秦倩， 杨厚云，2， 余丽，2， 李卫华，2， 罗涛，2， 张萍，2

（1.安徽建筑大学 环境与能源工程学院， 合肥 230601；2.环境污染控制与废弃物资源化利用安徽省重点实验室， 合肥 230601）

进入21 世纪以来， 工业化和城市化的快速发展增加了污水污泥产量［1］。 污泥中包含有机和无机物质（Al2O3、 SiO2、 MgO-CaO 等）、 多种过渡金属（Co、 Fe、 Ni 等）、 生物大分子等， 如果处理不当，将对人类健康和环境造成巨大危害［2］。 填埋、 焚烧、 厌氧消化、 土地利用等在减少污染物方面的效果有限。 因此， 污泥处理面临的挑战促使行业寻求对环境和人类有利的可持续污泥处理技术［3］。

污泥既是污染物又是一种资源， 将污泥进行资源化利用， 一方面可缓解当下剩余污泥处置的难题， 另一方面实现资源的回收与利用， 有效减少资源的浪费。 制备生物炭［4］、 水处理中的吸附材料、催化材料等［5］都是污泥资源化利用的有效途径， 也是目前污泥资源化利用研究领域的重要内容。 基于大量的文献调研， 本文在简述污泥处理、 利用现状的基础上， 提出污泥资源化的必要性， 分析了当前污泥资源化利用在制备各种材料及其应用方面的研究进展， 最后对污泥资源化利用进行展望， 为解决污泥问题提供参考。

1 国内外污泥资源化利用现状

对污泥进行资源化利用， 是针对现阶段污泥处置问题不满足社会发展需求而提出的一种有效解决方法。 迄今为止， 污泥的处置和再利用已在全球范围内得到广泛研究， 国外对污泥处理利用的研究起步比国内早几十年。 一些研究表明， 各国对污泥资源化利用方式各不相同， 主要取决于国家的经济发展水平［6-7］。 例如： 澳大利亚将75% 的污泥用于农业［8］； 日本将52% 的污泥回收用于生产建筑材料，12% 的污泥被厌氧消化以回收生物能［9］； 美国约有60%的污泥通过厌氧消化或有氧发酵转化为生物固体， 用作农业肥料等［10］。 受经济和技术条件影响，我国仍有部分地区采用填埋方式处置污泥， 因此，有必要开发一种新的污泥处置模式， 解决未来出现的环境问题， 污泥资源化即是一种很好的方法。

国内外对污泥资源化利用趋向多面化， Taki等［11］ 证明了将污泥制备成建筑材料在建筑方面的潜在利用价值， 目前世界范围内对污泥在基础设施中再利用的研究方向大致相同， 即污泥被干燥或焚烧， 然后用于制备砌块、 骨料、 水泥和其他建筑材料， 或作为添加剂掺入水泥或混凝土中［12］。 此外，污泥还可用来生产沼气， 制备生物炭用作吸附剂［13］、催化剂［14］， 生产有机肥［15］等。 众多研究表明， 污泥资源化利用是解决污泥处置问题的良好途径， 将污泥资源化制备成材料是可行的。 污泥制备成材料，实现了废物再利用， 也解决了能源短缺的问题。

2 污泥制备材料及应用

2.1 污泥制备生物降解材料

聚羟基烷酸酯（PHA）是一种天然的生物聚酯，具有完全生物降解性和类似于化学合成塑料的理化性质， 是传统不可降解塑料的理想替代品。 活性污泥中含有大量的PHA 合成菌［16］， 因此活性污泥可以用来合成PHA， 实现剩余污泥的资源化利用。近年来， 围绕活性污泥生产PHA 的基础理论研究和高效生产工艺的开发一直备受国内外的关注， 如何提高PHA 的产量是目前研究的热点。

Tu 等［17］认为较低的磷浓度促进PHA 的最大积累， 磷含量对PHA 生产的影响主要是通过将醋酸盐 转 化 为PHA 的 效 率 来 实 现 的。 Wang 等［18］在 考察DO 浓度水平对活性污泥PHA 的积累和硝化速率的影响研究中表明， 与硝化速率相比， DO 浓度对PHA 产率的提高具有促进作用， 因此， 可通过控制DO 浓度抑制硝化反应和反硝化反应， 来提高PHA 的产量。 刘煜［19］采用厌氧-限氧工艺， 以乙酸钠为碳源， 探讨用活性污泥合成PHA 的合适底物浓度和厌氧时间， 结果表明底物质量浓度为800 ～1 000 mg／L， 厌氧时间为2 h 时， PHA 合成量最大。宋冬雪［20］利用环氧丙烷皂化废水作为碳源驯化活性污泥合成PHA， 探究了乙酸、 丙酸和丁酸作为外加碳源对PHA 产量的作用， 结果表明环氧丙烷皂化废水的活性污泥菌群能够合成PHA， 并通过对各碳源产率最大值的比较得出， 乙酸可作为驯化的最适外加碳源。

上述研究结果表明， 活性污泥可合成PHA，这既可降低废弃污泥的处置成本， 也可降低PHA的生产成本， 但活性污泥合成PHA 的成本偏高，限制了其实际应用。 此外， 将活性污泥直接驯化虽然能降低污泥处理成本， 但污泥中菌群复杂， 会影响PHA 的产量。 研究人员可尝试调控污泥中菌群分布结构， 通过菌群的定向选择来富集PHA 合成菌或抑制对PHA 合成产生反作用的菌群， 进而提高活性污泥合成PHA 的产量。

2.2 污泥制备Fenton 催化材料

Fenton 法是一种处理工业废水和垃圾渗滤液的高级氧化工艺， 其缺点是中和过程中会产生大量污泥， 这些污泥需要进一 步分离、 脱水和处置［21］。Fenton 污泥的有效利用不仅会降低Fenton 工艺的总成本， 而且还大大减轻其对环境的不利影响。Fenton 污泥有多种再利用途径， 如可作为原料为类Fenton 工艺生产催化剂等。

Zhang 等［22］将Fenton 污泥 通 过 共 沉 淀 法， 在800 ℃下煅烧成磁性NiFe2O4颗粒， 作为非均相Fenton 法的高效催化剂， 结果表明， 在NiFe2O4和H2O2同时存在的情况下， 对苯酚的去除率高达（95±3.4）%， NiFe2O4在非均相Fenton 过程中展现出 良 好 的 催 化 性 能。 Guo 等［23］研 究 了 不 同 煅 烧 温度条件下的铁泥作为非均相Fenton 催化剂降解染料废水， 结果表明， 经过600 ℃煅烧的铁泥对罗丹明B 的催化性能最高， 对酸性红G 和亚甲基蓝均表现出良好的降解效果。 方庭玕等［24］用Fenton污泥制备的水热炭作类Fenton 催化剂， 在水热炭投加量为0.8 g／L， H2O2投加量为0.8 mL／L， 溶液pH 值为3 的条件下， 反应0.5 h， 对亚甲基蓝的去除率接近100%； 通过X 射线光电子能谱和X 射线衍射分析可知， Fe2＋的峰强度高于Fe3＋， 说明水热炭可将部分Fe3＋还原成Fe2＋， 生成的Fe2＋与OH-结合形成Fe（OH）2， 在类Fenton 反应中起主要作用，这与Lin 等［25］的研究结论一致。

可见， 用Fenton 污泥制备的催化剂用于促进Fenton 反应具有可行性， 为新型非均相Fenton 催化剂的制备提供了新思路。 目前有关采用Fenton污泥制备的催化剂的催化性能和稳定性评估的研究较少， 需要进一步确定。 此外， 进一步探究并提高该催化剂的循环性能也是未来研究方向之一。

2.3 污泥制备TiO2 污泥基材料

具有光催化性能的光催化剂包括WO3、 TiO2、CdS、 ZnS、 ZnO 等， 其中TiO2由于价格低、 化学稳定性好且无毒， 在许多光催化化合物中被应用最多［26］。 有研究表明在生物炭负载的催化剂中， 生物炭表面官能团能增强活性位点［27］。 在废水处理中，以TiO2／污泥炭为催化剂的光催化技术备受关注，已成为一种具有广阔发展前景的废水处理技术。

Mian 等［28］以 污 泥 和 不 同 比 例 的 纳 米 颗 粒（Fe和Ti）为原料， 在800 ℃下进行热分解得到TiO2／Fe／Fe3C-生物炭复合材料， 将其应用于亚甲基蓝（MB）降解试验， 结果表明， TiO2／Fe／Fe3C-生物炭复合材料具有优异的催化性能。 张燕京［29］以污水厂脱水污泥为原料， ZnCl2为活化剂， 采用溶胶-凝胶法和浸渍法直接负载制备TiO2／污泥炭复合光催化材料， 考察TiO2／活性炭的光催化降解丙酮气体的性能， 结果显示两步法制备的TiO2／污泥炭复合光催化材料具有更优的比表面积， 更适合吸附丙酮等有机气体， 并且对丙酮的处理效果好， 持续时间更长。 在此基础上， 朱新曼［30］以市政污泥为原料，采用相同的制备方法， 研究制备的TiO2／污泥炭复合光催化剂对头孢拉定的光解性能， 结果表明， 一步法制备的TiO2／污泥炭复合光催化材料具有较高的光催化性能。 由上述试验结果对比可知， 制备方法会影响污染物的降解速率， 对不同的污染物应选择合适的制备方法， 以发挥TiO2／污泥炭复合材料的最佳光催化性能。

上述研究表明， TiO2／污泥炭复合材料具有优良的催化性能， 能有效降解水体中有机污染物。 但制备污泥炭基光催化复合材料仍处于早期阶段， 对于污泥炭在光催化复合材料中的作用， 以及污泥炭和单一的传统光催化剂之间的内在作用机理尚不清晰， 未来应进行深入探讨。

2.4 污泥制备活性炭吸附材料

污泥制备成活性炭作为吸附材料， 因操作简单、 对目标污染物去除效果好， 在水处理领域得到了广泛应用［31-32］。

姚宏等［33］采用浓缩污泥和脱水污泥制备污泥活性炭， 作为加替沙星废水的吸附剂， 结果表明短时间内脱水污泥具有更好的吸附性能。 Guan 等［34］考察造纸污泥基活性炭（psAC）对水中低浓度Cr（Ⅵ）（10 ～100 mg／L）的吸附能力， 结果表明psAC 对低浓度Cr（Ⅵ）废水具有显著的去除效果。 谭作进［35］以污水处理厂的污泥为原料， 采用ZnCl2＋HNO3体系的活化剂制备生物活性炭， 将其和商品活性炭用于对镉的吸附试验， 比较了在最佳条件下2 种活性炭对镉的吸附性能， 结果表明生物活性炭对镉的平均吸附量更高。

由此可见， 污泥是制备活性炭的优良原料。 以污泥为原料制备活性炭， 并将其应用于水处理领域， 对水中污染物表现出优异的吸附性能。 可有效去除水中的污染物。 然而， 活性炭用于废水处理或土壤改良时可能会释放重金属和有机污染物， 对人类健康和环境的潜在影响尚不清楚。 目前污泥活性炭对实际废水处理的研究较少， 大多数研究仍处于实验室阶段， 有待进一步深入研究。

2.5 污泥制备其他复合材料

Liu 等［36］以改性工业污泥（MSU）、 Al（OH）3为载体材料， 采用溶解结晶湿除法制备污泥基复合粉末抑制剂， 考察MSU-Al（OH）3复合粉末抑制剂对铝粉爆炸的影响， 结果表明MSU-Al（OH）3复合粉末抑制剂对铝粉爆炸的影响最大。 高巧春等［37］采用造纸污泥（PIW）填充高密度聚乙烯（HDPE）制备PIW／HDPE 复合材料， 对PIW／HDPE 复合材料的吸水性能、 热性能、 阻燃性能、 拉伸性能及动态力学性能进行分析测试， 结果表明PIW／HDPE 复合材料具有良好的结合界面和拉伸性能。 孙义明等［38］以富铁污泥（FeS）为原料， 用硅烷偶联剂KH-550对其表面改性制得改性富铁污泥（KH-550-FeS），再将其填充到聚氯乙烯（PVC）中制得PVC／KH-550-FeS 复合材料， 考察KH-550-FeS 与轻质CaCO3填充量对PVC 拉伸性能、 耐热性能及流变行为的影响， 对比可得添加KH-550-FeS 有利于提高PVC 的耐热性能， KH-550-FeS 作为填料加入到PVC 中能显著增加复合材料熔体的储能模量和复数黏度。

综上所述， 污泥填充到聚合物中得到的复合材料比原材料具有更优的性能， 可继续研究污泥填充到不同聚合物中来制备复合材料， 并探究其较传统材料还未显现的性能， 从而进一步考察污泥复合材料所具有的应用优势。

3 结语

污泥资源化利用不仅缓解了当下剩余污泥处置的难题， 还实现了资源的回收与利用， 更在一定程度上缓解资源短缺问题。 传统的污泥处置方式已无法满足严格的环境保护要求， 未来的根本出路是污泥资源化和能源化。 污泥资源化的合理方法之一是将污泥制备成各种材料， 优势主要体现在以下2 个方面： ①采用污泥制备材料不仅可以实现对污泥的减量化， 且制造过程对环境产生的影响小， 更不用担心污泥中所含的重金属等对土地的危害； ②可以实现将污泥应用于制备具有使用价值的合成材料上， 从而降低污泥处理处置的成本。

目前关于将污泥制成吸附材料、 催化材料、 介孔材料等已有大量报道， 且应用涉及水处理、 农业、 建筑业等领域， 如何进一步实现污泥的资源化利用已成为学术界研究的热点， 特别是随着研究的深入， 如何将污泥制备成更加具有实用性的材料，不断拓展污泥资源化利用的范围， 以实现其更广泛的应用是今后需要重点关注的新方向。