研究：西北地区剩余污泥出路及其对黄土改良的可能性
在传统污泥处理与处置方法应用的同时，一系列新兴的污泥处理工艺方法渐渐推广，大致可分为源头减量、预处理和资源化利用三个方面。污泥处理应当遵循减量化为主，资源化末端处置为辅的原则。采用减量化技术的前提是不影响污水的正常处理。虽然污水处理厂可通过新方法从源头控制污泥的产量，但每年仍有大量的剩余活性污泥产生，且经过预处理后，污泥体积仍就非常庞大。因此，很有必要对剩余活性污泥进行资源化利用，本文结合西北黄土地区土质的特点和污泥中含有有机质、氮、磷、钾及铁、锰、锌等微量营养元素，探讨西北地区污泥的出路和施用于黄土对黄土改良的可能性。1源头减量
城镇污水处理厂污泥处理工艺的选择应同污水处理工艺和污泥处置技术统筹考虑，应优先选择污泥源头削减污水处理工艺，降低城市污水处理厂总体运行费用和能耗，减轻末端污泥处置的负荷，缓解污泥在处理和处置过程所带来的环境污染问题。目前污泥源头控制的方法主要有解偶联代谢，隐性生长和污泥好氧颗粒化三种方法。
1.1 解偶联
解偶联的作用机理是使氧化和磷酸化脱偶联，氧化仍可以进行，而磷酸化不能进行，使分解代谢和合成代谢不能同时进行，微生物仍能正常分解底物，但其自身合成速度减慢，污泥表观产率降低。解偶联来源于英国生物化学家米切尔（P.Mitchell）在1961年提出的“化学渗透学”假说，即生成ATP的氧化与磷酸化之间起偶联作用的是H+的跨膜梯度。解偶联的方式主要有解偶联剂和好氧-沉淀-厌氧工艺两种方法。
解偶联剂为离子载体或通道，能增大线粒体内膜对H+的通透性，消除H+梯度，因而无ATP生成，使氧化释放出来的能量全部以热的形式散发。解偶联的方式主要有解偶联剂和好氧-沉淀-厌氧(OSA)工艺两种。目前研究较多的解偶联剂有氯代酚，硝基酚，氨基酚、甲基酚和四氯水杨苯胺等。其具有改变微生物生态结构、污泥膨胀性能和沉降性能；但微生物可产生抗性，或者产生降解偶联剂的分解酶，从而使解偶联剂失效；较难生物降解的解偶联剂,将会给污水水处理带来新的污染。
Westgarth等首次报道了在污泥回流过程中增加一个厌氧段可减少一半剩余污泥，即好氧-沉淀-厌氧(OSA)工艺，是给微生物提供一个好氧、厌氧的交替生长环境，使细菌在好氧阶段所获的ATP不能立即用于合成新的细胞，而是在厌氧阶段作为维持细胞生命活动的能量被消耗，从而减少微生物的表观产率系数而达到污泥减量的目的。OAS具有污泥产量低、污泥沉降性能好，对COD和磷的去除效率高等优点，但对污水中氮的去除效果较差。
1.2 隐性生长(溶胞技术)
隐性生长又称溶胞技术，其有机械（如超声波或微波辐射）、化学(如以O3、ClO2、H2O2 氧化)等方法。机械法的机理是超声波机械剪切力和自由基氧化作用破坏了污泥细胞壁和絮体的结构，细胞内含物溶出而进入水相，从而改变污泥的沉降性能和可生化性，还提高了污泥的脱水性能。其特点为溶解性CODCr显著增加；无污染、能量密度高、分解速度快、简便灵活且高效等优点；但作用体积较小，适用于小规模操作，超声波处理污泥的比能耗较高。
化学方法的机理为强氧化剂首先作用于细胞壁、细胞膜，使其构成成份受损而导致新陈代谢障碍。Yasui等首先提出将剩余污泥用臭氧氧化后返回到曝气池的方法，可以从总体上实现污泥减量化；即臭氧继续渗透，穿透膜而破坏膜内脂蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，导致细胞溶解、死亡。其特点为破解效率高，不产生有害副产物；处理成本高，出水水质差，特别是出水中N、P含量高等问题操作条件需要优化。
1.3污泥颗粒化
污泥颗粒化分为好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥两种。好氧颗粒污泥是微生物在饥饿状态表面变得更加疏水，有助于微生物的粘附和聚集，其次，水力剪切力和反应器中水的流动方式也促进了颗粒的形成。其具有沉降性能优异、生物量浓度高、 抗冲击负荷和耐受有毒物质的能力强等特点；能有效处理高低浓度的有机废水，且出水效果好；具有较强的脱氮除磷能力。
厌氧颗粒污泥一般为产甲烷菌、产乙酸菌和解发酵菌等构成的自凝聚体。其能耗较高，可处理高浓度有机废水，但出水COD较高，除氮磷的能力也有限。
2 预处理
污泥是一种胶状结构的亲水性物质，易形成菌胶团和丝状细菌，当大量繁殖时其表面吸附大量水而使活性污泥膨胀，导致污泥含水率高且不易脱水。有研究得出高干度脱水可使污泥含水率从95%降至50%左右，与现有带滤机和离心机相比，污泥减容可达60%左右，推广应用后，污泥处理成本和外运处置成本都将大幅降低。
传统的预处理的方法一般方法有浓缩、破解、调理、消化、脱水等，污泥经过传统预处理后，含水率仍在80%左右，大大加重了污泥后续的成本。因资源化是今后污泥处置的发展方向，而经济高效的污泥高干度脱水是污泥资源化的前提。因此，以提高污泥的脱水效率，降低后续污泥热力干燥作业的能耗成本，经济高效的污泥高干度脱水技术的研究逐渐开展起来。高干脱水法主要有热干燥法、加消石灰后机械压滤法和电渗透脱水法。其中热干燥法能耗大，设备体积庞大，污泥易黏在仪器壁上，传热受阻效率低；污泥中加入消石灰后，污泥中的水分被消石灰吸收并放出大量的热量，使得污泥中的水分被蒸发，但该方法由于加入大量的消石灰，增加了成本且不易后续的压滤处理。电渗透对污泥的高含水段（80%-60%）脱水效率很高，低含水率段（60%-40%）效果相对不明显，且设备费较昂贵。
上述污泥处理处置方法主要从破坏微生物的细胞结构和对污泥进行高干度脱水处理。这些方法虽能达到减少污泥体积的目的，但昂贵的费用和引起的二次污染说明这些方法还有待进一步研究。
3 污泥资源化利用
3.1 污泥材料与能源化利用
根据污泥的理化性质，其资源化应用的一般途径非常广泛。 表1为污泥资源化应用的一般途径。
表1 污泥资源化应用特点
资源化类型污泥特点产品特点
制型煤大量有机物，发热量高，粘结性能好。热值高，抗压强度、热稳定性好，成本低，无污染，着火点低、温度高、起火快等优点。
制建筑用材污泥经焚烧后，灰渣中含有灰为SiO2，CaO，Al2O3和Fe2O3等普通硅酸盐水泥的组分。重量轻、节能、保温等优点，并且光洁度、砖体强度均高于一般黏土砖，放射性指标完全符合国家标准。
制有机肥含有N、P、K等营养元素以及丰富的有机物。经济有效且重金属等污染物含量符合国家标准。
饲料添加剂含有大量的粗蛋白、纤维素、脂肪酸等有价物质以及几乎所有家畜饲料所需的氨基酸。各种氨基酸之间相对平衡
制沼气含大量有机物、微生物及其所需的各种营养。CH4含量约占40%-50%，发热量高。
焚烧发电含有大量可燃烧的有机物和定量纤维木质素。清洁，无污染。
3.2 污泥最新资源化利用
因污泥含有大量蛋白质、脂肪、多糖等碳水化合物，人们利用微型动物捕食污泥，不但能增强污泥减量程度和减量稳定性, 且由于能耗低、不产生二次污染, 作为一种生态工程技术而备受关注。现阶段国内外利用微型动物减量污泥的研究主要集中在寡毛纲环节动物如红斑体虫和体型较大的后生动物颤蚓等。已有研究利用污泥养殖蚯蚓并在其体内可以提炼出动物所需的维生素B12等。
近年来，污泥烧制陶粒并用于建筑轻集料也得到了快速发展。张云峰等以自制陶粒作为轻粗集料配制轻集料混凝土，通过调整水灰比、砂率、粉煤灰掺量，配制出强度等级满足CL30强度要求，干表观密度<1700kg/m3的轻集料混凝土；与普通混凝土相比，具有密度小、强度高、保温、隔热、抗震性能好的特点，结构质量减轻25%左右，若用于工业和民用建筑，将具有很好的经济效益和应用前景。
污泥通过氯化锌为活化剂，制取的污泥活性炭具有微孔容积大、吸附性能好等优点。黄铮等以污泥所制备的污泥活性炭在200目粒径下的BET比表面积3936.2419m2·g-1，微孔总容积1.47768 cm3·g-1，平均孔径12.19Å；污泥活性炭浸出液除Zn超出农用污泥中污染物控制标准外，其它重金属浓度远低于标准值。通过实验研究张斌初步得出当污泥含碳吸附剂的投加量不少于0.7g时，是六价铬废水吸附实验的最佳吸附条件。
解建坤对污泥活性炭的制备工艺条件和机理进行了研究，得出与以微孔为主的商品活性炭相比,污泥活性炭属于中孔性，具有更加开放的孔隙结构，其可以作为一种高效、安全、经济和可行的商品活性炭替代品用于染料等大分子污染物废水的处理。活化剂ZnCI2起到脱水缩合的作用，使原料中的H和O以水的形式分离出来，同时，更多的C键合并并保留在原料中。污泥活性炭的浸出实验表明，污泥活性炭浸出液中几种主要重金属的浓度不超标,将其用于水处理是安全和可行的，从而可以实现污泥的资源化。
污泥热解因其经济性好、二次污染小、热解产物利用价值高等优点而而被认为是实现污泥减量化、稳定化、无害化和资源化目标的极具潜力的处理技术，且污泥低温热解制衍生油渐渐得到发展。污泥低温炼油技术已在加拿大进行了生产性实验,获得了较高的产油率。我国近年来采用间歇反应釜对城市污水厂污泥直接热化学制油的实验室研究表明:在250℃~300℃的反应温度范围内,每千克挥发性固体(VS)可得油0.14~0.144kg，相应有机质转化率为70%~80%。邢英杰等得出污泥制油的最佳条件为在温度270℃，反应时间75分钟，催化剂NaCO34g/100g污泥。
3.3 污泥农林利用
污泥是一种十分有效的生物资源，它含有大量的微生物、有机质以及益于植物生长的N、P、K等营养元素，经堆肥后腐熟污泥能够改善土壤的理化性质，提高土壤的肥效，并且增加了土壤中微生物的数量，改变土壤微生物群落的结构，并分别提高了土壤硝化细菌的比例、酶的活性、土壤的基础肥力和土壤腐殖质的含量。其次，污泥中含大量基本矿物质组成与土壤相似的腐殖质．可提高土壤的阳离子交换量，改善土壤对酸碱的缓冲能力，提高土壤的保水、保肥和通透性。
污泥在园林绿化中合理施用, 既避开了食物链, 又为园林绿化提供了有机肥。研究结果表明污泥堆肥促进了供试植物的生长，当污泥施加量为9kg/m2时，月季、白蜡和扶桑的长势最好，而国槐施用量以6-12kg/m2为最好。薛澄泽又得出污泥施用与林地对灰化土等土壤上生长的云杉和松树生长都有显著促进作用，能加速树木的生长高度和发育；在松树、橡树和黄杨树等林地上，污泥施加4-6t/km2与施用化肥相比时，树高度增加46%-489%，直径增加50%-453%，生物量增加42%-661%。污泥施用后，森林地表枯枝落叶中氮的积累增加，且土壤中可利用的氮含量也有提高。
当污泥应用于农田时，污泥堆肥对农作物具有明显的增长作用。欧美国家也把土地利用作为污泥处置的主要方式和鼓励方向。国内陈同斌等得出城市污泥复合肥较化肥能使小麦和玉米增加产量，两者增产分别为11%-17%和11%-27%。 还有研究得出当污泥施用量为56.25 t/ hm2 时，小麦增产为最大，玉米的产量随施肥量的增加而增大。但污泥中的重金属一直被认为是影响和限制污泥堆肥与农林用资源化的瓶颈。
3.4 污泥改良黄土利用
我国北方及西北大部地区主要以黄土覆盖，其性质比较疏松，多以黄灰色或棕黄色的粉土和粉沙细粒组成，质地均一。黄土分布范围北起阴山山麓，东北至松辽平原和大、小兴安岭山前，西北至天山、昆仑山山麓，南达长江中、下游流域，面积约63万平方公里，占全国土地面积的6％；该地区黄土平均厚度120～200m，其黄土主要为风成黄土，粉粒占黄土总重量的50%，土质富含碳酸盐、偏砂且多孔、结构疏松、孔隙度大、透水性强、遇水易崩解、抗冲抗蚀性弱。频繁的水土流失极易造成土壤中有限的植物矿质养分大部分丢失，形成不稳定的、相对贫瘠的表土层。极度贫瘠的土壤对形成良好的植被极为不利。特别是长期的水土流失造成了土壤环境的退化，肥力不足，造成苗木成活率低、生长不良，已经成为今后的发展障碍。
剩余活性污泥中含有在许多植物生长所必需的氮、磷、钾等营养成分，硫、铁、钙、钠、镁、锌、铜、钼等微量元素和丰富的有机物和有机质，这些营养物可以缓慢释放，具有长效性。有机污泥既有肥效性，又能是土壤形成团粒结构，具有水稳定性，对土壤的改良和植物的生长均有促进作用，因此被考虑直接施用于土壤和农田。基于污泥的这些特点，把污泥施加到土壤中并研究得出，污泥的土地施用可以改善土壤的生物和物理化学性质，明显增加了土壤有机质，在土壤改良、育苗、林地绿化等取得了较为明显的效果。同时土壤施用适量污泥后，由此带来的容重降低、孔隙度、团聚体稳定度、持水量以及导水性增加，对农业也起到了积极的作用。通过施用城镇污泥，土壤微生物的活动加强和有助于土壤团粒的形成，减少了地表径流冲刷，增大了土壤的抗冲性。
西北黄土地区（陕西、甘肃、青海、宁夏）2010年污水总处理量为331万t/d，污泥产量（含水率80%计）为6.04×105t/a~1.28×106t/a。虽然污泥的出路要有填埋、焚烧、堆肥和土地利用等方式，但针对于相对落后和经济不发达的西北黄土地区，有机污泥经堆肥后施用于黄土是西北地区污泥的最好出路，因土壤生态系统有自净作用，包括生物、物理和化学等过程（生物降解、化学络合、氧化-还原、物理吸附等），可以抑制污泥中一些致病生物的生长并使其失活，使污泥中大部分有机物矿化，同时还可以限制重金属的迁移、扩散与生物可利用特性等；同时污泥给黄土提供大量微生物、有机物和氮、磷等植物营养素等，不但解决了污泥的处置问题，而且有效提高黄土的有机肥效，并降低了其孔隙度、增大团粒稳定度、增强保土保水能力，最终既实现了控制西北地区水土流失的目的，种植植物后也起到了防风护沙和改善生态环境的目标。把污泥添加到黄土中恰可以取长补短，既可实现黄土有效利用，又可促使西北地区污泥的资源化。将对农业、林业及生态环境都有不可估量的意义。
4 结语与建议
污泥处理与处置是世界范围内关注的环境问题，任其污泥的随意堆放，不仅会造成资源和能源的浪费，还会污染环境，危害人类健康。随着人们对环境和能源问题的日益关注，污泥的资源化利用也备受重视，因此，学者便探讨和实践了一些新型方法。根据西北黄土地区生态现状，土壤贫瘠，肥力不足，若把高肥效的污泥应用于黄土，不但可以实现污泥的资源化利用，还能提高黄土的肥效和保水能力，改善黄土地区的生态环境。同时长期施用污泥，黄土将会积累较多的重金属，因此，很有必要长期监测污泥堆肥施入土壤后所含的有害成分在土壤中的行为及变化。作者：王晓利 曾正中 等
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