城市污水處理廠污泥處置的現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

王學(xué)魁，趙 斌，張愛群，沙作良

(天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市的污水處理量與日俱增，污水處理廠產(chǎn)生的污泥也在急劇增加.如果這些污泥不經(jīng)過恰當(dāng)?shù)奶幚砭椭苯颖┞对诃h(huán)境之中，不但會帶來嚴(yán)重的二次污染，而且也對人類的健康造成了威脅.因此，污泥要經(jīng)過減量化、穩(wěn)定化、無害化的處理，進(jìn)行進(jìn)一步的處置，才能盡可能避免二次污染.

作為污水處理副產(chǎn)物的污泥，其成分復(fù)雜，除含有大量的水分外，還含有氮磷等營養(yǎng)元素、重金屬、有機(jī)質(zhì).若把它們直接排放到環(huán)境當(dāng)中，除了對環(huán)境造成危害，同時也是對營養(yǎng)資源的浪費(fèi).污泥直接暴露在環(huán)境當(dāng)中，會帶來以下影響：污泥中的病原體微生物、難降解有毒有機(jī)物、重金屬會嚴(yán)重污染水體和土壤；污泥易腐敗變質(zhì)，如不經(jīng)處理，在堆放過程中會產(chǎn)生惡臭氣體，污染環(huán)境[1-2].

隨著全球人口的增加，資源不斷被消耗，如何使剩余污泥變廢為寶成為研究熱點(diǎn).隨著近年來技術(shù)的進(jìn)步，污泥不再是經(jīng)簡單處理后被丟棄的無用廢物，而是通過多種方式進(jìn)行處理后成為可循環(huán)利用的資源.

1 國內(nèi)污泥處置的現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計[3]，在2008 年全國污水處理廠共1,519座，處理廢水量6,699.8 萬m3/d；到了2014 年，污水處理廠達(dá)到3,622 座，廢水處理量達(dá)1.53 億m3/d.處理污水的同時勢必會產(chǎn)生大量的剩余污泥，產(chǎn)量約為處理水體積的0.15%,～1%,.剩余污泥的處置勢必成為需要重點(diǎn)解決的問題.在此，將目前常見的污泥處置方法進(jìn)行概述.

1.1 填埋法

國內(nèi)對污泥進(jìn)行處置最常見的方法是利用現(xiàn)有的城市生活衛(wèi)生垃圾場進(jìn)行填埋.它具有投資較少、容量大、見效快的特點(diǎn).但是也有著明顯的不足之處：污泥中含有的有毒有害物質(zhì)會以滲濾液和臭氣的方式污染地下水和大氣；隨著污水處理廠剩余污泥的大量產(chǎn)出，可供污泥填埋的填埋場容積會越來越有限，所以用地緊張的地方不宜使用；高昂的運(yùn)輸費(fèi)用也是制約污泥衛(wèi)生填埋的一個重要問題.污泥的衛(wèi)生填埋并不能最終避免給環(huán)境帶來污染，而只是延緩了產(chǎn)生時間.我國目前城市污水處理廠主要還是以衛(wèi)生填埋為主，占到了總比例的63%,[4].隨著土地資源的日益緊張，固體廢物填埋場選址變得越來越困難，同時污泥填埋場滲濾液存在著泄漏的問題，容易污染到地下水和土壤.

1.2 土地利用、堆肥

污泥的土地利用是污泥處理的一種有效方式.剩余污泥中含有豐富的有機(jī)物和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素和鈣、鎂、銅、鐵、鋅等微量元素，它們有改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤肥力、促進(jìn)植物生長的作用[5].將污泥制成肥料加以利用具有能耗低、可回收利用污泥中營養(yǎng)物的優(yōu)點(diǎn).最常見的方法是進(jìn)行污泥堆肥，即在微生物的作用下，污泥高溫發(fā)酵使其中的病原菌無害化、有機(jī)質(zhì)分解，把有機(jī)廢物分解轉(zhuǎn)化成類腐殖質(zhì).為了減少對土壤的二次污染，堆肥時通常加入稻草、木屑等作為調(diào)理劑和膨脹劑，不僅能增加發(fā)酵的能源物質(zhì)，也對污泥中的重金屬起稀釋作用.

考慮到對土壤條件和食品安全的保護(hù)，污泥作為肥料主要用于園林綠化領(lǐng)域和非糧食作物領(lǐng)域.但隨著技術(shù)的進(jìn)步，為了充分利用剩余污泥中的營養(yǎng)物質(zhì)，將發(fā)酵處理過的污泥與尿素、磷酸一銨、氯化鉀、過磷酸鈣等按一定的比例混合，增大混合物的C/N比，使之成為復(fù)合肥料.這種復(fù)合肥料已經(jīng)用于糧食作物的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，其各項(xiàng)指標(biāo)都符合國家標(biāo)準(zhǔn).因此，污泥經(jīng)過有效處理后作為肥料用于農(nóng)業(yè)和園林綠化，是一個很好的資源化污泥處置的方法，有良好的發(fā)展前景.

1.3 焚燒法

城市中經(jīng)脫水后污泥的成分主要是大量的有機(jī)物和一定量的纖維木質(zhì)素，污泥脫水后熱值仍然比較高，能夠進(jìn)行焚燒.焚燒法的優(yōu)點(diǎn)是污泥處置十分有效徹底，可以使污泥實(shí)現(xiàn)最大程度的減量化.焚燒過程是將污泥置入焚燒爐內(nèi)，在加入過量空氣的情況下，進(jìn)行完全焚燒，使有機(jī)物全部碳化，最大限度地減少了污泥體積，使污泥最終處置變得極為便利.同時焚燒產(chǎn)生的熱能可以作為能源加以利用.

污泥焚燒有4 種方法：利用垃圾焚燒爐焚燒污泥、利用現(xiàn)有工業(yè)用爐焚燒污泥、利用火力發(fā)電廠設(shè)備焚燒污泥、污泥單獨(dú)焚燒.焚燒法的主要問題是一次性投資大，設(shè)備投資高，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高.有機(jī)物燃燒溫度如果低于850,℃，會產(chǎn)生二噁英等劇毒物質(zhì)[6].焚燒過程中產(chǎn)生的爐渣和煙氣中含有的重金屬和一些有毒有害物質(zhì)可能會形成二次污染[7].

1.4 污泥建材利用

污泥建材化是指利用污泥中的無機(jī)成分與建筑材料的成分相似的原理，通過添加合適比例的高嶺土、粉煤灰等固化物質(zhì)及必要的輔料，經(jīng)過高溫?zé)频葻o害化工藝制作成建筑材料而對污泥再次利用.污泥可制成的建材有生態(tài)水泥、輕質(zhì)陶粒、微晶玻璃、生化纖維板和空心磚等[7].污泥制建材不但實(shí)現(xiàn)了有用物質(zhì)的回收，而且制造過程的工藝技術(shù)使有毒有害的重金屬離子被固化在建材中，從而使污泥對環(huán)境的影響達(dá)到最小化.但是，目前這項(xiàng)技術(shù)也存在一些工藝體系不完善的問題，如生態(tài)水泥如果含氯量大，會腐蝕鋼筋；板材成品可能有臭味，強(qiáng)度也有待提高.同時，含有毒有害物質(zhì)很多的高濃度工業(yè)污水的污泥也很少采取建材化的方法進(jìn)行處置.

1.5 污泥處置現(xiàn)狀分析

目前，我國在污泥處置方法的情況如圖1[4]所示，填埋和農(nóng)用占據(jù)較大比例，焚燒只占了相當(dāng)小的比例[8].污泥填埋和土地利用都存在一定的風(fēng)險，污泥中可能含有的大量重金屬會在土壤表層累積，不但對植物具有毒害作用，而且還會對地下水造成污染.污泥中同時還含有較多的病原菌，它們通過各種途徑造成環(huán)境污染.污泥中也含有一些有毒有害的有機(jī)污染物，植物可經(jīng)吸附作用對它們進(jìn)行富集.

圖1 中國處理剩余污泥各種方法所占的比例Fig.1 Proportion of different residual sludge treatment methods in China

由于填埋會消耗大量的土地資源，產(chǎn)生大量的滲濾液，所以加劇了當(dāng)?shù)氐奈廴?；隨著污泥產(chǎn)量的日益增多，污泥運(yùn)輸和填埋場地建設(shè)費(fèi)也會越來越高.因此，填埋法作為城市污水廠污泥的處置方法，應(yīng)該逐漸減少其使用比例.

利用剩余污泥中含有的豐富有機(jī)物和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素以及鈣、鎂、銅、鐵、鋅等微量元素，作為農(nóng)業(yè)肥料以促進(jìn)植物生長是污泥土地化利用方法的優(yōu)勢，有很好的發(fā)展前景，但是此法也存在污染土壤的風(fēng)險.因此，改進(jìn)污泥的堆肥技術(shù)，利用生物厭氧發(fā)酵和其他技術(shù)降解污泥中的有毒有害物質(zhì)，充分利用其含有的營養(yǎng)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)污泥利用的資源化，對環(huán)境保護(hù)和變廢為寶有積極的意義，是我國目前應(yīng)積極發(fā)展的污泥處置方向之一.需要注意的是，在污水處理的源頭就要把生活污水和工業(yè)廢水分開，盡量使用有毒有害物質(zhì)較少的生活污水污泥，這樣容易處理成可以達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)的無害化農(nóng)業(yè)有機(jī)肥料.

焚燒法是污泥處置減容量最高、處置最為徹底的一種方法，但是投資成本、運(yùn)行成本和技術(shù)難度都較高，因此短期內(nèi)我國還不會大力發(fā)展這種污泥處置方法.

污泥的建材利用是污泥資源化和無害化的一個發(fā)展方向，目前我國在這方面發(fā)展得還不夠，工藝技術(shù)亟待提高.由于這種方法不需要占用土地，同時使污泥得到有效利用，做到了污泥處置的無害化，因此在我國有光明的發(fā)展前景，應(yīng)給予提倡.

2 國外污泥處置的現(xiàn)狀

各國都把污泥的處置作為污水處理的一個重要環(huán)節(jié)，不同國家和地區(qū)因地制宜地采取適合本國國情的污泥處置路線，主要考慮的因素有產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、土地資源、城市化程度等.目前國外污泥的主要處理方式也主要是土地填埋、土地利用和焚燒技術(shù).根據(jù)本國的國情對污泥處置的方法各有不同的側(cè)重點(diǎn)[9].美國污泥處置的主要方式是土地利用，20 世紀(jì)80 年代前以填埋為主，土地利用約占42%,，到了1998 年土地利用急劇上升到59%,[10].美國和加拿大還在繼續(xù)進(jìn)行更深入的研究，對處理污泥過程中產(chǎn)生的二噁英、呋喃在污泥抗菌劑中的聚集、病原菌的再生、繼續(xù)生長及處理過程中的臭氣等疑難問題進(jìn)行解決；拉丁美洲的污泥產(chǎn)量比較少，降低了處理的迫切性，目前正在用生產(chǎn)農(nóng)業(yè)肥料的處理方法；日本和韓國土地面積較小，主要采用焚燒和熱干化技術(shù).目前日本制定計劃，決定將污泥無害化處理后，用于農(nóng)業(yè)園林綠地肥料，或者污泥焚燒后將灰分制成固體磚或其他建筑材料，同時污泥焚燒還可用于發(fā)電供熱.韓國的污泥最后處理方式采用熱干化和焚燒，使污泥的產(chǎn)量最小化.同時他們正嘗試把污泥作為蚯蚓飼料，使污泥的營養(yǎng)成分得到應(yīng)用.另外嘗試用混凝劑和污泥混合物作為一種保護(hù)性地表層，這樣有利于植被生長，并防止斜坡面過分的水土流失.歐洲各國所采用的污泥處置方法差別很大，主要以填埋和農(nóng)用為主.瑞士、丹麥、英國、法國都是以農(nóng)用為主；而盧森堡、愛爾蘭及芬蘭主要以填埋為主；澳大利亞和新西蘭把有益的農(nóng)田使用作為主要的污泥最終排放方式.

本文就德國和日本污泥處置方法通過圖例進(jìn)行了比較.比較而言，德國堆肥后用于土地利用占到了污泥處置的一半以上，焚燒占到了將近四成(如圖2[11]).日本的國土面積相對較小，但處理污泥的技術(shù)相對發(fā)達(dá)，所以焚燒占到了六成以上，還有三成多用于農(nóng)用，其余的所占比例較少，日本的污泥處置方法如圖3[4]所示.

圖2 德國剩余污泥處置的各方法比例分配圖Fig.2 Proportion of each sludge disposal method in Germany

圖3 日本剩余污泥處置各方法比例分配圖Fig.3 Proportion of each sludge disposal method in Japan

3 研究進(jìn)展

污水處理過程中產(chǎn)生的大量污泥的去除問題，在世界各地都是一個充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境問題.目前在我國，以天津市為例，在污水進(jìn)行常規(guī)的處理后(如AO 工藝，A-A-O 工藝)，產(chǎn)生的污泥一般只經(jīng)過脫水就被排放了.而實(shí)踐證明，產(chǎn)生的污泥進(jìn)行厭氧消化反應(yīng)是降解有機(jī)質(zhì)的最有效途徑，該過程的產(chǎn)物甲烷是一種可利用的能源，可被用于厭氧消化反應(yīng)的加熱過程[12].經(jīng)過厭氧消化過程，污泥量可減少30%,.可以說生物污泥的厭氧發(fā)酵反應(yīng)是污水廠污泥減量化、資源化和無害化的前提.Zhou 等[13]用厭氧消化池對固體廢物和污泥進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)能夠產(chǎn)生可觀的甲烷產(chǎn)量.與好氧反應(yīng)相比，厭氧反應(yīng)不需要進(jìn)行曝氣，能源消耗大大降低，剩余污泥的量比單純好氧處理少，運(yùn)行雖然復(fù)雜一些，但仍然是污泥減量化和無害化的有效手段.

厭氧反應(yīng)過程當(dāng)中也會遇到一些比較棘手的問題，如：有機(jī)物質(zhì)降解反應(yīng)速率慢，反應(yīng)時間長等[14].而且，我國在進(jìn)行厭氧處理過程中相比其他國家存在著以下問題：由于有機(jī)物的含量偏低，造成有機(jī)物厭氧消化分解率偏低，產(chǎn)氣量偏低.由于厭氧消化過程當(dāng)中水解是反應(yīng)的限制步驟，污泥中大分子的有機(jī)物和細(xì)胞壁的存在是關(guān)鍵因素.剩余污泥的微生物細(xì)胞壁對細(xì)胞起著保護(hù)的作用，它是一種穩(wěn)定的半剛性結(jié)構(gòu)，細(xì)胞壁屬于生物難降解惰性物質(zhì)，細(xì)胞壁的破解較為困難，導(dǎo)致污泥反應(yīng)需要很長時間.所以利用先進(jìn)的預(yù)處理技術(shù)去除細(xì)胞壁，讓內(nèi)部的物質(zhì)釋放出來，將里面的大分子有機(jī)物降解成小分子物質(zhì)，這樣就能有效縮短反應(yīng)周期，提高污泥的消化性能，提高反應(yīng)速率.為此國內(nèi)外學(xué)者[15]對此進(jìn)行了廣泛的研究：研究成果有超聲波預(yù)處理、熱處理、加堿預(yù)處理、臭氧氧化等方法.因此本文主要介紹污泥處置在這方面的研究進(jìn)展.

3.1 物理方法處理工藝

3.1.1 超聲波聯(lián)合預(yù)處理剩余污泥

超聲波法是利用超聲波技術(shù)破壞污泥中的菌膠團(tuán)和微生物的細(xì)胞壁，使細(xì)胞體內(nèi)的有機(jī)物失去細(xì)胞壁的保護(hù)而更易被厭氧菌群利用，使厭氧反應(yīng)更易進(jìn)行，增加甲烷產(chǎn)量.He 等[16]通過研究發(fā)現(xiàn)，超聲處理的污泥的比例決定了能量的消耗和效率，從能量消耗的效率考慮，它的上限不應(yīng)超過30%,，此時剩余污泥的減量是最大的，但能量消耗也是最大的.經(jīng)過多次分析，最終發(fā)現(xiàn)超聲處理污泥為15%,時，能量的效率是最高的.

如果用超聲波結(jié)合化學(xué)調(diào)理劑，其效果優(yōu)于它們單獨(dú)作用的效果，不但使添加劑的用量減少，而且還減少了使用超聲波帶來的能量消耗.李玉瑛等[17]對提高剩余污泥處理效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)采用化學(xué)調(diào)理劑陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)對剩余污泥進(jìn)行處理，CPAM 的最佳投加量為120,mg/L，污泥濾餅含水率為81.2%,；而單獨(dú)采用超聲波處理，最佳的聲能密度為0.04,W/mL，污泥濾餅的含水率為80.4%,；而采用化學(xué)調(diào)理劑之前先進(jìn)行超聲波預(yù)處理，污泥濾餅含水率降到72.2%,，這樣使剩余污泥的脫水性能得到較大改善，可以降低污泥處理的費(fèi)用.魏金枝等[18]通過超聲波/H2O2對剩余污泥進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)過氧化氫投加量為污泥體積的1.5%,、pH＝11、反應(yīng)時間為20,min 時，TSS(總懸浮物含量)減少近20%,，超聲/H2O2聯(lián)合作用效果明顯優(yōu)于兩者的單獨(dú)作用.

3.1.2 熱處理

熱處理主要是通過對污泥進(jìn)行加熱處理，使污泥中絮體被破壞，細(xì)胞破碎，促進(jìn)厭氧過程中的有機(jī)物水解的過程.主要發(fā)生4 個過程：(1)污泥絮體結(jié)構(gòu)解體；(2)污泥細(xì)胞破碎和內(nèi)部的有機(jī)物釋放；(3)內(nèi)部有機(jī)物水解；(4)美拉德反應(yīng).其中的3 個步驟要求的溫度都較低，只有有機(jī)物的水解需要較高的溫度.外部固體物質(zhì)的溶解及絮體的破碎過程和內(nèi)部有機(jī)物的水解過程是兩個最關(guān)鍵的步驟.經(jīng)過加熱預(yù)處理的剩余污泥較直接厭氧消化處理反應(yīng)時間更短，產(chǎn)甲烷效率也更高.王治軍等[19]對剩余污泥進(jìn)行了厭氧消化前熱水解，發(fā)現(xiàn)隨著熱水解溫度的升高，污泥的水解速率和水解程度都會提高，更加容易進(jìn)行厭氧消化，但并非溫度越高越好，當(dāng)提高水解溫度到200,℃時，會發(fā)生美拉德反應(yīng)[20](水解出來的還原糖的醛基和氨基酸的氨基生成難降解的褐色多聚氮的反應(yīng))，因此熱水解雖然可以促進(jìn)后續(xù)的厭氧消化，但溫度過高會產(chǎn)生一定量的難降解中間產(chǎn)物，這種物質(zhì)會在一定程度上抑制厭氧消化.經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)熱水解的最佳溫度為170,℃，當(dāng)反應(yīng)時間為30,min 時，厭氧消化的性能和系統(tǒng)去除率會顯著提高，COD 去除率最大可提高20.18%,.此種方法目前已被應(yīng)用于剩余污泥的處理當(dāng)中.

3.2 化學(xué)方法處理工藝

3.2.1 堿預(yù)處理

加堿預(yù)處理是通過加堿促進(jìn)污泥中纖維成分溶解為有機(jī)碳化合物，有機(jī)碳化合物更容易進(jìn)行厭氧消化，這樣就更容易進(jìn)行厭氧反應(yīng).加堿可以抑制細(xì)胞的活性、溶解外面的細(xì)胞壁，釋放出的細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)被其他活性污泥利用，提高了污泥的生化性能，增加了甲烷產(chǎn)量.進(jìn)行加堿預(yù)處理控制因素是加堿量和種類.林志高等[21]對剩余污泥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過加堿預(yù)處理后基質(zhì)的去除率增加了，同時產(chǎn)氣量也增加了，并且隨著加堿量的增加，產(chǎn)氣量和基質(zhì)去除率也在不斷地增加.加堿量有個上限，因?yàn)闊o法被生物分解利用的物質(zhì)并沒有因?yàn)榧訅A預(yù)處理變成可以生物分解的物質(zhì).同時還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過加堿預(yù)處理的單位基質(zhì)去除所產(chǎn)生的甲烷量比沒加堿的要高，所以堿處理同樣有助于污泥后續(xù)的厭氧處理.李佳榮等[22]也對剩余污泥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加堿預(yù)處理后，短時間內(nèi)就可將污泥中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可溶性物質(zhì)，促進(jìn)了水解的進(jìn)行.但污泥濃度如果過低，會降低水解效果，延長所需要的反應(yīng)時間.國外也對此方法進(jìn)行了相關(guān)研究[23]，證明加堿預(yù)處理再結(jié)合超聲波處理，對厭氧消化會產(chǎn)生更加有效的效果.

3.2.2 臭氧氧化法

臭氧是一種很強(qiáng)的氧化劑，廣泛應(yīng)用于污水和污泥處理當(dāng)中.它的能量消耗少，有著極強(qiáng)的裂解細(xì)胞的能力，能夠殺滅活性污泥當(dāng)中的微生物，進(jìn)而氧化細(xì)胞當(dāng)中釋放出來的有機(jī)質(zhì).其過程按順序可分為解體、增溶、氧化釋放有機(jī)物質(zhì)3 個步驟.污泥通入臭氧之后，胞外聚合物、微生物細(xì)胞壁和細(xì)胞膜這3種物質(zhì)被臭氧氧化成了小分子物質(zhì).這樣它們的構(gòu)造就會受損而破壞新陳代謝，經(jīng)過繼續(xù)氧化穿透細(xì)胞膜，破壞膜內(nèi)的脂蛋白和脂多糖從而改變了細(xì)胞的通透性，最終導(dǎo)致了微生物死亡、溶解.細(xì)胞壁破裂后釋放出來內(nèi)部細(xì)胞質(zhì)，臭氧繼續(xù)將釋放出的細(xì)胞質(zhì)氧化，使污泥的混合物更容易處理.臭氧氧化法結(jié)合厭氧消化可以很好地解決污泥處置的問題.臭氧預(yù)處理能有效地破碎污泥，使大量細(xì)胞質(zhì)釋放出來，加速污泥水解，提高污泥厭氧反應(yīng)速率.Ak 等[24]使用臭氧進(jìn)行污泥處理后，發(fā)現(xiàn)較傳統(tǒng)的厭氧消化，產(chǎn)氣量增加了一倍，同時也提高了內(nèi)分泌物的去除率，使其吸附在污泥上.曹艷曉等[25]對臭氧氧化的影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)臭氧投加量提高，污泥就會減量；但是當(dāng)投加量足夠時，污泥減量作用不明顯甚至產(chǎn)生負(fù)效果；另外，在臭氧濃度相同的條件下，隨著污泥濃度的不斷增加，蛋白質(zhì)的溶出率也會越來越多.臭氧氧化技術(shù)比其他方法(超聲波法破解，熱處理法等)對污泥的破解效率更高，與臭氧氧化結(jié)合的一些厭氧工藝實(shí)例可以實(shí)現(xiàn)污泥處理的零排放，因此臭氧氧化法在實(shí)踐中得到較廣泛應(yīng)用.研究者[5]對剩余污泥進(jìn)行了試驗(yàn)，投加適量的臭氧，這種工藝可以做到污泥的零排放.

3.2.3 濕式氧化法(WO 法)

濕式氧化法是一種物理-化學(xué)法，是利用高溫(150～370,℃)和一定壓力，處理高濃度有機(jī)廢水和剩余污泥的方法.實(shí)踐證明，此法對剩余污泥的降解非常有效.該方法的關(guān)鍵是反應(yīng)溫度，它對剩余污泥總的COD 降解效果影響很大.例如，在300,℃和30,min 的停留時間下，剩余污泥總COD 可去除80%,.而在一定的溫度和壓力下，總的COD 要變成可溶性有機(jī)物主要取決于氧化的時間.剩余污泥中有大量的細(xì)菌群，在高溫下比較容易水解，從細(xì)胞中釋放大量可溶有機(jī)物.在300,℃以上，氧化30,min后，除部分可溶性COD 氧化成二氧化碳和水以外，剩余可溶性有機(jī)物都分解成乙酸和其他有機(jī)酸為主的有機(jī)物.在這一過程中，82%,的COD 降解，其中75%,被氧化，7%,轉(zhuǎn)化成可溶性有機(jī)物；70%,以上的MLSS(混合液懸浮固體濃度)被去除，剩余的難以被氧化的可溶性有機(jī)物如乙酸等有機(jī)酸，可通過進(jìn)一步的厭氧和好氧生物處理過程被降解，因此WO 法處理城市污水廠活性污泥是十分有效的[26].由于是在高溫高壓下運(yùn)行，該方法運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用比較高.

3.3 生物方法處理工藝

3.3.1 厭氧流化床技術(shù)

厭氧流化床是一種獨(dú)特厭氧消化系統(tǒng).事實(shí)上它是一種高效的生物膜法處理方法.它以火山巖顆粒、沙子或活性炭顆粒等大表面積的物質(zhì)為載體，厭氧微生物以膜形式結(jié)在火山巖或其他載體的表面，采用流態(tài)化技術(shù)，在污水中成流化狀態(tài)，微生物與污水中的有機(jī)物進(jìn)行接觸吸附分解有機(jī)物，從而達(dá)到處理的目的.

載體顆粒周圍較高的水流速度使得溶解性有機(jī)物在液體與載體表面之間傳質(zhì)良好.載體本身顆粒較小，但床體膨脹能產(chǎn)生較大空隙率.這就使污水流過流化床時不容易產(chǎn)生堵塞，單位質(zhì)量的載體可供生物膜生長的比表面積大.這些特點(diǎn)使得流化床反應(yīng)器單位體積負(fù)荷率高，處理效率非常高，可達(dá)到5,500～6,500,m2/m3(折合一般填料40～50,m3).因?yàn)樯锝佑|面積特別大，所以處理效率很高，每立方米有效反應(yīng)器每天處理COD 達(dá)35～45,kg.

厭氧流化床由于床體膨脹產(chǎn)生較大空隙率，它可以用來處理污水廠未經(jīng)脫水的污泥(含水量98%,～99%,)，因此具有處理有一定固含量物料的特點(diǎn).厭氧流化床具有對各種廢水適應(yīng)能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、占地少等優(yōu)點(diǎn)，處理速率快、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定，基本上解決了堵塞的問題.

但是它也存在著啟動時間長的問題，造成該問題的原因是多方面的：厭氧細(xì)菌生長的比較緩慢，世代時間長；產(chǎn)甲烷菌是一類嚴(yán)格厭氧的生物，對外界環(huán)境所產(chǎn)生的變化十分敏感；多數(shù)厭氧微生物不易附著在粒型載體上.啟動是一個循序漸進(jìn)的過程，所以啟動是關(guān)鍵的步驟.

厭氧流化床目前主要應(yīng)用于對高濃度廢水的處理[27-30]，處理污水廠剩余污泥也可以采用這種方法，但是需要嚴(yán)格控制好反應(yīng)的條件.目前國外開始研究利用厭氧流化床對城市有機(jī)廢棄物和污泥進(jìn)行混合消化，用以提高有機(jī)物分解率和產(chǎn)氣量[31].

3.3.2 膜生物反應(yīng)器

利用膜生物反應(yīng)器處理廢水和污泥是近幾年發(fā)展起來的一種新型的處理技術(shù).膜生物反應(yīng)器有很高的截留率，并將濃縮液回流到生物反應(yīng)器內(nèi)，這樣使反應(yīng)器中具有了很高的微生物濃度和相對較低的污泥負(fù)荷，并且擁有很長的污泥停留時間，使大部分的有機(jī)物被降解.例如使用錯流式膜生物反應(yīng)器，如果污泥被完全截留，那么污泥中無機(jī)組分沒有過大的積累，碳的去除率可以達(dá)90 %,，凱氏氮被完全硝化.

楊造燕等[32]在膜生物反應(yīng)器的研究中指出，膜生物反應(yīng)器如果在滿足很好的出水水質(zhì)的前提下，可以使污泥達(dá)到自身氧化，因而剩余污泥產(chǎn)量少.這主要是由于生物污泥全部截留在反應(yīng)器內(nèi)，使得反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度高出常規(guī)活性污泥法10 倍以上.

膜的堵塞和膜材料價格是目前膜生物反應(yīng)器處理污泥存在的最大問題.膜的堵塞使污泥的有效滲透率下降，因此需要采用適當(dāng)?shù)姆椒_洗膜，使膜的通透能力恢復(fù).隨著新材料的不斷涌現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)廉價的生物膜反應(yīng)器的發(fā)展前景非常光明.

4 展 望

城市污水廠剩余污泥的處置已經(jīng)成為了當(dāng)今環(huán)境保護(hù)中的重點(diǎn)難點(diǎn)，采用先進(jìn)技術(shù)，使其有效地減量化，是現(xiàn)代城市保護(hù)環(huán)境、遏制二次污染的重要方法，也是我國城市化過程中所要解決的重大環(huán)境問題.另一方面，充分利用剩余污泥中的生物質(zhì)等有價值的成分，使其變廢為寶是節(jié)約能源、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的有效途徑.因此，需要不斷研發(fā)出新的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市剩余污泥最大限度的減量化和資源化利用，對環(huán)境的保護(hù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出貢獻(xiàn).

針對我國目前對于污泥處理的現(xiàn)狀，首先應(yīng)該改變填埋為主的處理方法，逐步向土地利用方面過度，逐漸增加土地利用的比例.日本等國家對焚燒技術(shù)有較為成熟的應(yīng)用，焚燒是使城市污泥減量化的最有效手段，但能耗很大，在我國目前還不宜大規(guī)模推廣.鑒于全國各地對污泥處置方法的差別很大，我們還應(yīng)該加強(qiáng)對于污泥處置的管理制度和法規(guī)的建設(shè).

厭氧消化處理剩余污泥具有能量需求低、處理后的產(chǎn)物穩(wěn)定性較高、產(chǎn)生的甲烷可作為能源進(jìn)行回收等特點(diǎn)，是一種很好的處理剩余污泥的技術(shù)；但也有反應(yīng)速率慢、操作相對復(fù)雜等局限.通過研發(fā)各種新技術(shù)，如利用熱處理、加堿預(yù)處理、超聲波聯(lián)合作用等新工藝，使厭氧消化這一過程能夠更容易和有效率地進(jìn)行，發(fā)展前景非?？捎^.這些研究的進(jìn)展可以大大提高厭氧反應(yīng)效率，為污泥處理技術(shù)的發(fā)展提供有利的支持.

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，肯定會產(chǎn)生更多工業(yè)廢水和生活廢水，同時產(chǎn)生更多的污水處理后的污泥，勢必會對我國城市的環(huán)境承載力提出嚴(yán)峻考驗(yàn).所以，我們要積極利用已有的研究成果，開發(fā)出處理城市污泥的新技術(shù)，提高城市污泥的處理水平，實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和資源化，造福人類.

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