探析城市污水處理廠剩余污泥的資源化途徑*

酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李輝

目前，國內(nèi)最常見的污水處理方法為活性污泥法，此方法最大的痛點(diǎn)是會(huì)出現(xiàn)大量的剩余污泥，若不加以妥善處理而直接排放，不但會(huì)嚴(yán)重影響環(huán)境，而且也會(huì)造成資源的浪費(fèi)。如今，隨著城市的發(fā)展，城鎮(zhèn)污水處理廠不斷擴(kuò)建，每天要處理的污水總量也在不斷增加。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每日城市污水處理廠所制造的污泥量占當(dāng)日污水處理總量的1%左右[1]。如果依舊采用以往簡(jiǎn)單的污泥處理方式，如投海、填埋等，不但可能會(huì)導(dǎo)致二次污染，并且還會(huì)帶來更多處理區(qū)域的需求，導(dǎo)致處理成本不斷增加，使污水處理廠運(yùn)營壓力逐漸加大。污水處理廠的剩余污泥因其富含有機(jī)物、營養(yǎng)元素的特征，逐漸引起了更多人的重視?？刂坪拖Ｓ辔勰嘀械奈廴疚：?，有效發(fā)掘其使用價(jià)值，已經(jīng)成為了節(jié)能環(huán)保與資源研究領(lǐng)域的重點(diǎn)研究課題。

一、剩余污泥的組成及環(huán)境問題

剩余污泥是通過水處理之后濃縮、脫水而生成的一種含水率在八成左右的泥塊，富含較多的水分、有機(jī)物以及氮、鉀等元素。此外，污泥中含有大量病原菌、寄生蟲以及放射性核素等難以降解的有毒有害物質(zhì)，不科學(xué)的處理將對(duì)水、土、大氣、人類、動(dòng)植物產(chǎn)生不利影響，主要表現(xiàn)為：

剩余污泥含有較多的金屬鹽類和非金屬鹽類，破壞了土壤本身的背景值，對(duì)植物的營養(yǎng)吸收具有一定破壞作用。此外，植物生長需要適量的氮、磷、鉀等元素，但污泥含有大量的氮、磷、鉀等物質(zhì)，超過了植物利用限度，剩余大量的營養(yǎng)物質(zhì)就會(huì)進(jìn)入水體當(dāng)中，極易造成水體的富營養(yǎng)化，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)平衡。

剩余污泥中的重金屬很難溶于水，較容易在土壤和植物中富集，長此以往，會(huì)通過食物鏈危害陸生動(dòng)植物以及人體的健康。此外，污泥中還有來自人畜糞便等的許多致病菌和寄生蟲，如果不加處理再次進(jìn)入水體和土壤，將會(huì)對(duì)動(dòng)植物和人類造成嚴(yán)重威脅。

一般來說，城鎮(zhèn)污水廠的處理水來自四面八方的居民區(qū)、化工廠區(qū)、電力公司等，成分復(fù)雜，其中含有大量的毒性有機(jī)物，許多有機(jī)污染物是國家優(yōu)先處理的物質(zhì)，含量比當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸蹈叱鰯?shù)倍。

二、常規(guī)污泥處理方法中存在的問題

填埋是最常見也是運(yùn)用最多的一種污泥處理方法，此方法操作最為簡(jiǎn)單。剩余污泥一般要經(jīng)過脫水，成為含水率在六成左右的泥塊才可以進(jìn)行填埋。填埋的副作用是會(huì)導(dǎo)致地下水污染問題，而且會(huì)消耗大規(guī)模的土地面積。對(duì)于一些人口密集的地區(qū)而言，埋放地點(diǎn)的選擇是一個(gè)難題。在國內(nèi)，雖然大部分地區(qū)采用填埋進(jìn)行污泥的處理，但依舊有不少區(qū)域由于選址和運(yùn)輸成本過高而限制其運(yùn)用。此外，因?yàn)槲覈勰嗵幚戆l(fā)展相對(duì)落后，有很多城市并未重視污泥處理，沒有合理地進(jìn)行地點(diǎn)規(guī)劃，導(dǎo)致很多處理廠無法采用科學(xué)的方案進(jìn)行處理，沒有能夠進(jìn)行長期污泥處理的地點(diǎn)，多數(shù)都是選擇與城市垃圾進(jìn)行混合掩埋，最終使得填埋場(chǎng)周邊的自然條件嚴(yán)重惡化，附近居民受到臭氣、滲濾液的影響，苦不堪言，造成較為嚴(yán)重的負(fù)面影響[2]。填埋目前仍然是我國處理污泥的主流方法，但是一些發(fā)達(dá)國家陸續(xù)在關(guān)閉大量的填埋場(chǎng)。從長遠(yuǎn)來看，剩余污泥的填埋并不是長久之計(jì)，它只是延緩了環(huán)境污染的時(shí)間，并未從源頭消除污染。

焚燒處理剩余污泥是相對(duì)其他傳統(tǒng)方法來講最徹底的方法，不但能夠減少污泥，同時(shí)還能起到消毒滅菌的作用。一般來說，剩余污泥要經(jīng)過脫水或脫水干化才可以進(jìn)行焚燒，但是，脫水想要快速、高效，成本較高。脫水成本較低的方式是自然風(fēng)干，但其占用土地面積大、消耗時(shí)間長、氣味較大。此外，剩余污泥的焚燒處理伴隨著二氧化硫等物質(zhì)的出現(xiàn)，導(dǎo)致二次污染。同時(shí)，污泥焚燒處理方式還存在成本過高、熱能利用率低的問題。

城鎮(zhèn)污水處理廠剩余污泥成分較為復(fù)雜，部分廠家由于處理費(fèi)用過高而未經(jīng)處理直接還田或私自用于土地綠化、養(yǎng)殖等方面，未經(jīng)科學(xué)處理的剩余污泥直接使用會(huì)對(duì)水源及土地造成二次污染，進(jìn)而危害人體健康。不管是從城鎮(zhèn)污水廠低成本處理剩余污泥的角度出發(fā)，還是從國家倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保、綠色低碳的角度出發(fā)，剩余污泥處理方式要具有經(jīng)濟(jì)性、快速處理性以及資源化的實(shí)用價(jià)值。

三、剩余污泥資源化處理方式

（一）剩余污泥土地運(yùn)用

剩余污泥內(nèi)一般富含有機(jī)物、氮、鉀等物質(zhì)，如果加以科學(xué)處理，具有較高的土地運(yùn)用價(jià)值。在世界上，污泥土地利用研究具有長久的發(fā)展歷史，一些工業(yè)化國家的居民就已經(jīng)嘗試制作一些高質(zhì)量的污泥肥料，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)階段，美國大多數(shù)城市污水處理廠都開始選用污泥土地的方式進(jìn)行剩余污泥的處置，改變以往的處理思路，重點(diǎn)發(fā)展回收利用，提高剩余污泥的使用價(jià)值，如今最常見的污泥土地利用方式為農(nóng)田利用與林地利用。

現(xiàn)階段，為了將剩余污泥運(yùn)用到農(nóng)田當(dāng)中，首先需要對(duì)污泥進(jìn)行無害化處理，之后加入一些特殊材料，例如菌種等物質(zhì)，最終生成有機(jī)復(fù)合肥料。具體加工方式為：首先，通過機(jī)械等多種綜合方式去除污泥內(nèi)部的水分，一般處理到四至六成含水率，再與一些有益材料進(jìn)行組合，在合適的溫度條件下，采用好氧方式進(jìn)一步進(jìn)行熟化處理，將熟化處理完的污泥、各類菌種以及添加劑根據(jù)一定比例進(jìn)行混合、造粒、包裝，最終生成有機(jī)肥。要注意的是，進(jìn)行加工時(shí)一定注意有害菌等處理[3]。

剩余污泥在農(nóng)田運(yùn)用具有高經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)、加工量大的優(yōu)勢(shì)，有著較為長遠(yuǎn)的發(fā)展前景。因此，學(xué)術(shù)界對(duì)于此技術(shù)十分關(guān)注，在許多國家已經(jīng)得到了有效運(yùn)用。經(jīng)過實(shí)踐證明，通過污泥所生產(chǎn)的無害化肥料能夠有效增強(qiáng)農(nóng)作物生產(chǎn)效果、優(yōu)化土地肥力。但是，在剩余污泥農(nóng)田利用的研究中，一定要重視以下問題：污泥中的重金屬二次污染問題，污泥內(nèi)的病原體破壞環(huán)境問題，氮、磷等成分超標(biāo)問題。

剩余污泥土地利用的另外一種方式是城市綠化利用。和農(nóng)田利用一樣，首先也需要經(jīng)過科學(xué)的無害化、除臭處理。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)與廣州市園林研究所通過將污泥與一些廢棄木屑、樹枝進(jìn)行混合處理，最終生成育苗與花卉基質(zhì)，其作用效果毫不遜色于基于煤泥土所制作的基質(zhì)。只要對(duì)污泥進(jìn)行科學(xué)處理，有效控制其中的污染物成分，提高有益成分的含量，便可以應(yīng)用在城市綠化建設(shè)工作中，有效提高綠化水準(zhǔn)，并且有效控制對(duì)于周邊環(huán)境以及地下水的污染問題。在園林綠地建設(shè)中運(yùn)用污泥產(chǎn)品，相對(duì)農(nóng)田利用更加安全，對(duì)人體健康造成的影響較小。

（二）剩余污泥制作動(dòng)物飼料或飼料添加劑

剩余污泥主要由微生物菌膠團(tuán)、微生物代謝物、吸附在污泥上的有機(jī)物和無機(jī)物等幾部分組成。菌膠團(tuán)當(dāng)中的細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)等含有豐富的蛋白質(zhì)、多糖、氨基酸等物質(zhì)，因此，剩余泥污中存在大量且豐富的高營養(yǎng)物質(zhì)，包括粗蛋白、脂肪酸、纖維素、動(dòng)植物所需的微量元素等。七成以上的粗蛋白都是以氨基酸的形式存在，包括甘氨酸、谷氨酸等。有研究者將經(jīng)過處理的污泥制作成富含蛋白質(zhì)的飼料，用于喂魚、喂雞，能夠大幅度增加產(chǎn)量。經(jīng)過長達(dá)幾年的驗(yàn)證，并未發(fā)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物存在負(fù)面影響，并且喂食混合飼料與污泥制作的無害飼料的家禽體重明顯增加。

（三）沼氣生產(chǎn)以及燃料制備

剩余污泥與煤進(jìn)行摻燒發(fā)電和厭氧——好氧耦合發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)目前來說是兩種新型的資源化污泥處理方式。前文提到，有些污泥來源不同，很多物質(zhì)的指標(biāo)無法達(dá)標(biāo)排放，因此可以將污泥轉(zhuǎn)化為燃料和沼氣來加以利用。剩余污泥富含有機(jī)物，熱值較高，也是一種新型能源。不管是土地填埋還是制作燃料發(fā)電，一般前處理都是脫水，只有脫水之后，很多工藝才可以繼續(xù)開展。污泥厭氧——好氧耦合首先在無氧環(huán)境中的厭氧菌群作用下，將有機(jī)物液化分解為其他物質(zhì)，并消滅各類病菌，降低污泥的危害性。厭氧其中分為兩個(gè)環(huán)節(jié)：一是酸性消化環(huán)節(jié)，讓高分子有機(jī)物在胞外酶的影響下水解以及酸化。二是堿性消化環(huán)節(jié)，通過專性厭氧菌分解上一個(gè)環(huán)節(jié)中所產(chǎn)生的各類物質(zhì)，最終生成甲烷、二氧化碳等成分。之后通過好氧處理，所獲得的能量能夠應(yīng)用在污水處理工作中，或者為附近的居民提供能源支持。但是，如果污水處理廠規(guī)模有限，生產(chǎn)的污泥數(shù)量不多，就無法有效發(fā)揮污泥厭氧消化制沼氣方案的作用。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外正在積極研發(fā)和完善一種污泥熱解制油技術(shù)。具體是通過在高溫環(huán)境下，借助常壓與缺氧環(huán)境，利用污泥內(nèi)部硅酸鋁以及銅等金屬的催化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化污泥內(nèi)的脂類以及蛋白質(zhì)成分，輸出碳?xì)浠衔?，最終生成油、碳以及反應(yīng)水。世界上首座工業(yè)化的污泥煉油廠在澳大利亞，每日污泥轉(zhuǎn)化量可達(dá)25噸。

由于低溫?zé)峤庵朴头绞揭髮?duì)于污泥進(jìn)行干燥處置，成本較高，美國與日本著手進(jìn)行了污泥直接油化技術(shù)的研究。在高溫、高壓的環(huán)境下，利用添加催化劑，通過加氫、縮合等一系列操作處理，將污泥中一半左右的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為低分子油狀物。該項(xiàng)技術(shù)需要在高壓條件下進(jìn)行工作，因此對(duì)于設(shè)備有著極高的要求，并且產(chǎn)品在分離、加工中所產(chǎn)生的異味問題也極難處理，所以使用程度十分有限[4]。

（四）剩余污泥制作建筑材料

城鎮(zhèn)污水廠剩余污泥中除了含有植物生長的基本元素，還有一些鈣、硅等物質(zhì)，這與工業(yè)用水泥的原料基本相同。日本目前擁有世界上首座生態(tài)水泥廠，生態(tài)水泥的原料為污泥焚燒灰和污泥。在國內(nèi)相關(guān)研究領(lǐng)域，通過一些科研人員的不懈努力，發(fā)現(xiàn)污泥在水泥窯中資源化處理的效果，剩余污泥材料完全可以實(shí)現(xiàn)在水泥生產(chǎn)過程中的無害化運(yùn)用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，將污泥的焚燒灰注入到水泥熟料中，污泥中的重金屬成分能夠溶解在熟料礦物內(nèi)，雖然會(huì)對(duì)水泥造成一定程度的影響，但是完全不會(huì)干擾水泥的安定性，并且水泥熟料當(dāng)中的有害物含量、浸出液含量遠(yuǎn)低于國家相關(guān)規(guī)定。近幾年，為了實(shí)現(xiàn)碳排放的目標(biāo)，國家積極鼓勵(lì)減少二氧化碳的排放，生態(tài)水泥的制作將在較大程度上降低二氧化碳的排放。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)學(xué)者還研發(fā)了基于脫水污泥制陶粒的燒結(jié)術(shù)和制纖維板技術(shù)，該技術(shù)主要是通過將粉末狀物料升溫至熔點(diǎn)之上，液化部分物料，再經(jīng)過冷卻形成具有較高強(qiáng)度的固體。有學(xué)者針對(duì)蘇州河底泥替代普通黏土燒制陶粒技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了一些成績。經(jīng)過高溫?zé)坪螅勰鄡?nèi)的重金屬成分能夠溶解到陶粒中，即使在普通水中浸泡一周以上也不會(huì)出現(xiàn)析出問題，能夠有效避免對(duì)于環(huán)境所造成二次污染的問題。燒制成品在經(jīng)過硝基鹽酸的浸析后，重金屬溶出量明顯下降[5]。此外，利用污泥制纖維板技術(shù)在很大程度上能夠減少對(duì)森林木材的砍伐。

四、結(jié)束語

長久以來，污水處理廠剩余泥污處理是相關(guān)領(lǐng)域一項(xiàng)重點(diǎn)研究項(xiàng)目。在如今資源更加緊張的背景下，提高污泥利用的資源化率，是一項(xiàng)有利于國家發(fā)展的研究。文章認(rèn)為，污泥的土地利用方案是與國內(nèi)發(fā)展國情最相符的運(yùn)用方式，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)發(fā)展，因此，應(yīng)當(dāng)從根源上進(jìn)行管理，有效降低污泥中各類毒害物質(zhì)的含量，利用污泥來加工各類肥料，促進(jìn)農(nóng)業(yè)與林業(yè)的有效發(fā)展。