污泥处置与资源化的方法

张 盼，刘仲谋，石增旺，陆蛟野，刘林锋

（吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 吉林 130118）

污泥是污水处理过程中生成的半固态/固态物质，含有多种有毒物质，如病原体、重金属和有机污染物，而且容易腐烂，如果不进行适当处理，可能会造成严重的污染风险[1]。随着我国城镇污水处理规模日益提升，污泥产量也在相应增加。我国的污泥具有三大特性：①重金属污染严重，工业废水是重金属的主要来源，也有部分重金属来源于生活污水，往往是通过肌肤、沉淀等形式滞留在污泥体内；②有机质含量高，污泥中含有的有机质丰富，这些有机质在持续分解的过程中产生了很多的病原体微生物；③含水率高，这是剩余污泥最主要的特征，据统计，目前我国含水率80%的污泥年产量已经超过6 500 t。长期以来“重水轻泥”的观念，使得人们认为污泥只是污水处理后的废弃物，导致污泥处理技术没有与污水处理技术同步提升[2]。近年来，人们发现了污泥中含有许多可以二次利用的营养物质和能源物质，“泥水并重”的发展思想逐渐引起重视，污泥的资源化利用也开始被看作是新的研究方向。

1 研究现状

相较于发达国家，我国的污泥处理研究起步较晚，剩余污泥的处置技术还不够成熟，处置设施建设相对滞后[3]，已建成设施运行效果不理想，经济回报效益并不明显。“水十条”的提出，既给剩余污泥处理指明了方向，也带来了新的挑战。

当前，剩余污泥的处理着重于减量化，在尽可能地减少污泥的含水率后，采用不同方法提取利用其中的资源物质，以期实现资源化利用。对于不同地区、不同性质的剩余污泥，其减量化措施和资源化利用方向都是不同的，如含油污泥在浓缩脱水后要回收原油，以实现无害化、稳定化[4]；河道清淤底泥资源化利用前，需要对底泥重金属含量、营养盐和生态风险进行综合评价[5-9]；电镀污泥（电镀废水过程中产生的污泥）具有量多面广、含水率和重金属含量高等特性，需要在处理前系统地分析其理化性质[10]；含毒污泥需要分析毒性来源，选择合适的方法来降低毒性，常用的方法有冷冻/解冻、超声波处理、碱-热水解和臭氧化等方法[11]；而市政污泥相对没有高含油量和过多的重金属离子，处置过程相对简单，资源化利用方面更广，如提取粗蛋白等[12]。

2 污泥的处置

污泥的处置遵循“减量化、无害化、稳定化、资源化”四个基本原则。在经过初级沉淀池、二沉池处理后的污泥通常含水率较高，如果不对其进行污泥浓缩、脱水，便难以进行后续处理，进行资源化利用[13]。市政污泥的含水率一般在80%左右[14]，浓缩、脱水为其处理的关键步骤。如何有效地提高污泥的脱水性能，达到减量化的目的，是世界范围内废活性污泥处理和管理的共同挑战。常用的污泥浓缩脱水方法有浓缩脱水法、厌氧消化法、好氧消化法、高级氧化法、生物捕食法等。

2.1 浓缩脱水法

污泥浓缩的目的是降低污泥的含水率，减小体积，便于后期的贮存和运输。通过浓缩后的污泥含水率可以降至60%左右。浓缩法一般有重力浓缩法、气浮浓缩法、机械浓缩法（多为离心法）三种[13]。而脱水效率会随着污泥性质和脱水设备的不同略有差异。通过浓缩脱水法去除的主要是污泥颗粒间的水和一部分毛细结合水。

重力浓缩法是指在浓缩池中，通过重力沉降作用达到与水分离的目的，是目前国内最主要的浓缩法，运行简单，费用低，但存在面积大、效率低的不足。气浮浓缩法是指通过气浮池底的纳米级气孔释放微小气泡粘附污泥颗粒，使得气泡携带污泥颗粒上浮并浓缩，这种方法适用于疏水性污泥和浓缩时容易发酵的活性污泥。离心浓缩法是指利用污泥中固体颗粒与水的密度差产生的离心力来达到分离的目的，该方法效率较高，有取代重力浓缩的趋势。

2.2 热处理干化法

经过浓缩脱水后，剩余污泥中一般还存在着大量的病原体、微生物等，这些有机物质容易形成二次污染，可以通过干化和热处理等方法进一步脱水。干化技术是指通过提高污泥的热值，消灭污泥中的病原菌、微生物，降低其含水率。污泥的热处理是指在高温下破坏有机物质，一般包括焚烧、热解、干化等技术。

污泥的焚烧是指在充足氧气的条件下，将经过预处理脱水后的污泥在850℃～1 100℃的高温条件进行焚烧，使得病原体、微生物等有机物质氧化分解。焚烧的效率高，可以最大限度地减少污泥，就地处理，避免了长距离运输，但是焚烧的成本高，焚烧后的剩余物也需要进一步处理。污泥的热解技术是指在无氧环境下，加热干燥的污泥，使其在干馏和热分解的作用下将大分子物质分解为小分子物质。热解工艺处理成本低，也不会产生大量的有毒气体，二次污染小，但热解反应往往复杂多变，还需要进一步完善。污泥的气化是指将污泥置于缺氧状态下，在气化装置中进行燃烧反应（氧化）和气化反应（还原），产生H2、CH4、CO、CO2等气体。相较于焚烧技术，气化技术成本低，产生的有毒有害气体少。与热解技术相比，气化技术对能量的利用效率更高，对后续残渣的处理也更加简单。

2.3 厌氧消化法

污泥厌氧消化法是指在无氧条件下，由兼性菌和厌氧细菌将污泥中的可生物降解的有机物分解为CH4、CO2、H2O 和H2S 的消化技术。主要分为水解阶段、酸化阶段、产乙酸阶段、产甲烷阶段四个阶段。污泥中存在大量的有机物，水解阶段将多聚体水解为溶解性单体或二聚体，酸化阶段将水解阶段产生的单体或二聚体转化为挥发性脂肪酸，其中部分产物在产甲烷菌的作用下直接转化为CH4和CO2等物质，而部分产物则需要经产氢、产甲烷作用后才能进入产甲烷阶段。

研究发现，污泥厌氧消化可以降解污泥中约40%的挥发性固体，从而降低污泥的含水率，脱水后的污泥能实现减量30%～60%。厌氧消化技术经济优势明显，且持续性强，已经成为剩余污泥减量化的主流方式之一。但由于污泥厌氧消化产生的可燃气体（CH4和CO2）较少且难以收集，当前，厌氧消化很大程度上还是作为剩余污泥减量化的手段[21]。常见的污泥厌氧消化工艺流程如图1所示。

图1 厌氧消化工艺流程

2.4 好氧消化法

污泥好氧消化是指在不投加其他有机物的条件下，对污泥进行较长时间的曝气，使污泥中微生物处于内源呼吸阶段进行自身氧化。在此过程中，细胞物质中可生物降解的组分被逐渐氧化成CO2、H2O 和NH3，NH3再进一步被氧化成硝酸根离子。常用的污泥好氧消化方法包括常温好氧消化法和高温好氧消化法。其中，好氧颗粒污泥是由自动固定化细胞组成的生物膜，它比普通活性污泥具有更好的特性。好氧颗粒污泥在去除城市、生活和工业废水中的营养物质、酚类化合物和重金属方面有很好的应用，同时它也可以与膜技术、微藻的集成相结合，来提高废水处理的效率[15]。

好氧堆肥法就是其中一项应用很广泛的技术，其是指微生物在适宜的条件下，通过发酵作用，将污泥中的各种有机物转化为腐殖质的过程。污泥堆肥不仅可以减小污泥的体积，还可以消灭污泥中的病原体、病菌、寄生虫等，消除污泥中的恶臭气味。

2.5 高级氧化法

高级氧化技术又称深度氧化技术，在一定的条件下，通过产生具有强氧化能力的物质（如羟基自由基、臭氧、高价态的离子等），使大分子难降解物质氧化成低毒或无毒的小分子物质。污泥处理中，高级氧化技术常运用在污水处理工艺中，如厌氧/缺氧/好氧组合高铁酸盐-污泥分解反应器（AAO-CFSSDR）工艺[16]，高铁酸钾作为强氧化剂应用于活性污泥的处理[17]。

2.6 生物捕食法

通过培养某些特定以污泥中有机物质为营养物的微型动物，通过微型动物在污泥中的代谢活动来消耗污泥中的有机物质，从而实现污泥减量的目标。例如在基于污水处理厂生态系统的活性污泥反应器中，通过培养红蚯蚓来改善污泥的沉淀特性，从而在不影响污水处理效率的情况下减少剩余污泥量。通过微型动物代谢减少污泥额外的能量和资源投入[18]，但需要保证微型动物在污泥中的环境条件，使它们能进行正常的代谢活动，同时需要考虑微型动物的追踪标记。

3 污泥的资源化

污泥的资源化利用主要分为两个方面：物质化利用和能源化利用。物质化利用关键在于从污泥中提取有用的物质，进行适当的加工处理后，可以满足人们生产生活中的某种需要；能源化利用是通过回收能量或用所提取物质进行产能。

3.1 物质化利用

（1）提取蛋白质

污泥中富含多种营养物质，其中蛋白质含量最高，在污泥中回收的蛋白质具备优异的发泡性能和营养价值[12]。一方面，从剩余污泥中提取的粗蛋白符合动物饲料的营养学要求，可以减轻我国对进口蛋白质动物饲料的依赖性；另一方面，这种粗蛋白因其良好的发泡性能可以用来制作泡沫灭火器，避免了过去用动物蛋白制备的灭火器在使用时产生难闻的烧焦味和臭味。

（2）提取重油

含油污泥成分复杂且化学性质相对稳定，在处理过程中需要对原油进行回收，常用的方法有化学热洗技术、热分解技术、焚烧处理技术、溶剂萃取技术、调剖技术等[4]。回收得到的原油经过加工后可以制备橡胶或用于工业生产。

（3）建材化处理（透水砖、水泥、陶粒等）

污泥颗粒细，可塑性高，结合力强，其化学成分及物理性能与黏土类似，能够部分代替黏土制备建材产品[19]，形成污泥的建材化利用。污泥的建材化处理是利用污泥作为建筑材料的主料或辅料，比如直接利用脱水污泥和干化后的污泥，或者利用污泥经过热处理后的灰渣。又比如污泥在焙烧过程中有机质分解，形成孔隙，适宜制备透气性较好的轻质砖；同时，污泥中大量有机物质对钙离子具有吸附作用，使得污泥在加工后可以用来制备水泥；污泥还可以用来烧制陶粒。

（4）路基填筑

污泥中不仅含有有机质，还含有约30%的无机质。对于处理量大、含水率高、处理周期短的河道底泥，通过固化处理技术将其用作路基填筑。研究发现，疏浚底泥和钢渣混合制备的路基材料具有良好的力学性能和耐久性[19]。

（5）处理建筑垃圾

建筑垃圾主要指一些渣土、废旧砖石、废旧混凝土及其他在建筑生产活动中产生的废弃物，这些废弃物的堆放占用大量的土地面积，将其进行破碎处置会产生很多超细粉，这些粉末平均粒径小、比表面积大、吸水性强，其独特的物理特性使其可以成为一种良好的污泥固化剂[20]。

（6）制作吸附剂和絮凝剂

污泥中的某些化学成分可以用来制作各种化工原料，比如现阶段较为常见的：利用污泥中的化学成分制作活性炭，用于吸附重金属离子、抗生素等物质；将污泥制作成能够被生物降解的塑料；或者制备成絮凝剂，用于水体净化。

3.2 能源化利用

污泥的能源化应用研究起步较晚，原因在于回收污泥处理过程中产生的能量或物质比较困难。当前污泥的能源化利用主要是通过各种方法将污泥中的有机物组分转化为含热值的气体，如CH4、CO 等，采用的方法有燃烧、热解、气化等。为了便于收集可燃气体和利用能量，常利用设计的反应器来进行，如炭化炉、蓄热型搅拌装置等[21]。近年来比较流行的沼气发电技术，就是有效的污泥能源化利用方式。研究证明，污泥焚烧处理后，剩余灰分比和煤炭不相上下，因此可以将脱水处理后的污泥作为燃料，进行重新利用，这样的燃料化利用技能可以实现对污泥的无公害处理，又能达到能源上的二次利用。一般的工艺流程为：脱水处理污泥→半干化→充分混合（加入适量添加剂）→成型→自然风干→制成燃料。

4 结论

剩余污泥的处置，在确保无害化的前提下，首要解决的是减量化问题，即污泥的浓缩脱水；其次，在条件允许的情况下，尽可能利用回收的能量或所提取物质，完成资源化利用，实现可持续发展。脱水作为处理污水污泥的必要过程，有物理方法如自然干化、机械压缩、浓缩脱水等，也有化学方法如热干化、厌氧消化、好氧消化等；还有特殊的生物方法如培养可以吞食污泥的微型动物（如蚯蚓）等来实现减量化。对于特殊的剩余污泥，如含油污泥、河道底泥、工业污泥等重金属离子含量较高的污泥，往往需要采用多元化组合的方式处理（比如引入高级氧化技术）来进行减量化处置和资源化利用。

5 展望

近年来，我国污泥处置的技术起步较晚，但发展迅速，污泥减量化的方法呈现多样化，但总的来说，体系不够完善，方法不够成熟。未来，对污泥脱水的机理研究应该更加深入，如污泥中固液界面相互作用的热力学分析；污泥絮凝体理化性质与污泥脱水性能之间的关系；针对污泥的理化性质对反应器进行修改，并搭配相应的污水处理工艺。对于利用微生物代谢来实现污泥减量的方法，未来需用从热力学、碳代谢和电子传递等方面进一步了解污泥减量机制。

污泥的资源化利用方面，应当更多地关注调整操作对污水污泥的后续再利用或安全处置的影响。脱水不应该仅仅作为促进污泥处置的减容步骤，而应该考虑提高污泥资源价值的中间环节。同时，为了最大限度地减少污泥处理过程中对环境的影响，应该多探索一些新的环境友好的技术手段，如蛋白质胞外变性、脱水过程中的能量利用等。