城市污泥資源化利用技術(shù)研究進(jìn)展

李玉雙，楊嘉鑫，魏建兵，劉佳昊，侯永俠，宋雪英，陸慶軒

（1.沈陽大學(xué)環(huán)境學(xué)院，區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110044；2.沈陽大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110044）

自2015年國(guó)務(wù)院發(fā)布實(shí)施《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》以來，全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理能力大幅提高。截至2020年我國(guó)建成城鎮(zhèn)污水處理廠1萬多座，污水處理能力已超過2億m3/d〔1〕，城市污泥（文中專指城市污水處理廠產(chǎn)生的污泥）的年產(chǎn)量隨之迅速增長(zhǎng)，已突 破6 000萬t〔2〕（含水率按80%計(jì)）。以沈陽市為例，目前沈陽市縣以上共有污水處理廠26座，日產(chǎn)污泥量約為1 600 t。國(guó)家發(fā)改委、住建部印發(fā)的《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》提出，到2025年城市污泥無害化處置率達(dá)到90%以上。在此背景下，實(shí)現(xiàn)污泥的資源化、減量化、無害化對(duì)于城市發(fā)展至關(guān)重要。

城市污泥的成分復(fù)雜，不僅含有氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還含有大量有毒、有害及對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響的物質(zhì)，若不妥善處置，必然給環(huán)境帶來威脅。污泥資源化利用技術(shù)通過回收和再利用污泥中有價(jià)值的物質(zhì)，不僅能解決污泥帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問題，還能產(chǎn)生多重效益，已成為污泥處理處置的研究熱點(diǎn)。筆者綜述了城市污泥的組成和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、傳統(tǒng)的污泥處置方法，以及污泥資源化利用技術(shù)，重點(diǎn)介紹了污泥的農(nóng)業(yè)利用、建材利用、沼氣利用及生物炭利用等技術(shù)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究與應(yīng)用情況對(duì)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 城市污泥的組成與安全風(fēng)險(xiǎn)

城市污泥集中產(chǎn)生在污水處理廠的初沉池和二沉池，由多種微生物形成的菌膠團(tuán)及其吸附的有機(jī)物和無機(jī)物組成。我國(guó)城市污泥的含氮量很高，碳氮比約為3∶100。此外，城市污泥含水率也很高，成分復(fù)雜多變，其中除含有大量有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等多種植物營(yíng)養(yǎng)元素和微量元素外，還可能濃縮有汞（Hg）、鉻（Cr）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、銅（Cu）、鋅（Zn）、砷（As）、鎳（Ni）等重金屬，多環(huán)芳烴（PAHs）、氯苯類化合物（CBs）、鄰苯二甲酸酯類（PAEs）、直鏈烷基苯磺酸鹽（LAS）、氯酚（CPs）、壬基酚、藥物及個(gè)人護(hù)理品（PPCPs）等微量有機(jī)污染物以及少量的病原生物〔3-4〕。其中，部分污染物具有生物蓄積效應(yīng)、“三致效應(yīng)”等。

2 傳統(tǒng)污泥處置方法

目前，傳統(tǒng)污泥處置方法主要包括填埋、焚燒兩大類。填埋法占用大量土地資源，選址要求較高，且極易引起地下水污染、空氣污染以及病原菌擴(kuò)散等二次污染問題，因而在國(guó)內(nèi)外逐漸受到限制。英國(guó)的污泥填埋比例由1980年的27%下降到2005年的6%〔5〕；此外，我國(guó)發(fā)改委、住建部、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合印發(fā)了《城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施補(bǔ)短板強(qiáng)弱項(xiàng)實(shí)施方案》，計(jì)劃2023年基本實(shí)現(xiàn)垃圾零填埋。

焚燒處理可以快速有效實(shí)現(xiàn)污泥無害化、減量化，但污泥焚燒容易產(chǎn)生大量含有重金屬、二氧化硫、氮氧化物、二 英、呋喃等多種有毒物質(zhì)的飛灰煙氣，容易對(duì)環(huán)境造成二次污染，且煙氣處理的設(shè)施成本高、難度較大。目前，我國(guó)采用焚燒法處理的污泥比例不足3%〔6〕，可見焚燒處理方法還未在我國(guó)污泥處理處置中普及。

因此，這些傳統(tǒng)污泥處置方法尚不能妥善處理和處置城市污泥，隨著研究的深入，能夠帶來環(huán)境和經(jīng)濟(jì)雙重效益的污泥資源化利用技術(shù)逐漸受到青睞。

3 污泥資源化利用技術(shù)

目前污泥資源的再利用已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)。按照應(yīng)用領(lǐng)域的不同，污泥資源化利用技術(shù)主要可分為農(nóng)業(yè)利用、能源利用、建材利用和環(huán)保利用四類。

3.1 堆肥

經(jīng)過堆肥處理后的污泥，病原菌得以滅活，有機(jī)物發(fā)生腐殖質(zhì)化，重金屬遷移性降低〔7〕，氮、磷、鉀養(yǎng)分充足，可作為一種高質(zhì)、有效的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)肥料〔8〕。但該技術(shù)對(duì)污泥品質(zhì)的要求較高，核心污染物也從早期的重金屬轉(zhuǎn)變成各類難降解有機(jī)物，如殘留藥物、化學(xué)品、生物制品等〔9〕，需要規(guī)避二次污染問題。除化學(xué)風(fēng)險(xiǎn)外，污泥堆肥的微生物風(fēng)險(xiǎn)不容忽視〔10〕?？紤]到污泥存在的各種潛在風(fēng)險(xiǎn)，我國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）中禁用污泥生產(chǎn)農(nóng)用有機(jī)肥，但可用其作為營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，在綠化園林、修復(fù)礦山、改良沙漠化土壤中發(fā)揮作用〔11〕。

3.2 能源利用

污泥的能源化利用是借助生物、物理或熱化學(xué)方法，制得氫、生物柴油、沼氣、微生物燃料電池等能源產(chǎn)品〔12〕，有利于解決我國(guó)能源緊缺問題。

3.2.1 氫、生物柴油、沼氣

生物制氫方式主要有微生物厭氧光合制氫和微生物厭氧發(fā)酵制氫，其中厭氧發(fā)酵制氫的有機(jī)物可利用性更高，工藝更簡(jiǎn)單、易操作〔13〕。Guang YANG等〔14〕研究發(fā)現(xiàn)，添加3種含碳量較高的林業(yè)廢棄物作為共基質(zhì)后，單一污泥的產(chǎn)氫量較未添加前提高了9.6～40.5 mL/g，同時(shí)，單獨(dú)污泥發(fā)酵的揮發(fā)性固體（VS）去除率也提高了3.8%～15.2%，證明了污泥與林業(yè)廢棄物共發(fā)酵提高產(chǎn)氫量和減少污泥量的可行性。

生物柴油的化學(xué)性質(zhì)與商業(yè)柴油相似，因此需求量很大。原料成本是生物柴油商業(yè)化的主要障礙，而污泥正逐漸取代高成本的食用原料成為生物柴油的潛在原料。Fenfen ZHU等〔15〕測(cè)定了北京地區(qū)3個(gè)典型污水處理廠的5個(gè)污泥樣品的脂質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞脂質(zhì)高于54%，是生產(chǎn)生物柴油的良好資源。

污泥沼氣利用技術(shù)通過厭氧消化分解污泥中的有機(jī)質(zhì)，得到甲烷等可能源利用的氣體。目前國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)是通過優(yōu)化預(yù)處理技術(shù)和添加某些廢棄物來提高甲烷產(chǎn)氣率。邱春生等〔16〕對(duì)污泥進(jìn)行低溫?zé)釅A處理，產(chǎn)氣量比未預(yù)處理污泥的提高了83.7%。S.ANHURADHA等〔17〕研究發(fā)現(xiàn)，蔬果廢棄物和城市污泥厭氧共消化時(shí)的累積產(chǎn)氣量較污泥單獨(dú)厭氧消化高出28.53 L。另外，Yuansheng HU等〔18〕研究發(fā)現(xiàn)，投加33 g/L廢鐵屑（8 mm×3 mm×0.5 mm）后，污泥厭氧消化系統(tǒng)獲得25.3%的甲烷增量，每年可節(jié)省184萬元，減少CO2排量1 660 t，說明廢鐵屑與污泥協(xié)同厭氧消化可取得環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)三重效益。

綜上，污泥氫氣利用、生物柴油利用是近幾年的新興技術(shù)，還處于技術(shù)研發(fā)階段，而污泥沼氣利用技術(shù)已經(jīng)過大量研究，初步具備成為成熟產(chǎn)業(yè)的條件。

3.2.2 微生物燃料電池

微生物燃料電池（MFC）技術(shù)可直接將污泥有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，達(dá)到污泥穩(wěn)定化和資源化的目的。Hanmin ZHANG等〔19〕研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于加入氧化石墨烯（GO）和還原氧化石墨烯（rGO）的污泥微生物燃料電池（SMFC），其污泥減量率較普通MFC的分別高出3、2.2倍，最大功率密度分別是普通MFC（31.19 mW/m3）的6.86、2.58倍。可見，GO和rGO具有破壞細(xì)胞和加速電子傳輸?shù)淖饔?，可以大大促進(jìn)MFC的污泥減量和產(chǎn)電量。此外，在MFC的陽極添加廢鐵，可顯著提高有機(jī)物的利用率、污泥減量率和產(chǎn)電率，反應(yīng)時(shí)間顯著縮短，大幅降低成本〔20〕。

3.3 建材利用

建材等行業(yè)的生產(chǎn)過程對(duì)黏土的需求量很大，導(dǎo)致黏土資源被大量開采，已嚴(yán)重影響農(nóng)田的數(shù)量和質(zhì)量。污泥中的主要氧化物為SiO2（10%～25%）、Al2O3（5%～10%）和CaO（10%～30%），與黏土和硅酸鹽水泥類似。且焚燒后污泥灰中的氧化物會(huì)增加10%～50%〔21〕?？梢岳梦勰嘀械倪@些成分進(jìn)行水泥、磚、陶粒等建筑材料的制作〔4〕。

3.3.1 水泥

上海水泥廠通過污泥均化、貯存、碾碎、煅燒等步驟生產(chǎn)出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的水泥熟料，且廢氣排放達(dá)到國(guó)家環(huán)保監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求〔22〕。Wei XU等〔23〕研究發(fā)現(xiàn)，在石灰干化污泥中添加含鈣的低密度聚乙烯（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤15%），在1 400℃下可實(shí)現(xiàn)良好的熟料燒結(jié)性能，達(dá)到熟料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，有效形成污水處理廠與水泥廠之間的可循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式。

3.3.2 磚塊

污泥制磚是污泥建材利用技術(shù)中一項(xiàng)有前景的新技術(shù)。制得的磚塊質(zhì)輕、多孔、隔音、隔熱，高溫?zé)茪缬泻?xì)菌，半成品留存了污泥中的重金屬，成品無臭味〔24〕。在大多數(shù)研究中，磚頭混合料中污泥添加量的增加會(huì)導(dǎo)致抗彎強(qiáng)度降低，而適合的添加量會(huì)提高抗彎強(qiáng)度。例如，鐵基污泥添加量低于10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，與參考值相比，制得的陶瓷樣品彎曲強(qiáng)度明顯提高7%～97%〔25〕，其機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于參考黏土磚〔26〕。

3.3.3 陶粒

陶粒憑借堅(jiān)硬、透水、質(zhì)輕、保溫等特點(diǎn)，在輕質(zhì)混凝土、保溫建筑材料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛〔27〕。顏建等〔28〕在剩余污泥量為20%、高嶺土淤泥質(zhì)量比為0∶10、燒結(jié)溫度為1 100℃的條件下制備陶粒，浸出的重金屬符合GB 5085.3—2007的要求，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低。

我國(guó)北京、重慶、上海、沈陽等地均進(jìn)行過相應(yīng)的生產(chǎn)性研究，但其投入運(yùn)行面臨著一定挑戰(zhàn)，如污泥的物理化學(xué)性質(zhì)易變，有機(jī)物含量相對(duì)較高，將增加建材的孔隙率和吸水率，對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生不利影響。

3.4 環(huán)保利用

污泥中含有大量有機(jī)物，可通過化學(xué)改性和高溫碳化制得環(huán)保材料。目前污泥經(jīng)環(huán)保利用得到的產(chǎn)品主要有污泥制生物炭、可降解塑料、生物絮凝劑等。

3.4.1 生物炭

生物炭吸附因易操作、效果好，廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。然而，商品生物炭的原料主要為煤和木材等，大規(guī)模應(yīng)用受到限制。采用城市污泥熱解制備的生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)，以及較大的比表面積，去除廢水中的抗生素、重金屬離子、有機(jī)污染物、染料時(shí)效果顯著〔29〕。

污泥生物炭的制備主要有直接碳化法、活化法、催化活化法、添加碳源法等。其中直接碳化法和物理活化法效果略差，未被廣泛使用。催化活化法的研究目前主要集中在鐵基催化活化方面〔30〕。添加碳源法對(duì)于提高產(chǎn)品的比表面積效果明顯，吸附性能大幅提高〔31〕。

目前的研究主要通過添加活化劑和改性劑來提高污泥生物炭的吸附性能〔32-34〕。Yili LI等〔33〕將玉米秸稈和污泥同時(shí)碳化，在玉米秸稈投加量為25%、600℃活化1 h的條件下，用4 mol/L ZnCl2活化制備了污泥生物炭，其比表面積達(dá)到769 m2/g，對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附效果與商品生物炭的相當(dāng)，但生產(chǎn)成本便宜。但化學(xué)活化能耗大，設(shè)備易腐蝕，后續(xù)處理工藝繁瑣，其二次污染問題也值得關(guān)注〔34〕。

王超前等〔35〕提出污泥微波誘導(dǎo)協(xié)同熱解制備生物炭的技術(shù)思路，該技術(shù)不僅固化重金屬效果、固碳效果及孔隙結(jié)構(gòu)更好，且與常規(guī)熱解60 min的制炭工藝相比，節(jié)能省時(shí)一半以上，為低能耗高效制備優(yōu)質(zhì)生物炭的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

Zedong LU等〔36〕對(duì)生物炭吸附性能主要由微孔和部分中孔孔容積決定的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)進(jìn)行了補(bǔ)充，通過生物炭過濾器245 d的平行運(yùn)行，并基于宏基因組學(xué)和宏蛋白質(zhì)組學(xué)的分析，提出生物炭微孔和微米級(jí)大孔的孔容積是決定生物炭吸附性能和生物再生作用的重要指標(biāo)。這一研究為給水處理中生物炭的合理選擇和應(yīng)用提供了很好的方向。

3.4.2 可降解塑料

傳統(tǒng)塑料難降解，易引發(fā)環(huán)境污染。研究表明，有490～1 270萬t塑料匯入海洋，預(yù)計(jì)到2025年將增長(zhǎng)10倍〔37〕。近年來，生物降解塑料的研究引起人們廣泛關(guān)注。污泥中存在大量細(xì)菌，能夠儲(chǔ)存羥基脂肪酸酯（PHA），通過添加碳源和無機(jī)鹽培養(yǎng)基，可以制備可降解塑料。T.PALMEIRO-SáNCHEZ等〔38〕研究發(fā)現(xiàn)，中試規(guī)模下活性污泥中的PHA含量占污泥有機(jī)質(zhì)的66%，且利用活性污泥制備PHA的產(chǎn)率與純菌發(fā)酵的產(chǎn)率相差無幾，富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的活性污泥既可作為菌種來源，又可作為底物給微生物生長(zhǎng)繁殖提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

3.4.3 生物絮凝劑

城市污泥中的微生物含有大量多醣、蛋白質(zhì)、纖維素等成分，其具有絮凝活性，可用來制備生物絮凝劑。利用污泥制生物絮凝劑，不但可解決生物絮凝劑成本高的問題，還能實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用。王聰?shù)取?9〕探究了超聲波法、堿解法和凍融法制得的生物絮凝劑的性能，發(fā)現(xiàn)堿解法制備的絮凝劑絮凝率可達(dá)97.89%，且絮凝活性最高，在相同能耗下絮凝劑產(chǎn)量最多。

綜上，污泥環(huán)保利用既能實(shí)現(xiàn)污泥資源化的目標(biāo)，又可解決環(huán)境污染問題，具有很好的市場(chǎng)價(jià)值，有待進(jìn)一步深入研究。

4 總結(jié)和展望

城市污泥的處置方法及其工藝多種多樣。此前，我國(guó)大多城市主要采取填埋和焚燒的處置方式，而由于填埋占用大量土地資源，還面臨二次污染問題，已被逐步摒棄。焚燒處理雖然具有很好的減量化、無害化效益，但白白損失其中的可利用資源。因此，大力發(fā)展污泥的資源化處置技術(shù)，促進(jìn)城市污泥等固廢的資源化利用，將是今后的發(fā)展方向，這對(duì)于我國(guó)城市生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)發(fā)展尤為重要。

污泥堆肥是美國(guó)、歐洲、澳大利亞等國(guó)家或地區(qū)目前常用的資源化利用技術(shù)。盡管相關(guān)國(guó)家已多次提高污泥堆肥作為有機(jī)肥應(yīng)用的污染控制標(biāo)準(zhǔn)，但由于存在潛在的長(zhǎng)期污染風(fēng)險(xiǎn)而一直備受爭(zhēng)議。污泥雖不能作為有機(jī)肥直接施用，但我國(guó)存在大量土壤荒漠化嚴(yán)重的地區(qū)、植物營(yíng)養(yǎng)元素貧乏的礦山環(huán)境等，大量污泥營(yíng)養(yǎng)土正好可滿足其環(huán)境生態(tài)修復(fù)的需要。

污泥建材化利用是一項(xiàng)非常有潛力的新技術(shù)，能在達(dá)到污泥減量化的同時(shí)減緩黏土資源的消耗。雖然該技術(shù)存在材料強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差的問題，但隨著相關(guān)技術(shù)與工藝研究的深入，未來將成為污泥資源化利用的主流方向之一。

污泥的能源化利用可回收氫氣、生物柴油、沼氣等生物質(zhì)能以及電能，減少污水處理廠能耗，降低對(duì)環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)污泥處置的減量化、無害化、資源化。其中除污泥沼氣利用技術(shù)發(fā)展歷史較長(zhǎng)、技術(shù)相對(duì)成熟，可實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用外，其他技術(shù)尚存在產(chǎn)量偏低、殘?jiān)幚磉^程易造成污染等諸多關(guān)鍵問題和工程技術(shù)問題，其商業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

污泥環(huán)保利用制成的生物炭、生物絮凝劑等環(huán)保材料，可作為凈化水體的吸附和絮凝材料，形成“以廢治廢”的生態(tài)鏈，而制成的可降解塑料可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料，減少“白色污染”。其中，污泥生物炭利用技術(shù)在園林綠化、作物種植〔40〕、水污染和氣體污染治理方面具有可觀效益，具有較好的應(yīng)用前景，成為近幾年的研究熱點(diǎn)。

綜上所述，污泥堆肥技術(shù)、污泥建材利用技術(shù)、污泥沼氣利用技術(shù)及污泥生物炭利用技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，有望成為未來污泥資源化利用的主流方向。未來在提升相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)量和性能的同時(shí)，還應(yīng)著重處理制作過程產(chǎn)生的殘?jiān)蛴卸居泻怏w，規(guī)范污泥處理行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，避免二次污染。并加大相關(guān)資源化設(shè)備優(yōu)化的研發(fā)力度，降低投資及運(yùn)營(yíng)成本，使污泥資源化利用真正達(dá)到技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理。