、10 MPa左右使污泥反應(yīng)生成油狀物［41］；德國和加拿大以熱分解油化法為主，把干燥的污泥在無氧條件下加熱到300～500℃，使之產(chǎn)生氣體 ，將氣體冷卻轉(zhuǎn)變成油狀物，澳大利亞Perth也正在建造利用熱化學(xué)方法將污泥制油的工廠，而在國內(nèi)污泥制油技術(shù)則剛剛起步。

2．3．3 污泥改性制吸附劑

由于生化污泥中有較多的碳，在一定的高溫下，以生化污泥為原料，通過化學(xué)法改性活化處理可制得含碳吸附劑，含碳吸附劑處理有機(jī)廢水，COD去除率可達(dá)80%左右，是一種性能良好的有機(jī)廢水處理吸附凝聚劑［42］。日本以脫水污泥濾餅為原料，開發(fā)出了高性能活性炭。在500～600℃下碳化，經(jīng)酸洗除雜質(zhì)，再用堿活化。該法制得的活性炭其細(xì)孔的比表面積是市售品的118倍以上，吸附能力大大增強(qiáng)［43］。

2．3．4 活性污泥作粘結(jié)劑

活性污泥本身具有一定熱值，又有一定的粘結(jié)性，能夠作為黏結(jié)劑將無煙粉狀煤加工成型煤，而污泥在高溫氣化爐內(nèi)被處理，防止了污染。以它作粘結(jié)劑，可改善高溫下型煤的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，提高了型煤的氣化反應(yīng)性，提高了碳轉(zhuǎn)化率。同時，污泥的熱值也得到了利用［44］。

2．3．5 污泥制動物飼料

污泥中含有大量有價值的物質(zhì)，粗蛋白占28．7%～40．9%、 灰分占26．4～46．0%、纖維素占26．6%～44．0%、脂肪酸占0～3．7%。污泥中70%的粗蛋白質(zhì)是以氨基酸形式存在，以蛋氨酸、胱氨酸和纈氨酸為主，且各種氨基酸之間相對平衡，是一種很好的飼料蛋白。趙順順等以某污水處理廠剩余活性污泥為材料，采用加熱水解法從中提取細(xì)胞蛋白，純度較高，可檢測到7種必需氨基酸和8種非必需氨基酸且含量很高，可作為很好的飼料添加劑［45］。

2．3．6 污泥降解塑料

聚羥基烷酸（PHA）是一類可完全生物降解、具有良好工作性能和廣闊應(yīng)用前景的新型熱塑材料。國外已成功從活性污泥中分離出用于合成生物可降解塑料的物質(zhì)如聚3-羧基丁酸及3-羧基戊酸，郝曉地等［46］總結(jié)了利用混合菌群活性污泥法實現(xiàn)生物可降解塑料PHA的合成?；钚晕勰嘟?jīng)過培養(yǎng)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讓廢物得到了利用又避免了“白色污染”，創(chuàng)造了良好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益［47］。

2．3．7 污泥生產(chǎn)沼氣

沼氣是有機(jī)物在厭氧條件下經(jīng)厭氧細(xì)菌的分解作用產(chǎn)生的以甲烷為主的可燃性氣體，是一種比較清潔的燃料。污泥進(jìn)行厭氧消化即可制得沼氣。污泥沼氣發(fā)熱量為20850～25020 kJ·m-3，1m3氣體約相當(dāng)于1 kg煤［48］，因此，利用污泥制沼氣，不僅可以解決污泥出路問題，而且對節(jié)約能源和降低污水廠運(yùn)行費(fèi)用都有很大意義。

近年來，隨著人們對污泥處理的重視，一些新的污泥處理利用方法不斷問世，如對氯代化合物的降解作用、污泥鐵屑綜合應(yīng)用、污泥構(gòu)筑濕地、制備蛋白質(zhì)泡沫滅火劑等，但這些方法還不成熟，需要進(jìn)一步實踐和驗證。

3 城市污泥綜合利用的前景展望

城市污泥處理是全世界環(huán)境領(lǐng)域的難題之一。污泥處理不當(dāng)，直接排入環(huán)境中會造成環(huán)境污染，也會造成資源和能源的浪費(fèi)。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較為薄弱，污泥的資源化利用尤其是農(nóng)業(yè)利用，不但可以節(jié)省大量的污泥終端處置費(fèi)用，更可以為肥力低下的農(nóng)田增添有機(jī)質(zhì)、提高肥力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。因此，污泥的資源化利用將成為符合我國國情的污泥處置的發(fā)展方向。不過，選擇何種污泥資源化技術(shù)，應(yīng)綜合考慮該地區(qū)污水處理的工藝特征、污泥性質(zhì)以及行業(yè)需求。在推廣污泥綜合利用的同時，應(yīng)建立、健全相關(guān)法律、法規(guī)，劃分污泥種類，發(fā)展和制定配套的環(huán)境監(jiān)測方法和制度?？傊氚踩行У奶幹梦勰?，需要政府、科研、環(huán)保、用戶各方面的通力合作才能真正實現(xiàn)。

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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

趙璇（1989-），女，陜西渭南人，在讀本科生

李?。?980-），男，河南周口人，碩士，講師，主要從事環(huán)境工程及污染防治方面的研究，Email：leechen_317＠126．com電話：15991868805，通信地址：陜西省漢中市陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院

2011-03-11