张宏哲

(1.国家安全生产监督管理总局化学品登记中心，山东青岛 2660712.中国石化安全工程研究院，山东青岛 2660713.化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266071)

剩余污泥低碳循环处理及资源化利用技术研究*

张宏哲1，2，3

(1.国家安全生产监督管理总局化学品登记中心，山东青岛2660712.中国石化安全工程研究院，山东青岛2660713.化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛266071)

对剩余污泥在稳定化、无害化、减量化和资源化处理方面的技术、研究成果进行了归纳和总结，阐述了各种技术的优缺点、相互关联性和适用性。对剩余污泥应用前景及未来工作进行了评述和展望，指出研发新型剩余污泥处理技术应着重考虑环境和健康的污泥无害化处理技术，低碳与资源化、循环利用、清洁高效应是今后研究工作努力的方向。

剩余活性污泥 减量化 稳定化 资源化 无害化

在污水处理过程中，普遍采用活性污泥法，它可以有效地净化生活污水及各种含有机物的工业废水。这种方法在污水得到净化的同时，从系统中不断分离出剩余污泥。剩余污泥是污水中污染物的浓缩，污水中30%～50%的COD、90%的磷转入剩余污泥[1]。如果剩余污泥不能妥善处理，剩余污泥中含有的持久性有机物、重金属、病毒微生物，将进入到环境中，造成二次污染，危及人类和其他生物的健康。另一方面，剩余污泥主要由微生物细胞群体和其解体产物组成，有机质含量高，可以将剩余污泥作为资源加以利用。而随着我国城市化的迅速发展，污水处理厂的数量迅速增加，污泥的产生量也将大幅增加。因此，开展污泥处理技术方面的研究具有重要的经济和社会效益[2-3]。

剩余污泥低碳循环处理和资源化利用已成为目前环境学科的难点问题。为解决剩余污泥进入环境带来的二次污染问题，应对剩余污泥进行稳定化、无害化、减量化和资源化处理处置，逐步消除和解决剩余污泥对环境的污染，同时兼顾环境生态、社会和经济效益，需找经济、合理、有效的污泥处理处置技术，最大程度地实现剩余污泥的低碳经济、循环利用。

1 剩余污泥的稳定化

剩余污泥稳定化是污泥处理工艺中的一个重要环节，也是污泥能否资源化有效利用的关键步骤。其目的是降解污泥中的有机物质，杀灭污泥中的细菌、病原体等，打破细胞壁，消除臭味，降低污泥量，稳定污泥中的有机物，使其不再孵化，避免对环境造成二次污染。目前常用的污泥稳定化技术主要有石灰稳定法、热水解处理法、厌氧消化法、好氧消化法等。

1.1 石灰稳定法

石灰稳定法能够解决污泥的臭气问题，并杀死有毒有害的病原菌。污泥的臭气来源于厌氧消化过程中产生的含有氨的化合物和硫化物，在污泥中投加石灰，形成的强碱性环境可以抑制参与臭气反应微生物的活动，甚至进一步被杀死，同时病原菌亦在强碱性条件下失去活动能力甚至死亡。

目前,石灰稳定化技术在国内外污泥处理中均得到应用。Krach等[3]进行了石灰稳定污泥臭味气体控制试验研究。结果表明，臭味气体的产生和污泥pH值有明显关系，更长的混合时间和适当的石灰添加量能有效地减少臭味气体的刺激性。污泥石灰稳定化，还可以脱去一定量的水。CaO与水反应放出大量的热，其标准生成热为1.168×103kJ/kg，当环境温度为25 ℃，石灰投配率为23%时，即可使反应系统温度迅速升至100 ℃以上，从而蒸发大量水分[4]。

石灰稳定法是一种较为简单的方法，所需基建费用不高，但是由于石灰稳定法会一定程度地增加固体物质的量，从而使处理后污泥体积增加，故污泥最终处置的费用高于其他污泥稳定化技术方法。

1.2 热处理法

热处理法既是一种稳定过程，也是一种调理过程。热处理的方法是在一定的压力下，短时间内加热污泥，破坏凝胶体结构，使污泥固体凝结，微生物絮体解体，微生物细胞破碎，细胞中的有机物质释放出来并进一步水解，以降低污泥固体和水之间的亲合力。热处理法不仅能够消毒污泥，还能去除污泥的臭味，且不加任何化学药品即可在压滤机上迅速将污泥脱水[5]。

热处理还有助于分解污泥中有机物质，特别是污泥中的挥发性物质将会大大减少，提高厌氧消化甲烷的产量，从而达到污泥稳定和减容的目的[6]。

1.3 厌氧消化法

厌氧消化法是最常见的污泥稳定化处理工艺，在厌氧条件下，污泥中的有机物被兼性菌和专性厌氧菌所降解，最终转化为CO2和CH4，达到一定的稳定程度。该过程是由多种微生物参与的复杂过程，也称为污泥的生物稳定过程[7-8]。

根据消化过程中甲烷菌对温度的适应范围，污泥厌氧消化可以分为中温(30～36 ℃)和高温消化过程(50～53 ℃)。其中，高温消化具有消化速度快、处理负荷高、反应时间短和反应器容积小等优点。高温条件对有机物的降解和病原菌的杀灭非常有效，尤其当污泥进一步作土地利用时，高温处理更为必要。但能耗相对较高，投入大，控制困难。

厌氧消化是诸多污泥稳定法中起步较早的，且近些年来进展较快，并成为欧美等发达国家污泥处理处置的主流技术之一。在欧盟，对厌氧消化技术最为推崇，69%污水处理厂建有污泥消化设施。

1.4 好氧消化法

污泥好氧消化实质上是活性污泥法的继续，在不投加其它底料的条件下，对污泥进行较长时间的曝气，使污泥中一部分的有机物质在好氧微生物的作用下进行降解和稳定的过程。污泥好氧消化的基本原理是使微生物在内源呼吸阶段进行自身氧化，微生物利用氧气分解可生物降解的有机物质及细胞原生质，转化为二氧化碳、水和氨气等，从而使污泥逐步达到稳定，同时大大减少污泥量。其目的在于稳定污泥，减轻污泥对环境和土壤的危害，同时减少污泥的最终处理量[9-10]。

温度对好氧消化的影响很大，温度高时微生物代谢能力强即比衰减速率大，达到要求的有机物去除率所需的时间短。当温度降低时，为达到污泥稳定处理的目的则要延长污泥停留时间。但当停留时间增加到某一特定值时，即使停留时间继续增加也不会对有机物的去除率有显著的提高。这个特定值与进泥的性质及其所含的可生物降解有机物的含量有关。

污泥的好氧消化过程中需要反应体系中具有足够量的空气，以保证污泥的溶解氧浓度不低于1～2 mg/L，并有足够的搅拌使污泥颗粒保持悬浮状态。在此过程中污泥的含水率应大于95%，否则搅拌效果不佳。

污泥好氧消化具有基建投资少，操作运行简单，最终产物量少，无臭味，上清液的BOD浓度较低的优点。但是在好氧消化过程中需要输入动力，故运行费用较高。

2 剩余污泥的减量化

剩余污泥处理装置的投资和运行费用约占整个废水处理厂投资及运行费用的25%～65%，巨大的投资费用严重制约着污泥处理装置的正常运行。此外，污泥产量的不断增加给后续的处理处置也带来了沉重压力，而污泥的减量化是解决污泥出路的最佳处置方法。因此在保障污水系统处理效能的前提下，开发采用适当的技术，使向外排放的剩余污泥量达到最小，从而实现从源头、工艺过程减少污泥的产量显得尤为重要[1]。

2.1 源头减量化

生物法处理污水是目前世界应用最广泛的一种处理工艺，但剩余污泥产量大是污水生物处理工艺的主要弱点。因此应从源头上降低剩余污泥的量。根据生物处理工艺中微生物代谢特性，剩余污泥的产量与微生物利用有机物合成新细胞、内源呼吸以及微型动物对细菌捕食作用有关。前一部分使剩余污泥的量增加，后两部分使剩余污泥的量减少。为此，减少剩余污泥的产量可以通过降低细菌的净合成量、增加生物体的自身氧化速率以及增强微型动物对细菌的捕食的方式来实现[11-12]。

在活性污泥工艺的污泥回流段增加一级厌氧装置作为能量解偶联池的OSA工艺，能够限制细胞获得能量，抑制细胞的生长，所以能减少污泥的产量，具有减量效果明显且无需投加化学药剂等优点得到广泛关注。利用溶胞技术，使细菌能够迅速死亡并分解成基质后再被其他细菌所利用，这样增大了细胞衰减速率，可以降低剩余污泥的产量。通过增强微型动物对细菌的捕食的方式实现污泥减量，也是利用生物学原理实现变废为宝的一种有效途径，微型动物能使污泥中干物质含量降低，污泥体积减小，达到污泥减量的目的。微型动物具有能耗低、不产生二次污染的优点。

2.2 污泥浓缩

污泥浓缩的主要目的是降低污泥含水率，减少污泥的体积以利于污泥运输及后续的处理和处置。通常初沉污泥含水率在97%以上，二沉污泥含水率在99%以上。当污泥含水率由99%降至96%时，污泥的体积可缩小到原来的1/4。污泥浓缩主要是减去污泥的间隙水，经浓缩后的污泥近似糊状，仍保持流动性[1]。

通过对各种浓缩方法的比较发现，由于污泥含固率低且有机质含量高，重力浓缩效果通常不好，所得污泥含水率一般在96%～98%之间，和重力浓缩相比，气浮浓缩、离心浓缩尽管效率高，但需要的电耗高、维护要求较高。

张方梅等[13]研究了影响污泥浓缩效率的因素，结果表明，污泥初始浓度越小，浓缩效果越明显。对污泥进行酸处理、碱处理或投加高分子絮凝剂后污泥的脱水性能也会发生变化。酸处理和投加高分子絮凝剂后污泥的脱水性能有所提高，其中投加高分子絮凝剂的效果更明显，但碱处理后会使污泥的脱水性能有所下降。

2.3 污泥脱水

污水处理厂浓缩稳定后的污泥含水率一般在95%～97%左右，近似糊状，仍保持流动性。所以污泥处理最重要的步骤就是进一步分离污泥中的水分以减少污泥体积，为污泥的运输和综合利用创造条件。通过脱水处理可以将污泥含水率降到65%～82%以下，其体积为原体积的1/4～1/13。奥兰治环保部门的研究表明，污泥的含水率在78%以下每降低一个百分点，每吨污泥的后续处理费用将减少1美元以上[14]。

在各种脱水方法中，板框压滤机是国内外最常用的方式。姚尚安等[15]研究了改进后的板框压滤机对污泥脱水率的影响，研究发现当2 MPa压力条件下压滤10 min可将污泥含水率降低至75.3%，在降低污泥含水率的同时也大幅度减少了污泥压滤所需的时间，提高了污泥压滤脱水的效率。通过添加铁系盐有助于压滤后污泥含水率的降低，当添加氯化铁3%时，可将压滤后污泥的含水率降至63.38%。

Star Polypress公司提出高效压滤机的概念是：在低成本下得到更干的滤饼，提高板框压滤机的工作压力是降低滤饼水分的重要措施，国外板框压滤机的工作压力，一般为(6～14)×10-5Pa，也可达到25×10-5Pa或者更高一些，甚至达到70×10-5Pa[16]。

3 剩余污泥的资源化

污泥既是营养物质又是能源物质，如何利用污泥中的有用成分，实现变废为宝，回收具有实用价值的物质和资源成为最近几年解决污泥问题的主要发展方向。污泥资源化，一方面能够通过适当资源化处理获得附加经济效益，减少污水厂处理总运行开支；另一方面还可避免污泥的环境二次污染。根据污泥资源化所获产品种类的不同，可将污泥资源化技术分成堆肥利用技术、能源化技术、建材化技术等。

3.1 堆肥技术

污泥作为有机肥料已普遍采用，经无害化处理的污泥含有大量有机质和矿质养分。污泥经堆肥后，病原菌、寄生虫卵等几乎全部被杀死，重金属有效态的含量也会降低，营养成分有所增加，污泥的稳定性和可利用性大大增加。堆肥后的污泥可以改善土壤理化性质、促进农林作物增产[17]。

张国占等[18]将活性污泥加热烘干、粉碎后，配入一定的氮、磷、钾制成污泥复合有机肥，并用其进行了田间试验，试验结果表明，污泥复合有机肥可提高农作物的产量，且不会引起重金属超标。污泥堆肥除可施用于农田、园林绿化草坪、废弃地等外，还可用作林木、花卉育苗基质，能降低育苗成本，有较好的经济效益、环境效益和社会效益。

3.2 能源化技术

随着技术的发展和人们观念的进步，污泥逐渐被看作是资源而并非仅仅是污染物。污泥中的有机物含有大量热值，具有能源化利用的潜力，将污泥处置甚至污水处理过程转变为能量的净产出过程逐渐引起了研究者的兴趣。

在国内，早在上世纪80年代柳丽芬等[19]就开展了污泥快速热分解研究，热解产物为煤气、轻油、焦油及可直接做锅炉燃料的半焦。污泥热解制生物炭、油和可燃气，可燃气回收燃烧可作为热解的热源，可以减少或者避免对外部热源的消耗；同时燃烧生成的烟气可以作为热源干燥污泥中的水分，实现能源的梯级化利用，最后烟气净化后排出，炭得以利用，对环境无污染，整个热解过程实现了对污泥的无害化和减量化。

3.3 建材化技术

污泥中含有的硅、铝、铁、钙等无机物与许多建筑材料常用的原料成分相近，可作为替代原料制造建筑材料。它不仅解决了污泥危害环境的问题，也达到综合利用的目的。污泥的建材利用技术已经成熟，应用前景良好，从所得建材的种类来看，污泥的建材利用大致可分为制砖、制水泥、制轻骨料、制玻璃以及制生化纤维板等[20]。

黏土是烧结砖的传统原料，研究发现，生活污泥与黏土的组成基本接近，对污泥燃烧产物作适当调整，混合必要的添加剂，便可生产出质量完全符合标准的建筑用砖。

4 结论

综上所述，国内外在剩余污泥处理方面开展了大量的研究，并已经有了一些行之有效的技术方法，污泥处理技术路线已相对成熟。同时也应当注意到，随着全球性能源危机和环境恶化的到来，节能减排、低碳经济已成为人类共同的呼声。剩余污泥处理为了应对这一要求，必须在技术上发生以下转变。

a)由传统的“污泥处理”向关心“环境和健康的污泥无害化处理”的转变。污泥中含有病原体、重金属和持久性有机物等有毒有害物质，在进行污泥处理处置时，应对所选择的处理处置方式，进行环境安全性评价，必须达到污染控制标准的要求，并采取相应的污染控制措施，确保公众健康与环境安全。

b)由被动式的污泥处理技术向以“低碳与资源化、循环利用、清洁高效”主动式污泥处理技术的转变。污泥的循环利用体现在污泥处理过程中充分利用污泥中所含有的有机质、各种营养元素和能量。污泥循环利用，一是土地利用，将污泥中的有机质和营养元素补充到土地；二是通过厌氧消化、热解炭化或焚烧等技术回收污泥中的能量。应避免采用消耗大量的优质清洁能源、物料和土地资源的处理处置技术，以实现污泥低碳处理处置。

总之，在污泥处理技术的选择上，既要考虑选用先进成熟的技术，又要考虑因地制宜。在综合考虑污泥泥质特征及未来的变化、当地的土地资源及特征、充分利用其他行业资源、经济社会发展水平等因素的基础上，确定稳妥可靠的污泥处理技术路线和方案。

[1] 戴晓虎. 国内外污泥处理处置技术比较[J]. 水工业市场, 2012(4): 15-17.

[2] 张超, 李本高, 陈银广. 影响剩余污泥脱水的关键因素研究进展[J]. 环境科学与技术, 2011(34): 152-156.

[3] Kenneth R. Krach, Baikun Li, Benjamin R. Burns, et al. Bench and full-scale studies for odor control from lime stabilized biosolids: the effect of mixing on odor generation [J]. Bioresource Technology, 2008(99): 6446-6455.

[4] 曹秀芹, 杨华, 甘一萍, 等. 污泥石灰干化作用机理及应用研究[J]. 市政水处理，2011(8): 44-48.

[5] 肖本益, 阎鸿, 魏源送. 污泥热处理及其强化污泥厌氧消化的研究进展[J]. 环境科学学报，2009(29): 673-682.

[6] 王治军, 王伟, 夏州, 等. 热水解污泥的厌氧消化试验研究[J]. 中国给水排水, 2003(19): 1-4.

[7] 李琳. 污泥厌氧消化技术发展应用现状及趋势[J]. 中国环保产业, 2013(8): 57-60.

[8] S. Hawash, N. EI Ibiari, F.H. Aly, et al. Kinetic study of thermophilic aerobic stabilization of sludge[J]. Biomass and Bioenergy，1994(6): 283-286.

[9] 彭永臻, 陈滢, 王淑莹. 污泥好氧消化的研究进展[J]. 中国给水排水，2003(19): 36-39.

[10] 张峥嵘,黄少斌. 污泥好氧消化工艺的分析与研究[J]. 化工科技，2006(14): 60-65.

[11] 冯权, 邢新会, 刘则华. 以剩余污泥减量化为目标的废水生物处理技术研究进展[J]. 化工进展, 2004(23): 832-836.

[12] 张斌, 吉芳英, 官超, 等. 污泥减量工艺OSA系统的影响因素研究[J]. 重庆建筑大学学报，2006(28): 92-95.

[13] 张方梅, 陈绍伟, 邹伟国, 等. 净水厂沉淀污泥浓缩性能初探[J]. 给水排水，2000(26): 14-17.

[14] 傅治华. 蒸汽注射加热、改善污泥脱水性能[J]. 西南给排水，2001(5): 46-49.

[15] 姚尚安, 孙同华, 瞿赞, 等. 污泥深度机械脱水的优化研究[J].环境科学与技术，2014(37): 126-131.

[16] 孙斌. 新型滚压式污泥脱水机的开发研究[M]. 北京: 北京化工大学, 2007.

[17] 刘强, 陈玲, 邱家洲, 等. 污泥堆肥对园林植物生长及重金属积累的影响[J]. 同济大学学报，2010(38): 870-875.

[18] 张国占, 方静, 仝恩从. 污泥复合有机肥的生产与应用[J]. 中国给水排水，2003(19): 66-67.

[19] 柳丽芬, 赵树昌, 邓贻钊, 等. 废水污泥快速热分解试验研究[J].环境科学，1991(2): 2-8.

[20] 涂兴宇, 朱南文, 袁海平. 污泥建材利用途径与评价[J]. 净水技术，2014(33): 30-35.

StudyontheTreatmentofResidualActivatedSludgeforLow-carbonCycleandComprehensiveUtilization

Zhang Hongzhe1,2,3

(1.SAWS National Registration Center of Chemicals, Shandong, Qingdao，266071 2.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao，266071 3.State Key Laboratory of Chemicals Safety, Shandong, Qingdao，266071)

The treatment of residual activated sludge for low-carbon cycle and comprehensive utilization has become a tough issue in the area of environmental science. The present status and new progresses of the treatment of residual activated sludge about stabilization, harmless, reduction, and utilization are reviewed. The hyphenated methods related to treatment residual activated sludge and their applicability are discussed. The potential treatments of residual activated sludge and necessary work in future are outlined briefly. It is pointed out that more work are required in terms of exploring harmless procedures, which will provide low carbon cycle and clean-effective ways for the treatment of residual activated sludge in future.

residual activated sludge; reduction; stabilization; utilization; harmless

2016-02-19

张宏哲，高级工程师，毕业于大连理工大学化工学院化学工艺专业，现主要从事功能性炭材料的制备及其在水处理的应用，化学品安全等方面的研究工作。

中国石化集团基金项目807030