论文部分内容阅读
[摘要] 随着世界工业化和城市化的不断进展，污泥的产量与日俱增。随之而来的污泥处理处置问题，将使不少污水处理厂的正常运行面临严峻的挑战。本文对目前污泥资源化利用途径进行了阐述，分析了污泥资源化不同途径的特点。
[关键词] 污泥 资源化 研究进展
1、前言
剩余污泥作为城市污水处理过程中所产生的固体废物，其产生量巨大。随着污泥产量的不断增加，污泥的处理处置面临着越来越严峻的挑战。目前，剩余污泥的处理处置的方式主要有填埋、焚烧、水体消纳等。然而这些传统的污泥处理处置工艺费用昂贵，通常占到污水处理成本的60%以上，费用的急剧增加提高了污泥合理处理的难度。同时，由于可持续发展的社会需求和政府的政策扶持，当今固体废物处理的重心已从污染控制转向资源化开发。因此，利用活性污泥富含大量的纤维素、酯类和蛋白质以及大量的无机矿物质，对其进行资源化利用的研究逐渐展开。
2、污泥的资源化利用
2.1 污泥堆肥
在污泥中加入一定比例的膨松剂和调理剂（如秸秆、稻草、木屑或生活垃圾等），利用微生物群落在潮湿环境下对多种有机物进行氧化分解并转化为稳定性较高的类腐殖质。经过堆肥化处理后，植物可利用形态养分增加，而且消除了臭味，杀死病原菌和寄生虫卵，使污泥无害化。堆肥后的物料疏松、分散，呈细粒状，便于储藏、运输。
2.2 污泥制活性炭
剩余活性污泥中含有较多的碳，从客观上具备了制备活性炭的条件。这方面的研究主要是选择污泥的最佳炭化、活化条件，以达到提高污泥活性炭质量、降低成本的目的。目前，污泥炭化方式除了传统的高温炭化处理，也有用工业废弃的硫酸来催化炭化。污泥活化方式以高温水蒸气物理活化和ZnC12化学活化主。
受污泥含炭量的限制，污泥活性炭的质量低于传统商品活性炭，其碘值为177~700 mg/g，但用其处理有机废水时，COD吸附容量和吸附平衡时间优于商品活性炭。尽管受污泥活性炭中重金属的影响，其应用场合有限，但在一些消耗碳的气体净化场合，其应用比传统的活性炭更经济。而且，污泥活性炭如果不再生，可以考虑烧掉，同时可固化其中的重金属，因此有一定的应用前景[1]。
2.3 污泥的建材利用
污泥的建材利用主要是指以污泥为原料制造各种建筑材料，例如污泥砖、污泥水泥和生物陶粒，无需依赖土地作为污泥最终消纳的归宿，同时还有可能替代一部分用于建筑的原材料，但由于成本和商品流通上的问题，还没有得到广泛的应用。
（1）制砖
污泥焚烧灰成分中，除二氧化硅含量比制砖粘土偏低外，其余均满足制砖要求，因此，当利用干污泥或污泥焚烧灰制砖时，应添加适量的粘土或硅砂，以提高二氧化硅含量，并且这种污泥用来制砖或制作釉陶管，性能较好[2]。
（2）制水泥
污泥除了有机物外，还含有20% ～ 30%的无机物，主要包含Si、Al、Fe和Ca等成分。一般情况下，污泥中的灰分和化学特性与粘土接近，因此从理论上污泥可替代30%的粘土原料参与水泥的生产。污泥焚烧灰所含成分与波特兰水泥成分类似，经加入少量石灰后，可煅烧成灰渣水泥，其强度符合美国材料与试验协会（American Society for Testing and Materials，ASTM）建工水泥规范[3]。另外，日本秩父小野田水泥公司和中国上海新型建材研究开发中心，分别研制成了利用污泥生产生态水泥的技术。
（3）制轻质陶粒
陶粒，特别是轻质陶粒优点多、需求量大，因此，开辟新的陶粒原料，开发新的轻质陶粒有重要意义。同济大学王中平、徐基斑开展了以苏州河底泥替代普通黏土烧制陶粒的研究，已取得初步成功；广州华穗轻质陶粒制品厂采用城市污水处理厂污泥替代河道淤泥或部分黏土烧制轻质陶粒获得成功，处理量已达300 t/d，年产陶粒18.8×104 m3，年产轻质陶粒砌块18×104 m3。污泥制陶技术的主要问题是当污泥中有大量重金属时，要注意炉窑的烟气处理与控制，以及对产品重金属浸出的监控[4]。
2.4 污泥制油
（1）污泥低温热解制油
低温热解制油是指在微正压、250~500 ℃条件下，污泥中有机物通过蒸馏、热分解过程转化为油、油品（热值约33 MJ/kg）的过程，收率与污泥中有机物含量直接相关，一般为1000 kg 干污泥可回收油品200~300 L[5]。由于剩余活性污泥的蛋白质含量较高，制得的油中氮、氧含量高，粘度大，难以用作高品质的燃油。
（2）污泥直接油化技术
直接油化技术是污泥不经过干燥处理，在250~350 ℃、5.0~15 MPa和催化剂的作用下，使污泥中的大部分有机物转化成低分子油状物。该工艺是在高压下操作，对设备要求较高，产品在分离、加工过程中产生的异味也较难解决。
（3）微波高压油化
微波高压油化是在压力为5.0 MPa或更高的条件下对污泥进行微波加热处理使其脱水，可获得较高的油品回收率。但由于此法现处于试验阶段，其操作参数对油品回收率的影响以及环境评价、经济性评价等工作都有待进一步研究[6]。
2.5 污泥产沼气
污泥厌氧消化产沼气的基础是由于污泥厌氧消化体系中3 类典型的微生物类群：水解发酵细菌、产氢产乙酸细菌以及产甲烷细菌相互协作，将有机大分子逐步降解并最终生产甲烷的过程。和以升流式厌氧污泥床（Up-flow Anaerobic Sludge Bed，UASB）工艺为代表的废水厌氧发酵产沼气技术一样，污泥厌氧消化技术也越来越多地应用于城市污水处理厂剩余污泥以及市政固体废弃物的处置。据估算，城市污水处理厂采用好氧二级处理工艺，其污泥厌氧处理所产生的甲烷足够满足污水厂运行30％能源需求[7]。
2.6 污泥厌氧发酵产酸
挥发性脂肪酸，包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸和戊酸等，是在污泥厌氧消化过程中产生的十分重要的中间产物，具有较高的附加值，它们不但可用于农药、油漆、涂料等化工原料的制备，在污水处理厂可作为内源碳被脱氮除磷菌利用以去除富营养化污水中的氮和磷，使污水达到排放标准[8]。污泥的厌氧发酵产酸有效利用了污泥中的有机成分，不仅能使能源再生，还能达到废物利用的目的。同时，这种处理方法不仅能降低污泥处理的费用，减轻污水处理厂的经济负担，还能产生高附加值的产物，具有广阔应用前景。
2.7 污泥合成聚羟基烷酸酯
大部分的剩余污泥资源化方法利用了剩余污泥中的丰富的含碳量和植物营养元素，污泥中丰富的微生物菌群却往往被忽略，事实上在废水生物处理过程中，不但降解了废水中的有机物质，同时也培养驯化了一大批生物活性很高的混合菌群，与发酵罐中培养的纯菌种相比，它们无需严苛的生长条件和生长环境。若能利用这批混合菌群来生物合成高附加值产物，那么必定能很大程度的降低生产成本。基于活性污泥的这个特点，利用活性污泥中丰富的微生物菌群来累积生物可降解塑料聚羟基烷酸酯（PHA）越来越受到各国学者的关注。在富含可以积累PHA的菌种的剩余污泥中添加一些碳源物质，在一定条件下生产高附加值产物PHA，不但节省了菌种培养的费用，而且混合菌种对发酵条件的要求不高也能使发酵生产的成本降低，另一方面还能为剩余污泥的处置提供新途径，具有良好的应用前景[10]。
3、结束语
在目前污泥处理处置技术受限制的情况下，如何使污泥减小危害甚至使原本看似无用的污泥创造出经济效益，越来越成为人们关注的焦点。在污泥的资源化利用上，取得了一些成果；但到目前为止，这些资源化利用途径还存在经济效益和大规模工业化生产等方面问题。因此，污泥的资源化利用还有很长的一段路要走。
参考文献：
[1]张立峰, 吕荣湖. 剩余活性污泥的热化学处理技术[J]. 化工环保. 2003, 23(3): 146-149.
[2]郑立辉, 司梅芳, 李磊. 剩余污泥处理与资源化研究进展[J]. 污染防治技术. 2008, 21(1): 66-68.
[3]张自杰, 林荣忱, 金儒霖. 排水工程[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2000.
[4]白慧玲. 城市污泥处置与利用综述[J]. 山西建筑. 2008, 34(20): 180-181.
[5]夏朝辉, 张慧俐, 武臻. 我国剩余活性污泥资源生态化利用浅谈[J]. 河南化工. 2005, 22(1): 44-45.
[6]昝元峰, 王树众, 沈林华,等. 污泥处理技术的新进展[J]. 中国给水排水. 2004, 20(6): 25-28.
[7]刘和, 堵国成, 陈坚. 我国应用生物技术资源化利用城市剩余污泥的研究进展[J]. 化工进展. 2008, 27(8): 1137-1142.
[8]Randall A A, Benefield L D, Hill W E, et al. The effect of volatile fatty acids on enhanced biological phosphorus removal and population structure in anaerobic/aerobic sequencing batch reactors[J]. Water Science and Technology. 1997, 35(1): 153-160.
[9]Lemos P C, Serafim L S, Reis M A M. Synthesis of polyhydroxyalkanoates from different short-chain fatty acids by mixed cultures submitted to aerobic dynamic feeding[J]. Journal of Biotechnology. 2006, 122(2): 226-238.
[10]林东恩，张逸伟，沈家瑞．活性污泥合成生物可降解塑料的研究进展[J].环境科学与技术,2004,27(2):101-109.
作者简介：
胡守贤（1968.12-），男，漳浦县环保局工程师。
[关键词] 污泥 资源化 研究进展
1、前言
剩余污泥作为城市污水处理过程中所产生的固体废物，其产生量巨大。随着污泥产量的不断增加，污泥的处理处置面临着越来越严峻的挑战。目前，剩余污泥的处理处置的方式主要有填埋、焚烧、水体消纳等。然而这些传统的污泥处理处置工艺费用昂贵，通常占到污水处理成本的60%以上，费用的急剧增加提高了污泥合理处理的难度。同时，由于可持续发展的社会需求和政府的政策扶持，当今固体废物处理的重心已从污染控制转向资源化开发。因此，利用活性污泥富含大量的纤维素、酯类和蛋白质以及大量的无机矿物质，对其进行资源化利用的研究逐渐展开。
2、污泥的资源化利用
2.1 污泥堆肥
在污泥中加入一定比例的膨松剂和调理剂（如秸秆、稻草、木屑或生活垃圾等），利用微生物群落在潮湿环境下对多种有机物进行氧化分解并转化为稳定性较高的类腐殖质。经过堆肥化处理后，植物可利用形态养分增加，而且消除了臭味，杀死病原菌和寄生虫卵，使污泥无害化。堆肥后的物料疏松、分散，呈细粒状，便于储藏、运输。
2.2 污泥制活性炭
剩余活性污泥中含有较多的碳，从客观上具备了制备活性炭的条件。这方面的研究主要是选择污泥的最佳炭化、活化条件，以达到提高污泥活性炭质量、降低成本的目的。目前，污泥炭化方式除了传统的高温炭化处理，也有用工业废弃的硫酸来催化炭化。污泥活化方式以高温水蒸气物理活化和ZnC12化学活化主。
受污泥含炭量的限制，污泥活性炭的质量低于传统商品活性炭，其碘值为177~700 mg/g，但用其处理有机废水时，COD吸附容量和吸附平衡时间优于商品活性炭。尽管受污泥活性炭中重金属的影响，其应用场合有限，但在一些消耗碳的气体净化场合，其应用比传统的活性炭更经济。而且，污泥活性炭如果不再生，可以考虑烧掉，同时可固化其中的重金属，因此有一定的应用前景[1]。
2.3 污泥的建材利用
污泥的建材利用主要是指以污泥为原料制造各种建筑材料，例如污泥砖、污泥水泥和生物陶粒，无需依赖土地作为污泥最终消纳的归宿，同时还有可能替代一部分用于建筑的原材料，但由于成本和商品流通上的问题，还没有得到广泛的应用。
（1）制砖
污泥焚烧灰成分中，除二氧化硅含量比制砖粘土偏低外，其余均满足制砖要求，因此，当利用干污泥或污泥焚烧灰制砖时，应添加适量的粘土或硅砂，以提高二氧化硅含量，并且这种污泥用来制砖或制作釉陶管，性能较好[2]。
（2）制水泥
污泥除了有机物外，还含有20% ～ 30%的无机物，主要包含Si、Al、Fe和Ca等成分。一般情况下，污泥中的灰分和化学特性与粘土接近，因此从理论上污泥可替代30%的粘土原料参与水泥的生产。污泥焚烧灰所含成分与波特兰水泥成分类似，经加入少量石灰后，可煅烧成灰渣水泥，其强度符合美国材料与试验协会（American Society for Testing and Materials，ASTM）建工水泥规范[3]。另外，日本秩父小野田水泥公司和中国上海新型建材研究开发中心，分别研制成了利用污泥生产生态水泥的技术。
（3）制轻质陶粒
陶粒，特别是轻质陶粒优点多、需求量大，因此，开辟新的陶粒原料，开发新的轻质陶粒有重要意义。同济大学王中平、徐基斑开展了以苏州河底泥替代普通黏土烧制陶粒的研究，已取得初步成功；广州华穗轻质陶粒制品厂采用城市污水处理厂污泥替代河道淤泥或部分黏土烧制轻质陶粒获得成功，处理量已达300 t/d，年产陶粒18.8×104 m3，年产轻质陶粒砌块18×104 m3。污泥制陶技术的主要问题是当污泥中有大量重金属时，要注意炉窑的烟气处理与控制，以及对产品重金属浸出的监控[4]。
2.4 污泥制油
（1）污泥低温热解制油
低温热解制油是指在微正压、250~500 ℃条件下，污泥中有机物通过蒸馏、热分解过程转化为油、油品（热值约33 MJ/kg）的过程，收率与污泥中有机物含量直接相关，一般为1000 kg 干污泥可回收油品200~300 L[5]。由于剩余活性污泥的蛋白质含量较高，制得的油中氮、氧含量高，粘度大，难以用作高品质的燃油。
（2）污泥直接油化技术
直接油化技术是污泥不经过干燥处理，在250~350 ℃、5.0~15 MPa和催化剂的作用下，使污泥中的大部分有机物转化成低分子油状物。该工艺是在高压下操作，对设备要求较高，产品在分离、加工过程中产生的异味也较难解决。
（3）微波高压油化
微波高压油化是在压力为5.0 MPa或更高的条件下对污泥进行微波加热处理使其脱水，可获得较高的油品回收率。但由于此法现处于试验阶段，其操作参数对油品回收率的影响以及环境评价、经济性评价等工作都有待进一步研究[6]。
2.5 污泥产沼气
污泥厌氧消化产沼气的基础是由于污泥厌氧消化体系中3 类典型的微生物类群：水解发酵细菌、产氢产乙酸细菌以及产甲烷细菌相互协作，将有机大分子逐步降解并最终生产甲烷的过程。和以升流式厌氧污泥床（Up-flow Anaerobic Sludge Bed，UASB）工艺为代表的废水厌氧发酵产沼气技术一样，污泥厌氧消化技术也越来越多地应用于城市污水处理厂剩余污泥以及市政固体废弃物的处置。据估算，城市污水处理厂采用好氧二级处理工艺，其污泥厌氧处理所产生的甲烷足够满足污水厂运行30％能源需求[7]。
2.6 污泥厌氧发酵产酸
挥发性脂肪酸，包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸和戊酸等，是在污泥厌氧消化过程中产生的十分重要的中间产物，具有较高的附加值，它们不但可用于农药、油漆、涂料等化工原料的制备，在污水处理厂可作为内源碳被脱氮除磷菌利用以去除富营养化污水中的氮和磷，使污水达到排放标准[8]。污泥的厌氧发酵产酸有效利用了污泥中的有机成分，不仅能使能源再生，还能达到废物利用的目的。同时，这种处理方法不仅能降低污泥处理的费用，减轻污水处理厂的经济负担，还能产生高附加值的产物，具有广阔应用前景。
2.7 污泥合成聚羟基烷酸酯
大部分的剩余污泥资源化方法利用了剩余污泥中的丰富的含碳量和植物营养元素，污泥中丰富的微生物菌群却往往被忽略，事实上在废水生物处理过程中，不但降解了废水中的有机物质，同时也培养驯化了一大批生物活性很高的混合菌群，与发酵罐中培养的纯菌种相比，它们无需严苛的生长条件和生长环境。若能利用这批混合菌群来生物合成高附加值产物，那么必定能很大程度的降低生产成本。基于活性污泥的这个特点，利用活性污泥中丰富的微生物菌群来累积生物可降解塑料聚羟基烷酸酯（PHA）越来越受到各国学者的关注。在富含可以积累PHA的菌种的剩余污泥中添加一些碳源物质，在一定条件下生产高附加值产物PHA，不但节省了菌种培养的费用，而且混合菌种对发酵条件的要求不高也能使发酵生产的成本降低，另一方面还能为剩余污泥的处置提供新途径，具有良好的应用前景[10]。
3、结束语
在目前污泥处理处置技术受限制的情况下，如何使污泥减小危害甚至使原本看似无用的污泥创造出经济效益，越来越成为人们关注的焦点。在污泥的资源化利用上，取得了一些成果；但到目前为止，这些资源化利用途径还存在经济效益和大规模工业化生产等方面问题。因此，污泥的资源化利用还有很长的一段路要走。
参考文献：
[1]张立峰, 吕荣湖. 剩余活性污泥的热化学处理技术[J]. 化工环保. 2003, 23(3): 146-149.
[2]郑立辉, 司梅芳, 李磊. 剩余污泥处理与资源化研究进展[J]. 污染防治技术. 2008, 21(1): 66-68.
[3]张自杰, 林荣忱, 金儒霖. 排水工程[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2000.
[4]白慧玲. 城市污泥处置与利用综述[J]. 山西建筑. 2008, 34(20): 180-181.
[5]夏朝辉, 张慧俐, 武臻. 我国剩余活性污泥资源生态化利用浅谈[J]. 河南化工. 2005, 22(1): 44-45.
[6]昝元峰, 王树众, 沈林华,等. 污泥处理技术的新进展[J]. 中国给水排水. 2004, 20(6): 25-28.
[7]刘和, 堵国成, 陈坚. 我国应用生物技术资源化利用城市剩余污泥的研究进展[J]. 化工进展. 2008, 27(8): 1137-1142.
[8]Randall A A, Benefield L D, Hill W E, et al. The effect of volatile fatty acids on enhanced biological phosphorus removal and population structure in anaerobic/aerobic sequencing batch reactors[J]. Water Science and Technology. 1997, 35(1): 153-160.
[9]Lemos P C, Serafim L S, Reis M A M. Synthesis of polyhydroxyalkanoates from different short-chain fatty acids by mixed cultures submitted to aerobic dynamic feeding[J]. Journal of Biotechnology. 2006, 122(2): 226-238.
[10]林东恩，张逸伟，沈家瑞．活性污泥合成生物可降解塑料的研究进展[J].环境科学与技术,2004,27(2):101-109.
作者简介：
胡守贤（1968.12-），男，漳浦县环保局工程师。