华东理工大学 第学期
研究生《 能源与环境 》课程论文 2013 年 11 月
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剩余污泥资源化分析及小球藻处理污泥的应用
王璐
（华东理工大学资源与环境工程学院 上海 200237）
摘要：本文综述目前城市污水处理厂剩余污泥的处置方法，分类探讨传统的剩余污泥处理与处置，剩余污泥的能源化利用，以及处理新技术；并概括总结污泥处理处置时存在的问题以及新的解决思路。
关键词：剩余污泥；处理处置；资源化
0 前言
随着污水处理设施的普及、处理量的增加、处理标准的提高和处理功能的拓展，污泥的产生量将会大幅度地增加[1]。剩余污泥的处理费用占污水厂运行费用的25％～40％，甚至高达60％。在我国污泥处理可占整个污水厂投资及运行费用的25％～65％[2]。因此，污泥的处理与处置一直以来都是城市污水处理厂亟待解决的问题，而剩余污泥的资源化也成为能源与环境的一个重要研究方向。
1 剩余污泥的来源及特征
剩余污泥是指污水处理过程中所产生的固态、半固态及液态的废弃物，是污水处理厂的必然产物[3]。其主要来自活性污泥法的沉砂池、初沉池和二沉池，其中二沉池污泥约占80％以上。这些污泥大部分排放到工艺系统外，污泥成分复杂，对综合利用造成了很大的困难[4]。
混合液悬浮固体浓度（mixed liquor suspended solids，MLSS ），又称为混合液污泥浓度，表示在曝气池单位容积混合液内所含的活性污泥固体的总重量，用下式计算。
MLSS=Ma+Me+Mi+Mii （1）
Ma --具有代谢功能活性的微生物群体；
Me --微生物（主要是细菌）内源代谢、自身氧化的残留物；
Mi --由原污水挟入的难为细菌降解的惰性有机物质；
Mii --由污水挟入的无机物质。
2传统剩余污泥的处置方法分析
污泥处理与处置的目的主要有：稳定化、无害化、减量化、资源化。在处理污泥的同时实现化害为利、循环利用、保护环境的目的[5]。剩余污泥在浓缩、脱水、稳定等预处理后的最终处置方法可分成四类，见图1[6]。
2.1剩余污泥的土地利用
图1 剩余污泥最终处置方法 土地利用是目前发达国家使用最广泛的剩余污泥处置方法之一。根据城市污水处理厂剩余污泥的性质，其含有植物以及农作物需要的大量营养成分和微量元素，其中有机物含量约为55％一60％，其中N 、P 以有机态存在，可以缓慢释放而且肥效具有长效性。施用于农田或园林后会提高土壤有机质和氮、磷、钾等的含量，增加土壤的肥力，从而促进作物的生长，并可用于受损土壤的修复改良和制作有机复合肥。
但是剩余污泥中含有比污水中数量更多的有害物质，污泥中的这些有害物质不仅能残留在土壤中，还能被农作物吸收，有毒有机物会积累并影响人体健康[5]。由于堆肥工业受到堆肥处理量、处理周期、成本的限制，所以目前欧洲只有l ％的污泥用于堆肥，美国也只有4-5％[7]。
2.2 剩余污泥的填埋
在我国，填埋是最主要的污泥处置方式，而且多数采用混合填埋。污泥的填埋一直是最经济的一种剩余污泥处置方法，它投资少、容量大、见效快，而且对于不能资源化利用的废物，也是目前唯一的最终处置途径[8]。
但因污泥含水量高，且渗沥水属高浓度有机污水，必须收集处理以防止二次污染；填埋场压实机械工作难度加大；填埋场的卫生状况恶劣[9]。
2.3剩余污泥焚烧/热处理
污泥焚烧法是利用污泥的有机成分较高，具有一定热值等特点来处置污泥。焚烧的技术优势在于其处理的彻底性，减量率可达到95％左右，其有机物被完全氧化，重金属
（除汞外）几乎全被截留在灰渣中。干燥污泥焚烧从技术要求来说比垃圾焚烧简单，接近于劣质煤燃烧。为防止焚烧过程中产生二噁英等有毒气体，焚烧温度应高于850℃[9]。
但是焚烧一直存在以下几个问题：投资和操作费用较高；焚烧过程中产生飞灰、炉渣和烟气对环境影响大；污泥中的有用成分未得到充分利用。
2.4剩余污泥的海洋投弃
是靠海的污水处理厂将液态剩余污泥直接排海的污泥处置方法。此方法简单，在一定限度范围内利用了水体自净能力，经济费用低。但是没有从根本上解决环境污染问题，在某种程度上只是一种将污泥有陆地转移到海洋的消极方法，污泥进入水体后导致水生环境恶化[10]。随着生态环境意识的加强，人们越来越多地关注污泥海洋倾倒对海洋生态环境可能造成的影响。美国已于1988年禁止污泥海洋倾倒，1991年时全面加以禁止；日本对污泥的海洋投弃作了严格的规定；中国政府于1994年初接受3项国际协议，并承诺于1994年2月20日起不再在海上处置工业废物和污水污泥；1998年年底，欧共体城市废水处理法令（91／271／EC ）禁止其成员国向海洋倾倒污泥，在此之前，海洋倾倒曾在英国极为流行[11]。
以上污泥的处理方式，基本存在投资和运行成本较大等问题[12]，容易造成二次污染。因此，寻找更加安全合理的污泥处置和利用方式具有十分重要的意义[13]。 3 能源领域剩余污泥处置分析
3.1 污泥厌氧消化制沼气
污泥通过厌氧消化可产生沼气。沼气的主要成分是甲烷，可将其收集后用作清洁燃料。对温室效应而言，CH 4的温室效应为CO 2的25倍[14]，在处理污泥的同时，采集、利用含甲烷达50％左右的沼气，除具有一定的经济效益外，对减轻温室效应具有重大意义。因此，剩余污泥厌氧发酵产沼气，从能源以及CO 2减排的角度都有重要意义。但是目前污泥厌氧消化中有机物的沼气转化效率一般在30％～45％以下[15]，有待于开发高效的污泥厌氧消化产气技术。每立方米纯甲烷的发热量为34千焦，每立方米沼气的发热量约为20.8～23.6千焦，即1立方米沼气完全燃烧后, 能产生相当于0.7公斤无烟煤提供的热量，相当于0.7公斤汽油或0.8公斤煤油燃烧所发出的热量[16]。厌氧消化制沼气，不仅可以治理固废的污染，还有助于大气污染的治理。但是沼气的收集与净化技术需要进一步的改进，而且由于城市能源管网的限制，沼气的规模化生产与长距离运输都是需要解决的问题。
3.2 污泥低温热解制油
污泥低温热解制油技术是在300～500℃，常压或高压缺氧条件下，借助污泥中所含的重金属和硅酸铝，尤其是铜的催化作用将污泥中的脂类、蛋白质等有机物经过蒸馏和
热分解作用转化为油、反应水、非冷凝气体和碳等产物[17]，部分产物的燃烧可作前置干燥与热解的热源，剩余能量以油的形式回收[18]。
这是一种发展中的能源回收型的污泥热化学处理技术。热解所得产物燃烧可以为热解前的污泥干燥提供能量，实现能量循环，热解生成的油可用来发电。污泥低温热解制油技术既可以使污泥中的重金属被钝化，有效控制了重金属污染，并且产生的副产品可以被回收利用，但是由于剩余污泥中含有较多的蛋白质，制得的油黏度大，难以用作高品质的燃油，所以此技术还有待于改进。美、英、日等国已研究了污泥的直接油化技术，另有污泥的气化技术用以生产甲烷等，但成本过高，应用受到限制[19]。
3.3污泥生物制氢
在不同的制氢方法中，污泥生物制氢技术作为一种低成本、低能耗的绿色能源生产技术，为污泥消化稳定技术和厌氧发酵制氢技术的交汇点，具有消除环境污染和获得清洁能源的双重意义。在污泥厌氧处理过程中，污泥发酵产氢产酸是其中的一个阶段，将此过程维持在产氢阶段就可以获得清洁能源氢气。然而，污泥的连续产氢能力产氢稳定性、经厌氧发酵后的污泥对环境是否有二次污染等均有待进一步研究。污泥制氢技术利用剩余污泥中的有机质发酵制氢，耗能少，成本低，具有极大的环境和经济效益，有广阔的应用前景和发展潜力[20]。
3.4污泥制作微生物燃料电池
微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC ）是一种新型的生物反应器，是一种在电化学技术的基础上发展起来的以微生物为催化剂将储存在有机物中的化学能转变为电能的装置[21, 22]，氧化有机物和无机物的同时可形成电流[23]。微生物燃料电池可以将剩余污泥中的化学能转化为清洁的电能，为污泥资源化提供了新的思路[24]。
4 剩余污泥处置新技术分析
4.1提取蛋白质用于生物资源化
蛋白质是剩余污泥中有机物的主要组成部分，其主要成分是氨基酸等含氮物质。对污泥进行处理后提取蛋白质可作为氮源用于微生物的培养，还可作为泡沫灭火剂的主要原料[13]。但是其要求条件苛刻工艺复杂，目前只停留在实验室阶段。
4.2发酵合成生物制剂
传统的污泥发酵是在厌氧条件下进行，通过调控发酵条件，还可以以污泥为基质合成得到不同生物制剂，如聚羟基烷酸酯(PHAs)是生物合成的环境友好塑料，短链脂肪酸（尤其是乙酸，丙酸）是强化生物除磷过程中最易于利用的碳源。聚羟基烷酸(PHA)是许多原核生物在不平衡生长条件下合成的胞内能量和碳源贮藏性物质，是一类可完全生物降解、具有良好加工性能的新型热塑材料。1974年有人从活性污泥中提取到PHA ，为利用活性污泥生产PHA 奠定了基础[25]。至今人们研究发现多种底物的使用可以从根本上降低PHA 的生产价格，使底物的选择从昂贵的单一底物转向了低廉的混合底物，
使碳源丰富的工业废水、市政污水和有机废料的利用成为可能。剩余污泥能有效提取PHA ，从而为可生物降解塑料的合成提供了可能，不失为一以废治废之法[26]。
4.3 制备生物吸附剂
剩余污泥中含有大量有机物及微生物使其具有大量的官能团，为吸附提供了众多的吸附点；此外剩余污泥的胞外聚合物是微生物细胞分泌的粘性物质，主要成分包括蛋白质、多聚糖、核酸和脂类等，这种组成使其可以通过带负电的配位基同金属离子相互作用而吸附重金属[27]。对于含碳较多的生化污泥，可在高温下通过化学途径将其制成吸附剂。在日本，以脱水污泥滤饼为原料开发出了高性能活性炭，在500～600℃下碳化脱水，经酸洗除杂质，再用碱活化。污泥制成的活性炭对难处理的农药废水COD 去除率很高，是一种性能优良的有机废水处理剂。但是，这种方法成本较高，技术还不是很成熟，目前多处于实验阶段，商业化应用较少[10]。
4.4活性污泥作粘结剂
我国有数千家小型合成氨厂，其中绝大多数采用粘结性较强的白泥或石灰做气化型煤粘结剂，这类型煤被称为白泥型煤或石灰炭化型煤。白泥型煤生产工艺简单，但气化反应性差。石灰炭化型煤气化反应好，但成型工艺复杂，成本高。为此，寻找一种粘结性高、成本低、型煤气化反应性好的粘结剂一直是一个重要课题。活性污泥本身具有一定热值，又有一定的粘结性。以它做粘结剂，可改善高温下型煤的内部孔结构，提高了型煤的气化反应性，提高了炭转化率；同时，污泥的热值也得到了利用[28]。
4.5 用于建材领域
利用干污泥制砖可使污泥中的有机质和硅酸盐黏土矿物得到全部利用，每克有机质可带入左右的热值，若全部得到有效利用，可节省部分燃煤；硅酸盐黏土矿物替代部分黏土或页岩，制成生物砖有一定的节土效果。另外污泥中含有大量的灰分，尤其是混凝法处理废水的污泥中含有大量的铝铁成分，是建筑材料可用的添加剂把污泥干化磨细后，添加一定量的石灰，按（质量比）配合，控温焚烧可制得生物水泥。利用剩余污泥还可以制造生化纤维板轻质陶粒熔融材料微晶玻璃等建筑材料但目前污泥制备建材成本高，并且制备技术还不完善，有待于进一步的研究和推广[29]。
5 结论及建议
5.1 结论
综上所述，污泥的处理与处置方法在不断的进步，传统的方法虽然应用广泛但是存在许多缺点；新技术虽然取得了更好的利用效果，但是其推广和应用受到了各种现实因素的阻碍，目前停留在实验室阶段；而剩余污泥的资源化目前正处于市场推广与工程上放大的上升期，其不但解决了能源的出路问题，又产生了新的能源，在21世纪的能源大战中具有广阔的前景和研究意义。
5.2 建议
对于剩余污泥的处理与处置有以下几点建议：
（1）采用新的废水处理技术，尽量在源头上减少污泥的产生，对污泥进行源头上的控制。
（2）剩余污泥的处理与处置应向着资源化的方向发展，不仅可以解决废弃物的处置，更可以产生能源再次利用。
（3）污泥成分的不确定性与有毒有害物质的最终处理仍是污泥处理与处置的技术难点，今后可进一步研究分离污泥组分的有效分离，更有利于“三化”的进程。
（4）将工业废水与市政废水分开处理，既有利于工业废水剩余污泥中有效成分的回收利用，又有利于提高市政污水剩余污泥的生物利用的安全性，进一步减少合流处理带来费用的提高。
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