生物技術(shù)在城市污泥處理處置中的應(yīng)用進(jìn)展

陳 剛，羅紫琳，王瑛華，尚衛(wèi)輝，李綿盛，

（1.肇慶學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，廣東 肇慶 526061；2.廣東華揚(yáng)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，廣東 肇慶 526342）

隨著我國污水處理事業(yè)的發(fā)展，作為污水處理產(chǎn)物的城市污泥產(chǎn)量日益增加.《中國污泥處理處置市場(chǎng)分析報(bào)告（2020 版）》數(shù)據(jù)顯示，我國2020 年濕污泥產(chǎn)生量已達(dá)到5130 萬t，是2015 年的1.5 倍[1]，而其中僅有30%～40%得到了適當(dāng)處置.對(duì)城市污泥的處理處置應(yīng)滿足無害化，運(yùn)行成本適中的要求，力求將其中的有用物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可利用狀態(tài).城市污泥處置從最初的簡(jiǎn)單處理發(fā)展到多種科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，工藝手段和技術(shù)水平取得了飛躍性的提升.生物技術(shù)依靠自身的多種優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)了城市污泥處理處置的發(fā)展.本文介紹了生物技術(shù)在城市污泥處理處置中的應(yīng)用進(jìn)展及前沿動(dòng)態(tài)，以期為城市污泥的優(yōu)化處置和資源化利用提供思路.

1 城市污泥的特性

城市污泥具有富含營養(yǎng)物質(zhì)和有害物質(zhì)，含水量高，有惡臭味等特性：（1）富含有害物質(zhì).城市污泥成分復(fù)雜，含有多種有毒有害物質(zhì)，如重金屬[2]、有害病菌、蟲卵和不易降解的藥物殘留等.（2）含水率高.機(jī)械脫水處理后的城市污泥含水率85%±10%[3].降低含水率不僅可以減容減量，還能抑制微生物的生長代謝，甚至殺滅部分蟲卵.（3）富含營養(yǎng)物質(zhì).城市污泥含有豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)[4]，應(yīng)用于植株種植、肥料制造，改良土地肥力和結(jié)構(gòu)等，可以有效實(shí)現(xiàn)資源化利用.（4）含有惡臭味.城市污泥基本都有強(qiáng)烈的臭味，主要由氨氣、硫化氫、烴類化合物等引起[5].

2 城市污泥處理處置現(xiàn)況

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部數(shù)據(jù)，我國2020年城市污泥各種處理方式中，填埋和自然干化占主流，其余為堆肥和焚燒（圖1）.我國城市污泥的處理重點(diǎn)是殺滅城市污泥中的病原菌，鈍化重金屬，實(shí)現(xiàn)生態(tài)化處理處置，并爭(zhēng)取高效率和低成本.歐美對(duì)城市污泥的處理主要采用厭氧消化，該技術(shù)在英國達(dá)到城市污泥總處理量95%以上；日本則將70%左右的城市污泥焚燒后用于建材生產(chǎn).

圖1 2020年我國城市污泥處理方式

3 生物技術(shù)在城市污泥處理處置中的應(yīng)用

3.1 城市污泥的生物減量法處理

目前生物減量法處理城市污泥有蠕蟲捕食減量，溶胞技術(shù)，多功能復(fù)合微生物制劑等多項(xiàng)成熟技術(shù).生物減量法濃縮程度高，部分工藝還可以改善城市污泥的沉降性能，對(duì)城市污泥后續(xù)處理處置有很大幫助.

3.1.1 蠕蟲捕食減量

該法主要使用寡毛綱附著型生物的蠕蟲（如顫蚓科和帶絲蚓屬），該類蠕蟲有易獲得，易控制的優(yōu)點(diǎn).顫蚓科蠕蟲的吞噬處理可以實(shí)現(xiàn)城市污泥減量70%，與膜反應(yīng)器（MBR）系統(tǒng)結(jié)合可以減量80%以上.

3.1.2 溶胞技術(shù)

溶胞技術(shù)即溶解細(xì)胞膜，釋放細(xì)胞內(nèi)含物，再由微生物利用或直接分解成大分子有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)污泥濃縮減量的效果.如采用超聲波處理的城市污泥可以減量50%以上[6]；采用臭氧法處理污泥，控制好臭氧的通入量可以實(shí)現(xiàn)無剩余城市污泥排放[7]，但該方法成本較高，出水水質(zhì)差.

3.1.3 多功能復(fù)合微生物制劑

多功能復(fù)合微生物制劑（MCMP）由多種對(duì)污染物有較強(qiáng)降解能力的微生物組成.加入MCMP 可以優(yōu)化微生物群落結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化微生物分解代謝.微生物活動(dòng)使消耗的能量大于合成的能量，實(shí)現(xiàn)城市污泥的減量[8].

3.2 生物技術(shù)用于城市污泥干化脫水

城市污泥干化方式多樣，熱干化仍占主導(dǎo)地位，但生物干化技術(shù)依靠其高效、環(huán)保、節(jié)能的特點(diǎn)吸引眾多研究者深入探索，具有較好的發(fā)展前景.

3.2.1 生物干化

與傳統(tǒng)處理技術(shù)相比，生物干化的最大特點(diǎn)是不需要外源加熱，僅依靠城市污泥中微生物群落降解有機(jī)物時(shí)釋放的生物能作為熱源，結(jié)合通風(fēng)作用可達(dá)到減水減量的效果[9].由于城市污泥的高含水量對(duì)空隙的堵塞，生物干化前需要先添加秸稈、蘑菇渣、藥渣等作為調(diào)理劑優(yōu)化城市污泥的理化性質(zhì).調(diào)理劑的添加可以增加城市污泥透氣性，同時(shí)提高了碳氮比及微生物生活空間，更適合好氧微生物代謝生長.

3.2.2 生物-電滲透脫水

電滲透脫水是利用不同電荷在電場(chǎng)中會(huì)向相反方向移動(dòng)的原理[10]，利用城市污泥與水所帶電荷不同，達(dá)到分離的目的.電滲透脫水可以將不易脫離的結(jié)合水去除，脫水效率高.生物材料的添加可以進(jìn)一步提高效率，如生物表面活性劑槐糖脂、鼠李糖脂、皂苷等[11].有研究表明加入檸檬酸共同作用時(shí)促進(jìn)效果更加突出[12].微生物—電滲透脫水是物理、化學(xué)、生物方法的結(jié)合，可以彌補(bǔ)生物干化因含水率較高時(shí)需要添加的調(diào)理劑量大，導(dǎo)致成本增加及耗能高的缺點(diǎn)，使處理后的城市污泥適合填埋、焚燒和土地利用.

3.3 生物堆肥處理城市污泥

將干化后的城市污泥進(jìn)行堆肥后應(yīng)用于農(nóng)林生產(chǎn)，體現(xiàn)了低成本資源化利用的要求.堆肥發(fā)酵前一般會(huì)向基質(zhì)添加一定量的垃圾，生物有機(jī)質(zhì)等進(jìn)行混合，調(diào)整堆體的理化性質(zhì).堆肥過程中常用微生物、動(dòng)物進(jìn)行處理.

3.3.1 動(dòng)物堆肥處理城市污泥

城市污泥經(jīng)動(dòng)物過腹被破碎消化，不僅可以富集部分重金屬，還可以分解有機(jī)質(zhì).雖然不同動(dòng)物對(duì)重金屬的去除效果不同，但都達(dá)到了安全和減量的要求.蚯蚓是最常用的堆肥動(dòng)物；其次是水虻科的黑水虻.蚯蚓可以有效分解城市污泥中的有機(jī)質(zhì)，經(jīng)蚯蚓消化后的城市污泥中有機(jī)質(zhì)含量?jī)H為未消化的30%[13].蚯蚓對(duì)重金屬有耐受性，過腹處理后鋅、錳、銅、汞等多種重金屬含量有不同程度的降低，對(duì)鎘的富集作用尤為明顯.黑水虻幼蟲對(duì)城市污泥具有處理能力，化蛹后不再進(jìn)食.黑水虻對(duì)鉛和鎘的富集表現(xiàn)較好[14].研究表明以水果廢棄物、城市污泥和棕櫚樹為原料飼養(yǎng)黑水虻，可從幼蟲油脂中提取脂肪酸甲酯（FAME）用于生產(chǎn)生物柴油[15].

3.3.2 微生物污泥堆肥

微生物污泥堆肥常根據(jù)發(fā)酵過程中微生物對(duì)氧氣的需求量分為好氧發(fā)酵（堆肥）和厭氧發(fā)酵.（1）好氧堆肥.好氧堆肥分為升溫、高溫、降溫3個(gè)階段，后2個(gè)階段是有機(jī)質(zhì)分解的主要時(shí)期[16].需氧發(fā)酵時(shí)城市污泥含水率應(yīng)控制在60%左右，產(chǎn)生的高溫能蒸發(fā)部分水分，同時(shí)可殺滅蟲卵、有害病菌、種子、寄生蟲等，降低了城市污泥對(duì)環(huán)境的潛在危害，也為堆肥產(chǎn)物的農(nóng)用提供了可能.（2）厭氧堆肥.厭氧發(fā)酵分為3個(gè)階段：水解、酸性發(fā)酵、堿性發(fā)酵.處理周期比有氧發(fā)酵要短，大概是10～20 d.城市污泥中的腐殖質(zhì)對(duì)發(fā)酵的第一階段有抑制作用，進(jìn)而影響整個(gè)發(fā)酵過程，在預(yù)處理時(shí)投加適量的生物炭可以促進(jìn)甲烷的產(chǎn)量.厭氧發(fā)酵可以將有機(jī)質(zhì)利用得更徹底，它通過專性厭氧菌或兼性厭氧菌的氧化還原，分解有機(jī)質(zhì)的同時(shí)產(chǎn)生以甲烷為主的沼氣.

生物技術(shù)在城市污泥處置中，微生物堆肥是目前最成熟的技術(shù)，動(dòng)物堆肥技術(shù)正處于發(fā)展階段.陳立平設(shè)計(jì)了一道工藝流程，把好氧、厭氧、蚯蚓堆肥結(jié)合，可以處理重金屬顯著超標(biāo)的城市污泥[17].

3.4 城市污泥用于礦區(qū)修復(fù)

礦區(qū)修復(fù)是對(duì)礦區(qū)土地進(jìn)行復(fù)綠，提高礦區(qū)土地肥力，恢復(fù)生物多樣性.礦山需要復(fù)綠的土地一般較貧瘠，氮磷鉀和有機(jī)質(zhì)含量低，土壤理化性質(zhì)差，并受不同程度的重金屬污染[18].城市污泥制成的營養(yǎng)土可以解決以上問題.應(yīng)用城市污泥產(chǎn)品進(jìn)行礦區(qū)復(fù)綠成本低，恢復(fù)后的土地性質(zhì)穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展.有研究表明，以城市污泥為栽培基質(zhì)種植出的吊蘭、鴨跖草、皇竹草等植物應(yīng)用于礦區(qū)復(fù)綠均取得了良好的效果[19-22].

3.5 城市污泥作為栽培基質(zhì)

城市污泥作為栽培基質(zhì)還可用于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和花卉、草坪草等種植[23-24].研究表明，城市污泥堆肥能改善不同作物的品質(zhì)以達(dá)到增產(chǎn)的作用.因此，城市污泥堆肥成為處理日益增多的城市污泥利用的有效途徑.城市污泥作為肥料，低施用量（一般低于5%）對(duì)多種植物有較好促進(jìn)效果[25]；施用量過高，植株生長會(huì)受抑制甚至死亡[26].合理控制城市污泥的施用量可以減少化肥的施用，有益于生態(tài)環(huán)境的保護(hù).

3.6 城市污泥生物發(fā)酵生產(chǎn)PHA

聚羥基脂肪酸酯（PHA）是一種可降解環(huán)保材料[27]，能被微生物完全降解為水和二氧化碳.PHA可作為傳統(tǒng)塑料聚丙烯的替代品，還可用作藥物釋放載體、醫(yī)用植入材料、生物燃料、生產(chǎn)手性單體等[28-29].活性城市污泥中存在可生產(chǎn)PHA的細(xì)菌群落[30]，經(jīng)過篩選馴化和培養(yǎng)，菌群的PHA產(chǎn)量可比純菌培養(yǎng)高[31].與純菌發(fā)酵相比，活性城市污泥法生產(chǎn)PHA不需要滅菌[32]，可大大降低運(yùn)行成本和操作流程；與化學(xué)法相比，活性城市污泥法生產(chǎn)PHA成本低、污染小.

3.7 生物淋濾法去除城市污泥中的重金屬

城市污泥中有一定量的重金屬，生物淋濾法可用于去除城市污泥中的重金屬[33].該方法具有成本低、操作簡(jiǎn)單、耗能低、金屬去除率高且副產(chǎn)物無毒等優(yōu)點(diǎn)[34].其對(duì)大多數(shù)重金屬都有較好的去除效果（錳、鋅、銅、鎘等去除效果可達(dá)90%），尤其是硫化態(tài)不穩(wěn)定重金屬可以通過新型的厭氧酸化瀝浸法轉(zhuǎn)化成硫化物，提高去除率.生物瀝浸處理對(duì)穩(wěn)定態(tài)的重金屬去除效果較差，易受溫度和pH的影響.

3.8 城市污泥生產(chǎn)建筑材料

燒焙后的城市污泥成分與黏土相似，混入摻料可以生產(chǎn)磚塊、水泥、陶粒、輕質(zhì)骨料等多種建筑材料.燒制城市污泥磚時(shí)有機(jī)物可以作為部分熱量來源，高溫可以將有害病菌、蟲卵殺滅，但燒焙過程中會(huì)散發(fā)很大的惡臭味，在城市污泥中添加5%硅藻土和少量生物除臭劑可以有效去除燒制過程中的臭味.

4 結(jié)論與展望

目前對(duì)城市污泥的各種處理處置方法各有利弊，生物技術(shù)處理處置城市污泥已被證實(shí)具有可操作性和實(shí)用性.現(xiàn)已研發(fā)出了多種工藝，如干化、堆肥、生產(chǎn)工業(yè)原料等，均向著資源化利用和綠色生態(tài)化的方向發(fā)展.未來生物技術(shù)在城市污泥處理處置中將會(huì)發(fā)揮更大的作用.