污水處理廠污泥處理資源化利用技術探究

席尚東

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300000）

目前，我國大多數(shù)城市污水處理廠采用活性污泥技術，凈化污水過程中會產生污水量為0.5%～15.0%的剩余污泥。根據(jù)原環(huán)境保護部和污泥處理行業(yè)的相關報告，2012年建成污水處理廠3 272個，設計的生活污水處理能力達到1.42億m3/d。據(jù)估計，80%污泥的年含水量將達到2 590萬t，只有約10%的污泥被重新用于厭氧消化和堆肥，約20%用于衛(wèi)生填埋、焚燒和建筑材料，其余大部分只是進行垃圾填埋或臨時堆放。由于體積大，含水量高，臭味難聞，易腐爛，含有重金屬、多環(huán)芳烴等有毒有害物質和病原微生物，未經妥善處理的污泥將對環(huán)境造成極其嚴重的污染。

傳統(tǒng)的污泥處理和處置一般遵循“三合一”原則，即減量化、穩(wěn)定化和無害化。采用的技術路線包括“脫水或深度脫水→填埋”“厭氧消化→脫水→填埋”“脫水或深度脫水→水泥窯，火力發(fā)電廠或垃圾焚燒爐聯(lián)合焚燒”，基本達到三個要求。然而，由于污泥產量巨大，它們都有致命的問題，即成本高。例如，按照最簡單、最經濟的衛(wèi)生填埋方法，每噸水含量80%污泥的處理成本為180元，預計2012年產生的2 590萬t污泥將被處理。所需資金投入為46.6億元。因此，尋找回收污泥，從污泥中回收有價值的材料和能源，補償一些（甚至全部）污泥處理和處置，實現(xiàn)污泥的綜合處理和處置是明智的選擇。此外，人類發(fā)展所面臨的資源和能源短缺日益突出。例如，世界磷礦石儲量預計僅持續(xù)約100年[1]。實現(xiàn)污泥中磷的回收和再循環(huán)，這對人類可持續(xù)發(fā)展來說是巨大的貢獻。目前，世界各地的科技工作者已充分認識到資源循環(huán)利用的重要性與必要性。污泥處理和處置的重點也將是新技術的發(fā)展，特別是在減少污泥、無害化和資源利用等新技術的研究和開發(fā)方面[2]。

1 國內外的研究現(xiàn)狀

1.1 國外的研究進展

1.1.1 污泥在土地方面的利用

污泥在土地方面的利用主要有以下形式：改良農業(yè)、林業(yè)和園藝等用地土壤，改善廢棄礦山。在美國，土地使用量高達45%。對于污泥土地使用不當?shù)暮蠊?，歐美很多國家根據(jù)具體情況制定了嚴格的污泥重金屬濃度標準。

對于城市中的污泥土地使用，美國的法規(guī)非常嚴格。一般來說，污泥主要分為A和B兩類。在經過脫水、高溫堆肥以及無菌處理后，有毒有害物質指標達到環(huán)境許可標準。A類的污泥可用作肥料、園地土壤、生活垃圾填埋場等；B型的污泥簡單地通過全部脫水或者局部脫水處理，僅僅用于林業(yè)土壤，不能夠直接用于改良農田。污泥含有大量重金屬、病原微生物、有毒有害化合物等，可能通過土壤進入食物鏈，對人體健康構成威脅，這也使得土地利用還存在較大爭議。

1.1.2 將污泥用于衛(wèi)生填埋

美國環(huán)境保護局預計，將來的幾十年內，6 500個垃圾填埋場被關閉至少80%。相比于1984年，2000年歐盟統(tǒng)計的污泥填埋量也增加了4%，同期的污泥總量也增多了16%。種種跡象表明，發(fā)達國家的污泥填埋場數(shù)量呈減少的趨勢。最終，垃圾填埋場無法回收，必須從使用周期中退出。

1.1.3 污泥作為肥料使用

污泥可以用于堆肥。在堆肥過程中，污泥中的微生物將生活垃圾、植物、木屑等有機物氧化，形成的腐殖質可以作為肥料。連續(xù)污泥發(fā)酵在日本、美國和歐洲等地得到了廣泛的應用。日本于1954年建造了第一個污泥堆肥中心，北海道的札幌有日本最大的堆肥廠，并且配備快速發(fā)酵旋轉倉和生產線，具有規(guī)?；?、機械化、自動化等特點。污泥連續(xù)發(fā)酵消除了氣味對環(huán)境的污染，并通過高溫發(fā)酵殺死大部分病原體和寄生蟲卵。經過堆肥的污泥質地疏松，含多種植物生長促進劑，使污泥的肥效提高并易于被植物吸收，這樣既可將污泥處理處置，又可以充分利用污泥[3]。

1.1.4 將污泥進行熱干化處理

人們可以利用熱能來干燥污泥，在高溫作用下滅活病原菌和寄生蟲卵等。加熱干燥后，污泥體積可減少80%，效果明顯。同時，污泥性能得到優(yōu)化，符合安全衛(wèi)生指標，可代替能源和土地實現(xiàn)綜合利用。

1.2 國內研究進展

污水處理業(yè)務起步較晚，僅在過去20年才發(fā)展起來。雖經過近20年的研究和探索，但它處于試驗研究階段。目前，全國已建有400多座污水處理廠，污泥年產量已超過1億t，配置污泥處理工藝的僅占30%，污泥穩(wěn)定處理設施約占25%。大中城市90%以上的污水處理廠不配置污泥處理設施，部分中小城市基本沒有污泥處理設施。目前，國產污泥處理設備存在較多問題，如能耗高、質量差、設備缺乏創(chuàng)新等，因此缺乏競爭力，制約了我國城市污水污泥處理處置行業(yè)的發(fā)展[4]。

2 城市污水處理廠污泥的綜合利用

2.1 能源化

2.1.1 熱解制油

污泥低溫熱解是一種產生污泥衍生燃料的技術，如油、木炭和可燃氣體，在加熱條件下，通過部分熱裂解，污泥有機物質可以更好地燃燒。有人對雙流化床的污泥熱解油和半焦燃燒過程進行了研究，發(fā)現(xiàn)污泥能夠在雙流化床上發(fā)生耦合反應。所以，改善污泥熱解半焦，能夠提升污泥熱解半焦中重金屬的去除率。熱解過程中的金屬從氧化態(tài)向氯化態(tài)轉變，促進了污泥熱解殘渣的去除。目前，氯化鎂、氯化鈣、氯化氫等不同供氯劑對污泥熱解中重金屬去除的影響已經得到了充分研究。結果都一致表明，投氯劑的加入能夠有效去除掉污泥中的重金屬成分。

2.1.2 厭氧消化

厭氧消化過程指的是有機物在厭氧條件下分解為CH4的反應步驟。厭氧消化后的產物主要包括氣體和固體兩種。除硫化氫外，氣體的主要成分有氫氣、甲烷、二氧化碳等[5-6]。固體為污泥，其中含有的有機物比硝化前少，污泥中含有的大量微生物能夠使活性穩(wěn)定，在厭氧過程中產生的甲烷氣體能夠用作能源。

2.1.3 污泥制氫

氫氣近年來在環(huán)保產業(yè)受到人們廣泛的關注。污泥含有大量的有機物質，可作為氫源。研究表明，發(fā)酵過程的溫度值、污泥pH值、處理時間和底物濃度是影響活性污泥處理過程中制氫的幾個主要因素。張慶明等介紹了污泥制氫的一些新技術，包括活性污泥制取氫氣以及超臨界狀態(tài)下的水氣化等。研究表明，能量回收是污泥資源化處置的方向。

2.1.4 MFC

MFC技術是一種新型技術，它是利用微生物將污水中的污染物進行降解、轉化。污水中的有機物被轉換為可利用的電，同時達到了污水的凈化目的?；驹硎峭ㄟ^污泥和污水中微生物的降解作用，其間產生的電子被轉移到陽極電極，電子在外部電路中到達陰極，被受體吸收，該過程能夠形成連續(xù)的電流通電。

2.2 材料化

2.2.1 合成水泥

污泥中灰分化學性質與黏土接近，理論上可以使用污泥代替黏土作為原材料參與水泥的生產[7-9]。人們可以將城市污水處理廠污泥作為水泥熟料煅燒過程中的添加劑。結果表明，污泥具有獨特的礦物結構，可以替代黏土作為水泥熟料。同樣，由污泥批次煅燒的熟料燒制溫度具有降低的趨勢，并且是環(huán)境友好且節(jié)能的。污泥制水泥技術在日本應用較多，但該技術所生產的水泥強度較差，制作成本較高，處理污泥量較小，該技術有待進一步發(fā)展。

2.2.2 制備陶粒

污泥陶粒是利用黏合劑和改良劑，以污泥為主要原料，進行混合、造粒、焙燒和冷卻而得到的材料。利用污泥制備陶粒，在解決污泥處理問題的同時避免了對耕地資源的破壞。

2.2.3 吸附材料

在符合資源合理使用和固體廢物污染控制原則的基礎上，使用污泥制備活性炭具有一定的可行性。有研究以ZnCl2為催化劑制備了活性炭污泥，指出低成本活性污泥在污染控制方面具有潛在價值[7]。另外，有學者使用微波誘導熱解污泥成功制備了污泥吸附劑，證實了該技術具有一定的可行性[10]。

2.3 土地利用

有研究人員研究了污泥堆肥土地利用，分析了堆肥對金盞花和高羊茅中重金屬積累的影響，發(fā)現(xiàn)金盞花和高羊茅在堆肥中的比例分別為20%和10%，污泥混合土中重金屬特別是鋅和銅的去除效果較好[11]。將草坪草直接種植在脫水污泥上，地毯草在未經處理的污泥上生長迅速，并降低污泥中的含水量、微生物種群數(shù)量，反應室內干燥和穩(wěn)定，暫無其他負面影響。以污泥為底物，以煤渣和沙土等作為輔料，研究了污泥對無土草坪的影響，發(fā)現(xiàn)草坪上面的草能夠富集重金屬元素，且收獲后基質中重金屬含量降低，其處理后結果符合農業(yè)相關標準，操作簡單，無危險產生。

3 結論

隨著污水處理率的提高，產生的污泥量逐漸增加，污泥的儲存面積會越來越多。如何減少污泥也是未來的研究趨勢。污泥含有豐富的營養(yǎng)成分和無機成分。人們要充分考慮環(huán)境因素、經濟因素以及社會影響等，而綜合處理污泥資源化將成為污泥處理的最終發(fā)展方向。人們應該研究不同工藝處理污泥的特性，然后選擇經濟合理的污泥處理技術，提升處理效果，既能保證資源不浪費又能避免對環(huán)境造成二次傷害。