城污泥中磷的含量與利用潛力分析

1、城市污泥中磷的含量與利用潛力分析摘要：隨著世界工業(yè)的發(fā)展和城市人口的增加，城市污水的排放量日益增多，城市污水處理的副產(chǎn)品一一污泥也同步增加。為避免二次污染和有效利用污泥中的有效成分，污泥的處置已經(jīng)成為全世界關(guān)心的問題。整體闡述和分析了城市污水處理廠污泥的處理處置方法、資源化利用等方面的現(xiàn)狀以及進(jìn)展。關(guān)鍵詞：城市污泥；特性；資源化1 引言磷是重要的難以再生的非金屬礦資源，是生命活動(dòng)最重要的元素之一，磷礦資源是一種不可再生資源，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要肥源之一。世界磷資源隨著人口的增長而被快速消耗，美國、印度和俄羅斯等國已經(jīng)啟動(dòng)了應(yīng)急研究工作，試圖以多種工藝方法獲得磷酸10我國列入國家統(tǒng)計(jì)的磷礦石儲(chǔ)量

2、133 億 t,但大多數(shù)磷礦難選冶， w(P2O)大于 30%勺富礦只有 11.2 億 t。我國中低品位的磷礦約占 90%w(P2O)為 26%Z 下的低品位磷礦約占50%由于這些磷礦含大量雜質(zhì)，采用常規(guī)二水工藝難以獲得優(yōu)質(zhì)磷酸。我國目前不少企業(yè)在采礦中存在棄貧采富，資源利用率低的現(xiàn)象，在使用上存在著高礦低用的問題網(wǎng)。如果僅以富磷礦磷儲(chǔ)量計(jì)算，則僅能維持我國使用 l0l5 年，磷礦已被列為我國 2010年后不能滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的 20 種礦產(chǎn)之一4。如照此下去，我國富礦將在 20 年左右逐漸消失，屆時(shí)磷礦的資源也將面臨貧化。因此不得不尋找新的磷資源，而污泥由于含有大量的有機(jī)物、營養(yǎng)元素(N

3、,P)等，污泥作為“第二資源”也越來越受到人們的關(guān)注。在城市污水處理過程中，尤其是污水生物處理過程中會(huì)產(chǎn)生大量富含磷的污泥。通過有效的方法，使磷從城市污泥中釋放出來并以一定形式加以回收，這不僅為城市污水處理廠污泥處理處置和資源化開辟了一個(gè)新的方向，而且對保證污水廠的正常運(yùn)行，減輕水體富營養(yǎng)化程度，改善城市水環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)磷資源的可持續(xù)利用具有重要意義50污泥只要是由有機(jī)殘片，是由細(xì)菌菌體、膠體、無機(jī)顆粒等組成。美國環(huán)保署對污泥的早期定義是指污水處理過程中產(chǎn)生的固體、半固體或液體殘留物。1995 年，世界水環(huán)境組織為準(zhǔn)確反映絕大多數(shù)污水污泥具有重新利用價(jià)值，將污水污泥(SewageSludge)

4、更名為“生物固體(Bio-solid),其確切含義為“一種能夠有效利用的富含有機(jī)質(zhì)的城市污染污泥的種類很多，分類也比較復(fù)雜，目前一般可按以下方法分類7。1、按來源分大致可分為給水污泥、生活污水污泥和工業(yè)廢水污泥三類。生活污水還可按處理方法進(jìn)一步分類。工業(yè)廢水污泥可以按其來源分類：食品加工、印染工業(yè)廢水等污泥：揮發(fā)性物質(zhì)、蛋白質(zhì)、病原體、植物和動(dòng)物廢物、動(dòng)物脂肪、金屬氫氧化鋁、其他碳?xì)浠衔?；金屬加工、無機(jī)化工、染料等廢水污泥：金屬氫氧化物、揮發(fā)性物質(zhì)、動(dòng)物脂肪和少量其他有機(jī)物鋼鐵加工工業(yè)廢水污泥：氧化鐵（大部分）、礦物油油脂；鋼鐵工業(yè)等廢水污泥：疏水性物質(zhì)（大部分）、親水性金屬氫氧化物、揮發(fā)性

5、物質(zhì)造紙工業(yè)廢水污泥：纖維、親水性金屬氫氧化物、生物處理構(gòu)筑物中的揮發(fā)性物質(zhì)。2、按污泥成分及性質(zhì)分1以有機(jī)物為主要成分的污泥可稱為有機(jī)污泥，其主要特性是有機(jī)物含量高，容易腐化發(fā)臭，顆粒較細(xì)，密度較小，含水率高且不易脫水，呈膠狀結(jié)構(gòu)的親水性物質(zhì)，便于用管道輸送。生活污水處理產(chǎn)生的混合污泥和工業(yè)廢水產(chǎn)生的生物處理污泥是典型的有機(jī)污泥，其特性是有機(jī)物含量高（60%-80%,顆粒細(xì)（0.020.2mn）,密度?。?0021006kg/m3）,呈膠體結(jié)構(gòu)，是一種親水性污泥，容易管道送，但脫水性能差。2以無機(jī)物為主要成分的污泥常稱為無機(jī)污泥或沉渣，沉渣的特性是顆粒較粗，密度較大，含水率較低且易于脫水，但

6、流動(dòng)性較差，不易用管道輸送。給水處理沉砂池以及某些工業(yè)廢水物理、化學(xué)處理過程中的沉淀物均屬沉渣，無機(jī)污泥一般是疏水性污泥。3、按污泥從污水中分離的過程分1初沉污泥。指污水一級處理過程中產(chǎn)生的沉淀物，其性質(zhì)隨污水的成分，特別是混入的工業(yè)廢水性質(zhì)而發(fā)生變化。2活性污泥。指活性污泥處理工藝二次沉淀池產(chǎn)生的沉淀物，扣除回流到曝氣池的那部分后，剩余的部分稱為剩余活性污泥。3腐殖污泥。指生物膜法（如生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、部分生物接觸氧化池等）污產(chǎn)物”6水處理工藝中二次沉淀池產(chǎn)生的沉淀物。4 址學(xué)污泥。指化學(xué)強(qiáng)化一級處理（或三級處理）后產(chǎn)生的污泥4、依據(jù)污泥的不同產(chǎn)生階段分，這也是較為常用的分類方法之一。1生

7、污泥。指從沉淀池（包括初沉池和二沉池）排出來的沉淀物或懸浮物的總稱。2消化污泥。指生 7?泥經(jīng)厭氣分解|煤泥干燥機(jī)|后的得到的污泥。3濃縮污泥。指生污泥經(jīng)濃縮處理后得到的污泥。4脫水干化污泥。指經(jīng)脫水干化處理后得到的污泥。5干燥污泥。指經(jīng)干燥處理后得到的污泥。在其中城市污泥是污泥的一種主要存在形態(tài)，城市污泥是城市生活污水和工業(yè)污水處理過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，是一種含粗蛋白高達(dá) 20%（占污泥有機(jī)物的 1/3）的親水膠團(tuán)，污泥中 70%勺為細(xì)菌菌體膠團(tuán)，干化則硬結(jié)。它以好氧顆粒物為主體，同時(shí)包括混入生活污水或工礦廢水中的泥沙、纖維、動(dòng)植物殘?bào)w等固體顆粒物及被吸附的有機(jī)物、金屬、病菌、蟲卵等物質(zhì)的

8、綜合體網(wǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國城市污水處理廠每年排放干污泥約 20 萬 t,并以每年 20%勺速度遞增。 城市污泥中含有較高的有機(jī)質(zhì)、氮、磷，有機(jī)質(zhì)含量大都在 300-600g/kg,氮 20-50g/kg,磷 10-20g/kg 網(wǎng)。因此可以說，著手磷處理和重新循環(huán)利用將是以后磷資源的重要來源，也是磷資源良性循環(huán)利用的重要方式。2 城市污泥成分分析城鎮(zhèn)污水處理廠產(chǎn)生的污泥含水率高（75%-99%,有機(jī)物含量高，易腐爛。污泥中含有具有潛在利用價(jià)值的有機(jī)質(zhì)，氮、磷、鉀和各種微量元素，寄生蟲卵、病原微生物等致病物質(zhì)，銅、鋅、銘等重金屬1具體見表 2-1;以及多氯聯(lián)苯、二嗯英等難降解有毒有害物質(zhì)11,具體見

9、表 2-2,如不妥善處理，易造成二次污染，因此城市污泥的處理也成為迫在眉睫的社會(huì)問題。受化范唱平均值*境計(jì)樣本的斷標(biāo)率悵）（巾脈E E）（巾曲）0842844408428444（閉中5 5）新林妙USEPAUSEPA應(yīng)兌0-9.30-9.32842840 00 0Q QCd54540.05-160.05-16& &1971970 0Q Q0 0As26260 0用16.116.10 00 00 0Ni3535IV,IV,4-3744-37477.577.5111111110 0Ph55550.6690.6690 00 00 0Ci373703740374例0 00 0- -CQ

10、卬2M-306S2M-306S破即12120 0Zn5757任731473141450145055555 50 01閥WWMWU1.費(fèi)II年限為IW20W加T城內(nèi)柳中4金屬才H在耕卜*貝此艮申I2MXM年的甲皿腐干精的！中平的植升簿配械叫下理相皿標(biāo)凰smw國科蝌F ”刪叼月陋*隔霹一科m表 2-1:我國城市污泥的重金屬含量12Tab2-1:HeavymentalconcentrationinsewageofChina打機(jī)污染枷IT耽DW）矍類象糕珀基弒JE類由代膝，二甲 t tW!W!多環(huán)壽控類耕（玳州污泥30400SI01.126ND（1.10318,0073JO7I0.650俗山污泥2.6

11、550457IMSND0.63712,濕11360L020MSSMSS12910.0510319NDoinJ534O7H4106578改圳河混ND0.01000E500020007iW71湖0.050天蝴出M0,7704的0.227022223M15碗0.024北的龍ND1.1877.6870.15S0.159Hi23433,6365.M7士陋詛7.7436,9171722001加3.23823211438040.049西嬌黃0.2J90.1420.5260.0290.1101L7252.2110.06J6 6 大增2湖1.105L咖0.106012929,7505.1550,007港沙川Q.

12、WI。如0J170,0154.504264711L84BM33誡117504710.721QQW03H21758M76tffi貴期 HLHL2IM表 2-2:我國部分城市污泥中有機(jī)物的含量13Tab2-2:ContentoforganicpollutantsinselectedmunicipalsludgesinChina李艷霞等對我國 16個(gè)城市 29個(gè)污水處理廠城市污泥養(yǎng)分的統(tǒng)計(jì)分析并與美國的城市污泥中養(yǎng)分進(jìn)行比較14見表 2-3。與國外污水污泥相比，我國城市污泥含有豐富的氮和磷等養(yǎng)分，且平均值均高于美國城市污泥，尤其是磷和氮含量普遍較高。但是我國城市污泥的土地利用遠(yuǎn)不及美國。據(jù)美國環(huán)保局

13、公布的數(shù)據(jù)表明，1998 年美國城市污泥堆肥及土地利用占其污泥產(chǎn)量的 53%預(yù)計(jì)到 2010 年美國城市污泥的利用率達(dá) 70%5。與純豬糞和豬廄肥相比，我國城市污泥氮和磷的含量比純豬糞高 31%口 59%比豬廄肥高 188%口 204%鉀的含量較低，相比純豬糞和豬廄肥低 38%口62%因此，城市污泥作為肥料提供氮和磷可以優(yōu)于豬糞及豬廄肥，但全鉀含量偏低，施用城市污泥時(shí)應(yīng)補(bǔ)充鉀肥。國家有機(jī)質(zhì)與養(yǎng)分含鯽m州然軸中蹣市槐DJ8427.114.36.9炸城硼好5342618.14.0中酬妙71420,79.012中國艇臚3029,44,79.5I）城町的娜29個(gè)城腑搬財(cái)梆有機(jī)質(zhì)冊冊聘含那2）端USE隊(duì)

14、叫叫USEPA冏耳攵臚料來源鋪削珈幽表 2-3:不同國家城市污泥及豬糞、豬廄肥中有機(jī)質(zhì)與養(yǎng)分含量16,17Tab2-3:Organicmatterandnutrientcontentsindifferentcountriespigmanureandmanurecompost郭廣慧等人于 2006 年從全國范圍內(nèi)選取 98 個(gè)城市污泥樣品，測定了其有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量：結(jié)果表明，城市污泥中有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷及總鉀的平均含量分別為 280、29,6、22.2 和 5.83g/kg,其中總氮和總磷含量顯著高于豬糞、牛糞和雞糞的。與2001 年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相比，城市污泥的總氮、總磷含量顯著增加，總鉀和有機(jī)質(zhì)

15、含量顯著降低18。通過 K-s 法檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，城市污泥中的總氮、總磷、總鉀以及有機(jī)質(zhì)含量均服從正態(tài)分布（P=0,05）。表 2-4 列出了城市污泥中總氮、總磷、總鉀及有機(jī)質(zhì)的含量19o表 2-4:城市污泥的養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量20Tab2-4:Nutrientsandorganicmatterconcentrationsinmunicipalsludges3 城市污泥的再利用根據(jù)以上各個(gè)分析結(jié)果可以很明顯的看出，城市污泥中含有很高的養(yǎng)分，我國城市污泥中氮、磷含量更為豐富，顯然只要對城市污泥進(jìn)行合理的處理再利用，不但可以解決城市污泥污染問題，也在一定程度緩解了磷資源貧化短缺問題。城市污泥的再利用對于整

16、個(gè)自然界的物質(zhì)、能源循環(huán)利用是很有裨益的。也可以說城市污水污泥是一種很有利用價(jià)值的潛在資源。隨著污水處理行業(yè)的迅速發(fā)展以及國家對污水處理監(jiān)管力度的增大，污泥產(chǎn)生量也必然越來越大，因此如何妥善地處置與利用污泥已成為污水處理工作中的熱點(diǎn)問題。污泥的土地利用既可以充分利用污泥中的養(yǎng)分，又可以解決污泥的最終出路問題，減少污泥對環(huán)境造成的二次污染。把污泥制成復(fù)合生物肥料用于園林綠化為目前開發(fā)區(qū)污泥最佳可行性方案。由于這種有效利用途徑不與人類食物鏈相連，且能改善開發(fā)區(qū)土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力21。只要嚴(yán)格控制污染源，保證污泥質(zhì)量，按照最安全的負(fù)荷量有限度地使用，就不會(huì)對地下水造成重金屬污染及氮污染220 城

17、市污泥再利用的方式主要有以下幾種：（1）污泥中磷直接農(nóng)田利用23城市污水污泥是一種天然有機(jī)肥，不但含有大量有機(jī)物，還含有能夠促進(jìn)農(nóng)作物生長的氮、磷、鉀及其它微量元素，而且，含量一般高于農(nóng)家?guī)?。我國部分城市污水處理廠污泥所含的營養(yǎng)成分及含量見表 3-1。臚麻寺鼬魏刷毗表 3-1:中國部分城市污水處理廠的污泥所含營養(yǎng)物質(zhì)（%城市污水污泥在農(nóng)田上循環(huán)利用，是最古老和最經(jīng)濟(jì)的方法。污泥農(nóng)田利用后，對農(nóng)田物理、化學(xué)及生物學(xué)性狀均有一定的改良作用。污泥中的有機(jī)物質(zhì)可明顯改善農(nóng)田的結(jié)構(gòu)性，使農(nóng)田土壤的容重下降，孔隙增多，通氣透水性和田問持水量提高24,從而，改善農(nóng)田土壤的物理性質(zhì)。施用污泥也可提高農(nóng)田土壤

18、的陽離子交換量（CEC）,改善農(nóng)田土壤對酸堿的緩沖能力，提供養(yǎng)分交換和吸附的活性位點(diǎn)，從而，提高農(nóng)田土壤保肥性。污泥中豐富的養(yǎng)分，明顯地增加了農(nóng)田土壤中氮、磷的養(yǎng)分含量，并能有效地向植物提供養(yǎng)分，減少化學(xué)肥料的施用量，從而，可降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。由于未經(jīng)消化處理的生污泥中含有大量的致病菌和寄生蟲卵等，最適合于林地和廢棄土地修復(fù)。這是因?yàn)樵谏趾鸵恍﹫@林綠地施用污泥可促進(jìn)樹木和花草觥嫻1r州躺淋酸加臧螂淋1r大躺輯稱對勤抑觸）ffl淋艇I（N）酬抑觸）觸國1241.49-31.70iffi1.220,-30LH1.491,577,1728.131,(2M0,34-28,0617&1.04U

19、9-,11IJ1.060.35-眥娜i上輸就觥堀小；l.lil1.1?IB3l3ilrrtii?1uI.?1-崛脈T3,15吼O-ffiOO啷燈Bl1275L36-35,711用肱媚樹12-猊23嘛槌蝦逋OJD-69.63Q旭炮0.61-如平埔2.751.03岫-36.63能解而燔1.250.C-雕哂4Q9-恨3)的生長，并不必顧及重金屬元素的食物鏈污染問題。但是直接施用從衛(wèi)生學(xué)角度而言不適合于蔬菜類土地25。因此要對污泥進(jìn)行一定的處理比如進(jìn)行厭氧消化處理。厭氧消化不但能使污泥減量化，還可以回收部分甲烷氣體作為能源以及大大縮短發(fā)酵時(shí)間。發(fā)酵過程之后的固體殘留物可用作土壤的有機(jī)改良劑或肥料使用。

20、在好氧發(fā)酵的過程中，生物氣體直接逸散到大氣之中，會(huì)增強(qiáng)大氣的溫室效應(yīng)。止匕外，逸散氣體會(huì)發(fā)出令人討厭的氣味。因此，人們更情愿地使用厭氧發(fā)酵的方式26。在這種情況下，產(chǎn)生的生物氣體中一部分可以供作發(fā)酵過程所必需的能源，剩余部分可以收集起來用于其它方面。在一個(gè)密閉環(huán)境中發(fā)酵，溫度要比好氧發(fā)酵時(shí)高，這樣可以更有效地殺滅污泥中的致病菌，從而避免致病菌在最終殘留污泥用作農(nóng)業(yè)肥料時(shí)的散播，這樣就可以大大提高污泥做肥料使用的安全性。（2）污泥中磷釋放回收主要回收步驟：（1）在水處理中使用生物或化學(xué)方法使溶解態(tài)的磷轉(zhuǎn)移到固態(tài)污泥中；（2）通過生物、化學(xué)或加熱等方法使污泥中的磷進(jìn)入濃縮液中；（3）使用化學(xué)沉淀或

21、離子交換使?jié)饪s液中的磷轉(zhuǎn)化成可回收的產(chǎn)品27o1微波條件下磷釋放在不同微波條件下污泥中大量的磷可以釋放至液相中，然后從液相中回收利用?？偭子蔁o機(jī)磷和有機(jī)磷組成，而無機(jī)磷是由不同形式的磷酸鹽組成的。微波處理后污泥中的磷大量釋放至液相中，調(diào)整能量輸入值污泥中磷的釋放率也會(huì)有相應(yīng)改變。待磷釋放至液相中，就可以通過化學(xué)手段把磷進(jìn)行回收再利用。2生物除磷機(jī)理28生物除磷主要是利用聚磷菌 PAO（Poly-phosphateAccumulatingOrganisms）的攝/放磷作用。在厭氧條件下，聚磷菌把細(xì)胞質(zhì)中聚合磷酸鹽異染粒中的磷水解為磷酸鹽（P3Q-）釋放到細(xì)胞外，并從中獲取能量，利用污水中易降解的

22、 COD 口揮發(fā)性脂肪酸（VFA）,合成貯能物質(zhì)聚 B-羥基-丁酸（PHB）等貯于細(xì)胞內(nèi)。在好氧條件下，聚磷菌以 O 作為電子受體，通過代謝所貯藏的 PH/生能量，過量地從污水中攝取磷酸鹽，并合成新的細(xì)胞物質(zhì)。普通細(xì)菌含磷量約為其重量的 2.3%,而聚磷菌體內(nèi)磷的含量超過 10%有時(shí)甚至高達(dá) 30%污水生物除磷脫氮系統(tǒng)需要定期排放剩余污泥，被聚磷菌過量攝取的磷隨剩余污泥排出系統(tǒng)，從而達(dá)到污水除磷的效果。3沉淀作用除磷EBP康統(tǒng)中的化學(xué)沉淀除磷現(xiàn)象在文獻(xiàn)已有大量的報(bào)道290由于該現(xiàn)象與微生物的活動(dòng)聯(lián)系緊密，Maurer 等30將其稱為“biologicallyinducedprecipitati

23、on”，并指出對于典型的污水條件（Ca2+濃度為 12mol/m3,pH 為 77.7）來說只要具有較高濃度的磷酸鹽，就會(huì)發(fā)生沉淀現(xiàn)象。由于磷在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的不可替代性，而且世界上磷礦資源又面臨枯竭的危機(jī)，實(shí)行磷的回收勢在必行，這也符合我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。使用再生磷資源同時(shí)也可以避免開采磷礦石帶來的環(huán)境問題。而且水體富營養(yǎng)化的日益嚴(yán)重和城市污泥排放量的增大，除磷、回收磷工藝也越來越受到國內(nèi)外人士的重視，最近一種適合污泥磷回收的污水除磷新方法被提出，國外某學(xué)者提出這樣一種新的結(jié)晶除磷方法，即以聚磷菌的細(xì)胞體作為品種，在外加鈣源的條件下，在細(xì)胞表面生成磷酸鈣沉淀。這樣聚磷菌內(nèi)部貯存多聚磷

24、酸鹽，外部有磷酸鈣沉淀，綜合了生物和化學(xué)聚磷過程，可使富磷污泥中的磷含量達(dá)到有利于磷回收的水平。污泥是寶貴的有機(jī)肥料，對于污泥的最終處置，應(yīng)該從自然界元素的循環(huán)出發(fā)，采用自然生態(tài)式的處置方法使污泥作為肥料還田、還林，一方面可以恢復(fù)和維持氮、磷、鉀等的自然循環(huán)平衡，保持和提高土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤抗?jié)?、抗旱和抗污染的能力，另一方面，可以減少、避免對水環(huán)境的二次污染，從而實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)利用，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、水健康循環(huán)的重要支柱之一30.4 結(jié)論目前污泥處置已成為污水處理廠設(shè)計(jì)、運(yùn)行中必須優(yōu)先考慮的主要環(huán)節(jié)。為了防止污泥二次污染，首先，應(yīng)盡可能通過技術(shù)進(jìn)步和工藝改造等手段減少污泥的產(chǎn)量

25、；其次，應(yīng)該大力開展促進(jìn)污泥減量技術(shù)的研究，以減少污泥最終處置前的體積，從而降低現(xiàn)有污泥處理處置基建和運(yùn)行費(fèi)用。通過資源化改善污泥的成分和性質(zhì)，回收能量和資源，以減少污泥污染?？傊?，要想安全有效的處置污泥，需要政府、研科、環(huán)保、企業(yè)各方面的通力合作才能真正實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)1劉代俊，蔣紹志，羅洪波，張?jiān)氏妫姳?中國磷礦資源貧化危機(jī)與挑戰(zhàn).無機(jī)鹽工業(yè)J.2005,37(5).2劉代俊，蔣紹志，羅洪波，張?jiān)氏?國磷礦資源貧化趨勢與對策探討.2005,20,(1).3龔貴生.云南中低品位磷礦開發(fā)利用與問題探討J.中國工程科學(xué)，2005,7(9):169172.4梅翔，陳林，王照，王磊.城市污泥中磷的釋

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