秦 學(xué)，婁曉月，李再興，薛 飛，韓永輝，白玉瑋，李 功，劉昊昀，寧 靜

（1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050000；2.天津市瑞德賽恩水業(yè)有限公司，天津300270；3.石家莊高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)供水排水公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

截至2019 年底，全國(guó)共有污水處理廠5 476座，年累計(jì)污泥產(chǎn)量3 923 萬t（按含水率80%計(jì)算），并且呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的污泥處理方式主要為衛(wèi)生填埋和焚燒技術(shù)，資源化利用率低，易產(chǎn)生二次污染。

國(guó)家發(fā)展改革委等十部委《關(guān)于推進(jìn)污水資源化利用的指導(dǎo)意見》 （發(fā)改環(huán)資〔2021〕 13 號(hào)）中明確提出“加快推動(dòng)城鎮(zhèn)生活污水資源化利用?！e極推進(jìn)污泥無害化資源化利用設(shè)施建設(shè)……因地制宜開展再生水利用、污泥資源化利用……制定區(qū)域污泥無害化資源化利用實(shí)施方案……重點(diǎn)突破污水深度處理、污泥資源化利用共性和關(guān)鍵技術(shù)裝備?！?/p>

可見，實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用，不僅是環(huán)境保護(hù)的需要，更是一項(xiàng)重大的國(guó)家戰(zhàn)略需求。

目前，城鎮(zhèn)污水處理廠污泥資源化利用方式，主要有污泥生產(chǎn)有機(jī)肥、生產(chǎn)沼氣、制備生物炭、回收碳氮磷、生產(chǎn)建筑材料等。

1 生產(chǎn)有機(jī)肥

好氧堆肥是實(shí)現(xiàn)污水廠污泥減量化、無害化和再利用的有效途徑之一，具有成本效益較高、維護(hù)費(fèi)用較低、易操作的優(yōu)點(diǎn)。

堆肥產(chǎn)品可作為園林綠化、礦山修復(fù)、沙漠化土壤改良等營(yíng)養(yǎng)機(jī)制來使用，但是污泥中含有大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)，也存在多環(huán)烴、重金屬等有毒有害物質(zhì)，需要采用一定處理手段將其去除。

朱海偉等研究?jī)呻A段共24 d 的膜覆蓋高溫好氧發(fā)酵工藝，通過調(diào)節(jié)物料含水率和C/N，經(jīng)發(fā)酵處理的污泥有機(jī)質(zhì)下降至35%左右、含水率下降至45%左右，且堆體內(nèi)部溫度維持60 ℃，8 d 以上，能夠?qū)崿F(xiàn)滅菌除雜。

Xue 等研究污泥堆肥改良劑對(duì)牡丹—土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明，土壤代謝商在堆肥用量為45%時(shí)最小，在堆肥量為15%~45%時(shí)，隨著堆肥用量的增加呈下降趨勢(shì)，在堆肥用量為45%~75%時(shí)呈上升趨勢(shì)，可見污泥堆肥用量≤45%時(shí)，對(duì)牡丹- 土壤生態(tài)系統(tǒng)具有良好的效益。

王杰等研究施用污泥肥料時(shí)，高羊茅、黑麥草和早熟禾，3 種植物葉和根對(duì)重金屬Cu 和Zn 的吸收情況，結(jié)果表明，隨著污泥肥料施用量的增加，3 種植物葉和根對(duì)Zn 和Cu 的吸收量均呈逐漸增加的趨勢(shì)，其中高羊茅葉和根的Zn 含量最高，分別為121.09 mg/kg 和164.90 mg/kg，且高羊茅對(duì)Cu的吸收表現(xiàn)出一個(gè)閾值，污泥堆肥施用量＞6%后，高羊茅對(duì)Cu 的吸收能力略有下降。

2 生產(chǎn)沼氣

厭氧消化技術(shù)，是利用厭氧菌或兼性菌降解污泥中的有機(jī)物，生產(chǎn)沼氣，同時(shí)沼液沼渣也可用作農(nóng)肥，實(shí)現(xiàn)廢棄有機(jī)物的穩(wěn)定化和能源化利用，在實(shí)際工程項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛。我國(guó)污水處理廠剩余污泥如果單獨(dú)進(jìn)行厭氧消化，存在C/N 低的問題，許多學(xué)者嘗試將污泥與廚余垃圾、豬糞等有機(jī)固體廢棄物進(jìn)行共消化，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加沼氣產(chǎn)量。

上海市白龍港城市污水處理廠，將污泥消化處理與部分干化處理有機(jī)結(jié)合，采用了8 座單池有效容積12 400 m3的卵形消化池，日產(chǎn)沼氣4.5 萬m3，年減少CO2排放約13 萬t。

Cheng 等利用高固體厭氧生物膜反應(yīng)器處理污泥和廚余垃圾共消化，結(jié)果表明，當(dāng)廚余垃圾比例為0、25%、50%、75%和100%時(shí)，COD 轉(zhuǎn)化為甲烷的比例分別為54.1%、66.9%、73.5%、91.4%和93.5%。

Klaudiusz 等開展微波預(yù)處理污泥和油菜籽餅共消化研究，結(jié)果表明，HRT 為20~ 22 d，在發(fā)酵反應(yīng)器中添加1~ 5%油菜籽餅，共消化混合物的沼氣產(chǎn)量是污泥單獨(dú)進(jìn)行發(fā)酵的兩倍，甲烷量高出10~12%。

3 制備生物炭

污泥制備生物炭是近年來迅速發(fā)展的污泥處理新技術(shù)之一，該技術(shù)是在缺氧或絕氧的條件下，經(jīng)過高溫?zé)峤猓瑢⑽勰酂岱纸廪D(zhuǎn)化為固態(tài)材料，即污泥生物炭。

由污泥制備的生物炭，具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較大比表面積、富含官能團(tuán)、含有礦物質(zhì)等特點(diǎn)，可以用作吸附劑、土壤改良劑、脫色劑和催化劑等，應(yīng)用前景廣闊。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)污泥生物炭研究越來越多，技術(shù)日益成熟。

王志樸等研究了污泥基生物炭對(duì)土壤中Cr 吸附固定的效果和機(jī)制，結(jié)果表明，污泥基生物炭可以通過離子交換、沉淀、絡(luò)合作用等方式，固定土壤中Cr，當(dāng)添加比例由1%增加到15%時(shí)，土壤中Cr 濃度由34.02 mg/kg 增加到了38.52 mg/kg。

Abhay 等研究污水污泥制備的生物炭（SSB-450） 作為吸附劑去除水溶液中的瑞馬唑亮藍(lán)R（RBBR） 的效率，結(jié)果表明，當(dāng)染料濃度從10 mg/L 增加到100 mg/L 時(shí)，SSB-450 對(duì)RBBR 的吸附率從8.56 mg/g 增加到80.6 mg/g，吸附效果良好，并且處理的殘留RBBR 無細(xì)胞毒性。

Manik 等利用污水廠污泥制備MnOx-N- 污泥炭催化劑降解過硫酸鹽（PMS），結(jié)果表明，合成的MnOx-N- 污泥炭催化劑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可回收利用，在較寬的pH 范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的PMS 分解能力。

4 回收碳及氮和磷

我國(guó)城鎮(zhèn)污水廠進(jìn)水C/N 較低，反硝化過程缺乏碳源，通常需要外加碳源（如甲醇、乙醇、葡萄糖等），來滿足生物脫氮的需要，而利用剩余污泥開發(fā)內(nèi)碳源，將其回流至生物反應(yīng)器中，可以大大節(jié)約運(yùn)行成本。同時(shí)，城鎮(zhèn)污水廠污泥中含有豐富氮、磷等物質(zhì)，也有不少學(xué)者從考慮污泥的硝化反硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為回收具有高附加值的氮和磷。

Cao 等將初沉池污泥作為生物反硝化固體碳源，結(jié)果表明，當(dāng)污泥投加量為6.0 g VSS/g N 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)完全反硝化，無亞硝酸鹽積累，硝態(tài)氮還原率最高為6.4 mg N/(g VSS·h)，與報(bào)道的可溶性碳源相當(dāng)，更重要的是，初沉池污泥減少65.3~85.1%。

王凌霄等采用磷酸銨鎂沉淀法回收剩余污泥堿解上清液中的氮、磷，結(jié)果表明，初始溶液pH 為9.15，n（Mg）：n（P） =1.78，反應(yīng)時(shí)間為25 min，PO4-3-P 及NH3-N 回收率分別為76.81% 和59.75%。

李政等采用化學(xué)水解法提取污泥中的蛋白質(zhì)，在pH 為0.5，溫度為130 ℃，水解4 h 的條件下，蛋白質(zhì)提取率提高到90%以上。

5 生產(chǎn)建筑材料

污泥除含有豐富的有機(jī)質(zhì)外，還含有鈣、鐵、鋁、硅等無機(jī)質(zhì)，與建筑材料物質(zhì)組成相似。對(duì)于重金屬含量偏高、不宜農(nóng)用的污泥，向其中添加輔助材料，經(jīng)無害化處理后可以制成建筑材料，實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用。目前，利用污泥生產(chǎn)建筑材料，主要有水泥、磚、陶粒、涂料和纖維板等。

Fahimeh 等利用市政干化污泥替代傳統(tǒng)原材料生產(chǎn)硅酸鹽水泥，污泥的添加量分別為5.0%、7.5%、10.0%和15.0%，結(jié)果顯示，硅酸鹽水泥的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間隨著污泥置換水平的增加而增加，所有生態(tài)水泥試件的抗壓和抗彎強(qiáng)度均與對(duì)照組相當(dāng)。

章維維等對(duì)杭州余杭區(qū)污水廠污泥制磚進(jìn)行可行性分析，結(jié)果表明，基于污泥干基摻比為10%，低溫段的駐留時(shí)間是造成磚塊抗壓強(qiáng)度差異的主要因素，且磚塊強(qiáng)度主要受200~300 ℃作用的影響，該區(qū)6 家污水廠污泥經(jīng)脫水處理后均可用于制磚。劉爽等以污水廠污泥、河道淤泥和粉煤灰為原料制備陶粒，結(jié)果表明，預(yù)熱溫度400 ℃，預(yù)熱時(shí)間30 min，燒制溫度1 225 ℃，保溫時(shí)間1/5 min，升溫速率10/15 ℃/min，燒制的陶粒堆積密度能達(dá)到600 級(jí)，筒壓強(qiáng)度≥0.8 MPa，吸水率＜10%，符合工業(yè)廢渣輕集料標(biāo)準(zhǔn)要求。

陳光照研究市政污泥制備建筑外墻涂料的基礎(chǔ)配方，結(jié)果顯示，污泥填料28.4%、丙烯酸707、乳液14.2%、羧甲基纖維素0.9%、流平劑0.1%、絹云母粉3.9%、乙二醇1.0%、消泡劑0.3%、眾力防水劑3.1%、石蠟乳液1.2%和水46.4%，涂料質(zhì)量達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9755-2014 對(duì)底漆的要求。

6 結(jié) 語

我國(guó)城鎮(zhèn)污水、污泥產(chǎn)量大幅增加，污泥處理處置存在巨大的市場(chǎng)空間和機(jī)遇挑戰(zhàn)。各地區(qū)應(yīng)以現(xiàn)有污水處理廠為基礎(chǔ)，因地制宜、分類施策，實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用。

對(duì)重金屬和有毒物質(zhì)含量低的污泥，可用來生產(chǎn)有機(jī)肥或者厭氧消化產(chǎn)沼氣；對(duì)不適合農(nóng)用的污泥，可采用污泥建材利用技術(shù)。

有條件的地區(qū)，根據(jù)城鎮(zhèn)污泥處理實(shí)際需要，開展污泥制備生物炭、回收碳氮磷等化技術(shù)的研究與實(shí)際應(yīng)用，以便科學(xué)、有效的處理和處置城鎮(zhèn)污水廠污泥。