張興橋，樓 飛，胡玉潔，張小芳

（1.誠邦生態(tài)環(huán)境股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院，浙江 杭州 310000）

引言

工業(yè)化和城市化的發(fā)展過程中產(chǎn)生了大量的廢水[1]，污泥是由懸浮在廢水中的功能性微生物和胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）等成分組成的聚集體，是廢水處理過程中的副產(chǎn)品。根據(jù)歐盟委員會報告（EC，2008），2008 年歐盟成員國共產(chǎn)生了超過1 000 萬t 干固體污泥，預計到2021 年污泥量將繼續(xù)增長到1 300 萬t[2]。污泥中含有大量的水分、豐富的有機質以及氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質，且具有較高的熱值，可作為一種優(yōu)質的“二次資源”[3]；同時，污泥中也富集了大量的重金屬，少量病原微生物、寄生蟲卵等多種有毒有害物質。若不加處理任意排放，將會通過大氣、地下水、地表水和土壤等介質進入食物鏈，成為危險的二次污染源，并造成嚴重的生態(tài)風險。污水處理廠使用的原污泥質量和處理工藝會影響污泥的最終特性[4]。在污水處理廠中使用各種工藝（物理、機械、化學和生物）處理廢水和污泥似乎是實現(xiàn)污泥中污染物去除的關鍵[3]。因此，妥善管理、處理和處置污泥，并使其無害化、資源化已成為污水處理領域重要的研究方向。

目前，污泥處置方法通常包括濃縮、調理、脫水、穩(wěn)定和干燥，還包括各種物理、化學和生物技術[5]，例如，衛(wèi)生填埋、焚燒、土地利用和用作建筑材料[6]等。盡管上述污泥處理處置方法大部分在我國得到了應用，但一直以來，我國對污泥處理處置的重視程度遠遠低于污水處理。近年來，國內報道了一些污泥污染事件：在中國的兩大城市北京和南京，部分污水處理廠（wastewater treatment plant,WWTP）在城市的郊區(qū)傾倒污泥，這些事件引起了公眾的極大不滿。到目前為止，污泥處理處置和管理現(xiàn)狀缺乏明確的認識，相關研究陳舊、零碎。因此，本文綜述了污泥資源化利用的現(xiàn)狀和特點，分析了污泥利用技術特點，提出了污泥資源化技術選擇建議，同時對污泥資源化利用未來發(fā)展進行了展望。

1 污泥的脫水

從WWTPs 排出的污泥由于含水量高，體積龐大，且易腐敗發(fā)臭，不利于運輸和處置，所以常常需要進行脫水。脫水可以最大限度地減少污泥體積、降低運輸成本、提高能源利用效率，甚至可以減少污泥填埋場的滲濾液產(chǎn)生[7]。此外，濃縮后污泥可利用物質的含量增加[8]，且利于污泥的后續(xù)處置和利用。然而，由于微生物聚集體的高度水化膠體結構，污泥難以直接脫水[7]。機械或熱污泥脫水技術在降低污泥體積和穩(wěn)定污泥方面發(fā)揮著重要作用。將減少的污染污泥轉移到穩(wěn)定設施而不損失有機污染物是另一個關鍵問題。WWTPs 需要仔細考慮污泥管理，因為相關成本可能占整個污水處理成本的50%甚至更多。顆粒污泥可以很容易地被機械脫水至30%～50%的固體，而生物或明礬污泥很難脫水至超過15%～20%的固體。

污泥脫水是利用壓力將水分子從污泥中擠出來的過程。螺旋壓榨機、帶式壓榨機、壓濾機、旋轉式壓榨機和離心機是污泥脫水的常用設備。在任何水-固分離過程中，水分子與固體物質的相互作用都不同，因此，水分子與固體顆粒之間的相互作用是污泥脫水的另一個關鍵因素。污泥中的水分為“結合水”和“游離水”，結合水在物理、化學上都被絮凝體所控制，而游離水不附著在固體顆粒上，很容易被簡單的重力分離。然而，間隙水被困在絮凝體結構或細胞內，可以通過粉碎絮團或細胞裂解來去除，只有少量的間隙水可以通過離心或真空過濾等機械脫水系統(tǒng)去除。結合水含量是間隙水、鄰近水和結晶水的總和，這部分水是脫水效率的主要限制因素之一，需要大量的能量。此外，污泥調理和濃縮是成功脫水操作的關鍵步驟。為了改善污泥脫水特性，必須對污泥進行適當?shù)恼{理。調理是用來改變污泥的性質，以達到有效去除水的目的。這通常是通過對污泥固體的混凝或絮凝來實現(xiàn)的，通過降低可壓縮性來改善污泥的沉降行為。污泥濃縮是利用弱機械應變或簡單的濃縮技術，如重力帶，使污泥的固體含量從2%或更少增加到最多15%。

2 傳統(tǒng)污泥處理與處置技術

2.1 衛(wèi)生填埋

傳統(tǒng)污泥處理與處置技術包括衛(wèi)生填埋、焚燒等。填埋過程中產(chǎn)生的有害浸出液，可能會通過雨水夾帶和滲漏作用污染地下水環(huán)境,污染土壤，使土地毒化、酸化、堿化。污泥衛(wèi)生填埋并不能最終避免環(huán)境污染，只是延緩了污染產(chǎn)生的時間。此外，由于超載的垃圾滲濾液系統(tǒng)會導致垃圾填埋場的壽命縮短，以及相關NH3生產(chǎn)和浸出的增加，這需要對垃圾填埋場進行長期監(jiān)測。而且對于日本或歐盟27 國等空間有限的國家來說，垃圾填埋也無法得到廣泛的應用。在歐洲，由于公眾的不滿和對有機廢物的填埋禁令，最終被填埋的污泥比例大幅下降，從2010 年的14%降低至到2020 年的7%。填埋雖然不太適合處理原始污泥，卻是處理生物固體燃燒產(chǎn)生的灰燼的合適選擇[9]。

2.2 焚燒

WWTPs 有多種處理或回收污泥的方法，包括填埋、經(jīng)處理過的污水污泥用于土地以及焚燒。污水污泥焚燒（sewage sludge incineration，SSI）是一種回收廢能，減少污泥體積和氣味，消除藥物和病原體等有機污染物的污泥處理工藝。污泥與液體部分分離后，將其脫水至約余30%的固體進行焚燒，能夠減少95%的體積。SSI 的主要排放污染物是顆粒物、汞與鉛等揮發(fā)金屬，一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫和部分碳氫化合物。這些污染物的總體濃度因WWTPs 的運營和設計選擇而異，許多污染物在WWTPs 的空氣污染控制系統(tǒng)中被捕獲。SSI 產(chǎn)生的碳排放與使用化石燃料過程中的碳排放是分開的，因此在美國，焚燒過程中產(chǎn)生的CO2不被視為額外的溫室氣體排放源[10]。焚燒過程產(chǎn)生“廢能”，可重新用作熱能或電力；以及產(chǎn)生污泥焚燒爐灰（sewage sludge incinerator ash，SSA），其中大部分目前已填埋。表1 總結了熱增值過程的條件、優(yōu)點和潛在缺點。污水處理廠根據(jù)社區(qū)和環(huán)境的需要，對是否焚燒進行本地化決策。尤其當衛(wèi)生填埋費用昂貴，或垃圾填埋場距離很遠時，可能會決定對污泥進行焚燒。對于WWTPs 本身來說，如果額外設施的空間有限或控制氣味的壓力很大，也可以考慮焚燒。然而，由于更高或更多的局部排放，焚燒可能會引起公眾的爭議。此外，焚燒使碳和氮氣化，這個過程中消除了大多數(shù)有機污染物，將磷作為主要營養(yǎng)物質濃縮在灰燼中，并降低了運輸成本和農(nóng)用土地應用所需的數(shù)量。SSA 給污水處理廠提供了將營養(yǎng)物質返回環(huán)境的機會。

表1 熱增值過程的條件、優(yōu)點和潛在缺點[15-16]

美國第一座污水污泥焚燒爐于1934 年在密歇根州建成，到1938 年有21 座焚燒爐在全國范圍內運行。美國目前有154 座焚化爐在76 個污水處理廠運行，其污水污泥焚燒技術包括爐膛焚燒爐（multiple hearth furnaces，MHFs）和流化床焚燒系統(tǒng)（fluidized bed incineration system，F(xiàn)BIs）。2011 年，美國環(huán)境保護署（EPA）根據(jù)《清潔空氣法案》最終確定了污泥焚燒裝置的排放標準，并于2016 年在所有州實施。MHF產(chǎn)生的排放量通常比法規(guī)所允許的多，因此許多裝置已被改裝或替換為FBI，從而減少了有害排放物，以繼續(xù)運行并保持合法性。FBI 的運行溫度為750 ℃，并且由于砂基在焚燒過程中充當蓄熱器，因此更加節(jié)能。此外，焚燒在亞洲部分地區(qū)很常見，包括日本、香港、新加坡和韓國。日本使用MHFs 和FBIs 的組合焚燒70%的污泥[11]。香港目前運營著世界上最大的FBIs 污泥焚燒爐，其最大容量為每天2 000 t 干污泥[12]。在中國，焚燒處理的污泥比例在0.4%～2%之間，但數(shù)據(jù)有限且不一致[13]。其中，浙江省將污水污泥與工業(yè)污泥聯(lián)合焚燒，這可能是中國焚燒廠最常見的設置[14]。

3 污泥資源化技術

3.1 土地利用

土地利用是目前最受青睞的污泥處理替代方案之一[17]。在歐盟成員國（EU27）中，大約40%產(chǎn)生的污泥用于農(nóng)業(yè)用地（EC，2008）。土地利用也是美國最廣泛使用的污泥處理工藝，大約55%的城市污水污泥最終流向了農(nóng)業(yè)用地（WEF，2010）。土地利用通常會經(jīng)過土地運輸與巴氏殺菌（EC，2002），這可以確保主要植物養(yǎng)分（即氮、磷、鉀、硫、銅和鋅）得到回收（EC，2008）。污泥中的氮、磷等主要營養(yǎng)素以有機物的形式存在，這些養(yǎng)分在逐漸分解和礦化時，能夠穩(wěn)定在植物根區(qū)。因此，與商業(yè)肥料相比，經(jīng)過處理的污泥中的營養(yǎng)物質更容易被植物吸收。此外，污泥中的營養(yǎng)物質水溶性較差，不易浸出到地下水中。

鑒于污泥的特性，工廠經(jīng)營者需要考慮一系列土地利用的潛在風險，包括對動物與人類健康的影響、對接收環(huán)境的影響以及公眾接受程度等。世界各地的環(huán)境機構都制定了嚴格的合規(guī)標準，以及管理土地利用的合理做法，例如歐盟理事會指令86/278/EEC 和修正案（EUR-Lex，1986）和美國環(huán)境保護署（USEPA）40 CFR Part 503（USEPA，2014）。EPA 40 CFR Part 503要求減少病原體和媒介的吸引力，并對9 種金屬（砷、鎘、銅、鉛、汞、鉬、鎳、硒和鋅）設置了數(shù)值濃度限值[18]。此外，美國大多數(shù)州還實施了補充方案，最大限度降低改良土壤和地下水/地表水中的生物固體風險。由于公眾越來越擔心污泥中重金屬等有毒有害物質對人類健康的影響，因此，直接土地利用逐漸減少[9]。而改良的土地利用，即污泥在最終土地利用前通過厭氧消化、堆肥或其他生物處理技術進行處理，是正在探索的一種替代方案。為了防止重金屬和其他有毒化學物質在食物鏈中潛在的生物積累，對允許使用污泥衍生肥料的作物類型有更多的限制。這些限制最終將促使土地利用處置污泥轉向利用非糧食作物，如能源作物。

3.2 污泥堆肥（好氧發(fā)酵）

污泥堆肥是一種受控的生物氧化過程，可將污泥等有機廢物轉化為穩(wěn)定、衛(wèi)生和類似腐殖質的材料，是一種實現(xiàn)污泥價值化的寶貴策略，可實現(xiàn)污泥衛(wèi)生化、將污泥轉化為增值產(chǎn)品（如有機肥）等相關效益。一般來說，有機碳經(jīng)過堆肥從而穩(wěn)定在腐殖化的有機物質中，最后混入微生物，或作為CO2排放。有機氮能夠分解為NH4-N，NH4-N 以NH3的形式揮發(fā)或氧化為NO2-或NO3-，或在腐殖質類物質中轉化為其他形式的有機氮。污泥堆肥過程由基于溫度演變的三個階段組成，包括嗜熱菌群的生長、嗜熱菌群的活化和溫度降低、嗜熱菌群再活化的成熟階段。在嗜熱階段，其溫度處于57 ℃～70 ℃之間。由于高溫，病原體被破壞，并實現(xiàn)了最大程度的穩(wěn)定[19]。此外，通常添加木屑、鋸末等其他綠色廢物作為污泥堆肥的填充劑。這些填充劑可用于增加污泥混合物中空隙的大小，以提高曝氣效率，并降低污泥的容重和含水率。污泥堆肥的通用技術包括條垛堆肥、靜態(tài)好氧堆肥、容器內堆肥等。污泥堆肥不僅是良好的栽培基質和土壤添加劑，由于含有豐富的氮磷鉀等營養(yǎng)物質，被視為緩釋肥料。因此，污泥堆肥能夠很好地實現(xiàn)污泥增值，成為市場中肥料的競爭對手。污泥堆肥作為一種典型的污泥處理處置方法已在世界范圍內得到成功應用。堆肥作為肥料具有許多優(yōu)點，例如加速植物生長、改善水分保持、改善侵蝕控制、增加土壤中的有機質等許多優(yōu)點。此外，污泥堆肥作為肥料可以提高作物對氮、磷、鉀的吸收，能夠顯著提高作物產(chǎn)量[20]。為了獲得高質量的堆肥，必須妥善管理堆肥的環(huán)境。影響堆肥性能的因素包括：均衡的養(yǎng)分配方（例如碳氮比大約為30∶1）、適當?shù)乃趾浚?0%～60%）、適當?shù)膒H 值（6～8）以及適當?shù)钠貧猓║SEPA，1995）。

此外，堆肥能夠通過各種機制成功去除污泥或受污染土壤中的有毒有害化合物，如多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯和三硝基甲苯[21]。然而，這些污染物不會完全礦化，因為它們會被吸附到堆肥基質上，或者轉化為各種中間體。許多學者調查了堆肥過程中金屬的命運，與有機化合物不同，金屬不能從堆肥系統(tǒng)中除去，而只能轉化為流動性較低的形態(tài)，從而減少對環(huán)境的有害影響。最近，一些研究調查了污泥堆肥過程中發(fā)生的有機污染物的消散及其影響因素（尤其是微生物群落）[22]。近年來，人們在優(yōu)化污水污泥堆肥材料和方法從而產(chǎn)生土壤改良劑和促進病原體和污染物的去除或消除方面做出了許多努力。大多數(shù)堆肥（82%）在實驗室進行，只有18%以工廠規(guī)模進行[23]。除了傳統(tǒng)的高溫堆肥（55 ℃～70 ℃），在少數(shù)情況下科學家們進行了超嗜熱堆肥（最高溫度高達90 ℃）[24]。不同的堆肥材料、堆肥方法和堆肥持續(xù)時間可能導致污泥堆肥過程中有機污染物的發(fā)生、分布和去除的差異，因此難以比較不同研究中有機污染物的去除效率。

有機污染物可以通過生物降解或礦化以及非生物損失（如揮發(fā)和浸出）而消散。污泥堆肥過程中有機污染物的消散或封存受它們的理化性質、堆肥方法（膨脹劑、碳氮比等）和過程（溫度以及持續(xù)時間）以及生物利用度的影響。對于一些有機污染物，尤其是亨利定律常數(shù)相對較高的污染物（如多環(huán)芳烴），在高溫污泥堆肥過程下易消散[25]；而一些有機污染物（如鄰苯二甲酸酯）能夠強烈吸附在堆肥的固體物質上，因此其揮發(fā)可以忽略不計[26]。此外，在污泥堆肥過程中，鹵化有機化合物的消散通常低于芳烴。短側鏈有機污染物的去除率通常高于長鏈有機污染物，以及低氯化同系物的去除率通常高于高氯化物。

生物降解或礦化是污泥堆肥過程中有機污染物去除或消散的主要途徑[27]。有機污染物可以降解/轉化為不太復雜的中間體，然后礦化為無機礦物，包括H2O、CO2、CH4等[28]。中等嗜熱菌群對有機污染物的微生物降解以及污泥堆肥過程中有機污染物的去除起到了至關重要的作用[29]。部分有機污染物的早期降解比后期快3 倍，降解最快通常發(fā)生在35 ℃～60 ℃的污泥堆肥[26]。有機污染物的生物降解及其效率歸因于能夠降解有機污染物的微生物屬/菌株及其活性以及有機污染物的物理化學性質。適宜的溫度促進了微生物的生長和活性的增加，特別是對于分解微生物和降解污染物的菌株或聚生體[30]。應該指出的是，雖然堆肥是處理處置污泥的一種經(jīng)濟和環(huán)保的方法：它只需要很少的外部能量投入，產(chǎn)生的堆肥可以用作土壤改良劑；然而，它的用途取決于金屬和病原體的含量，以及穩(wěn)定性與成熟度。

3.3 厭氧消化

污泥厭氧消化是指在無氧條件下，由兼性菌和厭氧菌將污泥中可生物降解的有機物分解成二氧化碳、甲烷和水等穩(wěn)定物質，同時減小污泥體積，去除臭味，殺死寄生蟲卵，回收利用消化過程中產(chǎn)生的沼氣的過程[31]。英國約66%的污水污泥和德國約90%的污泥是通過厭氧消化處理的[32]。污泥厭氧消化以其高效的能量回收和較低的環(huán)境影響是目前國際上應用最為廣泛的污泥穩(wěn)定化和資源化的處理方法。Chernichar等對使用高速率上流式厭氧污泥床反應器處理污泥進行了綜述，重點討論了從污泥中回收能量的障礙[33]。然而，在美國，只有不到10%的WWTPs 使用厭氧消化技術生產(chǎn)沼氣進行再利用。Shen 等回顧了厭氧消化技術在經(jīng)濟、技術和社會管理方面實施的困難，特別是厭氧消化器的消化率較低，成為厭氧消化工藝大規(guī)模應用的主要障礙[34]。雖然沼氣廠已經(jīng)廣泛設立，但它們的運營大多需要大量的政府資金，因此，Budzianowski[35]建議使用污泥與其他有機廢物共同消化作為原料，以克服現(xiàn)場應用中消化率不足的障礙。Kurahashi 等發(fā)現(xiàn)與單消化相比，污泥與粗甘油或微藻共消化能夠加強甲烷的生產(chǎn)過程。Xie 等回顧了關于厭氧共消化建模研究工作的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)共消化更容易受到單消化系統(tǒng)的影響，因為前者在更高的加載率下運行并且經(jīng)歷了更大的工藝參數(shù)變化。此外，Budzianowski[36]得出結論，pH 值和抑制中間體濃度的瞬態(tài)響應顯著影響厭氧消化過程中沼氣和生物固體的數(shù)量、組成以及硫、磷和氮的轉化。Yuan 等[37]詳細介紹了厭氧消化過程抑制劑控制和回收的研究，他們發(fā)現(xiàn)通過添加抑制劑，可以顯著提高污泥與其他廢物共同消化的效率。Romero-Güiza 等[38]發(fā)現(xiàn)零價鐵與三價鐵作為一種較好的添加劑，能夠用作電子供體/受體以及酶的輔助因子以增強消化。

3.4 污泥熱處理工藝

熱化學處理是一種主要的污泥處理方法，因為它為能源回收提供了途徑。與堆肥和厭氧消化等生物處理過程相比，熱化學處理過程進行得更快。在污泥處理中，水熱處理有4 個主要目標：增強厭氧消化過程；降解和去除有機化合物；減少廢物質量和體積；回收有價值的化合物。在1960 年，熱水解也以Porteous 工藝的形式出現(xiàn)，該工藝涉及在焚燒前對污泥進行熱處理以提高其脫水性[39]。Porteous 工藝在比今天的熱水解工藝更高的溫度（200 ℃）下運行，最終產(chǎn)品可以在不使用化學品的情況下脫水至40%～60%的固體含量。然而，技術問題、氣味問題和經(jīng)濟因素導致大多數(shù)工廠關閉。Cambi 開發(fā)的最新熱水解工藝是研究工作的結果，該工藝顯示了在較低溫度（150 ℃～200 ℃）下操作的優(yōu)勢。最終的工藝穩(wěn)定在170 ℃附近，這在改善脫水性和在較低溫度下實現(xiàn)的更佳的消化率之間實現(xiàn)了折中。此外，包括熱解、氣化和燃燒在內的熱化學過程能夠用于回收污水污泥中的能量含量[40]。特別是污泥熱解形成的生物炭不僅可以作為可再生資源再利用，還可以作為碳匯和重金屬的良好黏合劑[41]。Qian 等[42]使用水熱液化技術將污水污泥轉化為生物原油，通過快速加工，可以獲得具有高氫/碳、低氮/碳的燃料。Mulchandani 與Westerhoff 等[43]研究發(fā)現(xiàn)了一種新的熱化學和液體提取工藝，能夠從污泥中回收能量和金屬，同時滅活病原體和破壞有機污染物。表2 介紹了3 種典型的水熱處理方式。

表2 3 種典型水熱處理方式[44-50]

4 展望

城市污泥既是污染物又是一種資源，污泥的處理、處置與資源化利用相結合才是其最好的出路。在污泥資源化技術選擇上，需根據(jù)各地實際情況選擇合適的方案。此外，對城市污泥資源化利用的研究可以集中在污泥堆肥的大規(guī)模機械化生產(chǎn)；加強基礎研究以確定科學的施用量；制定污泥農(nóng)用安全標準；碳、磷、氮的回收和能源的再利用等方面。