城市污泥資源化利用研究進(jìn)展

徐晴晴 黃春桃 楊文靜 林秀弘 李超 何凌峰

(廣東工業(yè)大學(xué) 華立學(xué)院，廣東 廣州 511325)

隨著城市化進(jìn)程的加深及城市污水處理率的不斷上升，越來越多的生活污水通過城市地下污水排放系統(tǒng)匯入污水處理廠[1]，于是，將污水處理廠中日益增加的污泥進(jìn)行合理處置便成為一件迫在眉睫的事[2]。近年來，隨著人們對環(huán)保的重視，資源循環(huán)再生利用越來越受到關(guān)注，而城市污泥的資源化利用方法也成為城市污泥研究的新熱點(diǎn)。將城市污泥進(jìn)行資源化利用不僅能夠減少污泥亂排亂放對環(huán)境造成的危害，還可實(shí)現(xiàn)污泥再次利用價(jià)值，為建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會作出貢獻(xiàn)。

1 城市污泥特點(diǎn)

城市污泥是污水處理后剩下的固體部分，一般在污水處理廠的初沉池、二沉池中產(chǎn)生。伴隨人口城市化的發(fā)展，城市污泥產(chǎn)生量也越來越多。據(jù)報(bào)道，我國城鎮(zhèn)污泥量每天可達(dá)7 500噸[3]。污泥的產(chǎn)生量受諸多因素影響，如污水進(jìn)水量、化學(xué)需氧量、生化需氧量以及懸浮物濃度等[4]。在初沉池或二沉池中形成的城市污泥，其密度一般較小，污泥的顆粒相對細(xì)密，并且含有大量的微生物。不同污水水源產(chǎn)生的城市污泥組分含量差別也很大。研究表明，我國城市污泥含水量一般為75%，而國外一般為70%[5]；城市污泥中約25%含有硅、鐵等；在一些處理不規(guī)范的城市污泥中還會含有大量重金屬、病原微生物等有毒有害物質(zhì)，因此在污泥資源化利用過程中一般需對污泥進(jìn)行預(yù)處理或根據(jù)不同污泥來源對污泥利用方式進(jìn)行分類[6]。

2 城市污泥資源化利用途徑

結(jié)合城市污泥的特點(diǎn)，現(xiàn)階段城市污泥的主要利用方向有作為堆肥原料、燃料、填埋場覆土、建筑材料原料等。在進(jìn)行污泥資源化利用過程中不僅要考慮到經(jīng)濟(jì)效益，還應(yīng)考慮到污泥再生產(chǎn)品是否會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

2.1 堆肥

城市污泥中富含有機(jī)質(zhì)，是堆肥原料的最佳選擇之一。以城市污泥為基質(zhì)，采用好氧或缺氧的堆肥方法可得到具有高利用價(jià)值的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需肥料。由于城市污泥密度及顆粒度都較小，現(xiàn)階段利用城市污泥堆肥時(shí)一般都與作物的秸稈、養(yǎng)殖糞便或者生物炭混合堆肥[7-9]。堆肥過程一般需兩次發(fā)酵，第一次發(fā)酵為期10天左右，第二次發(fā)酵需要30天左右。在堆肥期間，需要控制肥堆使其處于適宜的溫度和濕度。堆肥過程中，若溫度較高可能會影響堆體中的用于發(fā)酵的微生物的活性，造成堆肥過程加長；若肥堆濕度控制不好，會造成肥料肥效下降甚至導(dǎo)致堆肥失敗[10]。城市污泥經(jīng)成功發(fā)酵后，基本可達(dá)到質(zhì)軟且無臭味的狀態(tài)[11]。對于一些重金屬含量超標(biāo)的城市污泥，不宜采用堆肥的資源化利用方法。目前，相關(guān)研究表明，采用城市污泥為原料堆制的肥料對植物生長的影響各有不同，但基本為正面促進(jìn)效果。王婧等人的研究表明，施用含30%城市污泥堆制的肥料能促進(jìn)合果芋的生長，同時(shí)還可具有降低土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的效果[12]。儲雙雙等人研究污泥堆肥對黃梁木生長的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加適量污泥堆肥可增加黃梁木株高、根長及總生物量[13]。徐福銀等人研究污泥堆肥對菊花栽培的影響，發(fā)現(xiàn)施用污泥堆肥的菊花花期增加，長勢也比對照組好[14]。褚艷春等人研究污泥堆肥對青菜生長影響，結(jié)果表明添加一定量的污泥堆肥可提升青菜發(fā)芽率，同時(shí)有提升青菜總生物量的作用[15]。許曉玲等人的研究表明，施用污泥堆肥會增加土壤中銅、鋅含量，但大豆籽粒中的重金屬并沒有超過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[16]。

2.2 燃料

城市污泥經(jīng)焚燒其質(zhì)和量都會發(fā)生一定改變，如焚燒可有效殺滅污泥中的病原微生物并顯著減少污泥總量；污泥中含有的重金屬在高溫狀態(tài)下更容易變成穩(wěn)定態(tài)，可減少污泥給環(huán)境帶來污染的風(fēng)險(xiǎn)，方便后續(xù)處理[17]?，F(xiàn)階段用于污泥燃燒的裝置主要有污泥流化床焚燒爐、回轉(zhuǎn)窯式焚燒爐等[18]。研究人員通過采用不同焚燒技術(shù)或改良污泥燃燒特性，在污泥做燃料利用方面取得良好研究成果。如郝曉地等人從經(jīng)濟(jì)角度將污泥焚燒技術(shù)、污泥傳統(tǒng)處理和介入熱水解預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)相對其他兩種技術(shù)，污泥焚燒技術(shù)運(yùn)行成本最低[19]；林浚銘等人將污泥混合木屑制作成生物質(zhì)燃料，并研究該燃料的燃燒特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)合理添加木屑可制造出燃燒性較好的燃料[20]；陳莉佳等人通過研究不同污泥焚燒工藝路線的碳排放總量，發(fā)現(xiàn)相對傳統(tǒng)“兩段式”工藝，采用污泥脫水干化一體化與焚燒工藝相結(jié)合可有效減少污泥在燃燒中的碳排放，具有推廣應(yīng)用價(jià)值[21]。

2.3 填埋場覆土

將污泥作填埋場覆土使用是污泥資源化利用的另一個(gè)方法。該方法具有操作技術(shù)簡單、經(jīng)濟(jì)效益良好的特點(diǎn)。將城市污泥作為填埋場覆土可大量節(jié)省優(yōu)質(zhì)土壤，但同時(shí)也存在城市污泥中含有的重金屬可能會隨著雨水下滲使地下水有被重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。此外，污泥中含有的重金屬及一些微生物還可能隨地表徑流進(jìn)入被填埋的垃圾，對垃圾的腐化產(chǎn)生一定影響。但研究結(jié)果表明，城市污泥經(jīng)過一定技術(shù)處理完全可達(dá)到作為填埋場覆土的標(biāo)準(zhǔn)。黃川等人采用將60%含水率的污泥用爐渣進(jìn)行2∶1混合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過爐渣改性后的污泥其各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到作為垃圾填埋場覆土要求[22]。楊石飛等人在室內(nèi)進(jìn)行污泥改性作為填埋場覆土材料的實(shí)驗(yàn)，初步認(rèn)為將泥灰作為改性劑加入污泥中可有效減少污泥的熱收縮性，并使得污泥滿足作為填埋場覆土材料使用的標(biāo)準(zhǔn)[23]。徐文龍等人研究了在污泥中加入堿性和中性固化劑使其作為垃圾填埋場覆土的可行性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用中性固化劑使得城市污泥更適合作為垃圾填埋場覆土[24]。鄒廬泉等人分析了不同固化劑比例下污泥的抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)及不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下固化產(chǎn)物浸出液的生化需氧量、氨氮和重金屬含量，發(fā)現(xiàn)添加30%固化劑養(yǎng)護(hù)3天可使得污泥達(dá)到作為填埋場覆土的要求[25]。

2.4 制備建筑材料

將城市污泥作為建材原料是城市污泥資源化利用的另一個(gè)重要方向。傳統(tǒng)建筑材料如磚、水泥以及纖維板等大都以土地或礦山等自然資源為原料。隨著城市化的不斷發(fā)展，這些自然資源被大量開采，使得可耕田地大量減少、礦山資源日益緊張。將城市污泥作為建筑材料的原料不僅可以促進(jìn)污泥的無害化、資源化利用，還能夠在一定程度上減少對自然資源的過度開發(fā)，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益[26]。目前許多聚焦在城市污泥加入添加劑制作水泥、陶粒、建筑板材以及建筑用磚等建筑材料的研究已經(jīng)取得了不錯(cuò)成果。如馬一菲通過研究發(fā)現(xiàn)，用生活污泥制作建筑磚可降低污泥焚燒工廠17%的運(yùn)營成本[27]。高德明認(rèn)為城市污泥符合建材制磚的要求，并且利用濕污泥在一定條件下制得的建筑用磚可滿足國家三級磚標(biāo)準(zhǔn)[28]。林春綿等人驗(yàn)證了以污水污泥為原料，配加一定量給水污泥和黏土制作陶粒可行性[29]。吳正宏認(rèn)為將城市污泥經(jīng)過合理摻配可作為建筑裝配墻體材料使用[30]。吳迪等人研究以污泥熱解固體殘留物為主要原料制作微晶玻璃，發(fā)現(xiàn)在950℃且晶化時(shí)間為60分鐘時(shí)，生產(chǎn)出來的微晶玻璃理化性能良好且對重金屬的固化效果極好[31]。

2.5 其他

此外，周磊等人將污泥直接液化用來制取生物質(zhì)油，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在合適條件下污泥產(chǎn)油率可達(dá)25.4%[32]。吳少基等人將污泥與楊木屑共熱解焦制活性炭，并證明改性生物炭對苯酚有很好的吸附效果[33]。施政華等人研究了從污泥水解液提取蛋白質(zhì)可行性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用等電點(diǎn)沉淀法可有效回收城市污泥中蛋白質(zhì)[34]。張欽明等人闡述了污泥制氫的發(fā)展前景，并指出該方法是未來污泥資源化利用的重要方向[35]。操家順等人通過使用不同預(yù)處理方法對污泥進(jìn)行處理，證明了利用污泥進(jìn)行微生物燃料電池發(fā)電的可能性，并發(fā)現(xiàn)利用廢堿渣對污泥進(jìn)行預(yù)處理可提高微生物燃料電池的產(chǎn)電性能[36]。

3 展望

隨著國家對環(huán)保的不斷重視、人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，污泥的資源化利用市場會進(jìn)一步擴(kuò)大，關(guān)于污泥的資源化處理的法規(guī)也會不斷完善。在政府的導(dǎo)向作用和不斷增加的城市污泥量下，城市污泥資源化利用有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。但目前污泥資源化利用也存在一定不足，主要有以下幾點(diǎn)：(1)城市污泥成分復(fù)雜，不經(jīng)過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，城市污泥在作為堆肥原料或填埋場覆土?xí)r可能會產(chǎn)生二次污染。(2)城市污泥資源優(yōu)化利用行業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱，相關(guān)管理體系不夠規(guī)范。(3)采用污泥為原料制作的一些建材產(chǎn)品其成本相對高，且在市場上受到的認(rèn)可度較低。