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污泥处理处置及资源化方法探讨 王晓利曾正中王厚成南忠仁 兰州大学资源环境学院， 兰州 730000 摘要 为实现污泥的减量及资源化利用， 介绍了近年来污泥处理处置的一些新方法， 主要通过污泥源头控制和预处理 方法实现污泥的减量化; 同时结合污泥和西北黄土地区的各自特点重点探讨了污泥资源化方式和污泥在西北黄土地 区农林用的可行性， 以期达到改善黄土贫瘠特性的目的。 关键词 污泥处理处置; 减量化; 资源化; 西北黄土 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201403036 THE DISPOSAL TECHNIQUE AND COMPＲEHENSIVE UTILIZATION OF SLUDGE Wang XiaoliZeng ZhengzhongWang HouchengNan Zhongren College of Earth ＆ Environmental Science，Lanzhou University，Lanzhou 730000， China AbstractIn order to achieve the sludge reduction and resource utilization，it was introduced several new s of sludge treatment and disposal which mainly presented through the source control and pretreatment． Combined with the characteristics of sludge and soil in the Northwest loess area，it was discussed the feasibility of sludge utilization in agriculture and forestry in the Northwest loess area，so as to improve the characteristics of the barren field in the Northwest loess region． Keywordssludge treatment and disposal;reduction;reutilization;the Northwest loess 收稿日期 2013 －07 －26 0引言 污泥是污水处理过程中产生的副产物， 包括初沉 污泥、 剩余污泥及其混合污泥。随着人民生活水平提 高和工业快速发展， 污水的产生量与日俱增［1- 2 ］。目 前国内污水产生量为 1. 39 亿 t/d， 城市污水处理率已 达 77. 5。十二五规划明确指出 到 2015 年城市污 水处理率达到 85。每万 m3污水经处理后污泥产 生量 按含水率 80 计 一般约为 5 ～10 t［3 ］， 污水排 放量的大幅度增加和处理效率的提高， 必然导致污泥 数量的成倍增加。此外污泥处理处置费用占到整个 污水处理厂总费用的 20 ～ 45［4 ］， 污泥的处理与 处置迫在眉睫。 在传统污泥处理与处置方法应用的同时， 一系列 新兴的污泥处理工艺方法得到推广， 大致可分为源头 减量、 预处理和资源化利用三个方面。污泥处理应当 遵循减量化为主， 资源化末端处置为辅的原则。采用 减量化技术的前提是不影响污水的正常处理。虽然 污水处理厂可通过新方法从源头控制污泥的产量， 但 每年仍有大量的剩余活性污泥产生， 污泥体积仍就非 常庞大。因此， 对剩余活性污泥进行资源化利用迫在 眉睫， 本文结合西北黄土地区土质特点和污泥中含有 的有机质、 氮、 磷、 钾、 铁、 锰、 锌等元素， 探讨西北地区 污泥的出路和施用于黄土改良的可能性。 1源头减量 城镇污水处理厂污泥处理工艺应优先选择污泥 源头削减工艺， 降低城市污水处理厂总体运行费用和 能耗， 减轻末端污泥处置的负荷， 缓解污泥在处理和 处置过程所带来的环境污染问题［5 ］。目前污泥源头 控制的方法主要有解偶联代谢、 隐性生长和污泥好氧 颗粒化三种方法。 1. 1解偶联 解偶联的作用机理是使氧化和磷酸化脱偶联， 氧 化仍可以进行， 而磷酸化出现障碍， 从而使分解代谢 和合成代谢不能同时进行， 微生物仍能正常分解底 物， 但其自身合成速度减慢， 污泥表观产率降低。解 偶联来源于英国生物化学家米切尔 P． Mitchell 在 1961 年提出的 “化学渗透学” 假说， 即生成 ATP 的氧 051 环境工程 Environmental Engineering 化与磷酸化之间起偶联作用的是 H 跨膜梯度 ［6 ］。 解偶联的方式主要有解偶联剂和好氧 － 沉淀 － 厌氧 OSA 工艺两种方法。 解偶联剂为离子载体或通道， 能增大线粒体内膜 对 H 的通透性， 消除 H 梯度， 因而无 ATP 生成， 氧 化释放出来的能量全部以热的形式散发［7 ］。目前研 究较多的解偶联剂有氯代酚、 硝基酚、 氨基酚、 甲基酚 和四氯水杨苯胺等， 可改变微生物生态结构、 污泥膨 胀性能和沉降性能， 但微生物可产生抗性， 或者产生 降解偶联剂的分解酶， 从而使解偶联剂失效［8 ］。较 难生物降解的解偶联剂会给污水水处理带来新的 污染 ［7 ］。 Westgarth 等 ［9 ］首次报道了在污泥回流过程中增 加厌氧段 OSA 可减少一半剩余污泥。该工艺为微 生物提供一个好氧、 厌氧的交替生长环境， 使细菌在 好氧阶段所获的 ATP 不能立即用于合成新的细胞， 而是在厌氧阶段作为维持细胞生命活动的能量被消 耗， 从而减少微生物的表观产率系数而达到污泥减量 的目的 ［10- 11 ］。OAS 工艺具有污泥产量低、 污泥沉降 性能好， 对 COD 和磷的去除效率高等优点， 但对污水 中氮的去除效果较差。 1. 2隐性生长 溶胞技术 隐性生长又称溶胞技术， 其包含机械 如超声波 或微波辐射 、 化学 如以 O3、 ClO2、 H2O2氧化 等方 法。机械法的机理是超声波机械剪切力和自由基氧 化作用破坏了污泥细胞壁和絮体的结构， 细胞内含物 溶出进入水相， 从而改变污泥的沉降性能和可生化 性， 提高了污泥的脱水性能 ［12 ］。机械法特点为溶解 性 COD 显著增加 ［13 ］; 无污染、 能量密度高、 分解速度 快、 简便灵活且高效; 作用体积较小， 适用于小规模操 作， 超声波处理污泥的比能耗较高。 化学方法的机理为强氧化剂首先作用于细胞壁、 细胞膜， 使其构成成份受损而导致新陈代谢障碍。 Yasui 等首先提出将剩余污泥经臭氧氧化后返回到曝 气池， 可从总体上实现污泥减量化 ［ 14 ］。臭氧可穿透膜 进入细胞破坏膜内脂蛋白和脂多糖， 改变细胞的通透 性， 导致细胞溶解、 死亡 ［ 15- 16 ］。化学方法特点为破解效 率高， 不产生有害副产物; 处理成本高， 出水水质差， 特 别是出水中 N、 P 含量高等问题需要进一步优化。 1. 3污泥颗粒化 污泥颗粒化分为好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥 两种。好氧颗粒污泥是微生物在饥饿状态表面变得 更加疏水， 有助于微生物的粘附和聚集， 其次， 水力剪 切力和反应器中水的流动方式也促进了颗粒的形 成 ［17 ］。好氧颗粒污泥沉降性能优异、 生物量浓度高、 抗冲击负荷和耐受有毒物质的能力强 ［18 ］; 能有效处 理高低浓度的有机废水， 且出水效果好; 具有较强的 脱氮除磷能力。 厌氧颗粒污泥一般为产甲烷菌、 产乙酸菌和发 酵菌等构成的自凝聚体［19］。其能耗较高， 可处理高 浓度有机废水， 但出水 COD 较高， 除氮、 磷效果不 理想。 2预处理 污泥是一种胶状结构的亲水性物质， 易形成菌胶 团和丝状细菌， 当大量繁殖时其表面吸附大量水而使 活性污泥膨胀， 导致污泥含水率高且不易脱水。有研 究得出高干度脱水可使污泥含水率从 95 降至 50 左右， 与现有带滤机和离心机相比， 污泥减容可达 60左右， 推广应用后， 污泥处理成本和外运处置成 本都将大幅降低［20 ］。 传统的预处理的方法一般方法有浓缩、 破解、 调 理、 消化、 脱水等， 污泥经过传统预处理后， 含水率仍 在 80左右， 大大加重了污泥后续的成本。资源化 是今后污泥处置的发展方向， 而经济高效的污泥高干 度脱水是污泥资源化的前提。因此， 以提高污泥脱水 效率， 降低后续污泥热力干燥作业能耗成本的污泥高 干度脱水技术的研究逐渐开展起来［21 ］。高干脱水法 主要有热干燥法、 加消石灰后机械压滤法和电渗透脱 水法。其中热干燥法能耗大， 设备体积庞大， 污泥易 黏在仪器壁上， 传热受阻效率低; 污泥中加入消石灰 后， 污泥中的水分被消石灰吸收并放出大量的热量， 使得污泥中的水分被蒸发， 但该方法由于加入大量的 消石灰， 增加了成本且不易后续的压滤处理。电渗透 对污泥的高含水段 60 ～ 80 脱水效率很高， 低 含水率段 40 ～ 60 效果相对不明显， 且设备费 较昂贵。 上述污泥处理处置方法主要为破坏微生物的细 胞结构和对污泥进行高干度脱水处理。这些方法虽 能达到减少污泥体积的目的， 但昂贵的费用和二次污 染使得这些方法有待进一步研究。 3污泥资源化利用 3. 1污泥材料与资源化利用 根据污泥的理化性质， 其资源化应用的一般途径 非常广泛。表 1 为污泥资源化应用的一般途径。 151 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 表 1污泥资源化应用特点 Table 1Characteristics of sludge utilization 资源化类型污泥特点产品特点 制型煤大 量 有 机 物，发 热 量 高［22- 23 ］， 黏结性能好。 热值高， 抗压强度、 热稳定 性好， 成本低， 无污染， 着火 点低、 温度高、 起火快［24 ］。 制建筑用材 污泥经焚烧后， 灰渣中含有 SiO2、 CaO、 Al2O3和 Fe2O3等 普通硅酸盐水泥成分 ［ 25 －27 ］。 重量轻、 节能、 保温， 并且光 洁度、 砖体强度均高于一般 黏土砖， 放射性指标完全符 合国家标准。 制有机肥含有 N、 P、 K 等营养元素以 及丰富的有机物。 经济有效且重金属等污染 物含量符合国家标准［23 ］。 饲料添加剂 含有大量的粗蛋白、 纤维 素、 脂肪酸等有价物质以及 几乎所有家畜饲料所需的 氨基酸［28 ］。 各种氨基酸之间相对平衡。 制沼气含大量有机物、 微生物及其 所需的各种营养。 CH4含量约占 40 ～50， 发热量高［29 ］。 焚烧发电含有大量可燃烧的有机物 和定量纤维木质素［30 ］。 清洁， 无污染。 3. 2污泥最新资源化利用 因污泥含有大量蛋白质、 脂肪、 多糖等碳水化合 物， 人们利用微型动物捕食污泥， 不但能增强污泥减 量程度和稳定性，且由于能耗低、 不产生二次污染， 作为一种生态工程技术而备受关注［31 ］。现阶段国内 外利用微型动物减量污泥的研究主要集中在寡毛纲 环节动物如红斑体虫和体型较大的后生动物颤蚓 等 ［32 ］。已有研究利用污泥养殖蚯蚓并在其体内可以 提炼出动物所需的维生素 B12等［33 ］。 近年来， 污泥烧制陶粒并用于建筑轻集料也得到 了快速发展。张云峰 ［34 ］等以自制陶粒作为轻粗集料 配制轻集料混凝土， 通过调整水灰比、 砂率、 粉煤灰掺 量， 配制出强度等级满足 CL30 强度要求， 干表观密 度 ＜1 700 kg/m3的轻集料混凝土。与普通混凝土相 比， 该混凝土具有密度小、 强度高、 保温、 隔热、 抗震性 能好的特点， 结构质量减轻 25 左右， 若用于工业和 民用建筑， 将具有很好的经济效益和应用前景。 污泥通过氯化锌为活化剂， 制取的污泥活性炭具 有微孔容积大、 吸附性能好等优点。黄铮 ［35 ］等用污 泥制备的污泥活性炭在 200 目粒径下的 BET 比表面 积为3 936. 2419 m2/g， 微孔总容积为1. 47768 cm3/g， 平均孔径为 12. 19 ; 污泥活性炭浸出液除 Zn 超出 农用污泥污染物控制标准外， 其他重金属浓度远低于 标准值。张斌研究得出当污泥含碳吸附剂的投加量 为 0. 7 g 时是六价铬废水最佳吸附条件［36 ］。 解建坤 ［37 ］对污泥活性炭的制备工艺条件和机理 进行了研究， 发现污泥活性炭属于中孔性， 与微孔为 主的商品活性炭相比， 具有更加开放的孔隙结构， 可 以作为一种高效、 安全、 经济的商品活性炭替代品用 于染料等大分子污染物废水的处理。活化剂 ZnCI2 能够通过脱水缩合作用， 使原料中 H 和 O 以水的形 式分离出来， 更多的 C 键合并并保留在原料中。 污泥热解因其经济性好、 二次污染小、 热解产物利 用价值高等优点， 被认为是实现污泥减量化、 稳定化、 无害化和资源化极具潜力的处理技术。污泥低温炼油 技术已在加拿大进行了生产性实验， 获得了较高的产 油率 ［ 38 ］。我国近年来采用间歇反应釜对城市污水厂 污泥直接进行热化学制油， 实验研究表明 在 250 ～ 300 ℃的反应温度范围内， 每千克挥发性固体 VS 可 得油 0. 14 ～ 0. 144 kg， 相应有机质转化率为 70 ～ 80［ 39- 40 ］。邢英杰 ［ 41 ］等得出污泥制油的最佳条件为 温度270 ℃， 反应时间75 min， 催化剂 NaCO30.04 g/g。 3. 3污泥农林利用 污泥是一种十分有效的生物资源， 它含有大量的 微生物、 有机质以及益于植物生长的 N、 P、 K 等营养 元素。堆肥后的腐熟污泥能够改善土壤理化性质， 提 高土壤肥效， 增加土壤中微生物的数量， 改变土壤微 生物群落的结构， 并提高土壤硝化细菌比例、 酶活性、 土壤基础肥力和土壤腐殖质含量［42 ］。改善了土壤对 酸碱的缓冲能力， 提高了土壤的保水、 保肥和通透性。 污泥在园林绿化中的合理施用，既避开了食物 链，又为园林绿化提供了有机肥。研究结果表明污 泥堆肥促进了供试植物的生长， 当污泥施加量为 9 kg/m2时， 月季、 白蜡和扶桑的长势最好， 而国槐施 用量以 6 ～12 kg/m2为最好［43 ］。薛澄泽［44 ］研究得出 污泥施用对云杉和松树生长都有显著促进作用， 能加 速树木的生长; 污泥施加量为 4 ～ 6 t/km2时， 松树、 橡树和黄杨树的高度增加 46 ～ 489， 直径增加 50 ～453， 生物量增加 42 ～ 661， 且土壤中可 利用的氮含量也有提高［45 ］。 当污泥应用于农田时， 污泥堆肥对农作物具有明 显的增长作用。欧美国家也把土地利用作为污泥处 置的主要方式和鼓励方向［3 ］。国内陈同斌等研究发 现城市污泥复合肥较化肥能使小麦和玉米产量增加， 分别为11 ～17和11 ～27［46 ］。当污泥施用量 为 56. 25 t/ hm2时， 小麦增产量最大， 玉米的产量随 251 环境工程 Environmental Engineering 施肥量的增加而增大［47 ］。尽管污泥在农林利用方面 效果突出， 但污泥中的重金属一直被认为是影响和限 制污泥堆肥与农林用资源化的瓶颈。 3. 4污泥改良黄土利用 我国北方及西北大部地区主要以黄土覆盖， 其性 质比较疏松， 多由黄灰色或棕黄色的粉土和粉沙细粒 组成， 质地均一。黄土分布范围北起阴山山麓， 东北 至松辽平原和大、 小兴安岭山前， 西北至天山、 昆仑山 山麓， 南达长江中、 下游流域， 面积约 63 万 km2， 占全 国土地面积的 6［48 ］。该地区黄土平均厚度为120 ～ 200 m［49 ］， 主要为风成黄土， 粉粒占黄土总重量的 50。土质富含碳酸盐、 偏砂且多孔、 结构疏松、 孔隙 度大、 透水性强、 遇水易崩解、 抗冲抗蚀性弱。频繁的 水土流失极易造成土壤中有限的植物矿质养分丢失， 形成不稳定、 相对贫瘠的表土层 ［50 ］。长期的水土流 失造成了土壤环境的退化， 肥力不足， 苗木成活率低、 生长不良已经成为今后的发展障碍。 剩余活性污泥中含有许多植物生长所必需的氮、 磷、 钾等营养成分， 铁、 锌、 铜、 钼等微量元素以及丰富 的有机质， 这些营养物可以缓慢释放， 具有长效性。 有机污泥既有肥效性和稳定性， 又能使土壤形成团粒 结构， 对土壤的改良和植物的生长均有促进作用， 因 此被考虑直接施用于土壤和农田［51 ］。基于污泥的这 些特点， 污泥土壤化研究得出， 污泥的土地施用可以 改善土壤的生物和物理化学性质， 增加土壤有机质， 在土壤改良、 育苗、 林地绿化等方面取得了较为明显 的效果。施用适量污泥后， 土壤容重降低， 孔隙度、 团 聚体稳定度、 持水量以及导水性增加， 对农业起到了 积极的作用。此外土壤微生物的活动加强有助于土 壤团粒的形成， 减少了地表径流冲刷， 增大了土壤的 抗冲性 ［52 ］。 西北黄土地区 陕西、 甘肃、 青海、 宁夏 2010 年 污水总处理量为 331 万 t/d， 污泥产量 以含水率 80计 为 6. 04 105～ 1. 28 106t/a。虽然污泥的 出路有填埋、 焚烧、 堆肥和土地利用等方式， 但针对于 相对落后不发达的西北黄土地区， 有机污泥经堆肥后 施用于黄土是西北地区污泥的最好出路。因土壤生 态系统有自净作用， 包括生物、 物理和化学等过程 生物降解、 化学络合、 氧化 － 还原、 物理吸附等 ， 可 以抑制污泥中一些致病生物的生长并使其失活， 使污 泥中大部分有机物矿化， 还可以限制重金属的迁移、 扩散与生物可利用特性。同时污泥给黄土提供大量 微生物、 有机物和氮、 磷等植物营养素等， 有效提高黄 土的有机肥效降低其孔隙度、 增大团粒稳定度、 增强 保土保水能力。达到控制西北地区水土流失的目的， 种植植物后起到防风护沙和改善生态环境的目标。 既可实现黄土有效利用， 又可促使西北地区污泥的资 源化， 对农业、 林业及生态环境都有不可估量的意义。 4结语与建议 污泥处理与处置是世界范围内关注的环境问题， 污泥的随意堆放， 不仅会造成资源和能源的浪费， 还 会污染环境危害人类健康。因此污泥的资源化利用 受到越来越多的关注。根据西北黄土地区生态现状， 若把高肥效的污泥应用于黄土， 不但可以实现污泥的 资源化利用， 还能提高黄土的肥效和保水能力， 改善 黄土地区的生态环境。然而由于长期施用污泥， 黄土 将会积累较多的重金属， 因此， 需要长期监测污泥堆 肥施入土壤后所含的有害成分在土壤中的行为及 变化。 参考文献 ［1］Tian Y，Zuo W，Chen D． Crystallization evolution，microstructure and properties of sewage sludge- based glass- ceramics prepared by microwave heating［J］． J Hazard Mater， 2011， 196 370- 379． ［2］Wang 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