污泥制備陶粒濾料在水處理方向的應用與未來

于楨澤，姜 博，張 楠，蓋俊宇

（1.吉林建筑大學市政與環境工程學院 吉林 長春 130118；2.吉林省建筑科學研究設計院（吉林省建筑工程質量檢測中心 吉林 長春 13000；3.吉林科龍建筑節能科技股份有限公司 吉林 長春 13000）

近年來，住建部《城市建設統計年鑒》的數據分析顯示，從2016～2020年近5年時間內，我國污水排放量呈現逐年遞增趨勢，2020年村鎮、縣城排放量和城市總計排放量為926億噸，且農村污水處理市場增速高于城鎮。污泥作為水處理過程中的產物，其處置問題給環境污染治理造成更大的負擔。目前，我國各類污泥的年產總量高達約7 000萬噸以上，但能得到有效處置的僅在25%左右。《水污染防治行動計劃》《“十三五”生態環境保護規劃》等條文明確指示，2020年底前，地級及以上城市污泥無害化處理處置率達到90%以上。目前污泥的處理技術主要有焚燒、填埋、土地利用、污泥制氫和制備建筑材料等[1-5]。近年來秉承著“綠色化學”治理污染的“以廢治廢”思想，利用水處理產生的污泥廢物制備陶粒濾料并回用于水處理工藝，越來越受到廣大學者的關注。

1 污泥的來源及處置原則

作為水處理過程中不可避免的伴生產物，污泥含有大量的有機污染物。由于處理水質的差異，還會含有重金屬或病原微生物等[6-7]，如不能很好地對其進行處置，很可能會產生二次污染。而且，在污水處理過程中，90%以上的致病蟲卵或有害微生物也聚集在了污泥當中，對環境會造成更嚴重的危害[8]。這些病菌危害會通過以下途徑傳播：直接接觸或吸入含有污泥的粉塵；植物富集，被動物食用進入到食物鏈，危害人類身體健康；還有污泥經過雨水沖刷等由水體再接觸動植物、人體，從而危及人畜健康[9]。

目前對于污泥的處理與處置原則主要體現在無害化、減量化、穩定化和資源化四個方面。首先，由于污泥當中含有大量的病原微生物和重金屬等有害物質，因此對于此類污泥的處理必須符合無害化原則，安全性為首要任務，從而降低后續污泥處理對人體或環境帶來的風險；水處理產生的污泥通常含水率較大，在95%以上，太大的體積并不利于轉運、儲存等，因此在處置的過程中減量化處置也是重要的環節之一，減量化處理能很好地降低在整個處理過程中的費用問題，達到降本增效的目的；穩定化則是針對污泥本身性質的處理原則之一，由于污泥有機質含量較高，易發生腐敗和變質等問題，采取必要的穩定化處理，一方面可以避免上述問題的產生，另一方面也可以有效地避免二次污染的產生；資源化更是污泥處置的重要研究方向，作為水處理的附加污染物，將其轉化為可利用資源使之變廢為寶，可以更好地助力于環境治理和相關產業的生產[10-11]。

2 污泥處置方法現狀

目前污泥處置的主要方法有填埋、焚燒、土地利用和資源化利用等，隨著技術的逐步成熟，各種處置方法也各顯利弊，不可否認傳統技術發揮的作用，但隨著環保標準的逐步提高，資源化利用更是成為主流處置方向。

2.1 填埋

填埋作為粗放式的處置方式之一，一度成為早期污泥處置的主要方法。雖然投資少、見效快，但隨著環保標準的提高，其暴露出來的問題也越來越多，并且隨著污泥量越來越大，適合填埋的場地資源也越來越短缺。減少填埋處置，對土地資源造成二次污染的風險會隨之降低[12]。

2.2 焚燒

作為無害化處理的方式之一，焚燒處理在歐洲十分盛行。焚燒處理始于美國，在英國推廣并成熟[13]。在處理的過程中，主要是通過利用污泥中的有機成分具有的熱值，來達到處置的目的。焚燒不僅能使污泥減量，使其中的水分得以蒸發，還可以消滅其中的病原體，達到無害化的目的。但也具有一定弊端，在處理過程中，可能會產生有害的氣體，如二噁英等，不能有效地控制有害氣體的產生，是焚燒方法受限的主要因素之一。

2.3 土地利用

污泥中含有大量的有機質，其中氮、磷、鉀等元素含量超過一般的農家肥。污泥資源可以在農業肥料、園林綠化和土地改良方面得到應用，但是要考慮污泥中含有的有害成分，因此，污泥在土地利用方面應進行綜合考量。

2.4 資源化利用

針對傳統處置方式的弊端，污泥資源化利用技術逐步成為研究的熱點。污泥制氫、污泥低溫熱解制油，和污泥制備建筑材料等資源化方式也嶄露頭角，變廢為寶也符合當下的環境治理趨勢。在諸多的資源化方式當中，污泥制備陶粒濾料技術在水處理研究中更備受關注。

3 污泥制備陶粒濾料的研究與應用

利用污泥制備陶粒濾料最早是由Nakouzi[14]等提出，近年來，污泥陶粒的研制開發和生產應用己經受到很大的關注。污泥陶粒一般是以污泥為主要原料并摻入一些輔料如粉煤灰和粘土等，或輔以粘結劑和造孔劑經造粒而成。具有密度輕、強度高、耐腐蝕和隔熱的優點[15]。

早在1994年，米爾維基輕集料廠[16]就在美國建設了陶粒生產線，以剩余污泥為主要原料，粘土、粉煤灰等為輔料，成品陶粒的堆積密度可達815 kg/m3。隨后，我國的研究者也開始研究污泥陶粒的制備工作。周彩樓等[17]以凈水廠污泥作為主要原料，在940～1 100 ℃的溫度下制備了優等品超輕陶粒；池長江等[18]也以剩余污泥、粘土等材料制備了高孔隙、大比表面積的輕質陶粒；黃德志[19]等通過脫碳、焙燒等制備流程，將污泥與少量工業廢棄物混合制備陶粒，進一步開拓了以廢治廢的道路；朱斌等[20]基于《輕集料及其試驗方法》（GB/T17431-1998）的標準，也成功地以污泥為主料制備出了高性能的陶粒；吳建峰等[21]采用污泥為主料，以煤粉為成孔劑，制備了燒成溫度低、燒成范圍寬的濾球，性能指標優異，壓碎強度、體積密度、吸水率和氣孔率分別為6.16MPa、1.38 g/cm3、41.35%、和57.18%。

在應用研究方面，制備的陶粒用于城市水處理實驗表明[22]，其性能優異：比表面積大、生物附著力強、掛膜性能良好且容易進行反沖洗。左燕君等[23]以蒸汽養護法制備的陶粒在水處理過程中，運行穩定，出水效果良好。在高、中、低三個進水COD的實驗中，其去除率分別可達到97.3%、86.1 %和64.8%；阮傳祥[24]等也成功利用灘涂淤泥和脫水污泥制備出了價格更為優異的成品陶粒，并用于實際生產；聞科健[25]等用污泥制作陶粒，在相同的條件下進行實驗，結果表明無論在掛膜時間，以及之后對于COD以及NH3-N的去除效果上，均超過普通陶粒。COD去除率穩定在85%以上，對NH3-N去除率穩定在80%，對磷的去除率達到61.81%。葛偉青[26]等將制備的陶粒應用于曝氣生物濾池，其中對CODcr的去除率最高可達80%以上，對色度的去除率最高可達60%以上；高仙等[27]利用污泥基陶粒對Cd2+進行吸附研究，其作用機理表明：吸附行為是物理與化學過程共同作用的結果；任新[28]等發現制備的污泥陶粒對水中Cr（VI）的吸附效果顯著；付斌等人[29]通過柱狀實驗發現，污泥陶粒濾層對流經污水起到了初步過濾的效能，對氨氮的平均去除率達到80.34%。與之研究結果相反，鄭育毅等[30]制得的陶粒對氨氮的去除效果尚不理想，但對磷的去除率可達98%。陳洋[31]以給水廠污泥為原料制備陶粒，污泥的摻量可達75%～80%，經過1 150 ℃的高溫煅燒后，在中性條件下，對水中磷的去除率可達92.8%。

4 污泥制備陶粒濾料的創新研究建議

通過對污泥制備陶粒的研究與應用分析，目前對于污泥陶粒的制備工藝，大都經過烘干、配料、制粉、成球、燒制和篩分等流程，工藝控制條件、能耗等也根據配料比各不相同，并且在其應用的過程中會出現損耗等。因此，在未來的研究與應用過程中，更應該注重創新性開發，避免制備流程繁雜、能耗成本過高以及應用損耗現象嚴重等問題。

首先，水處理用陶粒濾料長期處于水流沖刷狀態，并且一些反沖洗工程中陶粒之間會產生劇烈的碰撞，因此成品污泥陶粒要保證強度的穩定性，在綜合考慮污泥摻量的同時，更應注重其強度性能的提高，選擇更優異的高強度創新輔料也是今后研究的重要方向之一。與此同時，應加強針對某些污泥的成分分析，例如含有重金屬的污泥，在選擇其作為原料的同時，成品陶粒的安全性問題也應加以考慮。其次，在應用研究的過程中，污泥濾料對不同污染物的去除效果并不都理想，去除原理以物理吸附為主，若要提高對氨氮等指標的去除效果，在今后的研究中，更應注重對污泥陶粒的改性研究，從而進一步完善其制備過程，達到同步創新增效的目的。

5 結語

污泥陶粒濾料作為固體廢物資源化的處理的新思路，工藝技術已日漸趨于成熟，在水處理領域的應用實現了以廢治廢的良性循環，在未來更應大力探索實現污泥濾料資源化的方式，一方面減少焚燒、填埋等處理耗費的人力、物力，降低環境負擔，另一方面資源化更能帶動地方產業和增加就業崗位，實現經濟、環境效益雙豐收。