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废水生物处理过程剩余污泥堆肥研究进展
摘要：活性污泥法及其衍生改良工艺是目前国内外应用最广泛的废水生物处理技术，其作为一种生物处理过程具有剩余污泥量高、剩余污泥成分复杂的缺点，处理剩余污泥的过程为污水处理厂制造了大量的成本，如何处理污水厂剩余污泥已成为全球性的普遍问题。本文将从提高堆肥产品肥效；去除污泥中的重金属、人工合成有毒有机化合物，病原体微生物及抗生素抗性基因；控制恶臭、有毒、温室气体排放等方面，沿预处理、共堆肥等不同途径介绍废水生物处理过程剩余污泥堆肥技术现状，以期为设计一个具有可行性的较大型城镇污水处理剩余污泥堆肥厂提供理论支持。
关键词：剩余污泥；堆肥；土地利用；植物毒性
1 引言
废水生物处理工艺在运行过程中会产生大量的剩余污泥并导致处理成本的显著增加[1]。为了减少剩余污泥的产生，超声波处理[2]、微波分解[3]等多种原位污泥减量技术应运而生，但仍无法彻底消除剩余污泥的产生。目前，污水污泥的主要代表性处置方式包括填埋、土地应用、干燥-焚烧、热解和作为建筑材料回收。不同的污泥处置路线如表1所示。污泥处置往往以1-2 wt%干固体的原污泥为起点，第一步通过重力、浮选或皮带过滤使其浓缩，污泥量减少到初始体积的三分之一，分离出来的水被会受到污水处理厂的进水中，此后污泥将受到某种形式的生化稳定作用，通过厌氧消化将有机物进一步转化为沼气（60-70 vol% CH4），减少了最终处置的污泥固体量，并破坏了污泥中存在的大多数病原体，限制与腐殖物质相关的气味问题。但其中有机物质仅部分被分解，而且由于消化过程消耗了污泥的有机部分，剩余污泥中重金属和其他人工合成有机物的浓度会增加，因此仍需要最终处置手段处理才能将污泥应用到土地中[16]。
表1 不同的污泥处置途径
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途径 |
出口 |
需要的操作 |
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1 |
农业（土地应用） |
浓缩，运输 |
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2 |
农业 |
浓缩，机械脱水，运输 |
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3 |
农业 |
浓缩，厌氧消化，运输 |
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4 |
农业 |
浓缩，厌氧消化，机械脱水，运输 |
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5 |
填埋 |
浓缩，机械脱水，运输 |
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6 |
填埋 |
浓缩，厌氧消化，机械脱水，运输 |
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7 |
固体燃料 |
浓缩，机械脱水，间接式干燥，运输 |
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8 |
固体燃料 |
浓缩，厌氧消化，机械脱水，间接式干燥，运输 |
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9 |
灰 |
浓缩，机械脱水，间接式干燥，焚烧 |
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10 |
灰 |
浓缩，厌氧消化，机械脱水，间接式干燥，焚烧 |
土地再利用（包括直接农业应用和堆肥）已经成为许多国家主要采用的污泥处理技术[4]。与其他处理方式相比，堆肥具有许多优势，包括良好的无害化、减量化、资源化能力，改变土壤性质，增加土壤肥力等[5]。在此过程中，污泥中的重金属含量（如总铬、六价铬、镍、铜等）、病原体（如沙门氏菌、肠道病毒、蠕虫卵等）、有机合成化合物（如卤化有机化合物、直链烷基苯磺酸钠（LAS）、邻苯二甲酸酯、壬基酚、多环芳烃、多氯联苯和多氯联苯/二苯并呋喃（二噁英）等）受到了政策层面的关注[4]。生物炭由于其独特的物理化学特性（即高孔隙率和大比表面积）被认为是加速堆肥过程和提高最终堆肥质量的有效优化剂[6]，其作用包括改善污水污泥的降解和腐殖质化[7]，加速物质循环[8]，改善反应器的环境条件以为微生物的生长提供支持，提高堆肥温度，减少恶臭气体产生[9]，并提高堆肥的腐熟度[10]。堆肥中的生物质炭在进入土壤后还有助于增加养分的可利用性，改善土壤的理化性质[11]，修复土壤中的重金属污染，降低重金属的流动性和生物利用率[12,13]。
本文将从以上几个方面介绍目前利用堆肥技术从城市污水处理厂剩余污泥中去除有毒有害物质和提高产品肥效的工艺现状。
2 提高堆肥产品肥效
用于土地利用的污泥堆肥可与一些特定的废物进行共堆肥以额外添加营养物质，并作为膨胀剂调节堆肥性质，保证堆体通气性，如稻壳、锯末、粪便、秸秆、泥炭、城市有机废物、园林及农林废弃物等。污泥、膨胀剂与生物质炭以一定比例混合均匀，将有助于延长堆肥高温期，并对营养物质（氮素、总钾等）的截留和富集起到积极的作用[5]。生物质炭对总氮的截留作用主要是由于其高吸附能力和生物氧化作用，大大增加了表面酸性基团的数量（尤其是羧基）[14]。事实上，污泥作为堆肥原料，其本身的性质对矿化程度也具有一定的影响。污水好氧处理剩余污泥堆肥的氨化和硝化作用比厌氧处理污泥堆肥过程更强烈，而厌氧处理污泥堆肥则矿化得更加彻底，释放了更多的CO2[15]（厌氧法处理的污泥被认为不能用于农业用途，因其铬含量过高，超出了各国标准规定的最大值[19]）。为提高堆肥的发酵效果和堆肥产品肥效，考虑到温度和氮素转化，5%的生物质炭添加是具有良好效果的[17]。
Lu等[27]研究了木屑、陶粒和植物灰作为膨胀剂对肥效的影响，3：1湿基是实现优质堆肥的最有效方法，相比之下添加陶瓷无法启动堆肥；添加植物灰有助于降低堆肥过程中的水分含量，但会略微阻隔堆体热量的释放。污泥对木屑4：1的比例也显示出良好的结果，但水分含量略高，更少的木屑将不足以实现污泥堆肥。
超高温预处理能够激活氧化还原基团，如类腐殖质中的醌类物质，以加速蛋白质的降解，并支持有利于类腐殖质形成的醌类核心结构和芳香氨基酸物质的能量密集型再生；选择性地富集在高温高压下生存的功能性细菌，并能在较少的氮损失下加强蛋白质的利用，进一步刺激后续有益细菌将蛋白质的中间产物聚合成类腐殖质结构。因而超高温预处理（120℃）能够显著促进功能性细菌群落进化，减少氮矿化，聚合腐殖质，从而稳定化污泥堆肥，减少植物毒性，提高有机氮的保留率[36]。
由于污泥中含有丰富的的氮、磷、其他无机盐分和有机养分，且污泥的容重和孔隙度等物理性质与传统的基质相似，污泥作为基质的再利用是应当受到鼓励的。然而需要注意的是，污泥堆肥的应用会促进鹅掌草、马齿苋等杂草的生长。研究表明杂草发芽的增加可能与堆肥过程中存在的添加剂有关，而不是基质或污泥本身[18]。
此外，生物电化学辅助污泥稳定化，提高污泥成熟度并产电能似乎也是一条可行的途径[45,46]。
3 去除污泥中的重金属
研究表明生物质炭的加入有利于污泥中Cu、Zn、Pb、Ni、Cr[5]、As[17]的钝化，但不同生物质炭对不同重金属的稳定效果不同[14]，如竹炭对铜离子的稳定化效果高数倍于锌离子。污泥-石灰共堆肥也能够显著降低污泥堆肥中可溶金属和可提取金属的含量，其对于铜和锰的可溶可提取金属含量的降低程度高于镍、铅和锌。理论上增加污泥堆肥中石灰的比例以减少可溶和可提取的重金属含量是合理的，但也要考虑到它的不利影响如氮素流失[20]。Lagoon ash具有与石灰相似的功能，在与污泥共堆肥的过程中，为降低金属有效性，灰与污泥的混合堆肥比污泥的lagoon ash改良更合适[21]。
污泥和污泥堆肥中的溶解性有机质都含有氧化还原活性官能团，这些官能团可以将电子泵到不溶性三价铁氧化物上，并加速三价铁的生物还原，且该电子转移能力可以循环使用。溶解性有机质介导的三价铁加速生物还原对土壤生物地球化学具有重要的意义，该过程可用于加速某些有毒物质的降解速率，例如高价重金属和卤代烷[22]。
4 去除污泥中的有毒有机化合物
城市污水污泥中备受关注的有机污染物包括多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）、多氯二苯并对二恶英和多氯二苯并呋喃（PCDD/Fs）、多溴二苯醚（PBDE）、邻苯二甲酸酯（PAEs），和全氟化合物（PFCs）[28-32]等，药品和个人护理产品（PPCP，尤其是抗生素）近年来也获得了越来越多的关注[33,34]。污泥堆肥明显改变了微生物群落，其中某些特定的微生物种类/属促进了有机污染物的降解，污泥堆肥能有效去除PAEs、PAHs等有机污染物，然而一些卤化有机污染物（例如，PCDD/Fs、PCBs和PFCs）在污泥堆肥过程中难以降解，由于有机物分解导致它们的去除率低甚至出现浓度升高的现象[35]。
邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）是一种有机化合物，广泛用作聚氯乙烯（PVC）中的增塑剂和各种其他日用产品中的添加剂。在环境中，DEHP作为一种生殖、发育和致畸毒物存在风险。由于DEHP仅在物理上与其基质结合，在与水接触时，它可能会从产品中滤出，最终进入城市污水中。DEHP可从污水处理厂（STP）的污水中有效去除，但会被吸附到处理过程中产生的污泥中[23]。堆肥和曝气都能够显著降低城市污泥中的DEHP含量，在85天内，堆肥去除了原污泥（Virrat）中58%的DEHP含量和厌氧消化污泥中34%的DEHP含量，其中含水污泥的曝气在28天内导致DEHP含量的下降，与相同污泥在85天内的堆肥相似[24]。
在城市污水污泥中还发现了一些广泛使用的药物，如氟喹诺酮类药物（环丙沙星C17H18FN3O3、诺氟沙星C16H18FN3O3和氧氟沙星C18H20FN3O4）和磺胺类药物（磺胺二甲氧嘧啶C12H14N4O4S和磺胺甲恶唑C10H11N3O3S）。在大多数研究的污水污泥和堆肥样品中，药物浓度极低，但在部分污水污泥样品中，药物浓度超过了100mu;g/kg，堆肥后药物浓度仍然超过10mu;g/kg[25]。前置厌氧污泥消化将可能使得污泥中药物残留物的降解效率更高。
5 去除污泥中的病原体微生物
对堆肥不同处理间富集的微生物群完全不同，不同处理中的微生物可能是功能驱动的，适当比例的生物炭可能会对细菌群落组成产生积极影响[5]。污水污泥与园林绿化垃圾的共堆肥能够作为基质用于观赏植物的生长，致病微生物如沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、大肠菌群和大肠杆菌被基本消除，在自然环境中可以安全使用[26]。
污泥累进式堆肥过程中，细菌的多样性和丰度显著提高，抗生素耐药基因的富集显著，且不同抗生素耐药基因结构与细菌群落组成之间存在显著的相关性。在污水污泥堆肥过程中，由理化性质变化引起的细菌群落变化是形成抗生素耐药基因结构的主要驱动因素[43]。
6 气体控制
挥发性有机化合物（VOC）和氨气、H2S（导致臭气污染）以及甲烷和一氧化二氮（具有重要的温室效应）是废物处理设施（包括堆肥厂）气体排放中存在的化合物。挥发性有机化合物被归类为以下化学类别：醇类、酯类、呋喃类、酮类、脂肪烃、芳香烃、含氮化合物、含硫化合物和萜烯类，萜烯是整个污泥堆肥过程中主要的VOC排放物[37]。通过创造最佳堆肥条件（C:N、通风、pH和湿度）和向污水污泥中添加一些添加剂（木屑、刨花、沸石、泥炭等），可以减少这些气体的排放，其中碎木皮可能是最有效的添加剂[40]。需要注意的是，污泥在整个体系中占比越重，堆肥效果越差，气体排放越多[41]。
竹子生物炭与细菌制剂的混合使用被证明有助于减少堆肥过程中温室气体的排放。N2O的排放与Acidimicrobiia, Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, and Tepidiformia呈强负相关，甲烷的排放与放线菌呈强负相关，二氧化碳的排放则与杆菌呈强正相关[42]。
用主要包括氧化亚铁硫杆菌在内的酸性硫杆菌进行污泥生物淋滤已被证明是去除有毒金属和改善污泥深度脱水的有效工艺[38]。液体生物沥滤污泥可直接机械脱水成含水率在60%或以下的半干卡其色污泥饼，无需添加任何絮凝剂。脱水后的生物沥滤泥饼（Bioleached Sludge cake, BS）保持了较高的有机质、全氮、全磷和热值，且重金属含量较低，有助于后续再利用。由于BS的含水量在60%或以下，BS堆肥系统需要的膨松剂要少得多，且该系统可以快速达到并保持堆体的高温，堆肥产品的GI达到90%。虽然BS系统中含氮有机物矿化产生的NH4 -N峰值高于传统污泥堆肥系统，但前者的累积氨挥发量比后者低49%。BS系统的累积氨挥发量远低于传统污泥堆肥系统。BS预处理还能够降低污泥堆肥产品中的抗生素耐药基因，使抗生素耐药基因相关细菌的丰度最低。在减轻污泥堆肥产品中的抗生素耐药性方面，生物浸出调节优于使用Fe[III]/CaO或PAM的化学调节，这是因为在堆肥处理之前预先清除了抗生素耐药基因，并且在常规堆肥过程中可能限制抗生素耐药基因的转移[44]。因此，BS堆肥产品的肥料价值高于传统堆肥产品。此外，由于膨松剂用量的减少，BS堆肥需要较低的资金和运营成本。因此，生物沥滤污泥堆肥被认为是一种回收利用生物沥滤污泥以生产无害且肥沃的土地利用产品的好方法[39]。
电脱水预处理同样能够减少堆肥气体排放。电脱水预处理改变了污泥的理化特性（水分、pH、氧化还原电位、NH4 -N、NO2minus;-N和NO3minus;-N浓度）和功能基因分布（hao、amoA、hao、narG、nirK和nosZ）。水分、氧化还原电位和NO2minus;-N是影响堆肥系统中N2O生成的主要污泥理化因子。此外，电脱水预处理显著降低了nirK和amoA基因的拷贝数，这分别抑制了堆肥初期和固化期N2O的生成[47]。
7 结论
城市污水成分复杂，污水处理剩余污泥堆肥的土地应用受成本、重金属、病原体微生物、有毒有机物质等多种因素制约。生物质炭是一种有效的解决方案，此外还有一些其他物质的共堆肥对策表现出了不俗的成效，但无论是哪种添加剂，添加剂与污泥的比例都对污泥堆肥效果呈正相关。此外，需要认识到预处理的重要性，正确的预处理方式可能能够扫清堆肥过程的障碍，大幅提高堆肥效率和堆肥品质。
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资料编号：[597871]
废水生物处理过程剩余污泥堆肥研究进展
摘要：活性污泥法及其衍生改良工艺是目前国内外应用最广泛的废水生物处理技术，其作为一种生物处理过程具有剩余污泥量高、剩余污泥成分复杂的缺点，处理剩余污泥的过程为污水处理厂制造了大量的成本，如何处理污水厂剩余污泥已成为全球性的普遍问题。本文将从提高堆肥产品肥效；去除污泥中的重金属、人工合成有毒有机化合物，病原体微生物及抗生素抗性基因；控制恶臭、有毒、温室气体排放等方面，沿预处理、共堆肥等不同途径介绍废水生物处理过程剩余污泥堆肥技术现状，以期为设计一个具有可行性的较大型城镇污水处理剩余污泥堆肥厂提供理论支持。
关键词：剩余污泥；堆肥；土地利用；植物毒性
1 引言
废水生物处理工艺在运行过程中会产生大量的剩余污泥并导致处理成本的显著增加[1]。为了减少剩余污泥的产生，超声波处理[2]、微波分解[3]等多种原位污泥减量技术应运而生，但仍无法彻底消除剩余污泥的产生。目前，污水污泥的主要代表性处置方式包括填埋、土地应用、干燥-焚烧、热解和作为建筑材料回收。不同的污泥处置路线如表1所示。污泥处置往往以1-2 wt%干固体的原污泥为起点，第一步通过重力、浮选或皮带过滤使其浓缩，污泥量减少到初始体积的三分之一，分离出来的水被会受到污水处理厂的进水中，此后污泥将受到某种形式的生化稳定作用，通过厌氧消化将有机物进一步转化为沼气（60-70 vol% CH4），减少了最终处置的污泥固体量，并破坏了污泥中存在的大多数病原体，限制与腐殖物质相关的气味问题。但其中有机物质仅部分被分解，而且由于消化过程消耗了污泥的有机部分，剩余污泥中重金属和其他人工合成有机物的浓度会增加，因此仍需要最终处置手段处理才能将污泥应用到土地中[16]。
表1 不同的污泥处置途径
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