城市污泥处理处置技术及资源化利用研究

城市污泥处理处置技术及资源化利用研究陈苏1,2,3，孙丽娜1，孙铁珩1,2*，晁雷2,3（1.沈阳大学环境工程重点实验室，沈阳100041；2.中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳110016；3.中国科学院研究生院，北京100039）【摘要】城市污泥的产量巨大并且成分复杂，如何对城市污泥处置与利用已成为人们所关注的问题。污泥是有用的生物资源，如能合理利用则不仅能变废为宝，还能增加经济效益，所以，探讨适合我国国情的有效处理处置和利用污泥的技术具有重要的现实意义。本文对城市污泥的特性、国内外处理、处置技术和污泥资源化技术的现状进行了分析，认为对污泥进行资源化利用是符合我国国情的一种经济、有效的途径，污泥的资源化利用尤其是农业利用不但可以节省大量的污泥终端处置费用，更可以为肥力低下的农田增添有机质、提高肥力，促进农业生产发展、实现农业生态环境的良性循环。关键词:城市污泥；处理；处置；资源化中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1008-8873(2006)04-375-04ThedisposaltechniqueandcomprehensiveutilizationofmunicipalsludgeCHENSu1,2,3,SUNLi-na1,SUNTie-heng1,2∗,CHAOLei2,3(1.KeyLaboratoryofEnvironmentEngineeringofShenyangUniversity,Shenyang100041,China;2.InstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China;3.GraduateSchoolofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)AbstractTheproductivityofmunicipalsludgeisveryhugeanditscompoundsarecomplex.Howtoprocessthemeffectivelyhasattractedmuchattention.Sludgeisausefulbiologyresourceanditcouldbeturnintopreciousmaterialsfromwasteandimprovebenefitifwemakegooduseofit.Thus,itissignificanttodiscusstheeffectivetechnologytodisposeandutilizesludgeaccordingtotheactualconditionofourcountry.Thispaperanalyzedthecharacteristicsandthepresentdisposaltechniqueofmunicipalsludge.TheauthorbelievedthatthecomprehensiveutilizationofsludgewasaeconomicalandeffectivewayinChina.Especiallytheagricultureutilizationofsludgecansaveplentyofdisposalexpensesandaffordnutrienttobarrensoil.Furthermore,itwillimprovethedevelopmentofagricultureandkeepanexcellentcirculation.Keywords:Municipalsludge;Treatment;Disposal;Comprehensiveutilization随着我国社会经济和城市化的发展，城市污水的产生及数量在不断增长。根据有关预测[1]，我国城市污水量在未来20年还会有较大增长，2010年污水排放量将达到4.4×1010m3·d-1。目前，我国年产干污泥近3×106t[2]，随着国内污水处理事业的发展，污水处理厂的总处理水量和处理程度的不断扩大和提高，所产生的污泥量也将日益增加。大量的污泥未能得到及时、合理的处理而成为污水处理厂沉重的负担。污泥中还含有大量的N、P、K、Ca及有机质，且N、P以有机态为主，可以缓慢释放，具有长效性。污泥是有用的生物资源，如能合理利用则不仅能变废为宝，还能增加经济效益，所以，探讨适合我国国情的有效处理处置和利用污泥的技术具有重要的现实意义[3]。1污泥的成分、特性和分类污泥是污水处理的产物，成分很复杂，它包括混入生活污水或工业废水中的泥砂、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物、重金属元素和盐类、少量的病原微生物、寄生虫卵等综合固体物质[4]。污泥的主要特性是含水率高（可高达99%以上），有机物含量高，容易腐化发臭，并且颗粒较细，比重较小，呈胶体液状。污泥的分类方法有很多。按污泥的性质，可将其分为有机污泥和沉渣；按污水的处理方法可分为：①初沉污泥②活性污泥③腐殖污泥④化学污泥；依据污泥的不同产生阶段可分为：①生污泥②消化污泥③浓缩污泥④脱水干化污泥⑤干燥污泥。2污泥的处理新技术当前国内外各污水处理厂的污泥处理方法主要有调理、浓缩、脱水、干燥、消化、堆肥等[5]。这些方法在工程实践中不断的暴露出一些缺点和不足，于是又有一些新的污泥处理方法被应用到实践中。2.1污泥湿式氧化法湿式空气氧化技术(WO法)是将污泥置于密闭反收稿日期：2006-07-21，2006-08-20接受基金项目：国家自然科学基金（20477029）；国家重点基础研究发展规划（973）项目（2004CB418506）。作者简介：陈苏，（1979—），女，博士研究生，主要从事污染生态学研究。E-mail:[e-mail]∗通讯作者.生态科学2006年8月第25卷第4期ECOLOGICSCIENCEAug.,2006,25(4)375～378应器中，在高温高压条件下通入空气或氧气作氧化剂，按浸没燃烧原理使污泥中有机物氧化分解，将有机物转化为无机物的过程。该法主要适用于处理各种难降解的有机污泥[6]，缺点是设备复杂，运行和维护费用高。2.2蚯蚓处理污泥波兰的BnrskO和Zambrow利用蚯蚓有效地处理废水筛余物和污泥，得到一种无气味、类似腐殖质且含有高营养的蚯蚓肥料。余德等利用蚯蚓净化处理长沙污水厂的消化污泥，效果良好。经过蚯蚓净化处理，污泥中的Cu、Zn、Ni含量均有明显降低；污泥经处理后转变为无臭、疏松、高效的有机颗粒肥料，但处理污泥后的蚯蚓体内有重金属富集，因此不宜作为饲料以免进入人体食物链[7]。2.3膜生物反应器膜生物反应器是指将膜分离技术中的膜系统与污水生物处理工程中的生物反应器相互结合而成的新工艺。膜生物反应器中污泥的停留时间很长，甚至可避免排泥，但是膜的堵塞和膜材料价格问题限制了该方法的推广应用。2.4污泥酸化污泥酸化是基于剩余污泥有机物含量高的特点而开发的处理方法[3]。其基本原理是将剩余污泥水解酸化后返回到废水处理系统中一同代谢，从而达到减少或基本无污泥排放的目的[8]，该方法正处于探索阶段。2.5污泥人工湿地处理技术污泥人工湿地处理技术是一种新型污泥处理技术，它是集污泥浓缩、脱水、降解于一体，可以大量节减基建投资和运行费用。据报道，丹麦采用人工湿地芦苇床系统进行污泥脱水与矿化处理，污泥由于脱水及矿化在床中减少率年平均为90%及96%。StevenT.等曾分别采用垂直流湿地和水平流湿地对水产业污泥进行稳定研究，结果表明两种湿地对污泥均具有较好的稳定作用[9]。该处理技术对污泥处理起主要作用的成分是人工基质、微生物和植物[10,11]。人工基质为微生物的生长提供稳定的依附表面，为耐水耐污植物提供载体和营养物质，并通过一些物理和化学途径降解污泥；耐水耐污植物除直接吸收利用污泥中的营养物质及吸附、富集一些有毒有害物质外，还有输送氧气到根区和维持水力传输的作用；微生物的代谢作用是污泥中有机污染物降解的主要机制[12,13]。同时它们相互联系，互为因果，形成一个系统，示意图如图1所示。Slope30°1—芦苇等，2—床体，3—排水管1—reedetal.，2—bed，3—drainpipe图1污泥湿地处理工艺立面图Fig.1Profilechartofsewagewasteconstructedwetlanddisposal3污泥的处置不论用何种方式处理污泥，处理后的污泥处置都是必须要面对的问题。当前国内外污泥的处置方法主要有3种：卫生填埋；污泥焚烧；污泥投海。3.1卫生填埋卫生填埋操作简单，投资费用较小，处理费用较低，适应性强，但是其侵占土地严重，如果防渗技术不够，将导致潜在的土壤污染和地下水污染[14]。在我国，卫生填埋也是主要的处置方法。由于渗滤液对地下水的潜在污染和城市用地的减少等原因，卫生填埋的处理技术标准要求越来越高，许多国家和地区甚至坚决反对新建填埋场。1992年欧盟大约40%的污泥采用填埋处置[14,15]，近年来污泥填埋处置所占比例越来越小，例如英国污泥填埋比例由1980年的27%下降到1995年的10%。3.2污泥焚烧污泥中含有一定量的有机成分，经脱水干燥的污泥可用焚烧加以处理，从而使有机物全部碳化，杀死病原体，昀大限度地减少污泥体积。但是其缺点在于处理设施投资大，处理费用高，同时有机物焚烧会产生有毒物质[16]。在国外，特别是西欧和日本已得到了广泛的应用，在日本，污泥焚烧处理已经占污泥处理总量的60%以上，欧盟也在10%以上。在我国由于其一次性投资和处理成本大、焚烧烟气需进一步处理等问题而一直未得到广泛应用。3.3污泥投海这是一种操作简单而经济的处理方法，但是，随着生态环境意识的加强，人们越来越多地关注污泥投海对海洋生态环境可能存在的影响。美国于1988年已禁止污泥海洋倾倒，并于1991年全面加以禁止；日本376生态科学25卷对污泥的海洋投弃做了严格的规定；中国政府于1994年2月20日起不在海上处置工业废物和污水污泥[1]。4污泥的资源化利用从经济的发展、资源的开发利用、城市生态环境的保护等方面来看，城市污泥处置的理想出路应该是资源化利用，加强城市污泥资源化利用的研究与实践，解决污泥处置中的难题，避免城市生态环境污染，节约处置费用，变废为宝，使之具有良好的生态效益、环境效益、经济效益和社会效益，是城市可持续发展的必然要求和发展趋势[17]。4.1污泥农用资源化据1996年资料报道，世界上12个发达国家对污泥的处置：45.3%为土地利用（包括农业、林业、牧草、花卉等），38%为填埋，10.5%为焚烧，6.0%为排海[14]。从发展趋势看，欧美、日本等国家将越来越重视污泥土地处理，包括农用、林用等。污泥农用投资少、能耗低、运行费用低，其中有机部分可转化成土壤改良剂成分，因此被认为是昀有发展潜力的一种处置方式[18]。污泥应用于农田、菜地、果园、林地、草地、市政绿化、育苗基质及严重扰动的土地修复与重建等,研究表明[19,20]，施用污泥或污泥堆肥栽种水稻、玉米、小麦、棉花、蔬菜等作物，植株的生长状况、产量和品质明显比不施肥好，与施用化肥或优质农家肥相当，甚至更好。施用污泥或污泥堆肥能明显改善土壤的物理性质，如有利于团粒的形成和提高团粒的水稳定性和保水能力等。施用污泥或污泥堆肥，还能明显改善土壤的化学性质，如能显著地提高土壤磷、钾（全量和有效态）和有机质的含量等[21]。在城市园林绿化中，施用污泥或污泥堆肥，绿化效果相当显著，与施化肥或其它商品有机肥相比，效果相当甚至更好。树高、灌木的花期、开花量(数量及大小)等都明显增大[22,23]。我国是一个农业大国，若污泥采用先进技术处理后作为肥料或土壤改良剂，不但可以节省大量的污泥终端处置费用，更可以为肥力低下的农田增添有机质、提高肥力促进农业生产发展、实现农业生态环境的良性循环。因此，污泥的土地利用是一种符合我国国情的处置方法。但由于城市污水厂污泥中含有某些