城镇污水处理厂污泥资源化利用途径

2021-04-18娄晓月李再兴韩永辉白玉玮刘昊昀

煤炭与化工 2021年7期

秦学，娄晓月，李再兴，薛飞，韩永辉，白玉玮，李功，刘昊昀，宁静

（1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄 050000；2.天津市瑞德赛恩水业有限公司，天津300270；3.石家庄高新技术产业开发区供水排水公司，河北石家庄 050000）

0 引言

截至2019 年底，全国共有污水处理厂5 476座，年累计污泥产量3 923 万t（按含水率80%计算），并且呈现逐年增长的趋势。传统的污泥处理方式主要为卫生填埋和焚烧技术，资源化利用率低，易产生二次污染。

国家发展改革委等十部委《关于推进污水资源化利用的指导意见》（发改环资〔2021〕 13 号）中明确提出“加快推动城镇生活污水资源化利用。……积极推进污泥无害化资源化利用设施建设……因地制宜开展再生水利用、污泥资源化利用……制定区域污泥无害化资源化利用实施方案……重点突破污水深度处理、污泥资源化利用共性和关键技术装备。”

可见，实现污泥的资源化利用，不仅是环境保护的需要，更是一项重大的国家战略需求。

目前，城镇污水处理厂污泥资源化利用方式，主要有污泥生产有机肥、生产沼气、制备生物炭、回收碳氮磷、生产建筑材料等。

1 生产有机肥

好氧堆肥是实现污水厂污泥减量化、无害化和再利用的有效途径之一，具有成本效益较高、维护费用较低、易操作的优点。

堆肥产品可作为园林绿化、矿山修复、沙漠化土壤改良等营养机制来使用，但是污泥中含有大量的营养物质的同时，也存在多环烃、重金属等有毒有害物质，需要采用一定处理手段将其去除。

朱海伟等研究两阶段共24 d 的膜覆盖高温好氧发酵工艺，通过调节物料含水率和C/N，经发酵处理的污泥有机质下降至35%左右、含水率下降至45%左右，且堆体内部温度维持60 ℃，8 d 以上，能够实现灭菌除杂。

Xue 等研究污泥堆肥改良剂对牡丹—土壤生态系统的影响，结果表明，土壤代谢商在堆肥用量为45%时最小，在堆肥量为15%~45%时，随着堆肥用量的增加呈下降趋势，在堆肥用量为45%~75%时呈上升趋势，可见污泥堆肥用量≤45%时，对牡丹- 土壤生态系统具有良好的效益。

王杰等研究施用污泥肥料时，高羊茅、黑麦草和早熟禾，3 种植物叶和根对重金属Cu 和Zn 的吸收情况，结果表明，随着污泥肥料施用量的增加，3 种植物叶和根对Zn 和Cu 的吸收量均呈逐渐增加的趋势，其中高羊茅叶和根的Zn 含量最高，分别为121.09 mg/kg 和164.90 mg/kg，且高羊茅对Cu的吸收表现出一个阈值，污泥堆肥施用量＞6%后，高羊茅对Cu 的吸收能力略有下降。

2 生产沼气

厌氧消化技术，是利用厌氧菌或兼性菌降解污泥中的有机物，生产沼气，同时沼液沼渣也可用作农肥，实现废弃有机物的稳定化和能源化利用，在实际工程项目中应用广泛。我国污水处理厂剩余污泥如果单独进行厌氧消化，存在C/N 低的问题，许多学者尝试将污泥与厨余垃圾、猪粪等有机固体废弃物进行共消化，从而提高系统稳定性，增加沼气产量。

上海市白龙港城市污水处理厂，将污泥消化处理与部分干化处理有机结合，采用了8 座单池有效容积12 400 m3的卵形消化池，日产沼气4.5 万m3，年减少CO2排放约13 万t。

Cheng 等利用高固体厌氧生物膜反应器处理污泥和厨余垃圾共消化，结果表明，当厨余垃圾比例为0、25%、50%、75%和100%时，COD 转化为甲烷的比例分别为54.1%、66.9%、73.5%、91.4%和93.5%。

Klaudiusz 等开展微波预处理污泥和油菜籽饼共消化研究，结果表明，HRT 为20~ 22 d，在发酵反应器中添加1~ 5%油菜籽饼，共消化混合物的沼气产量是污泥单独进行发酵的两倍，甲烷量高出10~12%。

3 制备生物炭

污泥制备生物炭是近年来迅速发展的污泥处理新技术之一，该技术是在缺氧或绝氧的条件下，经过高温热解，将污泥热分解转化为固态材料，即污泥生物炭。

由污泥制备的生物炭，具有丰富的孔隙结构、较大比表面积、富含官能团、含有矿物质等特点，可以用作吸附剂、土壤改良剂、脱色剂和催化剂等，应用前景广阔。在实验室对污泥生物炭研究越来越多，技术日益成熟。

王志朴等研究了污泥基生物炭对土壤中Cr 吸附固定的效果和机制，结果表明，污泥基生物炭可以通过离子交换、沉淀、络合作用等方式，固定土壤中Cr，当添加比例由1%增加到15%时，土壤中Cr 浓度由34.02 mg/kg 增加到了38.52 mg/kg。

Abhay 等研究污水污泥制备的生物炭（SSB-450）作为吸附剂去除水溶液中的瑞马唑亮蓝R（RBBR）的效率，结果表明，当染料浓度从10 mg/L 增加到100 mg/L 时，SSB-450 对RBBR 的吸附率从8.56 mg/g 增加到80.6 mg/g，吸附效果良好，并且处理的残留RBBR 无细胞毒性。

Manik 等利用污水厂污泥制备MnOx-N- 污泥炭催化剂降解过硫酸盐（PMS），结果表明，合成的MnOx-N- 污泥炭催化剂化学性质稳定、可回收利用，在较宽的pH 范围内表现出良好的PMS 分解能力。

4 回收碳及氮和磷

我国城镇污水厂进水C/N 较低，反硝化过程缺乏碳源，通常需要外加碳源（如甲醇、乙醇、葡萄糖等），来满足生物脱氮的需要，而利用剩余污泥开发内碳源，将其回流至生物反应器中，可以大大节约运行成本。同时，城镇污水厂污泥中含有丰富氮、磷等物质，也有不少学者从考虑污泥的硝化反硝化反应转化为回收具有高附加值的氮和磷。

Cao 等将初沉池污泥作为生物反硝化固体碳源，结果表明，当污泥投加量为6.0 g VSS/g N 时，可实现完全反硝化，无亚硝酸盐积累，硝态氮还原率最高为6.4 mg N/(g VSS·h)，与报道的可溶性碳源相当，更重要的是，初沉池污泥减少65.3~85.1%。

王凌霄等采用磷酸铵镁沉淀法回收剩余污泥碱解上清液中的氮、磷，结果表明，初始溶液pH 为9.15，n（Mg）：n（P） =1.78，反应时间为25 min，PO4-3-P 及NH3-N 回收率分别为76.81% 和59.75%。

李政等采用化学水解法提取污泥中的蛋白质，在pH 为0.5，温度为130 ℃，水解4 h 的条件下，蛋白质提取率提高到90%以上。

5 生产建筑材料

污泥除含有丰富的有机质外，还含有钙、铁、铝、硅等无机质，与建筑材料物质组成相似。对于重金属含量偏高、不宜农用的污泥，向其中添加辅助材料，经无害化处理后可以制成建筑材料，实现污泥的资源化利用。目前，利用污泥生产建筑材料，主要有水泥、砖、陶粒、涂料和纤维板等。

Fahimeh 等利用市政干化污泥替代传统原材料生产硅酸盐水泥，污泥的添加量分别为5.0%、7.5%、10.0%和15.0%，结果显示，硅酸盐水泥的初凝时间和终凝时间随着污泥置换水平的增加而增加，所有生态水泥试件的抗压和抗弯强度均与对照组相当。

章维维等对杭州余杭区污水厂污泥制砖进行可行性分析，结果表明，基于污泥干基掺比为10%，低温段的驻留时间是造成砖块抗压强度差异的主要因素，且砖块强度主要受200~300 ℃作用的影响，该区6 家污水厂污泥经脱水处理后均可用于制砖。刘爽等以污水厂污泥、河道淤泥和粉煤灰为原料制备陶粒，结果表明，预热温度400 ℃，预热时间30 min，烧制温度1 225 ℃，保温时间1/5 min，升温速率10/15 ℃/min，烧制的陶粒堆积密度能达到600 级，筒压强度≥0.8 MPa，吸水率＜10%，符合工业废渣轻集料标准要求。

陈光照研究市政污泥制备建筑外墙涂料的基础配方，结果显示，污泥填料28.4%、丙烯酸707、乳液14.2%、羧甲基纤维素0.9%、流平剂0.1%、絹云母粉3.9%、乙二醇1.0%、消泡剂0.3%、众力防水剂3.1%、石蜡乳液1.2%和水46.4%，涂料质量达到国家标准GB/T9755-2014 对底漆的要求。