摘要
活性污泥法因其效率高，占地面积小，在城市生活污水处理中得到了广泛的应用，随着废水的不断排放，同时也产生了大量的残渣。在国内，普通的二类污水处理厂，其污泥处理费用约占总费用的3~4%。目前，我国对于污泥处理和处置的技术还处于起步阶段，并且，目前，在国内主要的城市污水处理厂中，大多都是采用消化后脱水和填埋的方法。这种处理方式虽然更加经济，但是存在着占地面积大、可回收性差、对地下水源的污染等问题。为克服上述不足，德国于一九九六年就制定了废物处理的优先次序，即减量处理、无害化处理、资源再循环处理。在我国，对剩余污泥的处理也应该按照这个顺序进行，这样才能尽快地满足对环境保护和资源回收再利用的废物处置的需要。
关键词：剩余活性污泥； 处理技术； 减量化； 资源化； 无害化
Abstract
The activated sludge method has been widely used in urban sewage treatment due to its high efficiency and small footprint. With the continuous discharge of wastewater, a large amount of residue is also generated. In China, the sludge treatment cost of ordinary Class II sewage treatment plants accounts for approximately 3-4% of the total cost. At present, the technology for sludge treatment and disposal in China is still in its infancy, and currently, most of the main urban sewage treatment plants in China use digestion, dehydration, and landfill methods. Although this treatment method is more economical, it has problems such as large land area, poor recyclability, and pollution of underground water sources. To overcome the above shortcomings, Germany established a priority for waste treatment in 1996, namely reduction treatment, harmless treatment, and resource recycling treatment. In China, the treatment of excess sludge should also be carried out in this order, in order to meet the needs of waste disposal for environmental protection and resource recycling as soon as possible.
Keywords: surplus activated sludge; Processing technology; Reduction; Resource utilization; Harmless treatment
第一章 前 言
随着城市化进程的不断加快，城市污泥的排放量也在不断地增加。在废水的生物化学处理工艺中以及微生物在对废水中有机质进行降解和繁殖的过程中，都会产生大量的活性污泥，有污泥中有机物、病原菌、寄生虫卵、重金属和盐类含量较高，还包含有毒性的化学物质和病原菌，如果不进行有效治理，必然会对外环境产生二次污染。污泥的综合利用主要指的是对污泥中的有效成份进行利用，把污泥转化为肥料、饲料、能源燃料、化工原料、建筑材料等，进而把污泥变成一座宝库，它也是城市污泥处理和资源化的主要发展方向。
1.1剩余活性污泥来源
在对生活污水进行生物化学处理的过程中，产生了大量的活性污泥。当污水进入曝气池后，与活性污泥接触，有机物会立即被活性污泥吸收，再经过浓缩，有机高分子会被细菌分泌的胞外酶分解为分子量更小的物质。污水中的小分子量有机物能够穿过微生物的细胞膜，以营养物质的形式被微生物摄取。有些微生物能将废水中的有些毒素被分解成一种无毒的或非常微弱的东西。在人体中，有机物进入人体后，通过胞内酶的催化，同化并合成出细菌自己的物质，使其不断地生长和繁殖，同时还会产生一种粘稠的物质，形成一种菌胶，也就是活性污泥，所以，在曝气池中，活性污泥将会逐渐增多。[1]当活性污泥的浓度过高时，污泥不易与净化水分离，使出水中的 BOD增大而浑浊，同时也会导致耗氧量高，供氧不足。如果数量太多，就会影响到处理的效率，因此，需要定期将这些淤泥排出，这些淤泥就被称为残余的活性污泥。基于曝气池进水量和进水剩余活性污泥的厌氧发酵，也被称为厌氧消化，根据水质来确定污泥负荷及活性污泥在曝气池中的停留，只有以有机物组成为主的活性污泥才能进行消化。而排出的污泥，则是根据污泥负荷、污泥年龄等因素，将其集中起来，存放在封闭的罐子里，计算得到的结果，在中国石油化工洛阳分公司的高压厌氧环境下，部分细菌会慢慢地变成厌氧菌，然后在污水处理厂的污水处理厂中，利用厌氧细菌的功能，将污泥慢慢地消化，并释放出热量。按淤泥年龄确定每日生物化学排泥。[2]
第二章 剩余活性污泥利用
2.1剩余活性污泥的资源化的利用
从传统角度来看，污泥是一种废弃物，但从清洁生产的角度来看，却不存在“废物”一词。其实“废物”就是把资源浪费在错误的地方。如果可以合理地处理污泥，污泥还能够变成其他工艺的原料，也就是实现资源化。
2.1.1制作水泥
随着我国城市污水处理量的增加，污水处理厂的污泥产量也随之增长。其产量高，含水量大，且含有大量的有机物、细菌、寄生虫及重金属，若处置不当，将造成二次污染。随着环保法规的不断健全，传统的污泥处置方法（如堆肥、堆肥、农用及污泥焚烧）因其存在的缺陷，已逐渐成为当前城市环境治理的研究热点，其中，对污泥进行资源化利用是寻求从根本上根除污泥的最有效方法之一。目前，国内外一些学者已开展了将污泥用作部分水泥原料或替代部分煤炭原料的研究。目前，国内外对城市污水处理厂的污泥大多采用焚烧法，因此，本项目的研究重点是利用焚烧后的灰渣替代部分原材料，制备生态水泥。从我国当前的实际情况来看，利用污泥自身的特性，在已有的水泥生产线中直接替代部分煤炭燃料或添加剂，是一种新的解决方案。[3]通过将少量干燥后的污泥添加到水泥生料中，然后在不同的温度下锻烧，对所制得的水泥生料的各种性质进行研究，以期为水泥厂对城市污泥的进一步处理提供理论基础。用残渣作建筑材料的流程如下。
在此基础上，采用微量污泥作外加剂制备生态水泥，可提高原料的易燃性、降低液相形成温度、显著降低氧化钙的生成。同时，污泥的添加使C2S含量升高，C3S含量下降，并对其晶格结构产生了一定的影响。结果表明，在1450℃锻烧时，随著泥沙用量的增大，水化期越长，其对应之水泥抗压强度越低。但是考虑到现实的生产安全性，若要使用已有的水泥生产线来处理城市污水，则要对污水的混入比例进行严格的控制，不得超过10%。
污泥制砖的途径主要有两种：一是污泥燃烧后的灰制砖；二是将淤泥进行干燥，然后直接制取砖块。通过对污泥燃烧后的灰渣和粘土的掺入量进行分析，得出污泥灰渣含量为50%的结果，并获得了较好的综合性能。这种方法不但可以对淤泥进行有效的处理，而且在烧制的过程中，还可以对淤泥进行封存，将有毒的重金属元素全部杀灭，并且淤泥的质量很轻，有很大的空隙，可以起到一定的隔音隔热作用。[4]
利用城市污水处理厂中的淤泥，可以从根本上解决污水处理厂中产生的淤泥问题，是目前最好的“零污染”方法。在发达国家，已经有了利用废渣制造生态环境水泥的成功经验，日本超过四十家的水泥厂，超过百分之五十的工厂都在处理各类废渣，日本的麻省水泥公司，则是利用污水管道中的淤泥和其它生活垃圾，来制造高强度的水泥；欧洲水泥生产商联盟下属的一家水泥厂，每年都要燃烧一百万吨危险废料。中国的科研人员对利用不同种类的淤泥生产生态水泥进行了大量的工作，杨力远的实验证明，用淤泥取代一些粘土，所生产的淤泥与普通硅酸盐水泥具有完全一样的矿物组成，并且其水化、凝结、硬化过程和水化产物也与普通硅酸盐水泥一模一样。[5]
2.1.2制作纤维板
活性污泥含30%-35%的球形蛋白及一定的碳水化合物。在热和压力的作用下，蛋白质会凝结并发生变化，从而使纤维粘结在一起。在制备过程中，将污泥稀释后，加入碳酸钠、氧化钙、甲醛、硅酸钠等凝聚剂和助滤剂，调节 PH>=1，通过加温搅拌制得活性污泥树脂。将经过处理的废弃纤维加到搅拌机中进行搅拌，使预压片的湿片水分控制在70%左右。在一定的温度和时间内，对其进行干燥处理，使其水分含量在5%-8%之间，然后在高温、高压下进行热压，得到生物化学纤维板。
用生物纤维做遮阳板，9个月不变形。用于制作卷帘式橱柜装饰板，办公台面一年以上不会变形，而且可以任意上色，上漆，可与木材纤维板同用。
污泥制生化纤维素，主要是利用污泥中所含的粗蛋白和球蛋白，这些物质可溶于水及稀酸、稀碱、中性盐的水溶液中，在一定的条件下，加热、干燥、加压，进行改性，最后可制成活性污泥树脂，经过漂白、脱脂后，再进行压制，形成板材。[6]
2.1.3制作陶粒
陶粒，尤其是轻质陶粒，优势明显，需求量大，开发新的材料和新的轻质陶粒具有很大的实际应用价值。市政污泥是一种资源量很大的工业废弃物，利用这些废弃物制作陶粒具有很好的经济效益和环保效果。金宜英等对城市污水处理厂的淤泥进行了烧结法和烧结法的试验，并对其烧结法进行了试验，确定了淤泥掺入80%、350℃20分钟、1060℃15分钟的烧结法。广州华穗轻质陶粒厂，在生产过程中，成功地利用生活污水处理厂的污泥代替了河床的泥沙，或用少量的粘土，生产轻质陶粒，日产量达到了300吨，年产量为1818万立方米，年产量为18万立方米。在污泥中含有较多重金属的情况下，应重视对炉窑烟气的治理和对产物中重金属的溶出进行监测。
2.1.4制作复合肥
在普通耕地中，由于长期的耕作，导致了作物根系持续地吸收矿物元素，导致了土壤中有机、无机元素严重匮乏。此外，土壤中的无机肥料的长期施用也会产生负面效应。污泥中的氮、磷、钾、微量元素等是植物生长必需的养分，而有机腐殖质则可以改善土壤的结构，增强土壤的保水性和抗蚀性，是一种很好的土壤改良材料。优良的混合肥料，可改良土壤，提高作物生长，提高产量。
污泥是废水处理后的一种废物，其主要成分在废水中经过了大量的氧化和降解，但仍有一小部分富集于污泥中。燕化污水厂是一家集炼油厂、合成橡胶厂、化一厂、化二厂、化三厂、聚酯厂等为一体的大型企业所排出的精炼、化学废水，以及燕化数十万市民的生活废水，现已形成日处理能力15万立方米以上，是燕化污水厂最大的排污单位。城市污水处理厂的污泥主要有两种类型，一种是初沉淀池污泥，另一种是残余活性污泥。这些淤泥一部分会被送到附近的森林里当肥料，另外一部分则会被晾晒在外面。不管是哪一种，运输和使用都会造成二次污染。
石化废水处理后产生的污泥，除了矿物油之外，还存在 Hg、 Cd、3,4-苯并芘、芳香烃等多种有害物质，但其富含 N, P, K等元素。经过简单的处理，就可以满足农用有机肥料的要求。
将淤泥作为肥料，将其直接用于农田，在5-10 t浓度下，对土壤中有害物质无明显残留，也无明显积累，其农产品中的残留量也达到了国家食品卫生标准。由淤泥生产的复合肥料，淤泥质量分数在30%时，所使用的淤泥量只有0.06%-0.12%。结果表明，该复混肥在农业生产中不会对农业生产产生不良影响，且不会对农业生产产生不良影响。可见，通过对污泥进行肥沃处理，可完全消除二次污染。
按照作物对化肥的吸收状况，通常将化肥及土壤中的总营养成分划分为“速效”与“迟效”。污泥中的有效 N约为1600 mg/L，比普通化肥高，可作追肥，但相对全量而言，有效 N只有2%-3%，故其也是一种缓效肥，更适合作底肥。
以污泥为原料生产的复合肥，因其含有丰富的有机质，可充当肥料，还可使土壤变得疏松，改善土壤的结构，还可将污泥中的多种营养元素充分利用起来，防止长期使用无机肥料造成的土质硬化等问题,因为施用量很小，所以不会对淤泥中的有害物质产生污染。[7]
该方法采用的是以污泥为原料制备复混肥的方法。利用污水处理工厂中产生的富含有机物的污泥，与氮、磷、钾等微量元素按照一定的比例进行混合，然后通过破碎、机械混合、造粒、干燥，就可以得到复合肥。
脱水后的污泥被送到干化厂进行自然干化，然后被送到污泥棚中，污泥棚中的污泥和 N、 P、 K肥被分别用计量的方式送到混料机中，并按需要加入适量的微量元素，对其进行充分的搅拌，使其达到均匀的状态，经过筛分，粒度符合要求的物料，再送入造粒机上，再经过加热，除去其中的水份，再经过冷却，就变成了成品。
目前，国际上的肥料正在朝着缓效化、复合化、高效化、专用化和流化化的方向发展。城市污水处理系统通过污泥制备的复混肥，不仅具有丰富的有机质和氮磷钾三素，还具有多种作物生长发育必需的中、微量元素，而且还具有较高的迟效性营养成分，在肥料的缓效性和复混肥方面，与我国肥料产业的发展方向和发展趋势相吻合。如果能对此进行专门的研究，研制出一种有机-无机复合专用肥料，那么它的发展前景将会更加光明。
2.1.5制作活性炭
以污泥为原料制备活性炭，是实现污泥资源化的一种有效方法。活性污泥中碳含量较高，约为总碳含量的40.9%，从城镇污水处理厂的污泥中生产活性碳的方法，其包含以下步骤：a.将城镇污水处理厂的污泥，其中添加了0.5-3%的添加剂，从而将该污泥的水分含量降低到约10%；b.将所述淤渣和所述激活剂的质量比为1:1，以20%~60%的氯化锌为激活剂，浸泡12~48 h，然后于105℃干燥20~50 min；c.添加5至30%的木屑，果壳，果核，作为碳化剂；d.将所述材料混合均匀，然后将其置于一个高温炉子中，使其升高到500~800摄氏度的激活温度，并在15~50分钟内完成碳化激活；e.通过冷却的洗涤和干燥而获得的活性碳。[8]下图为用剩余活性污泥制成的活性炭。
2.1.6制作二氧化硫吸附剂
以剩余活性污泥为原料制备二氧化硫吸附剂，其基本原理为：将高水分含量的污泥放入炉中，105℃烘干24 h，即可获得水分含量低于10%的干污泥。在一个不锈钢加热器中放置大约30克干泥浆，并以5摄氏度/min的速率进行裂解。在550℃下裂解，1小时后，经粉碎，获得颗粒大小在0.6-0.8 mm之间的产品，这就是污泥的吸附剂。或者取干污泥（烘24 h后），在550℃炭化2 h，通入水蒸气（流量约为200 mL· min)，将温度保持在550℃，活化2 h，产物烘24 h得到的污泥吸附剂孔径分布比较宽，微孔所占比重较小，以过渡孔结构为主，比表面积较小。在一定的二氧化硫浓度、气流速度、温度、氧气和水含量、活化剂浓度、活化时间的影响下，脱硫效果会有很大的不同，所以，在脱硫的过程中，要对这些因素进行适当的调节。
由于残渣中碳含量高（其成分可用分子式C5H7NO2表达，其理论碳含量为53%)，使得残渣中碳含量达到了一定程度。通过对污泥的碳化和活化条件的研究，可以使污泥的碳化和活化得到更好的处理效果，同时也可以降低生产成本。当前，对城市污水处理厂污泥进行碳化处理，除采用常规的高温碳化方法之外，还可采用工业废渣硫酸作为催化剂进行碳化。活性污泥的激活方法主要有高温蒸汽的物理激活和氯化锌的化学激活。
由于污泥中含碳量的限制，导致其品质较差，含碘量仅在177-700 mg/g之间，但其对有机污水的吸附能力、吸附平衡时间等均超过商业活性炭，但其使用范围受限于污泥中的重金属，所以其使用场合会受到限制。然而，在某些需要使用活性碳的气体纯化中，其使用要比常规的活性碳更为经济。而且，如果污泥活性碳得不到再生，可以考虑将其燃烧，还可以将其中的重金属固化，所以它具有一定的应用前景。[9]
2.1.7污泥发酵产沼气发电
厌氧发酵技术是目前和将来最常用的污泥稳定技术。与其它稳定方法相比，厌氧发酵得到了广泛的使用，因为它有以下优势：
1、产生有时超出污水处理工艺要求的能源（甲烷）；
2、将最终要处理的淤泥量降低30%-50%；
3、待完全消化后，可以消除异味；
4、对病原菌有杀灭作用，尤其是在温度较高的情况下；
5、消化后的淤泥易于脱水，且含有有机质活性组分，适合用于土壤的改良[7]
但是，对于一些规模小、污泥量小、不能充分发挥其综合作用的污水厂，也可以进行好氧消化。该工艺具有操作方便，运行稳定，处理过程中所需的污泥量小等特点。但是，其运行成本高，能耗高。在具体的工程实践中，对于污泥的处理，应该根据污泥的数量、有无利用价值、运行管理水平的要求、运行管理与能耗、处理场地的大小等因素，来确定污泥处理的方式。
经过消化处理的有机污泥，不但可以进一步降解、稳定和资源化利用其中的有机物，还可以显著降低污泥的数量（一般情况下可降低1/2)，显著提高污泥的稳定性和脱水能力。这对污泥的后续处理是有利的。
利用污泥发酵生产甲烷的基本原则：
通过在无氧的条件下，与污水、污泥中的厌氧菌菌群的作用，将有机物经过液化、气化而分解为稳定物质，同时将病菌、寄生虫卵被杀死，将固体达到减量化和无害化的方法，对污泥进行厌氧消化，从而制取沼气。将淤泥分解成两个阶段：
2.1.8制作动物饲料
淤泥中包含有蛋白质，脂肪，纤维素，和某些可以被吸收的成分，它们是动物所需的营养物质。污泥中的粗蛋白质约占70%，主要以蛋氨酸、胱氨酸、缬氨酸等氨基酸为主，且各氨基酸间具有较高的比例，是较好的饲料蛋白。
2.2 剩余活性污泥的生态化利用
2.2.1 填埋
由于其投资小，处理能力强，见效快，并且是当前对无法再进行资源化处理的最后处理方式，因而被认为是最为经济的处理方式。填埋法存在以下不足：占地面积较大，运输成本较高，偶尔还会产生污染较重的液体及恶臭现象，还会对地下水源造成污染，所产生的气体以甲烷为主，容易引发火灾和爆炸，由于填埋率的降低，这种方法正在受到制约。
2.2.2 焚烧
在土地资源日趋紧缺的情况下，可将剩余污泥量降至最低。垃圾焚烧后，残渣中的水分和有机质经过分解，仅留下极少的无机盐，形成了残渣，残渣可用作建材。但这种方法的缺点是：投资巨大、操作繁琐、需先干燥再焚烧（会产生恶臭），成本高。在燃烧过程中，容易产生二氧化硫和二恶英等有害气体，对大气造成污染。而且，焚化的费用也很高。
2.2.3 高速生物反应器技术
该工艺集污泥脱水、消化、干化于一体，并将污泥的处置置于密闭循环体系中。该系统包括进料塔，生物反应器，以及几个循环系统。该系统的中心部分为两个区，上部为污泥与土壤混合的区，在此区可实现污泥的均匀负载，并可将其中有机组分和在此区内进行生物降解；下部为气-液分离区，其作用是避免液-液滞留，增加氧的运移量；通过本体系的处理，高负荷率的污泥中有机组分可被降解70%-80%，悬浮固体浓度的去除率可达45%-60%，与其它生物处理技术体系比较，本体系所需能源较低，且可实现连续运行，并能保持最佳温度，有利于微生物的降解，特别适用于天然条件有限、土壤含水率高的情况。与普通的好氧和厌氧消化相比，高速生物反应器具有反应容积小、运行费用低、微生物浓度高、系统抗冲击能力强等特点，从沉淀池排出的5000-30000 mg/L浓度的污泥都可以直接进入该系统，无需进行任何的预处理。
2.2.4 蚯蚓生态床法
以“蚯蚓-微生物”为研究对象，建立了一种采用“蚯蚓—微生物”作为主体功能菌的稳定技术。蚯蚓以污泥中的悬浮物、微生物为食，通过生态系统的食物网关系，使剩余污泥物质保持稳定。蚯蚓粪拥有极高天然气孔率的微细团聚体，一方面能促进好氧微生物的生长，提高固氮和代谢能力。同时，由于其具有良好的分散性和分散性，对人造土壤的趋向性有较好的缓冲作用。蚯蚓粪中富含氮、磷、钾等营养成分，同时还含蚓激酶、富敏酸等能促进植物液态质更生和运动的物质。同时，蚯蚓还可以对剩余污泥中的重金属进行富集，从而有效的减少了重金属污染。
2.2.5 湿式氧化技术
湿式氧化技术是一种对溶解或悬浮在水中的有机物和还原性无机物进行加压和加热，并在空气中氧气的作用下进行氧化分解的一种有效的处理方法。在水氧化过程中，反应温度对 COD的脱除率有很大的影响。试验证明，在300℃，30分钟的条件下，该工艺对 COD的脱除率大于80%。
采用湿式氧化法对污泥进行了预处理，其中的有机质经过分解和氧化，该过程分为气、液和固三个阶段。采用气相色谱分析，结果表明，在湿法氧化过程中，O2、N2和二氧化硫分别占85.8%、13.9%和0.07%。由于有机物被氧化分解，经过湿式氧化后，CO2的体积百分比从0.21%增加到13.9%，生成的二氧化硫非常少量，不会引起二次污染，因此能够直接排入空气中。
2.2.6 制作泡沫灭火器
活性污泥中的蛋白含量高达60-70%，用酸碱调节 pH值，进行水解、浓缩，然后添加稳定剂、防腐剂，就可以制备出蛋白泡沫灭火剂。在残渣中，灭火物质以蛋白质为主，其火灾机制与动物性和植物蛋白泡沫灭火剂相似。
2.2.7 低温热解
污泥低温热解是一项新兴的能源利用技术，利用污泥中含有的铝铝酸盐和重金属（特别是铜），将其中的油脂和蛋白转化为烃类，并生成燃油、气体和碳等。
低温热解是将污泥中的有机质（以脂类和蛋白质类为主）在微正压、250-500℃的温度下，经过蒸馏和热分解得到油脂（热值为33 MJ/kg）的过程，其产率与污泥中有机质的含量有直接关系，通常每1000 kg干污泥可回收200-300 L油脂。由于不凝气、污泥碳和水的存在，可以为污泥的干燥和反应器的加热提供一定的热能。国内外学者普遍认为，在400-500℃条件下，在0.5小时内可得到最大的原油产量，而在300℃时则达到了最大的原油产量，而在300℃时则达到了最大的原油产量。
低温裂解制取石油的特点是：①设备简单，不需要耐高温高压的设备；②能源回收率较高，污泥中有三分之二的炭被以油形式回收，炭与油的总得率超过80%；③不会造成二次污染，经分析认为，经处理的污泥中，绝大多数的重金属将会被溶解到焦油中，90%以上的重金属将会被氧化固定在焦油中，然后再被二次氧化，达到无害化，同时，由于高温低温，极少产生不凝气体，所以可以降低二次污染，降低二次污染，减少二次污染；④与焚化工艺相比，其投资与焚化工艺相当，但操作费用只有焚化工艺的30%。
因为剩余活性污泥的蛋白质含量比较高，所以生产出来的油中氮、氧含量高，而且粘度大，很难被用来作为高档次的燃油。[10]
2.2.8 能源与热能利用
目前，我国城市污水处理厂的污泥制油技术主要有两条：一种是从污水处理厂得到的淤泥热解制取石油的工艺。其原理是：在无氧或低于理论氧量的条件下，将污泥加热到一定温度（高温：600℃~1000℃，低温：<600℃），利用温度驱动污泥有机质的热裂解和热化学转化反应，将固体物质分解为油、不凝性气体和炭三种可燃物，部分产物作为前置干燥与热解的能源，剩余部分作为能量回收。二是直接污泥处理工艺。它是将污泥中的大分子物质，在高温、高压和催化剂的作用下，进行水的裂解，缩合，脱氢，环化等一系列反应，最终得到一种低分子量的油状物。
目前，美，英，日等国家都在采用热化学化方法，即在300℃下，在10 MPa下与脱水的淤泥发生化学反应，形成一种类似于石油的物质。德国、加拿大等发达国家主要采用热裂解油化工艺，即将干涸的淤泥在300-500摄氏度的缺氧状态下加热，使淤泥中的淤泥发生气化，变成一种油；而我国的污泥炼油技术还处于起步阶段。
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