污泥處置與資源化的方法

張 盼，劉仲謀，石增旺，陸蛟野，劉林鋒

（吉林建筑大學市政與環境工程學院，長春 吉林 130118）

污泥是污水處理過程中生成的半固態/固態物質，含有多種有毒物質，如病原體、重金屬和有機污染物，而且容易腐爛，如果不進行適當處理，可能會造成嚴重的污染風險[1]。隨著我國城鎮污水處理規模日益提升，污泥產量也在相應增加。我國的污泥具有三大特性：①重金屬污染嚴重，工業廢水是重金屬的主要來源，也有部分重金屬來源于生活污水，往往是通過肌膚、沉淀等形式滯留在污泥體內；②有機質含量高，污泥中含有的有機質豐富，這些有機質在持續分解的過程中產生了很多的病原體微生物；③含水率高，這是剩余污泥最主要的特征，據統計，目前我國含水率80%的污泥年產量已經超過6 500 t。長期以來“重水輕泥”的觀念，使得人們認為污泥只是污水處理后的廢棄物，導致污泥處理技術沒有與污水處理技術同步提升[2]。近年來，人們發現了污泥中含有許多可以二次利用的營養物質和能源物質，“泥水并重”的發展思想逐漸引起重視，污泥的資源化利用也開始被看作是新的研究方向。

1 研究現狀

相較于發達國家，我國的污泥處理研究起步較晚，剩余污泥的處置技術還不夠成熟，處置設施建設相對滯后[3]，已建成設施運行效果不理想，經濟回報效益并不明顯。“水十條”的提出，既給剩余污泥處理指明了方向，也帶來了新的挑戰。

當前，剩余污泥的處理著重于減量化，在盡可能地減少污泥的含水率后，采用不同方法提取利用其中的資源物質，以期實現資源化利用。對于不同地區、不同性質的剩余污泥，其減量化措施和資源化利用方向都是不同的，如含油污泥在濃縮脫水后要回收原油，以實現無害化、穩定化[4]；河道清淤底泥資源化利用前，需要對底泥重金屬含量、營養鹽和生態風險進行綜合評價[5-9]；電鍍污泥（電鍍廢水過程中產生的污泥）具有量多面廣、含水率和重金屬含量高等特性，需要在處理前系統地分析其理化性質[10]；含毒污泥需要分析毒性來源，選擇合適的方法來降低毒性，常用的方法有冷凍/解凍、超聲波處理、堿-熱水解和臭氧化等方法[11]；而市政污泥相對沒有高含油量和過多的重金屬離子，處置過程相對簡單，資源化利用方面更廣，如提取粗蛋白等[12]。

2 污泥的處置

污泥的處置遵循“減量化、無害化、穩定化、資源化”四個基本原則。在經過初級沉淀池、二沉池處理后的污泥通常含水率較高，如果不對其進行污泥濃縮、脫水，便難以進行后續處理，進行資源化利用[13]。市政污泥的含水率一般在80%左右[14]，濃縮、脫水為其處理的關鍵步驟。如何有效地提高污泥的脫水性能，達到減量化的目的，是世界范圍內廢活性污泥處理和管理的共同挑戰。常用的污泥濃縮脫水方法有濃縮脫水法、厭氧消化法、好氧消化法、高級氧化法、生物捕食法等。

2.1 濃縮脫水法

污泥濃縮的目的是降低污泥的含水率，減小體積，便于后期的貯存和運輸。通過濃縮后的污泥含水率可以降至60%左右。濃縮法一般有重力濃縮法、氣浮濃縮法、機械濃縮法（多為離心法）三種[13]。而脫水效率會隨著污泥性質和脫水設備的不同略有差異。通過濃縮脫水法去除的主要是污泥顆粒間的水和一部分毛細結合水。

重力濃縮法是指在濃縮池中，通過重力沉降作用達到與水分離的目的，是目前國內最主要的濃縮法，運行簡單，費用低，但存在面積大、效率低的不足。氣浮濃縮法是指通過氣浮池底的納米級氣孔釋放微小氣泡粘附污泥顆粒，使得氣泡攜帶污泥顆粒上浮并濃縮，這種方法適用于疏水性污泥和濃縮時容易發酵的活性污泥。離心濃縮法是指利用污泥中固體顆粒與水的密度差產生的離心力來達到分離的目的，該方法效率較高，有取代重力濃縮的趨勢。

2.2 熱處理干化法

經過濃縮脫水后，剩余污泥中一般還存在著大量的病原體、微生物等，這些有機物質容易形成二次污染，可以通過干化和熱處理等方法進一步脫水。干化技術是指通過提高污泥的熱值，消滅污泥中的病原菌、微生物，降低其含水率。污泥的熱處理是指在高溫下破壞有機物質，一般包括焚燒、熱解、干化等技術。

污泥的焚燒是指在充足氧氣的條件下，將經過預處理脫水后的污泥在850℃～1 100℃的高溫條件進行焚燒，使得病原體、微生物等有機物質氧化分解。焚燒的效率高，可以最大限度地減少污泥，就地處理，避免了長距離運輸，但是焚燒的成本高，焚燒后的剩余物也需要進一步處理。污泥的熱解技術是指在無氧環境下，加熱干燥的污泥，使其在干餾和熱分解的作用下將大分子物質分解為小分子物質。熱解工藝處理成本低，也不會產生大量的有毒氣體，二次污染小，但熱解反應往往復雜多變，還需要進一步完善。污泥的氣化是指將污泥置于缺氧狀態下，在氣化裝置中進行燃燒反應（氧化）和氣化反應（還原），產生H2、CH4、CO、CO2等氣體。相較于焚燒技術，氣化技術成本低，產生的有毒有害氣體少。與熱解技術相比，氣化技術對能量的利用效率更高，對后續殘渣的處理也更加簡單。

2.3 厭氧消化法

污泥厭氧消化法是指在無氧條件下，由兼性菌和厭氧細菌將污泥中的可生物降解的有機物分解為CH4、CO2、H2O 和H2S 的消化技術。主要分為水解階段、酸化階段、產乙酸階段、產甲烷階段四個階段。污泥中存在大量的有機物，水解階段將多聚體水解為溶解性單體或二聚體，酸化階段將水解階段產生的單體或二聚體轉化為揮發性脂肪酸，其中部分產物在產甲烷菌的作用下直接轉化為CH4和CO2等物質，而部分產物則需要經產氫、產甲烷作用后才能進入產甲烷階段。

研究發現，污泥厭氧消化可以降解污泥中約40%的揮發性固體，從而降低污泥的含水率，脫水后的污泥能實現減量30%～60%。厭氧消化技術經濟優勢明顯，且持續性強，已經成為剩余污泥減量化的主流方式之一。但由于污泥厭氧消化產生的可燃氣體（CH4和CO2）較少且難以收集，當前，厭氧消化很大程度上還是作為剩余污泥減量化的手段[21]。常見的污泥厭氧消化工藝流程如圖1所示。

圖1 厭氧消化工藝流程

2.4 好氧消化法

污泥好氧消化是指在不投加其他有機物的條件下，對污泥進行較長時間的曝氣，使污泥中微生物處于內源呼吸階段進行自身氧化。在此過程中，細胞物質中可生物降解的組分被逐漸氧化成CO2、H2O 和NH3，NH3再進一步被氧化成硝酸根離子。常用的污泥好氧消化方法包括常溫好氧消化法和高溫好氧消化法。其中，好氧顆粒污泥是由自動固定化細胞組成的生物膜，它比普通活性污泥具有更好的特性。好氧顆粒污泥在去除城市、生活和工業廢水中的營養物質、酚類化合物和重金屬方面有很好的應用，同時它也可以與膜技術、微藻的集成相結合，來提高廢水處理的效率[15]。

好氧堆肥法就是其中一項應用很廣泛的技術，其是指微生物在適宜的條件下，通過發酵作用，將污泥中的各種有機物轉化為腐殖質的過程。污泥堆肥不僅可以減小污泥的體積，還可以消滅污泥中的病原體、病菌、寄生蟲等，消除污泥中的惡臭氣味。

2.5 高級氧化法

高級氧化技術又稱深度氧化技術，在一定的條件下，通過產生具有強氧化能力的物質（如羥基自由基、臭氧、高價態的離子等），使大分子難降解物質氧化成低毒或無毒的小分子物質。污泥處理中，高級氧化技術常運用在污水處理工藝中，如厭氧/缺氧/好氧組合高鐵酸鹽-污泥分解反應器（AAO-CFSSDR）工藝[16]，高鐵酸鉀作為強氧化劑應用于活性污泥的處理[17]。

2.6 生物捕食法

通過培養某些特定以污泥中有機物質為營養物的微型動物，通過微型動物在污泥中的代謝活動來消耗污泥中的有機物質，從而實現污泥減量的目標。例如在基于污水處理廠生態系統的活性污泥反應器中，通過培養紅蚯蚓來改善污泥的沉淀特性，從而在不影響污水處理效率的情況下減少剩余污泥量。通過微型動物代謝減少污泥額外的能量和資源投入[18]，但需要保證微型動物在污泥中的環境條件，使它們能進行正常的代謝活動，同時需要考慮微型動物的追蹤標記。

3 污泥的資源化

污泥的資源化利用主要分為兩個方面：物質化利用和能源化利用。物質化利用關鍵在于從污泥中提取有用的物質，進行適當的加工處理后，可以滿足人們生產生活中的某種需要；能源化利用是通過回收能量或用所提取物質進行產能。

3.1 物質化利用

（1）提取蛋白質

污泥中富含多種營養物質，其中蛋白質含量最高，在污泥中回收的蛋白質具備優異的發泡性能和營養價值[12]。一方面，從剩余污泥中提取的粗蛋白符合動物飼料的營養學要求，可以減輕我國對進口蛋白質動物飼料的依賴性；另一方面，這種粗蛋白因其良好的發泡性能可以用來制作泡沫滅火器，避免了過去用動物蛋白制備的滅火器在使用時產生難聞的燒焦味和臭味。

（2）提取重油

含油污泥成分復雜且化學性質相對穩定，在處理過程中需要對原油進行回收，常用的方法有化學熱洗技術、熱分解技術、焚燒處理技術、溶劑萃取技術、調剖技術等[4]。回收得到的原油經過加工后可以制備橡膠或用于工業生產。

（3）建材化處理（透水磚、水泥、陶粒等）

污泥顆粒細，可塑性高，結合力強，其化學成分及物理性能與黏土類似，能夠部分代替黏土制備建材產品[19]，形成污泥的建材化利用。污泥的建材化處理是利用污泥作為建筑材料的主料或輔料，比如直接利用脫水污泥和干化后的污泥，或者利用污泥經過熱處理后的灰渣。又比如污泥在焙燒過程中有機質分解，形成孔隙，適宜制備透氣性較好的輕質磚；同時，污泥中大量有機物質對鈣離子具有吸附作用，使得污泥在加工后可以用來制備水泥；污泥還可以用來燒制陶粒。

（4）路基填筑

污泥中不僅含有有機質，還含有約30%的無機質。對于處理量大、含水率高、處理周期短的河道底泥，通過固化處理技術將其用作路基填筑。研究發現，疏浚底泥和鋼渣混合制備的路基材料具有良好的力學性能和耐久性[19]。

（5）處理建筑垃圾

建筑垃圾主要指一些渣土、廢舊磚石、廢舊混凝土及其他在建筑生產活動中產生的廢棄物，這些廢棄物的堆放占用大量的土地面積，將其進行破碎處置會產生很多超細粉，這些粉末平均粒徑小、比表面積大、吸水性強，其獨特的物理特性使其可以成為一種良好的污泥固化劑[20]。

（6）制作吸附劑和絮凝劑

污泥中的某些化學成分可以用來制作各種化工原料，比如現階段較為常見的：利用污泥中的化學成分制作活性炭，用于吸附重金屬離子、抗生素等物質；將污泥制作成能夠被生物降解的塑料；或者制備成絮凝劑，用于水體凈化。

3.2 能源化利用

污泥的能源化應用研究起步較晚，原因在于回收污泥處理過程中產生的能量或物質比較困難。當前污泥的能源化利用主要是通過各種方法將污泥中的有機物組分轉化為含熱值的氣體，如CH4、CO 等，采用的方法有燃燒、熱解、氣化等。為了便于收集可燃氣體和利用能量，常利用設計的反應器來進行，如炭化爐、蓄熱型攪拌裝置等[21]。近年來比較流行的沼氣發電技術，就是有效的污泥能源化利用方式。研究證明，污泥焚燒處理后，剩余灰分比和煤炭不相上下，因此可以將脫水處理后的污泥作為燃料，進行重新利用，這樣的燃料化利用技能可以實現對污泥的無公害處理，又能達到能源上的二次利用。一般的工藝流程為：脫水處理污泥→半干化→充分混合（加入適量添加劑）→成型→自然風干→制成燃料。

4 結論

剩余污泥的處置，在確保無害化的前提下，首要解決的是減量化問題，即污泥的濃縮脫水；其次，在條件允許的情況下，盡可能利用回收的能量或所提取物質，完成資源化利用，實現可持續發展。脫水作為處理污水污泥的必要過程，有物理方法如自然干化、機械壓縮、濃縮脫水等，也有化學方法如熱干化、厭氧消化、好氧消化等；還有特殊的生物方法如培養可以吞食污泥的微型動物（如蚯蚓）等來實現減量化。對于特殊的剩余污泥，如含油污泥、河道底泥、工業污泥等重金屬離子含量較高的污泥，往往需要采用多元化組合的方式處理（比如引入高級氧化技術）來進行減量化處置和資源化利用。

5 展望

近年來，我國污泥處置的技術起步較晚，但發展迅速，污泥減量化的方法呈現多樣化，但總的來說，體系不夠完善，方法不夠成熟。未來，對污泥脫水的機理研究應該更加深入，如污泥中固液界面相互作用的熱力學分析；污泥絮凝體理化性質與污泥脫水性能之間的關系；針對污泥的理化性質對反應器進行修改，并搭配相應的污水處理工藝。對于利用微生物代謝來實現污泥減量的方法，未來需用從熱力學、碳代謝和電子傳遞等方面進一步了解污泥減量機制。

污泥的資源化利用方面，應當更多地關注調整操作對污水污泥的后續再利用或安全處置的影響。脫水不應該僅僅作為促進污泥處置的減容步驟，而應該考慮提高污泥資源價值的中間環節。同時，為了最大限度地減少污泥處理過程中對環境的影響，應該多探索一些新的環境友好的技術手段，如蛋白質胞外變性、脫水過程中的能量利用等。