城市污水处理厂污泥的综合利用与资源化
随着我国经济的高速发展,城市化建设步伐的不断加快，人们对环境质量的要求日益提高，环保意识不断增强,环境保护与治理已成为国家可持续发展中不可或缺的一个重要工作。随着城市污水处理厂不断建成与使用，污泥量的增加速度越来越快。大量未稳定处理的污泥已成为沉重的负担。如果污泥进行处理或仅进行简单的填埋，将会引起严重的二次污染。所以如何将产量巨大、含水率高、成分复杂的污泥进行妥善安全地处理，使其无害化、减量化，最终达到资源化，已成为深受关注的重大课题。污泥成了多数污水处理厂亟待解决的问题。本文旨在通过对当前污泥处理与处置技术及其发展趋势的分析，探讨我国城市污水处理厂污泥如何进一步综合利用并使其达到资源化,从而使我国城市污水处理厂污泥的达到最佳的无害化处理、资源化利用与产业化发展。
1城市污水处理厂污泥的综合利用
1.1发电
目前城市污水处理厂污泥发电的方法主要有两种：_种是污泥燃烧发电，另一种是污泥厌氧发酵产沼气发电。而污泥燃烧发电又有两种：_种是利用污泥中含有的大量有机物，使污泥与煤、生活垃圾、农产品秸轩等混合燃烧来进行热力发电，还有_种是将污泥（已经机械脱水过首先进行热干燥,然后再在沸腾炉中燃烧产生高压蒸汽，推动蒸汽机发电。
污泥通常是由有机残体、菌体、无机颗粒、胶体等组成，其中活性污泥有机物含量高达60%~70%，将污泥干化处理后可与煤、生活垃圾、农产品秸轩等混合焚烧具有相当高的热值。绍兴市垃圾和污泥处理综合利用（焚烧发电)工程可日处理绍兴市污水处理厂产生的1000~1500t污泥和市区、绍兴县的1200t生活垃圾，年上网电量2.66\101界.1：1,每小时供蒸汽150t以上,实现了污泥与生活垃圾的联合利用。苏州市区娄江污水处理厂产生的污泥，被运往吴中区江远热电厂焚烧发电,6t污泥经能量置换后相当于1t原煤，实现了污泥的无害化和资源化。
另外，美国Hyder环保公司提出了一种将污泥(已经机械脱水过首先进行热干燥，然后再在沸腾炉中燃烧产生高压蒸汽，推动蒸汽机发电的综合系统。和焚烧系统相比，全年处理9.5x104t干污泥，可节省资金60%。在脱水污泥中加入引燃剂、催化剂、疏松剂和固硫剂等添加剂制成合成燃料的污泥处置方法，目前也引起了人们的重视,该合成燃料可用于工业和生活锅炉，燃烧稳定，热工测试和环保测试良好,是污泥有效利用的一种理想途径。
污泥厌氧发酵产沼气发电主要是通过污泥厌氧发酵，产生沼气,然后沼气在燃气内燃机的气缸内燃烧做功，把化学能转换成机械能，最终产生电能和热能。这种方法无需对污泥进行脱水处理，经厌氧罐发酵后，能消化75%~80%的污泥，剩余20%~25%的沼渣经脱水无害化处理后，还可制成有机肥;产生的沼气回收到沼气罐内，随时可用于发电，供污水处理厂循环自用；发电产生的余热一部分用来加温发酵池，剩下部分用于区域供热，实现热电联产。麦岛污水处理厂就是利用污泥厌氧发酵，产生沼气，产生的沼气回收到沼气罐内，随时用于发电。污泥发电不仅可以得到电能，经厌氧罐发酵后，也能将污泥的臭味去除，同时减少污泥的体积，节约土地。经调查，到2008年6月，青岛市麦岛污水处理厂的四台500kW沼气发电机组分别顺利完成试车，运行2台机组可给厂内提供700kW‘h的电力输出，每天可节约市电16800kW-h，节省费用可达1.2万元；运行3台机组可给厂内提供1100kW‘h的电力输出，每天可节约市电26400kW-h，节省费用可达到1.9万元。目前,青岛市麦岛污水处理厂曰均耗电达35000kW*h，沼气发电机组的运行，曰均节约电耗可达48%~75.4%,将大大地减少污水处理厂市场电能消耗,降低运行成本，提高经济效益。
伍峰等在pH=11.0、P=2.2xl05Pa、T=l30°C的条件下，对污泥进行30min热消解和30min的超声波预处理的试验中发现，超声波处理污泥，污泥中的菌胶团结构遭到破坏，菌胶团吸附的有机质被释放至溶液中，同时酶的活性得到增强,使细胞新陈代谢加快，释放至溶液中的有机物迅速成为厌氧微生物的营养物被消耗，与对照组相比,可溶解性化学需氧量(SCOD增加了4.5倍,溶出率提高了350%,COD降解率提高了12%,是自然降解率的1.19倍。产氢周期缩短至6.5d,最大产氢率为67.9lmL/g(VS,平均产氢率提高到21.6mL/g(VS,是对照组的3.9倍，效果较好。将超声波处理技术应用到污泥产沼气发电中会进一步使沼气的产量增加，使污泥发电取得更好的经济效益与社会效益。
uris等对雅典中央污水处理厂的污泥进行预干燥后,GasifEq平衡模型气化过程优化，对污68%的湿气,进而可以生成2.85MW的电能。这种方法使污泥发电的效率进一步提高，且该方法对环境不会产生不利的影响。
1.2建材
由于城市污水处理厂污泥中含有一定的热能，且污泥无机部分含有较多的SiO2和Al2O3,无机成分可以调整到与粘土相近，因此城市污水处理厂污泥经过处理后可用来生产一些建材而进行利用，如陶粒、水泥、砖瓦等等。
污泥陶粒最早由NakouziS.等提出，污泥陶粒是以污泥为主要原料，掺加适量辅料，经过成球、焙烧而成的。陶粒作为_种轻集料,可以取代普通砂石配制轻集料混凝土，具有密度小、强度高、保温、隔热、抗震性能好的特点，近年来得到了迅速发展。清华大学王兴润等[7]利用城市污水厂污泥采用“湿法造粒-烧结”和“干化-烧结”两种工艺，对烧结制陶粒的可行性进行研究。研究表明：湿法造粒-烧结”制陶粒工艺的产品密度等级符合轻骨料的要求，但坯料中的水分和有机质含量过高导致产品开裂严重，产品强度和吸水率达不到轻骨料的要求;但“干化-烧结”制陶粒工艺的产品强度、密度和吸水率均能达到相关国标中对轻骨料的要求。加入添加剂后，干污泥的掺加比能达到50%,满足了大批量污泥处理与处置的要求，而且“干化-烧结”制陶粒工艺所得产品的重金属溶出率和溶出浓度都很小，不会造成二次污染。在利用“干化-烧结”工艺制造陶粒的过程中，当烧结温度>1100°C后，主要生成CaO-A12O3-SiO2和FeO-A12O3-SiO2等低温共熔物，强度可大幅提高。
污泥制砖的方法主要有两种：_种是用干化污泥直接制砖，另一种是用污泥焚烧后的灰渣进行制砖。用干化污泥直接制砖时,应对污泥的成分做适当的调整，使其成分与制砖粘土的化学成分相当，当污泥与粘土按重量比1:10配料时，污泥砖可以达到普通红砖的强度。利用污泥焚烧灰渣制砖时,污泥灰渣的成分与制砖粘土的成分是比较接近的，制砖时只需添加适量的粘土与硅砂即可。
陈红英等发现活性污泥还可以作为粘结剂将无烟粉煤加工成型煤。在加工过程中，污泥可改善高温下型煤内部孔结构，降低灰渣中的残碳，污泥热值也得到充分利用。比如有的城市污水厂与水泥制品厂或制砖厂合作，把污泥作为建材产品的掺合料一起焚烧，最终生产出质量完全符合标准的建材产品，同时还降低了生产成本。这种处置过程，充分利用了污泥中的无机物(粘土，补充了当前水泥生产与制砖生产紧缺的泥源；同时充分利用了污泥中有机物（具有热
于焚烧温度高达1200°C、污泥中病原体被彻底毁灭；燃烧过程中产生的有害废气(如二嗯英)被彻底分解，又无残留灰渣,彻底避免了对环境的污染;同时为建材生产厂提供了再生资源,降低建材产品的单位成本;根据市场经济运作,污水厂还从中得到了应有的实惠。
重庆启动城市污泥变水泥项目一年节省400万，主城污泥处置难题得到有效解决。重庆拉法基瑞安有限公司投资785万元，对南山水泥厂两条日产2500吨新型干法旋窑已有设施实施技术改造，在水泥生产同时并行处置污泥。该项目是我国首次利用水泥窑大规模并行处置污泥，该项目每年可处理污泥4万t,有效地解决主城污泥处置难题，并且_年仅污泥处理运行费用就可以节省400万元。
1.3吸附剂
活性污泥具有良好的吸附性，通过对剩余污泥经高温分解或添加化学活化剂等方法进行再活化，可以将城市污水处理厂的污泥制成具有良好吸附性的吸附剂。F.尺〇2^&等[9]通过对污泥制成的吸附剂对水中的重金属进行吸附发现,污泥吸附剂对重金属的吸附优先顺序依次为Hg(丨丨）>Pb(丨丨）>Cu(丨丨）>Cr(III),他们通过对污泥添加ZnCl2活化剂后再进行高温分解制成一种污泥吸附剂，这种吸附剂对Hg(ll),Pb(II),Cu(II),Cr(III)的吸附能力依次为175.4,64.1,30.7,15.4mg/g。
RobertPietrzak等[10]使污泥高温裂解，生成复合型污泥吸附剂用来吸收N〇2,使N〇2在污泥吸附剂表面生成硝酸盐与亚硝酸盐,从而把NO2固定化，减少大气中的N〇2气体。
陈春云等?通过对污泥吸附剂的制备及其吸附性能的研究表明，按一定比例添加活化剂ZnCl2于处理过的干污泥中，在550°C下恒温热解60min后具有最大比表面积，污泥与活化剂质量比为5:3。利用量大面广的城市污水处理厂活性污泥制备吸附剂，达到以废治废的目的，符合国家的产业政策，是变废为利的综合利用途径。但因使用了较贵的氯化锌而使研制成本较高，且与商品活性炭相比，污泥改性吸附剂的吸附性能尚有一定差距，需进一步研究。
1.4土地利用与堆月巴
污泥的土地利用就是把污泥或污泥堆肥用于林地、育苗、观赏植物、草皮、公园、农田、牧草、果树、蔬菜、高尔夫球场、垦荒地、填埋矿坑、固定海滩、高速公路绿化带及建筑供游乐的海岛等。城市污水处理厂的污泥是一种十分有效的生物资源，它含有丰富的有益于植物生长的养分(N、P、K等)和大量的有机物质，可以进行有效的利用来进行堆肥。但是由于污泥的含水机物等，在土地利用与堆肥之前进行稳定化处理是十分必要的。
中国科学院生态环境研究中心的魏源送等通过对不同通风方式对污泥堆肥的影响的试验发现:堆体采用自然通风与强制通风相结合的方式，堆温上升迅速，能耗更低。在堆肥过程的高速阶段，强制通风能加快有机质的降解和水分的去除。在堆温达到高温之前，微生物新陈代谢的产物（有机酸会使堆料的pH值下降，而随着高温期的到来，有机酸的挥发和有机氮分解的氨导致堆料的pH值逐渐回升。该研究表明，污泥堆肥pH值变化范围均在6~9之间，因此不必对堆料的pH值进行调整。在正常的污泥堆肥过程，堆料的pH值都具有在高温期上升，在后腐熟阶段趋于中性的特点。
污泥堆肥化的最佳温度范围为55~65C,在此温度下能杀灭病原菌和寄生虫卵。且一般认为，污泥堆肥时要求物料初始含水率应控制在50%~65%。污水处理厂脱水污泥的含水率为75%~80%,须通过添加辅料或污泥干化来降低初始物料的含水率。C/N控制在20~30比较适宜。堆体的高度一般不超过3m;堆体有添加物时,堆体高度一般不超过5.5m。中国科学院生态环境研究中心的魏源送等[13]在另一个实验中发现采用木片和玉米芯为调理剂的污泥堆肥比采用麦壳和稻壳为调理剂的污泥堆肥水分去除更多，但有机质的降解相差不大。
污泥堆肥可采用自动控制系统大大的提高了污泥堆肥的效率与成功率，堆肥的产品稳定性更佳。高定等[14]通过对城市污泥堆肥过程自动测控系统进行的研究表明，与定时控制相比，利用堆肥自动测控系统进行自动监测和控制的堆肥时间缩短了28%,有机物降解更加充分，减量化明显，可以提高堆肥产品质量，后续脱水成本较低，具有明显的优越性。与传统堆肥相比,堆肥时间至少可缩短15~30d,堆肥的成功率和堆肥产品质量得以明显提高。采用堆肥过程控制系统可以更准确、更及时、更有效地监控堆肥过程，产品质量稳定，同时可以节约大量的人力、财力和物力。
莱芜污水处理厂污泥堆肥经检测,处理污泥后水分含量矣30%,非毛耗孔隙度為15%,蠕虫卵死亡率>95%,未检出沙门氏菌等具有传染性的病原体。肥质比较疏松，无明显的恶臭,有机质含量在250g/kg以上,pH值在6.5~8.0之间，基本符合园林绿化介质土的准入条件。莱芜市市区园林绿化面积1000hm2,以腐熟堆肥每亩施用1t计，则仅园林地种植笑纳腐熟堆肥量就为1.5万t,而本工程年堆肥1.2万t,因此具有很大的市场空间,预计经济效益明显。
污泥可通过干馏提取油、气等，不但可做燃料也可以用于制造四氯化碳等化工产品，具有工业利用前景，且能量回收率高，其经济性优于对污泥的焚烧。但现在对于污泥低温热解的热解机理和动力学研究还比较欠缺，在工艺和设备的改进方面有待新的突破，待这些理论与工艺问题解决后,低温热解将是一种极有前途的污泥资源化技术。
1.6提取重金属
城市污水处理厂的污泥中还会含有部分重金属，如:Hg、Pb、Cu、Zn等，可以通过对污泥的调理，向污泥中添加化学药剂等，改变污泥中重金属的形态，利用重金属或其化合物的特性从污泥中分离提取出来。向污泥中添加一些还原剂可以将Hg等挥发性重金属还原为金属单质，然后对污泥低温加热使Hg等挥发性重金属挥发进行提取,从而回收利用。也可使_些重金属生成沉淀物沉淀下来，或利用离子交换对重金属进行分离提纯。但由于污泥中重金属的含量较低，分离提纯的成本较高，现在很少在城市污水处理厂里有实际应用，大多数还停留在研究阶段。
PrzemysiawKosobucki等利用天然桂酸盐对污泥中的重金属进行提取实验表明，硅酸盐的粒径最好在0.7~1.0mm之间，硅酸盐与污泥的比例为2/98时，经过5h的混合摇动，对天然硅酸盐对污泥中的重金属的提取效率最高。
2结语与展望
目前，国内污泥处理利用技术较国外一些发达国家还比较落后，人们对污泥资源化利用的必要性认识还不够，许多问题亟待解决。根据我国国情，将经过堆肥稳定化后的污泥进行土地利用，应该是国内污泥处置利用较有发展前景的一种途径；同时污泥发电和污泥建材利用也有助于解决我国电力紧张与建材原材料缺乏的问题。
为了解决国内污泥处理处置中存在的问题，充分利用污泥资源，必须大力发展污泥资源化利用的各种技术，建立与完善污泥处理处置相关的技术、产业政策，制定污泥处理处置过程中相应的标准和法律法规;尤其要鼓励污泥资源化利用的科学技术进步，如污泥的等离子体气化，积极开发应用新工艺、新材料和新设备，降低现有工艺（如污泥发电、建材利用等）的成本，使污泥的资源化利用向低能耗、低成本、高效率的方向发展，使这些污泥资源化技术走进污水处理厂的大门，为污水处理厂解决污泥处理问题并带来可观的经济效益和社会效益，这应是今后研究中的重点。
张培玉，刘哈
(青岛大学环境工程系，山东青岛266071）