生物技術在城市污泥處理處置中的應用進展

陳 剛，羅紫琳，王瑛華，尚衛輝，李綿盛，

（1.肇慶學院生命科學學院，廣東 肇慶 526061；2.廣東華揚環保科技股份有限公司，廣東 肇慶 526342）

隨著我國污水處理事業的發展，作為污水處理產物的城市污泥產量日益增加.《中國污泥處理處置市場分析報告（2020 版）》數據顯示，我國2020 年濕污泥產生量已達到5130 萬t，是2015 年的1.5 倍[1]，而其中僅有30%～40%得到了適當處置.對城市污泥的處理處置應滿足無害化，運行成本適中的要求，力求將其中的有用物質轉化為可利用狀態.城市污泥處置從最初的簡單處理發展到多種科學技術的應用，工藝手段和技術水平取得了飛躍性的提升.生物技術依靠自身的多種優勢，推動了城市污泥處理處置的發展.本文介紹了生物技術在城市污泥處理處置中的應用進展及前沿動態，以期為城市污泥的優化處置和資源化利用提供思路.

1 城市污泥的特性

城市污泥具有富含營養物質和有害物質，含水量高，有惡臭味等特性：（1）富含有害物質.城市污泥成分復雜，含有多種有毒有害物質，如重金屬[2]、有害病菌、蟲卵和不易降解的藥物殘留等.（2）含水率高.機械脫水處理后的城市污泥含水率85%±10%[3].降低含水率不僅可以減容減量，還能抑制微生物的生長代謝，甚至殺滅部分蟲卵.（3）富含營養物質.城市污泥含有豐富的氮、磷、鉀等營養元素和有機質[4]，應用于植株種植、肥料制造，改良土地肥力和結構等，可以有效實現資源化利用.（4）含有惡臭味.城市污泥基本都有強烈的臭味，主要由氨氣、硫化氫、烴類化合物等引起[5].

2 城市污泥處理處置現況

根據住房和城鄉建設部數據，我國2020年城市污泥各種處理方式中，填埋和自然干化占主流，其余為堆肥和焚燒（圖1）.我國城市污泥的處理重點是殺滅城市污泥中的病原菌，鈍化重金屬，實現生態化處理處置，并爭取高效率和低成本.歐美對城市污泥的處理主要采用厭氧消化，該技術在英國達到城市污泥總處理量95%以上；日本則將70%左右的城市污泥焚燒后用于建材生產.

圖1 2020年我國城市污泥處理方式

3 生物技術在城市污泥處理處置中的應用

3.1 城市污泥的生物減量法處理

目前生物減量法處理城市污泥有蠕蟲捕食減量，溶胞技術，多功能復合微生物制劑等多項成熟技術.生物減量法濃縮程度高，部分工藝還可以改善城市污泥的沉降性能，對城市污泥后續處理處置有很大幫助.

3.1.1 蠕蟲捕食減量

該法主要使用寡毛綱附著型生物的蠕蟲（如顫蚓科和帶絲蚓屬），該類蠕蟲有易獲得，易控制的優點.顫蚓科蠕蟲的吞噬處理可以實現城市污泥減量70%，與膜反應器（MBR）系統結合可以減量80%以上.

3.1.2 溶胞技術

溶胞技術即溶解細胞膜，釋放細胞內含物，再由微生物利用或直接分解成大分子有機物，實現污泥濃縮減量的效果.如采用超聲波處理的城市污泥可以減量50%以上[6]；采用臭氧法處理污泥，控制好臭氧的通入量可以實現無剩余城市污泥排放[7]，但該方法成本較高，出水水質差.

3.1.3 多功能復合微生物制劑

多功能復合微生物制劑（MCMP）由多種對污染物有較強降解能力的微生物組成.加入MCMP 可以優化微生物群落結構，強化微生物分解代謝.微生物活動使消耗的能量大于合成的能量，實現城市污泥的減量[8].

3.2 生物技術用于城市污泥干化脫水

城市污泥干化方式多樣，熱干化仍占主導地位，但生物干化技術依靠其高效、環保、節能的特點吸引眾多研究者深入探索，具有較好的發展前景.

3.2.1 生物干化

與傳統處理技術相比，生物干化的最大特點是不需要外源加熱，僅依靠城市污泥中微生物群落降解有機物時釋放的生物能作為熱源，結合通風作用可達到減水減量的效果[9].由于城市污泥的高含水量對空隙的堵塞，生物干化前需要先添加秸稈、蘑菇渣、藥渣等作為調理劑優化城市污泥的理化性質.調理劑的添加可以增加城市污泥透氣性，同時提高了碳氮比及微生物生活空間，更適合好氧微生物代謝生長.

3.2.2 生物-電滲透脫水

電滲透脫水是利用不同電荷在電場中會向相反方向移動的原理[10]，利用城市污泥與水所帶電荷不同，達到分離的目的.電滲透脫水可以將不易脫離的結合水去除，脫水效率高.生物材料的添加可以進一步提高效率，如生物表面活性劑槐糖脂、鼠李糖脂、皂苷等[11].有研究表明加入檸檬酸共同作用時促進效果更加突出[12].微生物—電滲透脫水是物理、化學、生物方法的結合，可以彌補生物干化因含水率較高時需要添加的調理劑量大，導致成本增加及耗能高的缺點，使處理后的城市污泥適合填埋、焚燒和土地利用.

3.3 生物堆肥處理城市污泥

將干化后的城市污泥進行堆肥后應用于農林生產，體現了低成本資源化利用的要求.堆肥發酵前一般會向基質添加一定量的垃圾，生物有機質等進行混合，調整堆體的理化性質.堆肥過程中常用微生物、動物進行處理.

3.3.1 動物堆肥處理城市污泥

城市污泥經動物過腹被破碎消化，不僅可以富集部分重金屬，還可以分解有機質.雖然不同動物對重金屬的去除效果不同，但都達到了安全和減量的要求.蚯蚓是最常用的堆肥動物；其次是水虻科的黑水虻.蚯蚓可以有效分解城市污泥中的有機質，經蚯蚓消化后的城市污泥中有機質含量僅為未消化的30%[13].蚯蚓對重金屬有耐受性，過腹處理后鋅、錳、銅、汞等多種重金屬含量有不同程度的降低，對鎘的富集作用尤為明顯.黑水虻幼蟲對城市污泥具有處理能力，化蛹后不再進食.黑水虻對鉛和鎘的富集表現較好[14].研究表明以水果廢棄物、城市污泥和棕櫚樹為原料飼養黑水虻，可從幼蟲油脂中提取脂肪酸甲酯（FAME）用于生產生物柴油[15].

3.3.2 微生物污泥堆肥

微生物污泥堆肥常根據發酵過程中微生物對氧氣的需求量分為好氧發酵（堆肥）和厭氧發酵.（1）好氧堆肥.好氧堆肥分為升溫、高溫、降溫3個階段，后2個階段是有機質分解的主要時期[16].需氧發酵時城市污泥含水率應控制在60%左右，產生的高溫能蒸發部分水分，同時可殺滅蟲卵、有害病菌、種子、寄生蟲等，降低了城市污泥對環境的潛在危害，也為堆肥產物的農用提供了可能.（2）厭氧堆肥.厭氧發酵分為3個階段：水解、酸性發酵、堿性發酵.處理周期比有氧發酵要短，大概是10～20 d.城市污泥中的腐殖質對發酵的第一階段有抑制作用，進而影響整個發酵過程，在預處理時投加適量的生物炭可以促進甲烷的產量.厭氧發酵可以將有機質利用得更徹底，它通過專性厭氧菌或兼性厭氧菌的氧化還原，分解有機質的同時產生以甲烷為主的沼氣.

生物技術在城市污泥處置中，微生物堆肥是目前最成熟的技術，動物堆肥技術正處于發展階段.陳立平設計了一道工藝流程，把好氧、厭氧、蚯蚓堆肥結合，可以處理重金屬顯著超標的城市污泥[17].

3.4 城市污泥用于礦區修復

礦區修復是對礦區土地進行復綠，提高礦區土地肥力，恢復生物多樣性.礦山需要復綠的土地一般較貧瘠，氮磷鉀和有機質含量低，土壤理化性質差，并受不同程度的重金屬污染[18].城市污泥制成的營養土可以解決以上問題.應用城市污泥產品進行礦區復綠成本低，恢復后的土地性質穩定，可實現可持續發展.有研究表明，以城市污泥為栽培基質種植出的吊蘭、鴨跖草、皇竹草等植物應用于礦區復綠均取得了良好的效果[19-22].

3.5 城市污泥作為栽培基質

城市污泥作為栽培基質還可用于農林業生產和花卉、草坪草等種植[23-24].研究表明，城市污泥堆肥能改善不同作物的品質以達到增產的作用.因此，城市污泥堆肥成為處理日益增多的城市污泥利用的有效途徑.城市污泥作為肥料，低施用量（一般低于5%）對多種植物有較好促進效果[25]；施用量過高，植株生長會受抑制甚至死亡[26].合理控制城市污泥的施用量可以減少化肥的施用，有益于生態環境的保護.

3.6 城市污泥生物發酵生產PHA

聚羥基脂肪酸酯（PHA）是一種可降解環保材料[27]，能被微生物完全降解為水和二氧化碳.PHA可作為傳統塑料聚丙烯的替代品，還可用作藥物釋放載體、醫用植入材料、生物燃料、生產手性單體等[28-29].活性城市污泥中存在可生產PHA的細菌群落[30]，經過篩選馴化和培養，菌群的PHA產量可比純菌培養高[31].與純菌發酵相比，活性城市污泥法生產PHA不需要滅菌[32]，可大大降低運行成本和操作流程；與化學法相比，活性城市污泥法生產PHA成本低、污染小.

3.7 生物淋濾法去除城市污泥中的重金屬

城市污泥中有一定量的重金屬，生物淋濾法可用于去除城市污泥中的重金屬[33].該方法具有成本低、操作簡單、耗能低、金屬去除率高且副產物無毒等優點[34].其對大多數重金屬都有較好的去除效果（錳、鋅、銅、鎘等去除效果可達90%），尤其是硫化態不穩定重金屬可以通過新型的厭氧酸化瀝浸法轉化成硫化物，提高去除率.生物瀝浸處理對穩定態的重金屬去除效果較差，易受溫度和pH的影響.

3.8 城市污泥生產建筑材料

燒焙后的城市污泥成分與黏土相似，混入摻料可以生產磚塊、水泥、陶粒、輕質骨料等多種建筑材料.燒制城市污泥磚時有機物可以作為部分熱量來源，高溫可以將有害病菌、蟲卵殺滅，但燒焙過程中會散發很大的惡臭味，在城市污泥中添加5%硅藻土和少量生物除臭劑可以有效去除燒制過程中的臭味.

4 結論與展望

目前對城市污泥的各種處理處置方法各有利弊，生物技術處理處置城市污泥已被證實具有可操作性和實用性.現已研發出了多種工藝，如干化、堆肥、生產工業原料等，均向著資源化利用和綠色生態化的方向發展.未來生物技術在城市污泥處理處置中將會發揮更大的作用.