城市污泥資源化與源頭減量化方法

鄧易芳，吳俊奇，劉昌強，付昆明，孫鵬展

(北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044)

污泥作為污水處理的副產(chǎn)物，體積龐大，含有有機物、營養(yǎng)元素和重金屬等，將其作為危廢物處理處置不僅費用高且是對能源和資源的浪費，為彌補處理處置成本、回收利用能源資源和解決污泥最終去處問題，尋求更多、更安全可靠的資源化途徑至關(guān)重要。另外，污泥源頭減量能從根本上降低污泥處理處置成本，目前，國內(nèi)外都在積極研究新工藝或改進工藝，旨在降低污水處理過程的污泥產(chǎn)率，減少剩余污泥產(chǎn)量，降低污水處理成本。

1 資源化利用

污泥資源化可以實現(xiàn)節(jié)能減排，將污泥中的有用成分盡量利用起來，實現(xiàn)有機質(zhì)和營養(yǎng)元素的循環(huán)，尤其是磷元素的循環(huán)，推動可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

1.1 土地利用

污泥是一種很好的土壤改良劑[1]，但因含有害物質(zhì)，而不能將其直接用于土地，須在用于農(nóng)田、林地和園藝之前，對污泥進行消毒，并且在任何情況下潛在有毒物質(zhì)的濃度必須足夠低[2]。污泥農(nóng)用前可采用堆肥處理殺滅病原菌和寄生蟲，但此方法不能去除污泥中的重金屬，因此不是最理想的農(nóng)用處理工藝，而生物瀝浸技術(shù)能夠很好的去除重金屬。生物瀝浸又稱為生物淋濾技術(shù)，是融合污泥高效濃縮、不加絮凝劑直接高度脫水、重金屬去除、衛(wèi)生無害化等多功效于一體的污泥處理新技術(shù)，是更好的選擇[3]。

1.2 建筑和工藝材料

污泥焚燒后的灰渣成分與黏土相似，可用于制作建筑和工藝材料，包括連鎖磚、輕質(zhì)骨材、透水磚、混凝土骨材、道路基材、混凝土二次制品、瀝青填充材料等建筑材料和陶瓷。焚燒灰用作建筑工藝材料的優(yōu)點是：污泥中的重金屬經(jīng)過燒結(jié)后可永久固定在材料中，從根本上防止焚燒灰的二次污染[4]；灰分降低了混合物的燒結(jié)溫度，當灰分中磷含量(P2O5)越高、硅酸鹽含量(SiO2)越低，其作用越強，F(xiàn)e2O3似乎也起著助熔劑的作用[5]；焚燒灰制成的玻璃陶瓷強度超過天然材料，如花崗巖和大理石，并顯示出強大的耐久性[6]。缺點是灰分固有孔隙率會影響其制成材料的孔隙率，且灰分中鐵、鈣的含量會影響成品的硬度[5]。

1.3 能源利用

1.3.1 污泥熱解制油 城市污泥的低溫熱化學(xué)轉(zhuǎn)化是發(fā)達國家的一項新興技術(shù)，該技術(shù)具有合理的熱能回收(整個過程是一個凈熱能輸出過程)、合適的成本和較低的二次污染等優(yōu)點。在我國污泥有機物含量明顯低于發(fā)達國家的情況下，污泥低溫熱化學(xué)轉(zhuǎn)化成油仍具有合理熱能回收的優(yōu)勢。

何品晶等[7]于2000年研究發(fā)現(xiàn)污泥熱解制油的最佳反應(yīng)溫度為270 ℃，反應(yīng)時間是30 min，此過程的二次污染可以得到有效控制，其投資強度與污泥焚燒相似，而運行經(jīng)濟性明顯優(yōu)于污泥焚燒。

賈相如等[8]于2009年采用流化床污泥熱解制油系統(tǒng)進行了污泥快速熱解實驗，發(fā)現(xiàn)其熱解油產(chǎn)率在溫度為300～500 ℃時，隨著反應(yīng)溫度的升高逐漸增加，溫度為500～600 ℃時，隨溫度的增加逐漸減小，熱解油產(chǎn)率為46.31%，400 ℃時熱解油中酯類的含量占絕對優(yōu)勢，而600 ℃時，烯烴的含量最多。

鄭燕等[9]于2016年在小型熱解分析系統(tǒng)中使用沸石分子篩進行催化快速熱解實驗，發(fā)現(xiàn)污泥快速熱解產(chǎn)物中，烴類物質(zhì)和含氮化合物較多，主要來源于污泥中的蛋白質(zhì)和油脂成分；添加催化劑后，芳香烴和烯烴的產(chǎn)率得到明顯提高；在熱解溫度為500 ℃、催化溫度為600 ℃時，芳香烴和烯烴的產(chǎn)率分別為24%和19%；污泥中大部分氮、磷、鉀和鈉等元素依然保留在炭粉中。

1.3.2 污泥制氫 污泥制氫的主要技術(shù)包括生物制氫、高溫氣化制氫和超臨界水氣化制氫。生物制氫法利用微生物的酶催化反應(yīng)，分解有機物獲得氫。污泥高溫氣化制氫是指通過熱化學(xué)反應(yīng)將污泥轉(zhuǎn)化為氣體燃氣或合成氣，從中分離出氫氣。超臨界水氣化制氫是指利用超臨界水溶解生物質(zhì)中的有機物，生成密度高、粘度低的液體，然后在高溫高壓條件下快速氣化，生成富含氫氣的混合氣體[10]。

1.3.3 污泥發(fā)電 污泥發(fā)電的傳統(tǒng)方法主要有：污泥厭氧消化產(chǎn)沼氣發(fā)電和污泥燃燒發(fā)電[11-13]。近年來，學(xué)者們研究較多的污泥發(fā)電方法是污泥微生物燃料電池(SMFC)，其能在發(fā)電時直接從污泥中提取生物質(zhì)能。但是，剩余污泥中的大部分有機質(zhì)是微生物難以直接使用的細胞物質(zhì)。Cai等[14]于2018年發(fā)現(xiàn)將廢鐵添加到SMFC的陽極，能有效提高反應(yīng)速率、污泥減量率和產(chǎn)電率。Zhang等[15]于2018年通過研究發(fā)現(xiàn)在SMFC中添加氧化石墨烯或還原氧化石墨烯均可破壞細胞、加速電子傳遞，促進電力生產(chǎn)和污泥減量，添加0.4 g氧化石墨烯的SMFC污泥減量率比普通SMFC高3倍，最大功率密度達到214.09 mW/m3，是普通SMFC的6.86倍；添加0.4 g還原氧化石墨烯的SMFC污泥減量率比普通SMFC高2.2倍，最大功率密度達到80.52 mW/m3，是普通SMFC的2.58倍。

1.3.4 輔助燃料 污泥經(jīng)干化后形成3～15 mm的污泥顆粒，保存了90%以上的原始燃值，并且不會產(chǎn)生二噁英，是一種節(jié)能環(huán)保的輔助燃料。

1.4 環(huán)保材料

污泥可用于制生物炭、絮凝劑和粘結(jié)劑，目前，研究人員正在積極努力研究如何生產(chǎn)可以取代熱塑料聚乙烯的可降解塑料，其中聚-β-羥基烷酸酯(PHA)的材料受到了廣泛關(guān)注[16-17]。在污水生物處理過程中，PHA可以由生物污泥中的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)合成，且VFA是厭氧污水處理或污泥消化的一種中間產(chǎn)物，所以研究人員正試圖將污水/污泥處理轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨a(chǎn)PHA與能量相結(jié)合的生產(chǎn)工藝[18]。這種以生產(chǎn)PHA原料為目的的污水/污泥處理概念已被譽為新一代污水處理及污泥減量技術(shù)，或者說是生產(chǎn)生物聚合物的生物技術(shù)[19]。

2 源頭減量方法分類

對于已建污水處理廠，可采用物理、化學(xué)和生物方法進行改造，以實現(xiàn)污泥源頭減量。物理方法包括超聲波、熱水解、高壓均質(zhì)、機械破碎等；化學(xué)方法包括酸或堿水解、臭氧氧化、過氧乙酸(PAA)氧化、化學(xué)解偶聯(lián)、H2O2/O2/Fenton氧化等；生物方法主要包括投加微生物制劑、強化微型動物捕食作用等[20-21]。源頭減量方法從原理上分為5大類，即基于溶胞-隱性生長的污泥減量方法、基于代謝解偶聯(lián)的污泥減量方法、基于微型動物捕食作用的污泥減量方法、基于內(nèi)源呼吸和維持代謝的污泥減量方法、基于產(chǎn)電微生物的污泥減量方法。

2.1 基于微型動物捕食作用的減量法

基于微型動物捕食作用的污泥減量法的關(guān)鍵在于能量在食物鏈傳遞的過程中存在損失，原生動物和后生動物處在食物鏈的頂端，靠吞食微小生物為生，主要以細菌為主，生態(tài)系統(tǒng)食物鏈越長，能量消耗越大，污泥產(chǎn)量就越低[22]?？赏ㄟ^3種方法實現(xiàn)基于捕食作用的污泥減量，分別是兩段法、多段法和接種微型動物法。對于已建污水處理廠主要通過接種微型動物法強化生物捕食。

艾翠玲等[23]于2014年通過研究發(fā)現(xiàn)水蚯蚓可在組合填料的生物膜上大量繁殖生長并捕食微生物，相對于未投加水蚯蚓的反應(yīng)器，污泥產(chǎn)量減少了95.1%。張瓊等[24]于2015年向SBR處理系統(tǒng)中投加搖蚊幼蟲進行污泥減量研究，結(jié)果表明，污泥產(chǎn)率降低了31%，并且降低了VSS/SS比值和SVI，改善了活性污泥的沉降性；此外，搖蚊幼蟲不會使COD和氮的去除惡化，反之，其與硝化細菌之間的氧競爭有利于實現(xiàn)亞硝化。

2.2 基于內(nèi)源呼吸和維持代謝的減量法

維持代謝能是指微生物用于維持其生命活動的能量，不用于合成新的細胞物質(zhì)，因此，污泥產(chǎn)量與維持代謝能負相關(guān)?？梢酝ㄟ^延長污泥齡(降低BOD負荷)，使微生物分解有機物獲得的能量主要用作維持代謝能，從而降低生物系統(tǒng)的產(chǎn)泥量。

2.3 基于產(chǎn)電微生物的減量法

產(chǎn)電微生物大多為異養(yǎng)菌，以有機物為基質(zhì)。產(chǎn)電微生物是微生物燃料電池(MFC)的功能之源。近年來，學(xué)者們將MFC與厭氧-缺氧-好氧法(A2/O)、膜生物反應(yīng)器(MBR)等工藝結(jié)合，證明了MFC的污泥減量效果。

意大利的Laura等[25]于2017年研究發(fā)現(xiàn)MFC可使COD去除率高于對照實驗30%，伴隨著能量產(chǎn)生(最大電流密度2.0 A/m2)，揮發(fā)性懸浮固體(VSS)降低達43%。同年，Xiao等[26]在缺氧-好氧(A/O)過程中構(gòu)建了4個相同的微生物燃料電池，實驗證明該系統(tǒng)增強了COD和總氮的去除效果，活性污泥產(chǎn)量和污泥產(chǎn)量分別降低24.0%和24.2%。A/O系統(tǒng)構(gòu)建的MFC提高了廢水處理效率，能產(chǎn)生電能，同時減少污泥產(chǎn)量。

3 源頭減量工藝

能達到污泥源頭減量的工藝除了上述與MFC結(jié)合的A2/O、A/O等活性污泥法工藝，還有好氧-沉淀-厭氧(OSA)工藝[27]、低污泥產(chǎn)量工藝、Cannibal工藝、污泥減量工藝(LSP)、厭氧固定床反應(yīng)器(AFBR)-序批式反應(yīng)器(SBR)-厭氧氨氧化移動床生物膜反應(yīng)器(MBBR) (A-2B)工藝、污泥微生物燃料電池(SMFC)-斜板沉降(InPS)-膜過濾(MF)(SMFC-InPS-MF)、順序好氧/缺氧生物反應(yīng)器(SOABR)-流化固定化細胞碳氧化(FICCO)反應(yīng)器。

3.1 低污泥產(chǎn)量(Low Sludge Production)工藝

低污泥產(chǎn)量工藝的污泥減量原理基于生物捕食，由瑞典隆德大學(xué)的Lee等[28]于1996年提出，低污泥產(chǎn)量工藝有兩個階段，對應(yīng)兩個生物反應(yīng)器，第一個階段為細菌階段，該階段的設(shè)計和運行有利于分散細菌的快速生長，這些細菌在污水中消耗大量的可生物降解的有機質(zhì)；經(jīng)過第一個處理階段后，污水進入第二個反應(yīng)器，即進入捕食者階段。在第一階段顯著增長的總懸浮固體(TSS)又在第二階段顯著降低。實驗證明低污泥產(chǎn)量工藝尤其適合用作造紙工業(yè)廢水的活性污泥處理法[29]。同年，Lee等[30]又發(fā)現(xiàn)乙酸供養(yǎng)的細菌會聚集形成動物纖維狀的絮凝體，而不被原生動物和后生動物捕食。也就是說，污水中乙酸的含量與低污泥產(chǎn)量工藝的污泥減量效果呈負相關(guān)。

比利時的Ghyoot等[31]于2000年將兩階段系統(tǒng)與浸沒式膜過濾結(jié)合，并與通過沉淀達到固液分離的兩階段系統(tǒng)對照，發(fā)現(xiàn)：膜輔助生物反應(yīng)器有助于污泥減量；兩種系統(tǒng)均能實現(xiàn)大約80%的COD在第一階段以容積負荷率1.6 g COD/(L·d)的速率被去除。

3.2 Cannibal工藝

Cannibal工藝是一種商業(yè)化的工藝，工藝示意圖見圖1[32]，由Chudoba等1991年提出，用于小尺寸活性污泥法污水處理廠的污泥減量，其污泥減量機制在于提供了非常長的污泥停留時間，有利于活性生物量的降解(通過內(nèi)源呼吸)以及進水中難以生物降解的有機物和內(nèi)源性殘留物的緩慢降解，另外，交換反應(yīng)器中的交替厭氧、曝氣條件增加了難以生物降解有機物和內(nèi)源性殘留物的降解速率。Labelle等[32]所研究的Cannibal設(shè)施總污泥產(chǎn)量為0.14 g TSS/g COD，對于相同的SRT，CAS工藝的污泥產(chǎn)量大概為0.23 g TSS/g COD，此部分減量可歸因于難以生物降解有機物的緩慢降解。但Cannibal設(shè)施比同等容量的CAS工藝消耗的電力多2.5倍。在某些情況下，節(jié)省污泥處理成本可以補償能源需求。

由于部分污水處理廠采用Cannibal工藝達到的減量效率相對較低，最高在50%～60%，阻礙了該工藝的廣泛應(yīng)用。Salehiziri等[33]于2018年為升級Cannibal工藝研究了一種生物學(xué)方法，即在好氧池中應(yīng)用群體猝滅劑(QQ)，以增加游離細菌群，破壞好氧絮凝物中細菌群落之間的細胞間通信，增加內(nèi)源呼吸，增強微生物捕食，減少胞外聚合物。Salehiziri等以序批式反應(yīng)器(SBR)為對照，發(fā)現(xiàn)QQ-Cannibal系統(tǒng)、Cannibal系統(tǒng)和SBR系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量分別為0.29，0.38和0.50。群體感應(yīng)系統(tǒng)的破壞導(dǎo)致Cannibal工藝污泥產(chǎn)量降低22%，污泥減量的機制包括胞外聚合物濃度的降低和真核生物捕食者總數(shù)的增加，另外，呼吸測量研究的結(jié)果還表明，活性污泥的群體猝滅可促進內(nèi)源性和外源性呼吸，且內(nèi)源呼吸的增強也導(dǎo)致了系統(tǒng)中污泥的減少。

圖1 Cannibal工藝示意圖

Fig.1 Schematic of the Cannibal process

3.3 污泥減量工藝(Less Sludge Process，LSP)

孫震等[34]于2016年提出了一種污泥減量工藝(Less Sludge Process，LSP)，此工藝是一種多段式工藝，其減量原理主要是生物捕食。陳奇等[35]在2017年試用污泥減量多段式工藝(LSP)處理造紙廢水，并對此工藝的活性污泥減量效果進行了研究，發(fā)現(xiàn)污泥減量效果可達60%以上，并且對COD的去除率也提升了10%以上。

國外的低污泥產(chǎn)量工藝和國內(nèi)的LSP都是基于生物捕食，區(qū)別在于反應(yīng)器的設(shè)計，前者采用兩個反應(yīng)器對應(yīng)兩個階段，而后者采用具有多級反應(yīng)槽串聯(lián)的反應(yīng)器，為微生物由原生動物進化至后生動物提供良好環(huán)境，相當于細化了前者，能夠研究出每一級的優(yōu)勢種屬以及它們的食物鏈關(guān)系，另外，國內(nèi)LSP工藝還引入了進口的特殊填料，強化污泥減量效果。采用掃描電鏡可以觀察到纖維單絲結(jié)構(gòu)呈內(nèi)凹三角形，見圖2，比表面積較大，能附著大量微生物，掛膜初期的填料見圖3。

對于LSP工藝，其各級的優(yōu)勢種屬和各級間的捕食關(guān)系，以及工藝的適用條件和最佳運行參數(shù)、剩余污泥的組成成分和性質(zhì)都有待進一步研究確定，最重要的是，研究清楚其所采用的填料相比其他填料的優(yōu)勢以及原理，力求找到或研發(fā)經(jīng)濟的填料來替代該填料，以降低該工藝的材料成本。

圖2 單絲橫截面

圖3 掛膜初期的填料

3.4 A-2B工藝

厭氧固定床反應(yīng)器(AFBR)作為A階段，降解COD，SBR作為B1階段，產(chǎn)生亞硝酸鹽，厭氧氨氧化移動床生物膜反應(yīng)器(MBBR)作為B2階段，接收B1階段含有亞硝酸鹽的出水[36]。Gu等[36]研究發(fā)現(xiàn)，58%的進水COD在A階段轉(zhuǎn)化為甲烷氣體，減少了75%的污泥。

3.5 SMFC-InPS-MF工藝

Wang等[37]將具有斜板陽極的污泥微生物燃料電池(InPSMFC)創(chuàng)新性地引入二級沉淀池，以完成源頭污泥減量。將普通SMFC陽極嵌入沉淀物中，陰極懸浮在上清液中，并在池體中部安裝斜板陽極，顯著擴大了陽極面積，并促進了沉淀池中部生物質(zhì)的利用。斜板陽極的布置，還能阻止污泥漂浮并加速污泥沉淀。結(jié)果表明，與普通SMFC(無斜板陽極)相比，安裝斜板陽極后功率密度增加2.1倍，內(nèi)阻減少50%，污泥減少率增加1.5倍。此外，傾斜陽極為反應(yīng)器的連續(xù)操作提供了更好的條件，且陰極中膜組件的膜污染明顯減少。

3.6 SOABR-FICCO工藝

Mannacharaju等[38]于2017年研究一體化順序好氧/缺氧生物反應(yīng)器-流化固定化細胞碳氧化反應(yīng)器(SOABR-FICCO)的污泥減量效果，發(fā)現(xiàn)連續(xù)運行120 d后，系統(tǒng)產(chǎn)生的干污泥量僅為22.9 g/m3。

4 結(jié)束語

雖然污泥經(jīng)處理后可用于土地，但土地管理者并不愿意接收，加上污泥中肥效釋放速度慢，不適合農(nóng)作物，未來，污泥處理后制成顆粒狀緩釋肥料用于園林綠化將是土地利用的主要途徑。

焚燒灰含磷量高，相當于中、高品位磷礦，回收容易、效率高、成本低，灰分中重金屬的存在始終是潛在威脅，可用酸浸泡處理，實現(xiàn)接近100%磷回收和部分重金屬回收，再將濾渣用作建筑和工藝材料。

污泥源頭減量能從根本上降低污水處理廠的運營成本，研究源頭減量方法或工藝應(yīng)以收集“減”掉的那部分能量為上，比如采用MFC與污水處理工藝結(jié)合，既能使污泥減量，又能產(chǎn)生電能，降低污水處理過程能量流失。

目前，污泥處理處置依然嚴重滯后于污水處理，為降低剩余污泥處理處置、能源資源回收和后續(xù)資源化利用的成本，提高管理效率，建議按泥質(zhì)或區(qū)域設(shè)置污泥集中處理中心，污水處理廠將濃縮脫水后的污泥送至就近的污泥處理中心即可，由污泥處理中心調(diào)配后統(tǒng)一處理和回收能源資源。