城鎮(zhèn)污水處理廠污泥資源化利用途徑

秦 學，婁曉月，李再興，薛 飛，韓永輝，白玉瑋，李 功，劉昊昀，寧 靜

（1.河北科技大學環(huán)境科學與工程學院，河北 石家莊 050000；2.天津市瑞德賽恩水業(yè)有限公司，天津300270；3.石家莊高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)供水排水公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

截至2019 年底，全國共有污水處理廠5 476座，年累計污泥產量3 923 萬t（按含水率80%計算），并且呈現逐年增長的趨勢。傳統(tǒng)的污泥處理方式主要為衛(wèi)生填埋和焚燒技術，資源化利用率低，易產生二次污染。

國家發(fā)展改革委等十部委《關于推進污水資源化利用的指導意見》 （發(fā)改環(huán)資〔2021〕 13 號）中明確提出“加快推動城鎮(zhèn)生活污水資源化利用。……積極推進污泥無害化資源化利用設施建設……因地制宜開展再生水利用、污泥資源化利用……制定區(qū)域污泥無害化資源化利用實施方案……重點突破污水深度處理、污泥資源化利用共性和關鍵技術裝備。”

可見，實現污泥的資源化利用，不僅是環(huán)境保護的需要，更是一項重大的國家戰(zhàn)略需求。

目前，城鎮(zhèn)污水處理廠污泥資源化利用方式，主要有污泥生產有機肥、生產沼氣、制備生物炭、回收碳氮磷、生產建筑材料等。

1 生產有機肥

好氧堆肥是實現污水廠污泥減量化、無害化和再利用的有效途徑之一，具有成本效益較高、維護費用較低、易操作的優(yōu)點。

堆肥產品可作為園林綠化、礦山修復、沙漠化土壤改良等營養(yǎng)機制來使用，但是污泥中含有大量的營養(yǎng)物質的同時，也存在多環(huán)烴、重金屬等有毒有害物質，需要采用一定處理手段將其去除。

朱海偉等研究兩階段共24 d 的膜覆蓋高溫好氧發(fā)酵工藝，通過調節(jié)物料含水率和C/N，經發(fā)酵處理的污泥有機質下降至35%左右、含水率下降至45%左右，且堆體內部溫度維持60 ℃，8 d 以上，能夠實現滅菌除雜。

Xue 等研究污泥堆肥改良劑對牡丹—土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，結果表明，土壤代謝商在堆肥用量為45%時最小，在堆肥量為15%~45%時，隨著堆肥用量的增加呈下降趨勢，在堆肥用量為45%~75%時呈上升趨勢，可見污泥堆肥用量≤45%時，對牡丹- 土壤生態(tài)系統(tǒng)具有良好的效益。

王杰等研究施用污泥肥料時，高羊茅、黑麥草和早熟禾，3 種植物葉和根對重金屬Cu 和Zn 的吸收情況，結果表明，隨著污泥肥料施用量的增加，3 種植物葉和根對Zn 和Cu 的吸收量均呈逐漸增加的趨勢，其中高羊茅葉和根的Zn 含量最高，分別為121.09 mg/kg 和164.90 mg/kg，且高羊茅對Cu的吸收表現出一個閾值，污泥堆肥施用量＞6%后，高羊茅對Cu 的吸收能力略有下降。

2 生產沼氣

厭氧消化技術，是利用厭氧菌或兼性菌降解污泥中的有機物，生產沼氣，同時沼液沼渣也可用作農肥，實現廢棄有機物的穩(wěn)定化和能源化利用，在實際工程項目中應用廣泛。我國污水處理廠剩余污泥如果單獨進行厭氧消化，存在C/N 低的問題，許多學者嘗試將污泥與廚余垃圾、豬糞等有機固體廢棄物進行共消化，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加沼氣產量。

上海市白龍港城市污水處理廠，將污泥消化處理與部分干化處理有機結合，采用了8 座單池有效容積12 400 m3的卵形消化池，日產沼氣4.5 萬m3，年減少CO2排放約13 萬t。

Cheng 等利用高固體厭氧生物膜反應器處理污泥和廚余垃圾共消化，結果表明，當廚余垃圾比例為0、25%、50%、75%和100%時，COD 轉化為甲烷的比例分別為54.1%、66.9%、73.5%、91.4%和93.5%。

Klaudiusz 等開展微波預處理污泥和油菜籽餅共消化研究，結果表明，HRT 為20~ 22 d，在發(fā)酵反應器中添加1~ 5%油菜籽餅，共消化混合物的沼氣產量是污泥單獨進行發(fā)酵的兩倍，甲烷量高出10~12%。

3 制備生物炭

污泥制備生物炭是近年來迅速發(fā)展的污泥處理新技術之一，該技術是在缺氧或絕氧的條件下，經過高溫熱解，將污泥熱分解轉化為固態(tài)材料，即污泥生物炭。

由污泥制備的生物炭，具有豐富的孔隙結構、較大比表面積、富含官能團、含有礦物質等特點，可以用作吸附劑、土壤改良劑、脫色劑和催化劑等，應用前景廣闊。在實驗室對污泥生物炭研究越來越多，技術日益成熟。

王志樸等研究了污泥基生物炭對土壤中Cr 吸附固定的效果和機制，結果表明，污泥基生物炭可以通過離子交換、沉淀、絡合作用等方式，固定土壤中Cr，當添加比例由1%增加到15%時，土壤中Cr 濃度由34.02 mg/kg 增加到了38.52 mg/kg。

Abhay 等研究污水污泥制備的生物炭（SSB-450） 作為吸附劑去除水溶液中的瑞馬唑亮藍R（RBBR） 的效率，結果表明，當染料濃度從10 mg/L 增加到100 mg/L 時，SSB-450 對RBBR 的吸附率從8.56 mg/g 增加到80.6 mg/g，吸附效果良好，并且處理的殘留RBBR 無細胞毒性。

Manik 等利用污水廠污泥制備MnOx-N- 污泥炭催化劑降解過硫酸鹽（PMS），結果表明，合成的MnOx-N- 污泥炭催化劑化學性質穩(wěn)定、可回收利用，在較寬的pH 范圍內表現出良好的PMS 分解能力。

4 回收碳及氮和磷

我國城鎮(zhèn)污水廠進水C/N 較低，反硝化過程缺乏碳源，通常需要外加碳源（如甲醇、乙醇、葡萄糖等），來滿足生物脫氮的需要，而利用剩余污泥開發(fā)內碳源，將其回流至生物反應器中，可以大大節(jié)約運行成本。同時，城鎮(zhèn)污水廠污泥中含有豐富氮、磷等物質，也有不少學者從考慮污泥的硝化反硝化反應轉化為回收具有高附加值的氮和磷。

Cao 等將初沉池污泥作為生物反硝化固體碳源，結果表明，當污泥投加量為6.0 g VSS/g N 時，可實現完全反硝化，無亞硝酸鹽積累，硝態(tài)氮還原率最高為6.4 mg N/(g VSS·h)，與報道的可溶性碳源相當，更重要的是，初沉池污泥減少65.3~85.1%。

王凌霄等采用磷酸銨鎂沉淀法回收剩余污泥堿解上清液中的氮、磷，結果表明，初始溶液pH 為9.15，n（Mg）：n（P） =1.78，反應時間為25 min，PO4-3-P 及NH3-N 回收率分別為76.81% 和59.75%。

李政等采用化學水解法提取污泥中的蛋白質，在pH 為0.5，溫度為130 ℃，水解4 h 的條件下，蛋白質提取率提高到90%以上。

5 生產建筑材料

污泥除含有豐富的有機質外，還含有鈣、鐵、鋁、硅等無機質，與建筑材料物質組成相似。對于重金屬含量偏高、不宜農用的污泥，向其中添加輔助材料，經無害化處理后可以制成建筑材料，實現污泥的資源化利用。目前，利用污泥生產建筑材料，主要有水泥、磚、陶粒、涂料和纖維板等。

Fahimeh 等利用市政干化污泥替代傳統(tǒng)原材料生產硅酸鹽水泥，污泥的添加量分別為5.0%、7.5%、10.0%和15.0%，結果顯示，硅酸鹽水泥的初凝時間和終凝時間隨著污泥置換水平的增加而增加，所有生態(tài)水泥試件的抗壓和抗彎強度均與對照組相當。

章維維等對杭州余杭區(qū)污水廠污泥制磚進行可行性分析，結果表明，基于污泥干基摻比為10%，低溫段的駐留時間是造成磚塊抗壓強度差異的主要因素，且磚塊強度主要受200~300 ℃作用的影響，該區(qū)6 家污水廠污泥經脫水處理后均可用于制磚。劉爽等以污水廠污泥、河道淤泥和粉煤灰為原料制備陶粒，結果表明，預熱溫度400 ℃，預熱時間30 min，燒制溫度1 225 ℃，保溫時間1/5 min，升溫速率10/15 ℃/min，燒制的陶粒堆積密度能達到600 級，筒壓強度≥0.8 MPa，吸水率＜10%，符合工業(yè)廢渣輕集料標準要求。

陳光照研究市政污泥制備建筑外墻涂料的基礎配方，結果顯示，污泥填料28.4%、丙烯酸707、乳液14.2%、羧甲基纖維素0.9%、流平劑0.1%、絹云母粉3.9%、乙二醇1.0%、消泡劑0.3%、眾力防水劑3.1%、石蠟乳液1.2%和水46.4%，涂料質量達到國家標準GB/T9755-2014 對底漆的要求。

6 結 語

我國城鎮(zhèn)污水、污泥產量大幅增加，污泥處理處置存在巨大的市場空間和機遇挑戰(zhàn)。各地區(qū)應以現有污水處理廠為基礎，因地制宜、分類施策，實現污泥資源化利用。

對重金屬和有毒物質含量低的污泥，可用來生產有機肥或者厭氧消化產沼氣；對不適合農用的污泥，可采用污泥建材利用技術。

有條件的地區(qū)，根據城鎮(zhèn)污泥處理實際需要，開展污泥制備生物炭、回收碳氮磷等化技術的研究與實際應用，以便科學、有效的處理和處置城鎮(zhèn)污水廠污泥。