污泥处理及资源化再利用研究进展

段先月， 蔡宇凌

（工业和信息化部电子第五研究所， 广东 广州 511370）

0 引言

我国工业的迅速发展， 促进了经济的快速增长， 使得污泥产量逐年增大， 而国内一直存在“重污水处理， 轻污泥处理” 的现象。 在全国运行的污水处理厂中约有25%的污水厂配备了污泥稳定化处理设施， 仅有10%的污水处理厂拥有污泥最终处置设施[1]； 将有大部分的污泥得不到最终处置而进入到环境中， 污泥中含有的重金属及其他有害物质对自然环境的危害不可估量， 远超一般固体废弃物对环境的影响； 若在堆放过程中有部分污泥被雨水冲刷流入到河道中并沉积在河底， 将有可能导致水体黑臭。 因此污泥的及时处理是非常有必要的。 目前， 美国、 德国以填埋为主， 日本以焚烧为主[2]； 在我国的污泥主要处置方法中， 卫生填埋、堆肥、 自然干化和焚烧分别占比为65%、 15%、6%和3%[3]。 各个国家根据污泥的特性采用不同的技术进行处理， 最终都是要达到“减量化、 稳定化、 无害化、 资源化” 的目的。

下文将对污泥的主要分类、 组成、 特性、 处置方法及利用进行阐述。

1 污泥分类、 组成及其主要特性

1.1 污泥分类

根据污泥来源的不同可以分为市政污泥和工业污泥。 工业污泥主要分为电镀污泥、 冶金污泥、 纺织印染污泥、 化工污泥和造纸污泥。 按处理方法和分离过程区分， 污泥可以分为4 类： 初沉污泥、 活性污泥、 腐殖污泥和化学污泥。

1.2 污泥的组成

污泥主要由有机相、 无机相、 水分及水溶性组分组成。 污泥中的水分有间隙水、内部水、 吸附水和毛细结合水， 各种水分在污泥中的占比如图1所示。

图1 污泥中的水分组成

1.3 污泥的主要特性

污泥共有的主要特性有： 1） 有机成分含量较高， 污泥中含有大量的微生物有机絮体， 有机成分占比可达75%~85%； 2） 含水率极高， 污泥中的絮体含有大量的硫酸根、 磷酸根和羧基等带负电荷的含氧官能团， 与水分子的亲和力很强； 3） 含有大量的灰分， 占比为50%以上[4]。 一般污泥含水率大于85%以上时， 污泥呈流态； 65%~85%时呈塑态， 小于60%时呈固态。

2 污泥处理

污泥处理主要是指对污泥进行减量化、 稳定化、 无害化。 一般对污泥先进行浓缩， 去除污泥中的间隙水， 对污泥进行初步的脱水并缩减污泥的体积； 然后通过好氧消化、 厌氧消化对污泥进行初步稳定化处理， 将消化后的污泥再进行脱水， 并将其处理成固态或半固态， 便于进一步的稳定化、 无害化。 处理流程如图2 所示。

图2 污泥整体处理流程图

我国对污泥主要的处理方法为卫生填埋、 堆肥、 焚烧和自然干化， 其优缺点如表1 所示。

表1 污泥处理方法优缺点

2.1 污泥减量化处理

污泥减量化处理主要是处理污泥中的间隙水、结合水和吸附水， 前期污泥减量化主要为浓缩， 再经消化后还需进一步地干化。 污泥浓缩的常用方法有重力、 气浮和离心浓缩法， 也有采用复合法将污泥进行减量化。 Yung 等[5]研究发现， 将污泥用活性污泥法处理的同时在处理过程中结合超声波技术， 最终污泥减量率可达到40%以上。

污泥初期减量化主要通过浓缩， 后期主要是污泥在经消化处理过后再进一步地减量化。 污泥干化常用的方法有自然干化、 造粒干化和机械干化， 干化主要对象为污泥的毛细结合水或吸附水。 这3 种干化都是物理干化， 主要通过环境温度、 重力对污泥进行脱水。 这3 种方法在高温条件下对污泥脱水会具有较好的效果， 现有的技术在低温条件下也有较好的效果。 有研究者通过聚丙烯酸絮凝剂在低温条件下将泥饼含水率降至84.59%[6]， 再利用超声波技术进行处理可加速污泥脱水速度[7]。 Dhote等[8]利用污泥发酵装置对污泥进行处理， 发现发酵温度从50 ℃升高到55 ℃， 发酵17 天后， 水中污泥的含量从60%降低到40%， 总氮有下降的趋势。 Zhang 等[9]采用水热氧化法并以H2O2为氧化剂发现可提高对污泥的脱水性能。 Yang 等[10]采用水热反应与热解法再结合絮凝剂发现混凝30 min 后污泥体积由97%降至30%， 处理后污泥含水率由97%降至30%。

2.2 污泥稳定化处理

污泥经浓缩和进一步干化后， 还需对污泥中的病菌和重金属等有害物质进一步地稳定化和无害化。 污泥初步稳定化一般对污泥进行消化， 污泥消化主要将污泥降解为以甲烷为主的污泥气和稳定的消化污泥， 好氧消化主要用于处理剩余活性污泥；污泥经消化后趋于稳定， 在消化过程中产生的甲烷可用于污泥干化。 除消化法外还有碱化稳定法。

污泥碱化是通过加入少量的石灰和氨基酸， 在低温到高温的反应过程中， 通过石灰的作用使得污泥含水率减少， 可将污泥含水率降到70%以下，堆放一周后含水率可降到60%左右。 污泥碱化可处理病原菌、 虫卵和重金属， 并降低臭味等； 碱化后的污泥基本上达到稳定状态， 可用作填埋场的覆盖土[11]。 对于部分含重金属污泥， 有研究者将超声波与零价铁/EDTA/AIR 联合使用可以有效地固化污泥中的重金属[12]。

2.3 污泥无害化处理

污泥无害化主要将污泥中的有害物质处理成对环境及人体无害的物质， 无害化处理后也便于污泥进行资源化利用。

2.3.1 微生物处理技术

污泥本身含有氮磷钾等元素及有机物， 可作为微生物有氧呼吸和无氧呼吸的养料， 通过微生物代谢分解部分污泥； 同时利用微生物间的“一物降一物” 的生物链关系， 在污泥处理系统中加入后生动物或蚯蚓， 减少微生物产生的剩余污泥[13]， 有助于将污泥无害化。

2.3.2 好氧堆肥处理技术

好氧堆肥就是在氧气充足的条件下， 好氧菌对废物进行吸收、 氧化和分解。 堆肥温度一般控制在55~60 ℃， 适宜温度有助于杀死堆肥中的病原体；堆肥周期控制在7 天左右， 足够长的时间有助于保证有机物完全腐殖化[14]； 污泥经低温燃烧后污泥灰分中磷的含量有所提高， 可作为磷肥。 研究发现， 在不同的氧浓度（20%、 60%、 100%） 下处理污泥， 所得到的灰分中的磷含量提高了45.6%[15]。藻泥堆肥后形成的有机肥中含有的营养盐、 游离氨基酸和总氨， 形成的养分能够有效地促进植物生长[15]。 堆肥后的污泥分解成植物、 蔬菜和粮食栽培所需的养分[16-20]。

2.3.3 热解处理技术

热解技术是指在缺氧微正压的环境中可将污泥转化为气体、 热解油、 水和残渣， 将热解后的水和气体进行收集后经处理可再利用。 含油污泥热解后形成的残渣， 可作为吸附剂或催化剂的原材料[21]，在460~650 ℃的温度下， 油与污泥的有效分离效率约为70%~80%[23]。 Tarelho 等[23]研究发现造纸工业污泥可以热解成制备生物炭的原材料， 其产生量为0.40~0.73 kg/kg。

3 污泥资源化利用

污泥经稳定化、 无害化后的处理方式主要有两种： 一是污泥填埋； 二是对污泥进行资源化利用。污泥卫生填埋会产生二次污染， 只是延迟了时间。资源化利用将是污泥未来主要发展方向。

3.1 作为燃料

污泥中含有可燃物质， 可作为燃料。 干燥后的污泥用于循环流化床锅炉燃烧， 每吨污泥的热量相当于0.8 t 燃料煤[24]。 印染污泥掺加市政污泥后，可以提高印染污泥的后期燃烧强度， 降低印染污泥燃烧阶段的活化能， 促进印染污泥的综合燃烧性能， 掺杂后印染污泥的可燃性指数提高了近1.6倍， 综合燃烧特性指数提高了近2 倍[25]； 酒厂污泥经发酵、 粪便污泥经水热碳化后都可作为燃料进行燃烧[26-27]。

污泥还可以作为微生物燃料电池 （MFC：Micorobial Fuel Cells） 燃料， 通过微生物作用， 将储存在有机物中的化学能转变成电能， 固化污泥中的重金属[28-29]。

3.2 作为工程、 建筑材料的原料

有研究者通过对皮革厂产生的含铬污泥采用酸浸-碱化-氧化的方法提取污泥中的铬， 用于制革产业中制备铬鞣剂[30]。 另外， 焦化污泥和原煤按1∶10 的配比可制备出粉体炼焦添加剂[31]； 含油污泥可作为封堵防塌剂的原料， 通过沥青化和乳化分散等工艺可制成封堵防塌剂[32]。

由于污泥中含有不同的金属元素及金属氧化物， 可用不同的工业污泥相互掺加代替石灰石、黏土和钢渣等原料用于水泥的生产[33]； 对于经过脱水、 稳定化处理和无害化处理的污泥， 也可掺杂到混凝土或其他建筑材料中制成砖或玻璃[34]。造纸污泥可做陶粒或外墙涂料的生产原材料[35]。

脱墨污泥可掺入冲击土为原材料（掺入比例为5%、 10%、 15%、 20%、 25%、 30%）， 脱墨污泥在900~1 000 ℃中进行煅烧， 发现在掺入比例为15%、 温度为950 ℃时， 所烧成的砖具有最佳的强度[36]。

将干燥的石灰石污泥代替常规的石粉作为沥青混凝土混合料填料。 研究结果表明： 6.45%是最佳掺入百分比， 可得到具有工程性能的沥青混合料[37]。

此外， 污泥还可作为活性炭原材料。 有研究者利用养猪厂污泥制备成生物炭， 对水中的Pb （II），进行吸附， 其最大吸附量为145 mg/g[38]。

3.3 回收利用重金属

将污泥中的重金属回收后可作为合金冶炼原材料。 不锈钢酸洗废液在中和过程中会产生大量的酸洗污泥， 在1 200 ℃温度下通过还原法将污泥中的有害组分转化成无害组分， 如将污泥中的有害组分Fe3+、 Cr3+和Ni2+转化为Fe、 Cr 和Ni 金属， 然后再进行磁选， 分离金属和非金属， 铁、 铬、 镍的回收率分别为95.3%、 88.7%、 97.53%， 回收回来的合金粉末中铁、 铬、 镍的品位分别为69.31%、 7.6%、16.71%。 回收回来的合金粉末可作为不锈钢的原料[39-41]。 电镀污泥、 含油污泥和印染污泥可作为路基填埋材料、 建筑原材料[42-44]。

4 结束语

污泥水处理过程中产生的固体沉淀物， 含水率极高， 且含有一定量的有机质， 污泥自身特性决定着污泥处理方式和资源化利用方向。 对含有重金属及其他有害物质的污泥， 需对污泥减量化及稳定化， 缩减污泥体积， 固化污泥中的金属， 降低其迁移率。 脱水后再进一步地干化处理， 干化后的污泥可用于制备建筑材料， 也可用作燃烧掺杂材料； 含有一定量有机质的污泥， 也可用于堆肥原材料。 填埋及污泥投海虽是最终的处置方式之一， 但只是将污泥转移到一个封闭的环境， 延缓了污泥产生污染的时间， 将不会是未来污泥最终处置的主要方式。

污泥减量化去除的主要是污泥中的水分， 稳定化主要降解有机物， 但污泥中含有的重金属总量没有减少。 由于泥水不分离， 减少废水的产生， 就有助于减少污泥的产生； 对于生产过程中会产生废水的企业， 可以采用“清洁生产” 的理念， 从原材料的使用、 工艺技术、 设备和过程控制， 以及人员、管理等方面去考虑从源头减少废水的产生。

今后对污泥产生及处理应从末端治理转移至污泥产生的源头、 过程和最终的处理中去， 更多是在污泥产生的源头去减少污泥的产量； 污泥处置可在微生物处理方向上探索如何进一步地降低污泥产量； 已产生的污泥在对其减量化、 稳定化、 无害化后应进行资源化利用。 最终要做到的将是为了减少污泥的产生， 减少污泥对环境的破坏， 保护地球生态环境。