污泥資源化利用現(xiàn)狀及其制備功能材料的研究進展

秦倩， 楊厚云，2， 余麗，2， 李衛(wèi)華，2， 羅濤，2， 張萍，2

（1.安徽建筑大學 環(huán)境與能源工程學院， 合肥 230601；2.環(huán)境污染控制與廢棄物資源化利用安徽省重點實驗室， 合肥 230601）

進入21 世紀以來， 工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展增加了污水污泥產(chǎn)量［1］。 污泥中包含有機和無機物質（Al2O3、 SiO2、 MgO-CaO 等）、 多種過渡金屬（Co、 Fe、 Ni 等）、 生物大分子等， 如果處理不當，將對人類健康和環(huán)境造成巨大危害［2］。 填埋、 焚燒、 厭氧消化、 土地利用等在減少污染物方面的效果有限。 因此， 污泥處理面臨的挑戰(zhàn)促使行業(yè)尋求對環(huán)境和人類有利的可持續(xù)污泥處理技術［3］。

污泥既是污染物又是一種資源， 將污泥進行資源化利用， 一方面可緩解當下剩余污泥處置的難題， 另一方面實現(xiàn)資源的回收與利用， 有效減少資源的浪費。 制備生物炭［4］、 水處理中的吸附材料、催化材料等［5］都是污泥資源化利用的有效途徑， 也是目前污泥資源化利用研究領域的重要內容。 基于大量的文獻調研， 本文在簡述污泥處理、 利用現(xiàn)狀的基礎上， 提出污泥資源化的必要性， 分析了當前污泥資源化利用在制備各種材料及其應用方面的研究進展， 最后對污泥資源化利用進行展望， 為解決污泥問題提供參考。

1 國內外污泥資源化利用現(xiàn)狀

對污泥進行資源化利用， 是針對現(xiàn)階段污泥處置問題不滿足社會發(fā)展需求而提出的一種有效解決方法。 迄今為止， 污泥的處置和再利用已在全球范圍內得到廣泛研究， 國外對污泥處理利用的研究起步比國內早幾十年。 一些研究表明， 各國對污泥資源化利用方式各不相同， 主要取決于國家的經(jīng)濟發(fā)展水平［6-7］。 例如： 澳大利亞將75% 的污泥用于農(nóng)業(yè)［8］； 日本將52% 的污泥回收用于生產(chǎn)建筑材料，12% 的污泥被厭氧消化以回收生物能［9］； 美國約有60%的污泥通過厭氧消化或有氧發(fā)酵轉化為生物固體， 用作農(nóng)業(yè)肥料等［10］。 受經(jīng)濟和技術條件影響，我國仍有部分地區(qū)采用填埋方式處置污泥， 因此，有必要開發(fā)一種新的污泥處置模式， 解決未來出現(xiàn)的環(huán)境問題， 污泥資源化即是一種很好的方法。

國內外對污泥資源化利用趨向多面化， Taki等［11］ 證明了將污泥制備成建筑材料在建筑方面的潛在利用價值， 目前世界范圍內對污泥在基礎設施中再利用的研究方向大致相同， 即污泥被干燥或焚燒， 然后用于制備砌塊、 骨料、 水泥和其他建筑材料， 或作為添加劑摻入水泥或混凝土中［12］。 此外，污泥還可用來生產(chǎn)沼氣， 制備生物炭用作吸附劑［13］、催化劑［14］， 生產(chǎn)有機肥［15］等。 眾多研究表明， 污泥資源化利用是解決污泥處置問題的良好途徑， 將污泥資源化制備成材料是可行的。 污泥制備成材料，實現(xiàn)了廢物再利用， 也解決了能源短缺的問題。

2 污泥制備材料及應用

2.1 污泥制備生物降解材料

聚羥基烷酸酯（PHA）是一種天然的生物聚酯，具有完全生物降解性和類似于化學合成塑料的理化性質， 是傳統(tǒng)不可降解塑料的理想替代品。 活性污泥中含有大量的PHA 合成菌［16］， 因此活性污泥可以用來合成PHA， 實現(xiàn)剩余污泥的資源化利用。近年來， 圍繞活性污泥生產(chǎn)PHA 的基礎理論研究和高效生產(chǎn)工藝的開發(fā)一直備受國內外的關注， 如何提高PHA 的產(chǎn)量是目前研究的熱點。

Tu 等［17］認為較低的磷濃度促進PHA 的最大積累， 磷含量對PHA 生產(chǎn)的影響主要是通過將醋酸鹽 轉 化 為PHA 的 效 率 來 實 現(xiàn) 的。 Wang 等［18］在 考察DO 濃度水平對活性污泥PHA 的積累和硝化速率的影響研究中表明， 與硝化速率相比， DO 濃度對PHA 產(chǎn)率的提高具有促進作用， 因此， 可通過控制DO 濃度抑制硝化反應和反硝化反應， 來提高PHA 的產(chǎn)量。 劉煜［19］采用厭氧-限氧工藝， 以乙酸鈉為碳源， 探討用活性污泥合成PHA 的合適底物濃度和厭氧時間， 結果表明底物質量濃度為800 ～1 000 mg／L， 厭氧時間為2 h 時， PHA 合成量最大。宋冬雪［20］利用環(huán)氧丙烷皂化廢水作為碳源馴化活性污泥合成PHA， 探究了乙酸、 丙酸和丁酸作為外加碳源對PHA 產(chǎn)量的作用， 結果表明環(huán)氧丙烷皂化廢水的活性污泥菌群能夠合成PHA， 并通過對各碳源產(chǎn)率最大值的比較得出， 乙酸可作為馴化的最適外加碳源。

上述研究結果表明， 活性污泥可合成PHA，這既可降低廢棄污泥的處置成本， 也可降低PHA的生產(chǎn)成本， 但活性污泥合成PHA 的成本偏高，限制了其實際應用。 此外， 將活性污泥直接馴化雖然能降低污泥處理成本， 但污泥中菌群復雜， 會影響PHA 的產(chǎn)量。 研究人員可嘗試調控污泥中菌群分布結構， 通過菌群的定向選擇來富集PHA 合成菌或抑制對PHA 合成產(chǎn)生反作用的菌群， 進而提高活性污泥合成PHA 的產(chǎn)量。

2.2 污泥制備Fenton 催化材料

Fenton 法是一種處理工業(yè)廢水和垃圾滲濾液的高級氧化工藝， 其缺點是中和過程中會產(chǎn)生大量污泥， 這些污泥需要進一 步分離、 脫水和處置［21］。Fenton 污泥的有效利用不僅會降低Fenton 工藝的總成本， 而且還大大減輕其對環(huán)境的不利影響。Fenton 污泥有多種再利用途徑， 如可作為原料為類Fenton 工藝生產(chǎn)催化劑等。

Zhang 等［22］將Fenton 污泥 通 過 共 沉 淀 法， 在800 ℃下煅燒成磁性NiFe2O4顆粒， 作為非均相Fenton 法的高效催化劑， 結果表明， 在NiFe2O4和H2O2同時存在的情況下， 對苯酚的去除率高達（95±3.4）%， NiFe2O4在非均相Fenton 過程中展現(xiàn)出 良 好 的 催 化 性 能。 Guo 等［23］研 究 了 不 同 煅 燒 溫度條件下的鐵泥作為非均相Fenton 催化劑降解染料廢水， 結果表明， 經(jīng)過600 ℃煅燒的鐵泥對羅丹明B 的催化性能最高， 對酸性紅G 和亞甲基藍均表現(xiàn)出良好的降解效果。 方庭玕等［24］用Fenton污泥制備的水熱炭作類Fenton 催化劑， 在水熱炭投加量為0.8 g／L， H2O2投加量為0.8 mL／L， 溶液pH 值為3 的條件下， 反應0.5 h， 對亞甲基藍的去除率接近100%； 通過X 射線光電子能譜和X 射線衍射分析可知， Fe2＋的峰強度高于Fe3＋， 說明水熱炭可將部分Fe3＋還原成Fe2＋， 生成的Fe2＋與OH-結合形成Fe（OH）2， 在類Fenton 反應中起主要作用，這與Lin 等［25］的研究結論一致。

可見， 用Fenton 污泥制備的催化劑用于促進Fenton 反應具有可行性， 為新型非均相Fenton 催化劑的制備提供了新思路。 目前有關采用Fenton污泥制備的催化劑的催化性能和穩(wěn)定性評估的研究較少， 需要進一步確定。 此外， 進一步探究并提高該催化劑的循環(huán)性能也是未來研究方向之一。

2.3 污泥制備TiO2 污泥基材料

具有光催化性能的光催化劑包括WO3、 TiO2、CdS、 ZnS、 ZnO 等， 其中TiO2由于價格低、 化學穩(wěn)定性好且無毒， 在許多光催化化合物中被應用最多［26］。 有研究表明在生物炭負載的催化劑中， 生物炭表面官能團能增強活性位點［27］。 在廢水處理中，以TiO2／污泥炭為催化劑的光催化技術備受關注，已成為一種具有廣闊發(fā)展前景的廢水處理技術。

Mian 等［28］以 污 泥 和 不 同 比 例 的 納 米 顆 粒（Fe和Ti）為原料， 在800 ℃下進行熱分解得到TiO2／Fe／Fe3C-生物炭復合材料， 將其應用于亞甲基藍（MB）降解試驗， 結果表明， TiO2／Fe／Fe3C-生物炭復合材料具有優(yōu)異的催化性能。 張燕京［29］以污水廠脫水污泥為原料， ZnCl2為活化劑， 采用溶膠-凝膠法和浸漬法直接負載制備TiO2／污泥炭復合光催化材料， 考察TiO2／活性炭的光催化降解丙酮氣體的性能， 結果顯示兩步法制備的TiO2／污泥炭復合光催化材料具有更優(yōu)的比表面積， 更適合吸附丙酮等有機氣體， 并且對丙酮的處理效果好， 持續(xù)時間更長。 在此基礎上， 朱新曼［30］以市政污泥為原料，采用相同的制備方法， 研究制備的TiO2／污泥炭復合光催化劑對頭孢拉定的光解性能， 結果表明， 一步法制備的TiO2／污泥炭復合光催化材料具有較高的光催化性能。 由上述試驗結果對比可知， 制備方法會影響污染物的降解速率， 對不同的污染物應選擇合適的制備方法， 以發(fā)揮TiO2／污泥炭復合材料的最佳光催化性能。

上述研究表明， TiO2／污泥炭復合材料具有優(yōu)良的催化性能， 能有效降解水體中有機污染物。 但制備污泥炭基光催化復合材料仍處于早期階段， 對于污泥炭在光催化復合材料中的作用， 以及污泥炭和單一的傳統(tǒng)光催化劑之間的內在作用機理尚不清晰， 未來應進行深入探討。

2.4 污泥制備活性炭吸附材料

污泥制備成活性炭作為吸附材料， 因操作簡單、 對目標污染物去除效果好， 在水處理領域得到了廣泛應用［31-32］。

姚宏等［33］采用濃縮污泥和脫水污泥制備污泥活性炭， 作為加替沙星廢水的吸附劑， 結果表明短時間內脫水污泥具有更好的吸附性能。 Guan 等［34］考察造紙污泥基活性炭（psAC）對水中低濃度Cr（Ⅵ）（10 ～100 mg／L）的吸附能力， 結果表明psAC 對低濃度Cr（Ⅵ）廢水具有顯著的去除效果。 譚作進［35］以污水處理廠的污泥為原料， 采用ZnCl2＋HNO3體系的活化劑制備生物活性炭， 將其和商品活性炭用于對鎘的吸附試驗， 比較了在最佳條件下2 種活性炭對鎘的吸附性能， 結果表明生物活性炭對鎘的平均吸附量更高。

由此可見， 污泥是制備活性炭的優(yōu)良原料。 以污泥為原料制備活性炭， 并將其應用于水處理領域， 對水中污染物表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能。 可有效去除水中的污染物。 然而， 活性炭用于廢水處理或土壤改良時可能會釋放重金屬和有機污染物， 對人類健康和環(huán)境的潛在影響尚不清楚。 目前污泥活性炭對實際廢水處理的研究較少， 大多數(shù)研究仍處于實驗室階段， 有待進一步深入研究。

2.5 污泥制備其他復合材料

Liu 等［36］以改性工業(yè)污泥（MSU）、 Al（OH）3為載體材料， 采用溶解結晶濕除法制備污泥基復合粉末抑制劑， 考察MSU-Al（OH）3復合粉末抑制劑對鋁粉爆炸的影響， 結果表明MSU-Al（OH）3復合粉末抑制劑對鋁粉爆炸的影響最大。 高巧春等［37］采用造紙污泥（PIW）填充高密度聚乙烯（HDPE）制備PIW／HDPE 復合材料， 對PIW／HDPE 復合材料的吸水性能、 熱性能、 阻燃性能、 拉伸性能及動態(tài)力學性能進行分析測試， 結果表明PIW／HDPE 復合材料具有良好的結合界面和拉伸性能。 孫義明等［38］以富鐵污泥（FeS）為原料， 用硅烷偶聯(lián)劑KH-550對其表面改性制得改性富鐵污泥（KH-550-FeS），再將其填充到聚氯乙烯（PVC）中制得PVC／KH-550-FeS 復合材料， 考察KH-550-FeS 與輕質CaCO3填充量對PVC 拉伸性能、 耐熱性能及流變行為的影響， 對比可得添加KH-550-FeS 有利于提高PVC 的耐熱性能， KH-550-FeS 作為填料加入到PVC 中能顯著增加復合材料熔體的儲能模量和復數(shù)黏度。

綜上所述， 污泥填充到聚合物中得到的復合材料比原材料具有更優(yōu)的性能， 可繼續(xù)研究污泥填充到不同聚合物中來制備復合材料， 并探究其較傳統(tǒng)材料還未顯現(xiàn)的性能， 從而進一步考察污泥復合材料所具有的應用優(yōu)勢。

3 結語

污泥資源化利用不僅緩解了當下剩余污泥處置的難題， 還實現(xiàn)了資源的回收與利用， 更在一定程度上緩解資源短缺問題。 傳統(tǒng)的污泥處置方式已無法滿足嚴格的環(huán)境保護要求， 未來的根本出路是污泥資源化和能源化。 污泥資源化的合理方法之一是將污泥制備成各種材料， 優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下2 個方面： ①采用污泥制備材料不僅可以實現(xiàn)對污泥的減量化， 且制造過程對環(huán)境產(chǎn)生的影響小， 更不用擔心污泥中所含的重金屬等對土地的危害； ②可以實現(xiàn)將污泥應用于制備具有使用價值的合成材料上， 從而降低污泥處理處置的成本。

目前關于將污泥制成吸附材料、 催化材料、 介孔材料等已有大量報道， 且應用涉及水處理、 農(nóng)業(yè)、 建筑業(yè)等領域， 如何進一步實現(xiàn)污泥的資源化利用已成為學術界研究的熱點， 特別是隨著研究的深入， 如何將污泥制備成更加具有實用性的材料，不斷拓展污泥資源化利用的范圍， 以實現(xiàn)其更廣泛的應用是今后需要重點關注的新方向。