摘要：為了實(shí)現(xiàn)污泥的減量及資源化利用，本文介紹了近年來污泥處理處置的一些新興方法，主要通過污泥源頭控制和預(yù)處理方法實(shí)現(xiàn)污泥的減量化原則;其次介紹了污泥的各種資源化方式，同時(shí)結(jié)合污泥和西北黃土地區(qū)的各自特點(diǎn)重點(diǎn)探討了污泥在西北黃土地區(qū)農(nóng)林用的可行性，為西北黃土地區(qū)污泥找到出路的同時(shí)提高西北黃土的肥效，以期達(dá)到改善黃土的貧瘠特性的目的。
污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，包括初沉污泥，剩余污泥及其混合污泥。隨著人民生活水平的提高和工業(yè)的快速發(fā)展，污水的產(chǎn)生量與日俱增。目前國內(nèi)污水產(chǎn)生量為1.39億t/d，城市污水處理率已達(dá)77.5%，十二五規(guī)劃明確指出：到2015年城市污水處理率達(dá)到85%。每萬m3污水經(jīng)處理后污泥產(chǎn)生量(按含水率80%計(jì))一般約為5~10 t，污水排放量的大幅度增加和處理效率的提高，必然導(dǎo)致污泥數(shù)量的成倍增加。并且污泥處理處置費(fèi)用占到整個(gè)污水處理廠總費(fèi)用的20%~45%，污泥的處理與處置迫在眉睫。
在傳統(tǒng)污泥處理與處置方法應(yīng)用的同時(shí)，一系列新興的污泥處理工藝方法漸漸推廣，大致可分為源頭減量、預(yù)處理和資源化利用三個(gè)方面。污泥處理應(yīng)當(dāng)遵循減量化為主，資源化末端處置為輔的原則。采用減量化技術(shù)的前提是不影響污水的正常處理。雖然污水處理廠可通過新方法從源頭控制污泥的產(chǎn)量，但每年仍有大量的剩余活性污泥產(chǎn)生，且經(jīng)過預(yù)處理后，污泥體積仍就非常龐大。因此，很有必要對剩余活性污泥進(jìn)行資源化利用，本文結(jié)合西北黃土地區(qū)土質(zhì)的特點(diǎn)和污泥中含有有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀及鐵、錳、鋅等微量營養(yǎng)元素，探討西北地區(qū)污泥的出路和施用于黃土對黃土改良的可能性。
1源頭減量
城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理工藝的選擇應(yīng)同污水處理工藝和污泥處置技術(shù)統(tǒng)籌考慮，應(yīng)優(yōu)先選擇污泥源頭削減污水處理工藝，降低城市污水處理廠總體運(yùn)行費(fèi)用和能耗，減輕末端污泥處置的負(fù)荷，緩解污泥在處理和處置過程所帶來的環(huán)境污染問題。目前污泥源頭控制的方法主要有解偶聯(lián)代謝，隱性生長和污泥好氧顆�；N方法。
1.1 解偶聯(lián)
解偶聯(lián)的作用機(jī)理是使氧化和磷酸化脫偶聯(lián)，氧化仍可以進(jìn)行，而磷酸化不能進(jìn)行，使分解代謝和合成代謝不能同時(shí)進(jìn)行，微生物仍能正常分解底物，但其自身合成速度減慢，污泥表觀產(chǎn)率降低。解偶聯(lián)來源于英國生物化學(xué)家米切爾(P.Mitchell)在1961年提出的“化學(xué)滲透學(xué)”假說，即生成ATP的氧化與磷酸化之間起偶聯(lián)作用的是H+的跨膜梯度。解偶聯(lián)的方式主要有解偶聯(lián)劑和好氧-沉淀-厭氧工藝兩種方法。
解偶聯(lián)劑為離子載體或通道，能增大線粒體內(nèi)膜對H+的通透性，消除H+梯度，因而無ATP生成，使氧化釋放出來的能量全部以熱的形式散發(fā)。解偶聯(lián)的方式主要有解偶聯(lián)劑和好氧-沉淀-厭氧(OSA)工藝兩種。目前研究較多的解偶聯(lián)劑有氯代酚，硝基酚，氨基酚、甲基酚和四氯水楊苯胺等。其具有改變微生物生態(tài)結(jié)構(gòu)、污泥膨脹性能和沉降性能;但微生物可產(chǎn)生抗性，或者產(chǎn)生降解偶聯(lián)劑的分解酶，從而使解偶聯(lián)劑失效;較難生物降解的解偶聯(lián)劑,將會(huì)給污水水處理帶來新的污染。
Westgarth等首次報(bào)道了在污泥回流過程中增加一個(gè)厭氧段可減少一半剩余污泥，即好氧-沉淀-厭氧(OSA)工藝，是給微生物提供一個(gè)好氧、厭氧的交替生長環(huán)境，使細(xì)菌在好氧階段所獲的ATP不能立即用于合成新的細(xì)胞，而是在厭氧階段作為維持細(xì)胞生命活動(dòng)的能量被消耗，從而減少微生物的表觀產(chǎn)率系數(shù)而達(dá)到污泥減量的目的[10,11]。OAS具有污泥產(chǎn)量低、污泥沉降性能好，對COD和磷的去除效率高等優(yōu)點(diǎn)，但對污水中氮的去除效果較差。
1.2 隱性生長(溶胞技術(shù))
隱性生長又稱溶胞技術(shù)，其有機(jī)械(如超聲波或微波輻射)、化學(xué)(如以O(shè)3、ClO2、H2O2 氧化)等方法。機(jī)械法的機(jī)理是超聲波機(jī)械剪切力和自由基氧化作用破壞了污泥細(xì)胞壁和絮體的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞內(nèi)含物溶出而進(jìn)入水相，從而改變污泥的沉降性能和可生化性，還提高了污泥的脫水性能。其特點(diǎn)為溶解性CODCr顯著增加;無污染、能量密度高、分解速度快、簡便靈活且高效等優(yōu)點(diǎn);但作用體積較小，適用于小規(guī)模操作，超聲波處理污泥的比能耗較高。
化學(xué)方法的機(jī)理為強(qiáng)氧化劑首先作用于細(xì)胞壁、細(xì)胞膜，使其構(gòu)成成份受損而導(dǎo)致新陳代謝障
礙。Yasui等首先提出將剩余污泥用臭氧氧化后返回到曝氣池的方法，可以從總體上實(shí)現(xiàn)污泥減量化;即臭氧繼續(xù)滲透，穿透膜而破壞膜內(nèi)脂蛋白和脂多糖，改變細(xì)胞的通透性，導(dǎo)致細(xì)胞溶解、死亡[15,16]。其特點(diǎn)為破解效率高，不產(chǎn)生有害副產(chǎn)物;處理成本高，出水水質(zhì)差，特別是出水中N、P含量高等問題操作條件需要優(yōu)化。
1.3污泥顆粒化
污泥顆�；譃楹醚躅w粒污泥和厭氧顆粒污泥兩種。好氧顆粒污泥是微生物在饑餓狀態(tài)表面變得更加疏水，有助于微生物的粘附和聚集，其次，水力剪切力和反應(yīng)器中水的流動(dòng)方式也促進(jìn)了顆粒的形成。其具有沉降性能優(yōu)異、生物量濃度高、 抗沖擊負(fù)荷和耐受有毒物質(zhì)的能力強(qiáng)等特點(diǎn);能有效處理高低濃度的有機(jī)廢水，且出水效果好;具有較強(qiáng)的脫氮除磷能力。
厭氧顆粒污泥一般為產(chǎn)甲烷菌、產(chǎn)乙酸菌和解發(fā)酵菌等構(gòu)成的自凝聚體。其能耗較高，可處理高濃度有機(jī)廢水，但出水COD較高，除氮磷的能力也有限。
2 預(yù)處理
污泥是一種膠狀結(jié)構(gòu)的親水性物質(zhì)，易形成菌膠團(tuán)和絲狀細(xì)菌，當(dāng)大量繁殖時(shí)其表面吸附大量水而使活性污泥膨脹，導(dǎo)致污泥含水率高且不易脫水。有研究得出高干度脫水可使污泥含水率從95%降至50%左右，與現(xiàn)有帶濾機(jī)和離心機(jī)相比，污泥減容可達(dá)60%左右，推廣應(yīng)用后，污泥處理成本和外運(yùn)處置成本都將大幅降低。
傳統(tǒng)的預(yù)處理的方法一般方法有濃縮、破解、調(diào)理、消化、脫水等，污泥經(jīng)過傳統(tǒng)預(yù)處理后，含水率仍在80%左右，大大加重了污泥后續(xù)的成本。因資源化是今后污泥處置的發(fā)展方向，而經(jīng)濟(jì)高效的污泥高干度脫水是污泥資源化的前提。因此，以提高污泥的脫水效率，降低后續(xù)污泥熱力干燥作業(yè)的能耗成本，經(jīng)濟(jì)高效的污泥高干度脫水技術(shù)的研究逐漸開展起來。高干脫水法主要有熱干燥法、加消石灰后機(jī)械壓濾法和電滲透脫水法。其中熱干燥法能耗大，設(shè)備體積龐大，污泥易黏在儀器壁上，傳熱受阻效率低;污泥中加入消石灰后，污泥中的水分被消石灰吸收并放出大量的熱量，使得污泥中的水分被蒸發(fā)，但該方法由于加入大量的消石灰，增加了成本且不易后續(xù)的壓濾處理。電滲透對污泥的高含水段(80%-60%)脫水效率很高，低含水率段(60%-40%)效果相對不明顯，且設(shè)備費(fèi)較昂貴。
上述污泥處理處置方法主要從破壞微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和對污泥進(jìn)行高干度脫水處理。這些方法雖能達(dá)到減少污泥體積的目的，但昂貴的費(fèi)用和引起的二次污染說明這些方法還有待進(jìn)一步研究。
3 污泥資源化利用
3.1 污泥材料與能源化利用
根據(jù)污泥的理化性質(zhì)，其資源化應(yīng)用的一般途徑非常廣泛。 表1為污泥資源化應(yīng)用的一般途徑。
表1 污泥資源化應(yīng)用特點(diǎn)
3.2 污泥最新資源化利用
因污泥含有大量蛋白質(zhì)、脂肪、多糖等碳水化合物，人們利用微型動(dòng)物捕食污泥，不但能增強(qiáng)污泥減量程度和減量穩(wěn)定性, 且由于能耗低、不產(chǎn)生二次污染, 作為一種生態(tài)工程技術(shù)而備受關(guān)注。現(xiàn)階段國內(nèi)外利用微型動(dòng)物減量污泥的研究主要集中在寡毛綱環(huán)節(jié)動(dòng)物如紅斑體蟲和體型較大的后生動(dòng)物顫蚓等。已有研究利用污泥養(yǎng)殖蚯蚓并在其體內(nèi)可以提煉出動(dòng)物所需的維生素B12等。
近年來，污泥燒制陶粒并用于建筑輕集料也得到了快速發(fā)展。張?jiān)品宓纫宰灾铺樟Ｗ鳛檩p粗集料配制輕集料混凝土，通過調(diào)整水灰比、砂率、粉煤灰摻量，配制出強(qiáng)度等級滿足CL30強(qiáng)度要求，干表觀密度<1700kg/m3的輕集料混凝土;與普通混凝土相比，具有密度小、強(qiáng)度高、保溫、隔熱、抗震性能好的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕25%左右，若用于工業(yè)和民用建筑，將具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。
污泥通過氯化鋅為活化劑，制取的污泥活性炭具有微孔容積大、吸附性能好等優(yōu)點(diǎn)。黃錚等以污泥所制備的污泥活性炭在200目粒徑下的BET比表面積3936.2419m2˙g-1，微孔總?cè)莘e1.47768 cm3˙g-1，平均孔徑12.19Å;污泥活性炭浸出液除Zn超出農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)外，其它重金屬濃度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值。通過實(shí)驗(yàn)研究張斌初步得出當(dāng)污泥含碳吸附劑的投加量不少于0.7g時(shí)，是六價(jià)鉻廢水吸附實(shí)驗(yàn)的最佳吸附條件。
解建坤對污泥活性炭的制備工藝條件和機(jī)理進(jìn)行了研究，得出與以微孔為主的商品活性炭相比,污泥活性炭屬于中孔性，具有更加開放的孔隙結(jié)構(gòu)，其可以作為一種高效、安全、經(jīng)濟(jì)和可行的商品活性炭替代品用于染料等大分子污染物廢水的處理�；罨瘎㈱nCI2起到脫水縮合的作用，使原料中的H和O以水的形式分離出來，同時(shí)，更多的C鍵合并并保留在原料中。污泥活性炭的浸出實(shí)驗(yàn)表明，污泥活性炭浸出液中幾種主要重金屬的濃度不超標(biāo),將其用于水處理是安全和可行的，從而可以實(shí)現(xiàn)污泥的資源化。
污泥熱解因其經(jīng)濟(jì)性好、二次污染小、熱解產(chǎn)物利用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)而而被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化目標(biāo)的極具潛力的處理技術(shù)，且污泥低溫?zé)峤庵蒲苌蜐u漸得到發(fā)展。污泥低溫?zé)捰图夹g(shù)已在加拿大進(jìn)行了生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn),獲得了較高的產(chǎn)油率。我國近年來采用間歇反應(yīng)釜對城市污水廠污泥直接熱化學(xué)制油的實(shí)驗(yàn)室研究表明:在250℃~300℃的反應(yīng)溫度范圍內(nèi),每千克揮發(fā)性固體(VS)可得油0.14~0.144kg，相應(yīng)有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率為70%~80%[39,40]。邢英杰等得出污泥制油的最佳條件為在溫度270℃，反應(yīng)時(shí)間75分鐘，催化劑NaCO34g/100g污泥。
3.3 污泥農(nóng)林利用
污泥是一種十分有效的生物資源，它含有大量的微生物、有機(jī)質(zhì)以及益于植物生長的N、P、K等營養(yǎng)元素，經(jīng)堆肥后腐熟污泥能夠改善土壤的理化性質(zhì)，提高土壤的肥效，并且增加了土壤中微生物的數(shù)量，改變土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)，并分別提高了土壤硝化細(xì)菌的比例、酶的活性、土壤的基礎(chǔ)肥力和土壤腐殖質(zhì)的含量。其次，污泥中含大量基本礦物質(zhì)組成與土壤相似的腐殖質(zhì).可提高土壤的陽離子交換量，改善土壤對酸堿的緩沖能力，提高土壤的保水、保肥和通透性。
污泥在園林綠化中合理施用, 既避開了食物鏈, 又為園林綠化提供了有機(jī)肥。研究結(jié)果表明污泥堆肥促進(jìn)了供試植物的生長，當(dāng)污泥施加量為9kg/m2時(shí)，月季、白蠟和扶桑的長勢最好，而國槐施用量以6-12kg/m2為最好。薛澄澤又得出污泥施用與林地對灰化土等土壤上生長的云杉和松樹生長都有顯著促進(jìn)作用，能加速樹木的生長高度和發(fā)育;在松樹、橡樹和黃楊樹等林地上，污泥施加4-6t/km2與施用化肥相比時(shí)，樹高度增加46%-489%，直徑增加50%-453%，生物量增加42%-661%。污泥施用后，森林地表枯枝落葉中氮的積累增加，且土壤中可利用的氮含量也有提高。
當(dāng)污泥應(yīng)用于農(nóng)田時(shí)，污泥堆肥對農(nóng)作物具有明顯的增長作用。歐美國家也把土地利用作為污泥處置的主要方式和鼓勵(lì)方向。國內(nèi)陳同斌等得出城市污泥復(fù)合肥較化肥能使小麥和玉米增加產(chǎn)量，兩者增產(chǎn)分別為11%-17%和11%-27%。 還有研究得出當(dāng)污泥施用量為56.25 t/ hm2 時(shí)，小麥增產(chǎn)為最大，玉米的產(chǎn)量隨施肥量的增加而增大。但污泥中的重金屬一直被認(rèn)為是影響和限制污泥堆肥與農(nóng)林用資源化的瓶頸。
3.4 污泥改良黃土利用
我國北方及西北大部地區(qū)主要以黃土覆蓋，其性質(zhì)比較疏松，多以黃灰色或棕黃色的粉土和粉沙細(xì)粒組成，質(zhì)地均一。黃土分布范圍北起陰山山麓，東北至松遼平原和大、小興安嶺山前，西北至天山、昆侖山山麓，南達(dá)長江中、下游流域，面積約63萬平方公里，占全國土地面積的6%;該地區(qū)黃土平均厚度120～200m，其黃土主要為風(fēng)成黃土，粉粒占黃土總重量的50%，土質(zhì)富含碳酸鹽、偏砂且多孔、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙度大、透水性強(qiáng)、遇水易崩解、抗沖抗蝕性弱。頻繁的水土流失極易造成土壤中有限的植物礦質(zhì)養(yǎng)分大部分丟失，形成不穩(wěn)定的、相對貧瘠的表土層。極度貧瘠的土壤對形成良好的植被極為不利。特別是長期的水土流失造成了土壤環(huán)境的退化，肥力不足，造成苗木成活率低、生長不良，已經(jīng)成為今后的發(fā)展障礙。
剩余活性污泥中含有在許多植物生長所必需的氮、磷、鉀等營養(yǎng)成分，硫、鐵、鈣、鈉、鎂、鋅、銅、鉬等微量元素和豐富的有機(jī)物和有機(jī)質(zhì)，這些營養(yǎng)物可以緩慢釋放，具有長效性。有機(jī)污泥既有肥效性，又能是土壤形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，具有水穩(wěn)定性，對土壤的改良和植物的生長均有促進(jìn)作用，因此被考慮直接施用于土壤和農(nóng)田�；谖勰嗟倪@些特點(diǎn)，把污泥施加到土壤中并研究得出，污泥的土地施用可以改善土壤的生物和物理化學(xué)性質(zhì)，明顯增加了土壤有機(jī)質(zhì)，在土壤改良、育苗、林地綠化等取得了較為明顯的效果。同時(shí)土壤施用適量污泥后，由此帶來的容重降低、孔隙度、團(tuán)聚體穩(wěn)定度、持水量以及導(dǎo)水性增加，對農(nóng)業(yè)也起到了積極的作用。通過施用城鎮(zhèn)污泥，土壤微生物的活動(dòng)加強(qiáng)和有助于土壤團(tuán)粒的形成，減少了地表徑流沖刷，增大了土壤的抗沖性。
西北黃土地區(qū)(陜西、甘肅、青海、寧夏)2010年污水總處理量為331萬t/d，污泥產(chǎn)量(含水率80%計(jì))為6.04×105t/a~1.28×106t/a。雖然污泥的出路要有填埋、焚燒、堆肥和土地利用等方式，但針對于相對落后和經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的西北黃土地區(qū)，有機(jī)污泥經(jīng)堆肥后施用于黃土是西北地區(qū)污泥的最好出路，因土壤生態(tài)系統(tǒng)有自凈作用，包括生物、物理和化學(xué)等過程(生物降解、化學(xué)絡(luò)合、氧化-還原、物理吸附等)，可以抑制污泥中一些致病生物的生長并使其失活，使污泥中大部分有機(jī)物礦化，同時(shí)還可以限制重金屬的遷移、擴(kuò)散與生物可利用特性等;同時(shí)污泥給黃土提供大量微生物、有機(jī)物和氮、磷等植物營養(yǎng)素等，不但解決了污泥的處置問題，而且有效提高黃土的有機(jī)肥效，并降低了其孔隙度、增大團(tuán)粒穩(wěn)定度、增強(qiáng)保土保水能力，最終既實(shí)現(xiàn)了控制西北地區(qū)水土流失的目的，種植植物后也起到了防風(fēng)護(hù)沙和改善生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)。把污泥添加到黃土中恰可以取長補(bǔ)短，既可實(shí)現(xiàn)黃土有效利用，又可促使西北地區(qū)污泥的資源化。將對農(nóng)業(yè)、林業(yè)及生態(tài)環(huán)境都有不可估量的意義。
4 結(jié)語與建議
污泥處理與處置是世界范圍內(nèi)關(guān)注的環(huán)境問題，任其污泥的隨意堆放，不僅會(huì)造成資源和能源的浪費(fèi)，還會(huì)污染環(huán)境，危害人類健康。隨著人們對環(huán)境和能源問題的日益關(guān)注，污泥的資源化利用也備受重視，因此，學(xué)者便探討和實(shí)踐了一些新型方法。根據(jù)西北黃土地區(qū)生態(tài)現(xiàn)狀，土壤貧瘠，肥力不足，若把高肥效的污泥應(yīng)用于黃土，不但可以實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用，還能提高黃土的肥效和保水能力，改善黃土地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。同時(shí)長期施用污泥，黃土將會(huì)積累較多的重金屬，因此，很有必要長期監(jiān)測污泥堆肥施入土壤后所含的有害成分在土壤中的行為及變化。
原標(biāo)題:污泥處理處置及資源化主流方法合集
污泥處理處置及資源化主流方法合集
