污泥液體肥的應(yīng)用及優(yōu)化研究進展*

陳小潔，李夏桐，楊 林，白 科，程 剛

（西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

污泥堆肥產(chǎn)品含多種重金屬、持久性有機污染物，施用農(nóng)田存在較高的生態(tài)風(fēng)險[1]。而剩余污泥制備液體肥無需脫水，重金屬等污染物可充分釋放且有效清除，不僅可靈活控制營養(yǎng)元素配方，且能提取腐殖酸肥料[2]，成為污泥土地利用的新方向。

目前，利用有機廢棄物制備液體肥研究主要集中在植物殘渣[3]、廚余垃圾[4]及病死畜禽尸體[5]等方面，利用污水廠剩余污泥制備液體肥的研究較少。污泥消化是獲取液體肥的主要途徑，其中，好氧消化法能耗高，且消耗污泥中大部分有機質(zhì),不利于磷的釋放[6]，而厭氧消化法資源利用充分、能耗低，產(chǎn)生的污泥液體肥已應(yīng)用多年。由于污泥中主要營養(yǎng)物包裹在污泥絮體及細(xì)胞壁內(nèi)難以釋放，限制了污泥的厭氧水解速率[7]，養(yǎng)分利用不徹底。為此，人們通過物理、化學(xué)、生物及其組合手段，促進污泥水解與營養(yǎng)釋放?？紤]到污泥液體肥含水率高，不便運輸，部分學(xué)者研究利用膜[8]分離技術(shù)提高液體肥濃縮倍數(shù)，大大降低了運輸費用。

本文介紹了污泥液體肥的特點，歸納總結(jié)了國內(nèi)外污泥液體肥的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了不同方法對污泥液體肥肥效的影響，并對今后的研究方向與工程化應(yīng)用做出展望。

1 污泥液體肥特點

污泥液體肥含有普通商品礦物肥的大量元素（氮、磷、鈣）、腐殖酸及多種微量元素，營養(yǎng)全面、生產(chǎn)費用低、施用方式多樣，而且能夠被作物快速吸收，利用率高[9]。此外，還可以提高土壤中有機質(zhì)的含量，改善土質(zhì)，削弱商品肥造成土地鹽堿化的危害。研究表明，污泥液體肥中氮、磷、鉀及腐殖酸含量最大值可分別達到3400～5200、234～400、99～10500和1957～142100mg·L-1[10,11]，但養(yǎng)分含量波動較大，不同工藝間差別明顯。

2 污泥液體肥的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國外應(yīng)用研究

國外關(guān)于污泥液體肥的應(yīng)用較早。在1976 年A.K K 等人通過罐車將液體消化污泥施用于農(nóng)田中，以商品肥為對照，評估了污泥的肥用價值。研究證明，由于污泥中有機氮、磷的持續(xù)礦化作用，污泥厭氧消化液的應(yīng)用可以收獲等于或高于施用高比例商品肥所獲得的產(chǎn)量，提高土壤的長期肥力。Badza T[12]等基于18 個污水處理廠的調(diào)研結(jié)果表明，污泥厭氧消化液可作為補充土壤有機質(zhì)的可靠來源，用于修復(fù)退化土壤。相較于其它形式的污泥，厭氧消化污泥的氮大多以NH4-N 的形式存在，可被植物直接吸收，平均值為344 mg·L-1。然而，厭氧消化的EC 值在100mS·m-1左右，超過200mS·m-1會引發(fā)鹽分的積累，直接施用易造成土壤鹽堿化，故應(yīng)稀釋再利用。Cristina G[13]等從農(nóng)藝學(xué)角度研究了污泥消化液的肥效及對貧瘠土壤的影響。結(jié)果表明，消化液中含有64.7%~68.5%的有機質(zhì)、7.5%的氮、4.16%~5.75%的磷、0.69%的鉀以及多種微量元素，含水率高達95.2%，可同時滿足作物對于水分和養(yǎng)分的需求。但高劑量消化液的施用不利于植物生長，這與土壤性質(zhì)密切相關(guān)。酸性土壤金屬生物利用時間更久，堿性土壤氨在總氨氮中占比較高。與其他劑量相比，中等氮劑量（170kgN·ha-1）顯示出最有利的結(jié)果。

2.2 國內(nèi)應(yīng)用研究

國內(nèi)對于污泥液體肥的應(yīng)用起步較晚。張君超[14]研究了污泥沼液對種子萌發(fā)的影響，結(jié)果表明，10%污泥沼液種子萌發(fā)率最高，為（94±3.5）%。當(dāng)浸種時間較長時，低濃度沼液的發(fā)芽率更高。其原因可能是，沼液中存在部分重金屬，致使沼液呈現(xiàn)輕微的毒性，抑制種子萌發(fā)。楊永康[15]基于厭氧消化特性，開發(fā)了一套氣/肥聯(lián)產(chǎn)一體化裝置。結(jié)果表明，處理后形成的沼液中富含氮、磷、鉀及氨基酸，氨基酸含量較高為113.9mg·L-1，且氨態(tài)氮是氮素的主要形式，易被作物吸收。重金屬含量也滿足國家安全要求。與施用化肥的對照組相比，施用污泥液體肥的田地，土壤微生物量增加，養(yǎng)分供給全面，改善效果顯著。

國內(nèi)外主要將厭氧消化污泥作為污泥液體肥進行應(yīng)用，污泥經(jīng)消化后可產(chǎn)生營養(yǎng)豐富的液體肥產(chǎn)品。污泥液體肥可以經(jīng)礦化作用將有機質(zhì)變?yōu)闊o機養(yǎng)分，持續(xù)供植物生長，是一種良好的緩釋型肥料。但厭氧環(huán)境要求高，反應(yīng)時間長以及重金屬殘留、營養(yǎng)元素濃度低，都是目前厭氧消化亟需解決的問題。

3 優(yōu)化方法

污泥消化反應(yīng)時間長有兩方面原因：（1）污泥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大多數(shù)有機物在微生物細(xì)胞內(nèi)部，難以直接利用；（2）污泥中的腐植酸和蛋白質(zhì)等有機物總是以穩(wěn)定的聚合結(jié)構(gòu)存在，難以降解，導(dǎo)致水解反應(yīng)速率受限。因此，現(xiàn)研究常采用不同的處理方式增強厭氧消化反應(yīng)，提高養(yǎng)分釋放效率，同時使重金屬浸出，方便重金屬進一步去除，有利于后續(xù)厭氧消化固體物質(zhì)的處理與處置。按照處理方式不同可分為物理、化學(xué)以及物理-化學(xué)方法。

3.1 物理方法

3.1.1 超聲波 超聲波作用于污泥時產(chǎn)生的微氣泡爆破瞬間營造出極端環(huán)境（高溫高壓），并引發(fā)強大的剪切力和高活性自由基（H·和OH·）。破壞污泥絮體及微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞中的營養(yǎng)元素及重金屬釋放至液相。江云[16]研究結(jié)果表明，Cu、Zn、Mn 3種重金屬在超聲處理時間為7~13min 時含量最少，其中聲能密度為1.2W·mL-1時，Cu 減少了15.65%、Zn、Mn 在聲能密度為2.4W·mL-1時，分別減少30.59%、19.33%；污泥固相TP 含量隨反應(yīng)時間及聲能密度的增加呈先減小后增大的趨勢，聲能密度為1.2W·mL-1時，TP 減少了11.77%，聲能密度為2.4W·mL-1時，TP增加了54.67%；可見低聲能密度超聲處理更有利于污泥液體肥的制備。Malwina T[17]考察了兩種超聲裝置的處理效果。結(jié)果表明，低功率、發(fā)射器表面積大的超聲裝置處理效果更好。在超聲功率為90W，發(fā)射器表面積為19.6cm2的條件下，處理1920s后，SCOD0/SCODUD 由22.8%增加到39.2%，TN、TP 分別增加43 倍和7 倍。

超聲處理可有效破碎污泥絮體及細(xì)胞結(jié)構(gòu)，提高水解速率，同時對重金屬有一定的浸出效果。然而，高強度的超聲處理，不利于氮磷溶出，污泥中重金屬也難以釋放。

3.1.2 熱水解 污泥熱水解是指在高溫高壓條件下，污泥菌膠團受熱膨脹爆裂，胞內(nèi)有機物得以釋放，同時高溫下粒子的布朗運動加快，液化程度增強。熱水解過程中污泥養(yǎng)分和重金屬的轉(zhuǎn)化和再分布與反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間密切相關(guān)。Wang L 等[18]研究了營養(yǎng)物和重金屬在水熱過程中的遷移和轉(zhuǎn)化。結(jié)果表明，隨著反應(yīng)強度（120~300℃，30~180min）的增加，液相中重金屬的濃度升高，但總含量仍然較低。液相TN 濃度呈指數(shù)增長，從1425 mg·L-1增加到5767mg·L-1，氨氮和有機氮是液相的主要氮形態(tài)。Malhotra M[19]等人考察了利用剩余污泥和脫水污泥進行熱水解處理，隨著反應(yīng)溫度由160℃升至220℃，溶液中的磷含量增加，腐殖酸含量也由653mg·L-1增加到2650mg·L-1。

熱解可有效促進重金屬及營養(yǎng)元素的釋放，但是因高溫條件造成的高能耗及臭味問題不容忽視。

3.2 化學(xué)方法

3.2.1 有機酸 研究表明，污泥中有機質(zhì)經(jīng)厭氧水解，不僅有氮、磷等養(yǎng)分溶出，還產(chǎn)生了乙酸、丙酸等有機酸物質(zhì)，使污泥體系pH 值下降，重金屬溶出，污泥毒性降低。由于污泥厭氧酸化時間較長，故也采用直接投加有機酸的方式。魯順寶等人[20]直接投加不同小分子有機酸。結(jié)果表明，Cu 的浸出效果受有機酸種類影響最大，Zn 次之；同類型的單羧基有機酸，碳鏈越短，浸出效果越好，故本研究中，甲酸＞乙酸＞丙酸。而且相比于對照組，污泥中的TN、TP 及TK 釋放量增加。黃亮等人[21]研究發(fā)現(xiàn)，檸檬酸對Pb、Zn 的浸出效果強于草酸和乙酸，Pb、Zn 浸出率分別為76%、92.5%；利用3 種有機酸脫除污泥重金屬前后，污泥上清液中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均有所增加。而相較于檸檬酸，草酸和乙酸更有利于對有效氮的提取。以0.5mol·L-1草酸效果最佳，析出液中硝態(tài)氮大部分轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，含量高達888.1mg·L-1。

有機酸可有效瓦解胞外聚合物（EPS）的凝膠結(jié)構(gòu)，促進硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的析出，提高肥效；同時有機酸作為一種綠色的淋濾劑，有利于重金屬浸出，高效且無二次污染。但投加有機酸降低了pH 值，后期需投加堿回調(diào)pH 值，增加了藥劑費用。

3.2.2 臭氧 O3具有強氧化性, 氧化過程包含破壁、溶膠和礦化3 階段，其強氧化作用導(dǎo)致細(xì)胞破裂，胞內(nèi)物質(zhì)釋放；此外，有機物進一步被氧化分解，減少了污泥對重金屬的吸附位點，同時污泥濾液pH值下降，促使更多的重金屬由固相轉(zhuǎn)化到液相。薛喆涵[22]利用臭氧處理剩余污泥，污泥可降解物質(zhì)含量提高，SCOD 濃度由33mg·L-1增長至1055mg·L-1；同時導(dǎo)致胞內(nèi)乙酸、丙酸等酸性物質(zhì)溶出，pH 值下降。由此可見，O3處理還有利于重金屬的釋放。趙強[23]研究了O3處理過程中有機物和重金屬的變化情況，考慮到O3有效利用率，最佳投加量為56mgO3/gTSS，SCOD、TCOD 和TP 分別由810、1324 和40.7mg·L-1增加到4308、12212 和204.4mg·L-1；反應(yīng)3h 后，Cu、Ni、Cd、Pb、Zn 含 量 分 別 減 少 了34.78%、38.63%、12.35%、36.45%、18.41%。

由于不會給系統(tǒng)造成二次污染，O3從眾多氧化劑中脫穎而出，被廣泛應(yīng)用于污泥處理。不但能增強污泥細(xì)胞的解體，而且有很多研究表明，O3對污泥重金屬浸出起到促進效果。

3.3 物理-化學(xué)方法

由于污泥成分復(fù)雜，相較于單一處理技術(shù)，組合工藝處理可以使污泥中更多的養(yǎng)分釋放至污泥上清液中，提高處理效率。Wei L 等人[24]發(fā)現(xiàn)，超聲和酸處理組合效果由于單獨超聲處理，酸性條件下污泥胞外聚合物破解并水解，有利于超聲波進一步降解溶解性有機物。相較于單獨超聲處理（1.5W·mL-1，10min），聯(lián)合工藝（1.5W·mL-1，pH 值為2，10min）處理后，污泥溶解性有機物含量增加了62.6%。Sevil C等人[25]將O3和微波處理相結(jié)合，觀察到在pH 值為2 的條件下，污泥溶解和養(yǎng)分釋放最高。其中MLVSS增溶51.5%，COD 溶解了48%，PO4-P 增加579%，NH4-N 增加了94%。Yingcai W 等人[26]用微波輔助NaOH 處理污泥，比單獨的微波和堿處理釋放更多的磷，約34.20%~43.73%的TP 釋放至污泥上清液。微波減弱胞外聚合物與固相之間的結(jié)合力，增加污泥比表面積，從而提高了堿處理效率。

相較于單獨處理工藝，聯(lián)合工藝不僅可以實現(xiàn)污泥的高效溶解，還可以節(jié)約藥劑，縮短反應(yīng)時間，降低能耗，更有利于工程化應(yīng)用。但是對于不同方法間的相互作用機理需要進一步研究，以幫助進行不同工藝的優(yōu)勢組合。

3.4 膜分離技術(shù)

污泥液體肥產(chǎn)品，營養(yǎng)元素濃度偏低以及含水率高、體積大，導(dǎo)致運輸成本高，而且消化液中殘留重金屬及有機污染物，加大了污泥液體肥的農(nóng)業(yè)化應(yīng)用難度。因此，如何提高污泥液體肥的養(yǎng)分含量，將成為推進污泥液體肥農(nóng)用的關(guān)鍵一步。

劉偉麗等人[27]利用砂濾和碟管式反滲透組合方式對消化液的濃縮效果進行考察，研究表明，該組合方式有效保留了消化液的營養(yǎng)物質(zhì)，濃縮20 倍，消化液體積由5000L 降至250L，-N 增長了14 倍，含量為9988mg·L-1。楊世輝[28]研究了陶瓷超濾膜回收取腐殖酸生產(chǎn)液體肥的工藝可行性。結(jié)果表明，富力酸和胡敏酸是腐殖酸的主要成分，相對分子量為幾千到幾萬不等，故該研究采用分子截留量為1000 的陶瓷超濾膜，濃縮因子為20 時，濃縮液含量為36g·L-1，滿足《NY 1106-2010 含腐殖酸水溶肥》標(biāo)準(zhǔn)要求。梁康強等人[29]研究反滲透膜運行壓力及濃縮倍數(shù)對厭氧消化液的濃縮效果的影響，結(jié)果表明，濃縮倍數(shù)越高，運行壓力越大，導(dǎo)致運行時間縮短，需要頻繁的反沖洗，增加了運行費用。該研究濃縮倍數(shù)設(shè)置為4，持續(xù)運行20d，TN、NH3-N 及TP 分別提高了248.6%、208.9%、250.4%。

膜分離技術(shù)可以有效回收污泥消化液的營養(yǎng)成分，提高污泥液體肥肥效及資源化利用度，但污泥消化液含有的生物聚合物也是引發(fā)膜污染，造成膜堵塞的主要原因，使膜分離技術(shù)難以工程化應(yīng)用。

4 結(jié)論

目前，國內(nèi)外污泥液體肥主要以污泥厭氧消化液，結(jié)合物理、化學(xué)及其聯(lián)合預(yù)處理方法，不僅可以提高污泥養(yǎng)分釋放速率，縮短反應(yīng)時間，同時可以提高有機物的降解及重金屬釋放效率，便于重金屬去除，降低污泥農(nóng)用風(fēng)險。而膜分離技術(shù)可以有效減小污泥液體肥體積、提高肥效，但膜成本高且膜污染問題一直存在，難以推廣。因此，未來要深入研究污泥養(yǎng)分轉(zhuǎn)化規(guī)律，開發(fā)成本低廉、操作方便的污泥液體肥制備工藝。