城市污泥资源化利用研究进展

徐晴晴 黄春桃 杨文静 林秀弘 李超 何凌峰

(广东工业大学 华立学院，广东 广州 511325)

随着城市化进程的加深及城市污水处理率的不断上升，越来越多的生活污水通过城市地下污水排放系统汇入污水处理厂[1]，于是，将污水处理厂中日益增加的污泥进行合理处置便成为一件迫在眉睫的事[2]。近年来，随着人们对环保的重视，资源循环再生利用越来越受到关注，而城市污泥的资源化利用方法也成为城市污泥研究的新热点。将城市污泥进行资源化利用不仅能够减少污泥乱排乱放对环境造成的危害，还可实现污泥再次利用价值，为建设资源节约、环境友好型社会作出贡献。

1 城市污泥特点

城市污泥是污水处理后剩下的固体部分，一般在污水处理厂的初沉池、二沉池中产生。伴随人口城市化的发展，城市污泥产生量也越来越多。据报道，我国城镇污泥量每天可达7 500吨[3]。污泥的产生量受诸多因素影响，如污水进水量、化学需氧量、生化需氧量以及悬浮物浓度等[4]。在初沉池或二沉池中形成的城市污泥，其密度一般较小，污泥的颗粒相对细密，并且含有大量的微生物。不同污水水源产生的城市污泥组分含量差别也很大。研究表明，我国城市污泥含水量一般为75%，而国外一般为70%[5]；城市污泥中约25%含有硅、铁等；在一些处理不规范的城市污泥中还会含有大量重金属、病原微生物等有毒有害物质，因此在污泥资源化利用过程中一般需对污泥进行预处理或根据不同污泥来源对污泥利用方式进行分类[6]。

2 城市污泥资源化利用途径

结合城市污泥的特点，现阶段城市污泥的主要利用方向有作为堆肥原料、燃料、填埋场覆土、建筑材料原料等。在进行污泥资源化利用过程中不仅要考虑到经济效益，还应考虑到污泥再生产品是否会对环境产生二次污染。

2.1 堆肥

城市污泥中富含有机质，是堆肥原料的最佳选择之一。以城市污泥为基质，采用好氧或缺氧的堆肥方法可得到具有高利用价值的农业生产所需肥料。由于城市污泥密度及颗粒度都较小，现阶段利用城市污泥堆肥时一般都与作物的秸秆、养殖粪便或者生物炭混合堆肥[7-9]。堆肥过程一般需两次发酵，第一次发酵为期10天左右，第二次发酵需要30天左右。在堆肥期间，需要控制肥堆使其处于适宜的温度和湿度。堆肥过程中，若温度较高可能会影响堆体中的用于发酵的微生物的活性，造成堆肥过程加长；若肥堆湿度控制不好，会造成肥料肥效下降甚至导致堆肥失败[10]。城市污泥经成功发酵后，基本可达到质软且无臭味的状态[11]。对于一些重金属含量超标的城市污泥，不宜采用堆肥的资源化利用方法。目前，相关研究表明，采用城市污泥为原料堆制的肥料对植物生长的影响各有不同，但基本为正面促进效果。王婧等人的研究表明，施用含30%城市污泥堆制的肥料能促进合果芋的生长，同时还可具有降低土壤重金属污染风险的效果[12]。储双双等人研究污泥堆肥对黄梁木生长的影响，结果发现添加适量污泥堆肥可增加黄梁木株高、根长及总生物量[13]。徐福银等人研究污泥堆肥对菊花栽培的影响，发现施用污泥堆肥的菊花花期增加，长势也比对照组好[14]。褚艳春等人研究污泥堆肥对青菜生长影响，结果表明添加一定量的污泥堆肥可提升青菜发芽率，同时有提升青菜总生物量的作用[15]。许晓玲等人的研究表明，施用污泥堆肥会增加土壤中铜、锌含量，但大豆籽粒中的重金属并没有超过国家相关标准[16]。

2.2 燃料

城市污泥经焚烧其质和量都会发生一定改变，如焚烧可有效杀灭污泥中的病原微生物并显著减少污泥总量；污泥中含有的重金属在高温状态下更容易变成稳定态，可减少污泥给环境带来污染的风险，方便后续处理[17]。现阶段用于污泥燃烧的装置主要有污泥流化床焚烧炉、回转窑式焚烧炉等[18]。研究人员通过采用不同焚烧技术或改良污泥燃烧特性，在污泥做燃料利用方面取得良好研究成果。如郝晓地等人从经济角度将污泥焚烧技术、污泥传统处理和介入热水解预处理技术进行比较分析，发现相对其他两种技术，污泥焚烧技术运行成本最低[19]；林浚铭等人将污泥混合木屑制作成生物质燃料，并研究该燃料的燃烧特性，结果发现合理添加木屑可制造出燃烧性较好的燃料[20]；陈莉佳等人通过研究不同污泥焚烧工艺路线的碳排放总量，发现相对传统“两段式”工艺，采用污泥脱水干化一体化与焚烧工艺相结合可有效减少污泥在燃烧中的碳排放，具有推广应用价值[21]。

2.3 填埋场覆土

将污泥作填埋场覆土使用是污泥资源化利用的另一个方法。该方法具有操作技术简单、经济效益良好的特点。将城市污泥作为填埋场覆土可大量节省优质土壤，但同时也存在城市污泥中含有的重金属可能会随着雨水下渗使地下水有被重金属污染的风险。此外，污泥中含有的重金属及一些微生物还可能随地表径流进入被填埋的垃圾，对垃圾的腐化产生一定影响。但研究结果表明，城市污泥经过一定技术处理完全可达到作为填埋场覆土的标准。黄川等人采用将60%含水率的污泥用炉渣进行2∶1混合，结果发现，经过炉渣改性后的污泥其各项指标均能达到作为垃圾填埋场覆土要求[22]。杨石飞等人在室内进行污泥改性作为填埋场覆土材料的实验，初步认为将泥灰作为改性剂加入污泥中可有效减少污泥的热收缩性，并使得污泥满足作为填埋场覆土材料使用的标准[23]。徐文龙等人研究了在污泥中加入碱性和中性固化剂使其作为垃圾填埋场覆土的可行性，结果发现，使用中性固化剂使得城市污泥更适合作为垃圾填埋场覆土[24]。邹庐泉等人分析了不同固化剂比例下污泥的抗压强度、渗透系数及不同养护时间下固化产物浸出液的生化需氧量、氨氮和重金属含量，发现添加30%固化剂养护3天可使得污泥达到作为填埋场覆土的要求[25]。

2.4 制备建筑材料

将城市污泥作为建材原料是城市污泥资源化利用的另一个重要方向。传统建筑材料如砖、水泥以及纤维板等大都以土地或矿山等自然资源为原料。随着城市化的不断发展，这些自然资源被大量开采，使得可耕田地大量减少、矿山资源日益紧张。将城市污泥作为建筑材料的原料不仅可以促进污泥的无害化、资源化利用，还能够在一定程度上减少对自然资源的过度开发，具有良好的经济和社会效益[26]。目前许多聚焦在城市污泥加入添加剂制作水泥、陶粒、建筑板材以及建筑用砖等建筑材料的研究已经取得了不错成果。如马一菲通过研究发现，用生活污泥制作建筑砖可降低污泥焚烧工厂17%的运营成本[27]。高德明认为城市污泥符合建材制砖的要求，并且利用湿污泥在一定条件下制得的建筑用砖可满足国家三级砖标准[28]。林春绵等人验证了以污水污泥为原料，配加一定量给水污泥和黏土制作陶粒可行性[29]。吴正宏认为将城市污泥经过合理掺配可作为建筑装配墙体材料使用[30]。吴迪等人研究以污泥热解固体残留物为主要原料制作微晶玻璃，发现在950℃且晶化时间为60分钟时，生产出来的微晶玻璃理化性能良好且对重金属的固化效果极好[31]。

2.5 其他

此外，周磊等人将污泥直接液化用来制取生物质油，结果发现在合适条件下污泥产油率可达25.4%[32]。吴少基等人将污泥与杨木屑共热解焦制活性炭，并证明改性生物炭对苯酚有很好的吸附效果[33]。施政华等人研究了从污泥水解液提取蛋白质可行性，结果发现采用等电点沉淀法可有效回收城市污泥中蛋白质[34]。张钦明等人阐述了污泥制氢的发展前景，并指出该方法是未来污泥资源化利用的重要方向[35]。操家顺等人通过使用不同预处理方法对污泥进行处理，证明了利用污泥进行微生物燃料电池发电的可能性，并发现利用废碱渣对污泥进行预处理可提高微生物燃料电池的产电性能[36]。

3 展望

随着国家对环保的不断重视、人们环保意识的不断增强，以及科学技术的不断发展，污泥的资源化利用市场会进一步扩大，关于污泥的资源化处理的法规也会不断完善。在政府的导向作用和不断增加的城市污泥量下，城市污泥资源化利用有着巨大的发展潜力。但目前污泥资源化利用也存在一定不足，主要有以下几点：(1)城市污泥成分复杂，不经过适当的预处理，城市污泥在作为堆肥原料或填埋场覆土时可能会产生二次污染。(2)城市污泥资源优化利用行业基础相对薄弱，相关管理体系不够规范。(3)采用污泥为原料制作的一些建材产品其成本相对高，且在市场上受到的认可度较低。