薛红艳, 战 友, 张劲勇, 吴 鹏

(黑龙江科技大学 环境与化工学院， 黑龙江 哈尔滨 150022)

0 引 言

随着我国城市化水平的不断提高，生活污水的排放量日益增多，污水处理量也在不断增高，城市生活污水污泥产量急剧增加。据中国水网《中国污泥处理处置市场分析报告(2011版)》，到2015年末，我国脱水污泥年产量将超过2 600万t，折合干污泥约 520～780万 t/a。目前，污水处理厂污泥的处置是脱水至含水量80%左右外运[1-2]。由于含水率高、成分繁杂，污泥无害化处理、资源化利用量还不到20%。因此，城市生活污水污泥的合理利用成为环境领域的研究热点。

城市生活污水污泥中含有丰富的碳、氢、氮、磷等营养元素及蛋白等有机质，是一种可利用性极高的二次资源，可以土地利用、燃烧发电、低温热解制油等[3]。城市污泥资源化处置已被证明是最有意义且经济可行的污泥处置方法[4-5]。因此，分析研究城市污泥的理化性质及其成分是科学合理进行污泥无害化处置和资源化利用的前提条件。

本文以黑龙江科技大学生活污水处理厂脱水污泥为研究对象，对污泥理化性质及无机成分进行研究，分析污泥资源化利用途径，为城市生活污水污泥的无害化、减量化、资源化利用奠定基础。

1 实验部分

1.1 实验原料与药品

原料：黑龙江科技大学水厂带式压滤机的脱水污泥。

药品：硫酸铵，氢氧化钠，盐酸，硫酸铜，硫酸钾，浓硫酸，硼酸，磷酸氢二钠，磷酸二氢钠，磷酸二氢钾，磷酸氢二钾，碳酸钠，硫酸钾，碳酸钠，过硫酸钾，硝酸钾，重铬酸钾，磷酸，碳酸钙，抗坏血酸，钼酸铵，酒石酸锑钾。以上药品均为分析纯。

实验仪器：凯氏定氮装置一套，酸度计，922型紫外可见分光光度计(上海菁华科技仪器有限公司)，WZR-1A型计算机辅助全自动微量热计(国营长沙仪器厂)， 101-1A电热恒温鼓风干燥箱(鹤壁市仪表厂)，XL-1型马弗炉(鹤壁市仪表厂)， S4- EXPLORER型X射线荧光光谱仪(XRF，德国Bruker 公司)， D8 X射线衍射仪(XRD，德国Bruker 公司), MX-2600FE扫描电镜(SEM，英国CamScan公司)。

1.2 实验过程

(1) 泥样制备。将脱水污泥在105 ℃烘箱中烘干后压散,筛除其中异物,用粉碎机粉碎后,过孔径0.2 mm 筛,取筛下泥样,贮存于棕色瓶中备用。

(2) 污泥的工业分析。参考GB212-91《煤的工业分析方法》分析污泥的水分、灰分、挥发分；参考GB213-87《煤的工业分析方法》分析污泥的发热量。

(3) 蛋白质、总氮、有机质、总磷、pH值的测定。采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894-89)测定污泥中的总氮[6]；过硫酸钾消解-钼锑抗光度法测定脱水污泥中的总磷含量[7]；凯氏定氮法(GB/T 5009.5—1985)测定污泥中蛋白质含量；酸度计测定污泥pH值；重铬酸钾法测定污泥中的有机质含量，测定过程参考文献[8]中的方法进行。

(4) 污泥的XRF和XRD分析。采用XRF和XRD分析城市生活污水污泥泥样中除碳、氢、氧外的其他元素成分及其存在形式。

(5) 干化污泥吸湿性和扫描电镜分析。将污泥干燥至水分1.0%以下后，置于25℃、空气湿度为70%的环境中24 h，测定吸潮后污泥的水分含量。

对干化污泥采用SEM检测其表面形态特征。

2 结果与讨论

2.1 污泥工业分析结果与讨论

城市生活污水污泥工业分析结果见表1。从表中数据可以看出,污水处理厂脱水污泥含水率较高，达81.45%，这与文献报道的带式脱水工艺所得到的污泥含水率范围相符，但无法满足污泥直接填埋对含水率65%的要求[9]。因此经初步脱水的污泥不能直接填埋处理。

表1 城市生活污水污泥工业分析结果

污泥干基的灰分含量16.75%，因为黑龙江科技大学生活污泥处理过程中采用的是生物法，污泥主要成分之一是死亡的菌体中所含的蛋白和纤维素等可燃物质，污泥中还存在其他易于燃烧着腐殖质，因此污泥的灰分低，发热量较高。污泥干基弹筒发热量为18.007 MJ/kg，相当于洗选中煤的发热量。污泥的干基挥发分为70.44%，说明污泥中存在大量的易分解、易气化的物质。

由污泥的工业分析数据可以看出，初步脱水的污泥不适合直接填埋，应进一步脱水处理；因干化污泥具有较高发热量、低灰分、高挥发分的特点，干化污泥可作为燃料和气化原料。

2.2 污泥中总氮、总磷的测定结果分析

2.2.1总氮的测定结果

根据GB 11894-89中的实验步骤测定标准曲线，所得总氮质量与225、275 nm波长条件下吸光光度值见表2。根据表1数据,以m1为横坐标,ΔA为纵坐标,进行一次多项式拟合,拟合出泥样总氮标准曲线,见图1。

标准曲线回归方程y=0.002 58x+2.199，相关系数r=0.989 9。由于0

表2 总氮吸光度的测定数据

2.2.2总磷的测定结果

按照文献[4]中的实验过程，根据测定磷含量与700 nm波长条件下的吸光度绘制标准曲线，见图2。

标准曲线回归方程y=0.006x+0.006，相关系数为r=0.9955。由于0

由总氮和总磷的分析数据可以看出，污泥中的氮、磷含量适中，若用于堆肥，不但可以改善土壤的生物质循环，提高土壤结构，有利于土壤的肥力保持。但氮、磷可能随着水土的流失而进入水体，形成水体富营养化，进入地下水引起水体污染，因此选择堆肥污泥处理途径时应重点考虑污泥对水体造成的二次污染问题。

2.3 蛋白质、有机质、pH值测定结果分析

对城市生活污水污泥中蛋白质、有机质、pH值测定结果为：蛋白质含量24.65%，有机质72.98%，pH6.8。污泥的pH值为6.8，呈中性，这与我国其他城市污泥的pH范围 (6.30 ～6.91)基本一致[10]。

污泥干基中蛋白质含量为24.65%，蛋白质主要来源于菌体细胞。污泥干基有机质含量为72.98%，说明污泥含有许多的C—H有机结构的物质，主要存在形式为菌体细胞壁的纤维素和菌体蛋白等[11]。

由蛋白质和有机质含量分析数据可以看出，城市生活污水污泥是价值较高的可利用资源，可以从中提取微生物蛋白，制备动物饲料添加剂等[12-15]。

2.4 干化污泥的XRF和XRD结果分析与讨论

2.4.1干化污泥的XRF分析

对干化污泥中元素组成进行XRF分析，见表3。

表3 干化污泥元素组成分析

由表3可以看出，干污泥中金属元素有Mn、Sr、Ca、Fe、Al、K等，非金属元素主要为S、Cl、Si、P。P元素主要来源于污水处理过程中添加的磷营养源；Si的主要来源可能是污泥在污泥池中时混入了砂石等；Al则主要来源絮凝剂聚合AlCl3。而对于其他的元素则可能是污泥中微生物细胞和腐殖质中所含有的，例如细胞中大量含有的元素有Ca、Mg、S、P，微量元素有Fe、Mn、Zn、Cu等。将黑龙江科技大学污水处理厂污泥中重金属含量与国家城镇建设行业标准《城镇污水处理厂污泥处置：农用泥质(CJ/T309-2009)》[12]中重金属含量的限值相比，金属含量均值均不超过农用泥质A级泥质限值，符合我国农用泥质标准中的A级泥质。

根据检测的总氮含量，计算氮磷钾含量(N+P2O5+K2O)为39.21 g/kg干污泥，高于污泥农用时的营养学要求指标(30.0 g/kg干污泥)。

以上数据分析说明，该污泥可以用于农业堆肥。

2.4.2干化污泥的XRD分析

对干化污泥样中元素存在形式进行XRD分析，XRD衍射图见图3。

从干化污泥的XRD晶体结构测试可知：在2θ为15.99°～26.56°处出现了一个馒头峰，其他衍射峰的强度整体都比较低，说明污泥含有大量非晶体结构的C—H物质，污泥的结晶度不高2θ为26.18°的强尖峰，说明Si元素主要存在于石英SiO2中，这与XRF分析结果相符；干化污泥中含有黏土成分结构峰值，表现为2θ为23.89°、29.95°、27.58°等衍射峰体现出方解石、六方钾霞石的结构特征。

根据XRF分析可知，除碳氢外，其他元素的氧化物合计含量为42.53%，说明城市生活污水污泥中碳、氢元素含量较大，其存在形式应为蛋白体和纤维素等。

因城市生活污水污泥中含有蛋白质、纤维素、类黏土等成分， 推测其可用于型煤等工业黏结剂生产。

2.5 干化污泥吸湿性及SEM分析

2.5.1干化污泥吸湿性试验结果分析

干化污泥吸湿性实验结果见表4，结果表明，干燥后的污泥经24 h放置后，其水分含量升至12.81%。说明城市生活污水污泥应具有较发达的空隙结构和良好的吸附能力。

表4 干化污泥吸湿性测定结果

2.5.2干化污泥SEM分析

干化城市生活污水污泥的SEM扫描图见图4。从图4可以看出，干化污泥表观结构比较粗糙，具有层状结构和类孔结构，使其比表面较大。这种结构的形成原因可能是干燥过程中污泥中微生物的细胞壁破裂，细胞壁不断堆积、成孔和叠加造成的。而这种层状结构和类孔结构会使干化污泥的比表面积增大。因为城市生活污水污泥含有的大量有机物及微生物，使其具有大量的极性或非极性官能团。这些因素为城市生活污水污泥吸附的发生提供了可能。

图4 干化污泥表观结构

基于干化污泥具有较发达的孔隙结构、易吸潮的原因，推测干化污泥经过改性后可以制备干燥剂、缓蚀剂等，如将干化后的城市生活污水污泥吸附植物肥料后，为作物施肥，可以起到缓释作用，减少肥料的流失，延长肥效时间。

3 结 语

城市生活污水污泥的工业分析表明，城市生活污水污泥具有高发热量、低灰分、高水分、高挥发分的特点，可用做燃料或气化原料。

黑龙江科技大学城市生活污水污泥的蛋白质和有机质含量分别为24.75%(干重)和72.98%(干重)可用于提取微生物蛋白。

污泥的农用泥质营养学指标为39.12%，且其中无超标的重金属元素，说明城市生活污水污泥可用于堆肥。

污泥中Si、Al、Ca等元素以石英、六方钾霞石、硬石膏等形式存在，污泥中含有大的蛋白和纤维结构，说明城市生活污水污泥可用于制备粘结剂等。

干化污泥具有片层和类孔结构，可用于制备肥料等物质的缓释剂。

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