城市污泥中磷的含量与利用潜力分析

城市污泥中磷的含量与利用潜力分析

摘要：随着世界工业的发展和城市人口的增加，城市污水的排放量日益增多，城市污水处理的副产品——污泥也同步增加。为避免二次污染和有效利用污泥中的有效成分，污泥的处置已经成为全世界关心的问题。整体阐述和分析了城市污水处理厂污泥的处理处置方法、资源化利用等方面的现状以及进展。

关键词：城市污泥；特性；资源化

1 引言

磷是重要的难以再生的非金属矿资源，是生命活动最重要的元素之一，磷矿资源是一种不可再生资源，也是现代农业的重要肥源之一。世界磷资源随着人口的增长而被快速消耗，美国、印度和俄罗斯等国已经启动了应急研究工作，试图以多种工艺方法获得磷酸[1]。

我国列入国家统计的磷矿石储量133亿t，但大多数磷矿难选冶，w(P

2O

5

)大于

30%的富矿只有11.2亿t。我国中低品位的磷矿约占90%，w(P

2O

5

)为26%以下的低品

位磷矿约占50%。由于这些磷矿含大量杂质，采用常规二水工艺难以获得优质磷酸[2]。我国目前不少企业在采矿中存在弃贫采富，资源利用率低的现象，在使用上存在着高矿低用的问题[3]。如果仅以富磷矿磷储量计算,则仅能维持我国使用l 0 ～ l 5年,磷矿已被列为我国2010年后不能满足国民经济发展需要的20种矿产之一[4]。如照此下去，我国富矿将在20年左右逐渐消失，届时磷矿的资源也将面临贫化。因此不得不寻找新的磷资源，而污泥由于含有大量的有机物、营养元素(N，P)等，污泥作为“第二资源”也越来越受到人们的关注。

在城市污水处理过程中，尤其是污水生物处理过程中会产生大量富含磷的污泥。通过有效的方法，使磷从城市污泥中释放出来并以一定形式加以回收，这不仅为城市污水处理厂污泥处理处置和资源化开辟了一个新的方向，而且对保证污水厂的正常运行，减轻水体富营养化程度，改善城市水环境质量，促进磷资源的可持续利用具有重要意义[5]。污泥只要是由有机残片，是由细菌菌体、胶体、无机颗粒等组成。美国环保署对污泥的早期定义是指污水处理过程中产生的固体、半固体或液体残留物。1995年，世界水环境组织为准确反映绝大多数污水污泥具有重新利用价值，将污水污泥 (Sewage Sludge)更名为“生物固

体”(Bio-solid)，其确切含义为“一种能够有效利用的富含有机质的城市污染产物”[6]。

污泥的种类很多，分类也比较复杂，目前一般可按以下方法分类[7]。

1、按来源分

大致可分为给水污泥、生活污水污泥和工业废水污泥三类。生活污水还可按处理方法进一步分类。工业废水污泥可以按其来源分类：食品加工、印染工业废水等污泥：挥发性物质、蛋白质、病原体、植物和动物废物、动物脂肪、金属氢氧化铝、其他碳氢化合物；金属加工、无机化工、染料等废水污泥：金属氢氧化物、挥发性物质、动物脂肪和少量其他有机物钢铁加工工业废水污泥：氧化铁（大部分）、矿物油油脂；钢铁工业等废水污泥：疏水性物质（大部分）、亲水性金属氢氧化物、挥发性物质造纸工业废水污泥：纤维、亲水性金属氢氧化物、生物处理构筑物中的挥发性物质。

2、按污泥成分及性质分

1>以有机物为主要成分的污泥可称为有机污泥，其主要特性是有机物含量高，容易腐化发臭，颗粒较细，密度较小，含水率高且不易脱水，呈胶状结构的亲水性物质，便于用管道输送。

生活污水处理产生的混合污泥和工业废水产生的生物处理污泥是典型的有机污泥，其特性是有机物含量高（60%～80%），颗粒细（0.02～0.2mm），密度小（1002～1006kg/m3)，呈胶体结构，是一种亲水性污泥，容易管道送，但脱水性能差。

2>以无机物为主要成分的污泥常称为无机污泥或沉渣，沉渣的特性是颗粒较粗，密度较大，含水率较低且易于脱水，但流动性较差，不易用管道输送。给水处理沉砂池以及某些工业废水物理、化学处理过程中的沉淀物均属沉渣，无机污泥一般是疏水性污泥。

3、按污泥从污水中分离的过程分

1>初沉污泥。指污水一级处理过程中产生的沉淀物，其性质随污水的成分，特别是混入的工业废水性质而发生变化。

2>活性污泥。指活性污泥处理工艺二次沉淀池产生的沉淀物，扣除回流到曝气池的那部分后，剩余的部分称为剩余活性污泥。

3>腐殖污泥。指生物膜法（如生物滤池、生物转盘、部分生物接触氧化池等）污水处理工艺中二次沉淀池产生的沉淀物。

4>化学污泥。指化学强化一级处理（或三级处理）后产生的污泥。

4、依据污泥的不同产生阶段分，这也是较为常用的分类方法之一。

1>生污泥。指从沉淀池（包括初沉池和二沉池）排出来的沉淀物或悬浮物的总称。

2>消化污泥。指生污泥经厌气分解|煤泥干燥机|后的得到的污泥。

3>浓缩污泥。指生污泥经浓缩处理后得到的污泥。

4>脱水干化污泥。指经脱水干化处理后得到的污泥。

5>干燥污泥。指经干燥处理后得到的污泥。

在其中城市污泥是污泥的一种主要存在形态，城市污泥是城市生活污水和工业污水处理过程中产生的固体废弃物，是一种含粗蛋白高达20%(占污泥有机物的1/3)的亲水胶团，污泥中70%的为细菌菌体胶团，干化则硬结。它以好氧颗粒物为主体，同时包括混入生活污水或工矿废水中的泥沙、纤维、动植物残体等固体颗粒物及被吸附的有机物、金属、病菌、虫卵等物质的综合体[8]。据统计，我国城市污水处理厂每年排放干污泥约20万t，并以每年20%的速度递增。城市污泥中含有较高的有机质、氮、磷，有机质含量大都在300-600g/kg，氮20-50g/kg，磷10-20g/kg[9]。因此可以说，着手磷处理和重新循环利用将是以后磷资源的重要来源，也是磷资源良性循环利用的重要方式。

2 城市污泥成分分析

城镇污水处理厂产生的污泥含水率高（75%～99%），有机物含量高，易腐烂。污泥中含有具有潜在利用价值的有机质，氮、磷、钾和各种微量元素，寄生虫卵、病原微生物等致病物质，铜、锌、铬等重金属[10]，具体见表2-1；以及多氯联苯、二噁英等难降解有毒有害物质[11]，具体见表2-2，如不妥善处理，易造成二次污染，因此城市污泥的处理也成为迫在眉睫的社会问题。

表2-1：我国城市污泥的重金属含量[12]

Tab 2-1: Heavy mental concentration in sewage of China

表2-2：我国部分城市污泥中有机物的含量[13]

Tab 2-2: Content of organic pollutants in selected municipal sludges in China

李艳霞等对我国16个城市29个污水处理厂城市污泥养分的统计分析并与美国的城市污泥中养分进行比较[14]见表2-3。与国外污水污泥相比，我国城市污泥含有丰富的氮和磷等养分，且平均值均高于美国城市污泥，尤其是磷和氮含量普遍较高。但是我国城市污泥的土地利用远不及美国。据美国环保局公布的数据表明, 1998年美国城市污泥堆肥及士地利用占其污泥产量的53%，预计到2010年美国城市污泥的利用率达70%[15]。与纯猪粪和猪厩肥相比，我国城市污泥氮和磷的含量比纯猪粪高31%和59%，比猪厩肥高188%和204%。钾的含量较低，相比纯猪粪和猪厩肥低38%和62%。因此，城市污泥作为肥料提供氮和磷可以优于猪粪及猪厩肥，但全钾含量偏低，施用城市污泥时应补充钾肥。

表2-3：不同国家城市污泥及猪粪、猪厩肥中有机质与养分含量[16,17]

Tab 2-3: Organic matter and nutrient contents in different countries，pig manure and manure compost

郭广慧等人于2 0 0 6年从全国范围内选取9 8个城市污泥样品，测定了其有机质及养分含量：结果表明，城市污泥中有机质、总氮、总磷及总钾的平

均含量分别为2 8 0、2 9.6 、 22.2和 5.83 g／kg，其中总氮和总磷含量显著高于猪粪、牛粪和鸡粪的。与2001年的统计结果相比，城市污泥的总氮、总磷含量显著增加，总钾和有机质含量显著降低[18]。

通过 K - s法检验发现，城市污泥中的总氮、总磷、总钾以及有机质含量均服从正态分布 ( P=0.05)。表2-4列出了城市污泥中总氮、总磷、总钾及有机质的含量[19]。

表2-4：城市污泥的养分及有机质含量[20]

Tab 2-4: Nutrients and organic matter concentrations in municipal sludges

3 城市污泥的再利用

根据以上各个分析结果可以很明显的看出，城市污泥中含有很高的养分，我国城市污泥中氮、磷含量更为丰富，显然只要对城市污泥进行合理的处理再利用，不但可以解决城市污泥污染问题，也在一定程度缓解了磷资源贫化短缺问题。城市污泥的再利用对于整个自然界的物质、能源循环利用是很有裨益的。也可以说城市污水污泥是一种很有利用价值的潜在资源。随着污水处理行业的迅速发展以及国家对污水处理监管力度的增大，污泥产生量也必然越来越大，因此如何妥善地处置与利用污泥已成为污水处理工作中的热点问题。

污泥的土地利用既可以充分利用污泥中的养分，又可以解决污泥的最终出路问题，减少污泥对环境造成的二次污染。把污泥制成复合生物肥料用于园林绿化为目前开发区污泥最佳可行性方案。由于这种有效利用途径不与人类食物链相连,且能改善开发区土壤结构,提高土壤肥力[21]。只要严格控制污染源,保证污泥质量,

按照最安全的负荷量有限度地使用,就不会对地下水造成重金属污染及氮污染[22]。城市污泥再利用的方式主要有以下几种：

（1）污泥中磷直接农田利用[23]

城市污水污泥是一种天然有机肥，不但含有大量有机物，还含有能够促进农作物生长的氮、磷、钾及其它微量元素，而且，含量一般高于农家厩肥。我国部分城市污水处理厂污泥所含的营养成分及含量见表3-1。

表3-1：中国部分城市污水处理厂的污泥所含营养物质（%）城市污水污泥在农田上循环利用，是最古老和最经济的方法。污泥农田利用后，对农田物理、化学及生物学性状均有一定的改良作用。污泥中的有机物质可明显改善农田的结构性，使农田土壤的容重下降，孔隙增多，通气透水性和田间持水量提高[24]，从而，改善农田土壤的物理性质。施用污泥也可提高农田土壤的阳离子交换量(CEC)，改善农田土壤对酸碱的缓冲能力，提供养分交换和吸附的活性位点，从而，提高农田土壤保肥性。污泥中丰富的养分，明显地增加了农田土壤中氮、磷的养分含量，并能有效地向植物提供养分，减少化学肥料的施用量，从而，可降低农业生产成本。

由于未经消化处理的生污泥中含有大量的致病菌和寄生虫卵等，最适合于林地和废弃土地修复。这是因为在森林和一些园林绿地施用污泥可促进树木和花草

的生长，并不必顾及重金属元素的食物链污染问题。但是直接施用从卫生学角度而言不适合于蔬菜类土地[25]。因此要对污泥进行一定的处理比如进行厌氧消化处理。厌氧消化不但能使污泥减量化，还可以回收部分甲烷气体作为能源以及大大缩短发酵时间。发酵过程之后的固体残留物可用作土壤的有机改良剂或肥料使用。在好氧发酵的过程中，生物气体直接逸散到大气之中，会增强大气的温室效应。此外，逸散气体会发出令人讨厌的气味。因此，人们更情愿地使用厌氧发酵的方式[26]。在这种情况下，产生的生物气体中一部分可以供作发酵过程所必需的能源，剩余部分可以收集起来用于其它方面。在一个密闭环境中发酵，温度要比好氧发酵时高，这样可以更有效地杀灭污泥中的致病菌，从而避免致病菌在最终残留污泥用作农业肥料时的散播，这样就可以大大提高污泥做肥料使用的安全性。

(2) 污泥中磷释放回收

主要回收步骤：(1)在水处理中使用生物或化学方法使溶解态的磷转移到固态污泥中；(2)通过生物、化学或加热等方法使污泥中的磷进入浓缩液中；(3)

使用化学沉淀或离子交换使浓缩液中的磷转化成可回收的产品[27]。

1> 微波条件下磷释放

在不同微波条件下污泥中大量的磷可以释放至液相中，然后从液相中回收利用。总磷由无机磷和有机磷组成，而无机磷是由不同形式的磷酸盐组成的。微波处理后污泥中的磷大量释放至液相中，调整能量输入值污泥中磷的释放率也会有相应改变。待磷释放至液相中，就可以通过化学手段把磷进行回收再利用。

2> 生物除磷机理[28]

生物除磷主要是利用聚磷菌PAO (Poly-phosphate Accumulating Organisms) 的摄/放磷作用。在厌氧条件下，聚磷菌把细胞质中聚合磷酸盐异染粒中的磷水

解为磷酸盐(P

3O

4

-)释放到细胞外，并从中获取能量，利用污水中易降解的COD如

挥发性脂肪酸(VFA)，合成贮能物质聚β-羟基-丁酸(PHB)等贮于细胞内。在好氧条件下，聚磷菌以O

2

作为电子受体，通过代谢所贮藏的PHB产生能量，过量地从污水中摄取磷酸盐，并合成新的细胞物质。普通细菌含磷量约为其重量的2.3%，而聚磷菌体内磷的含量超过10%，有时甚至高达30%。污水生物除磷脱氮系统需要定期排放剩余污泥，被聚磷菌过量摄取的磷随剩余污泥排出系统，从而达到污水

除磷的效果。

3> 沉淀作用除磷

EBPR系统中的化学沉淀除磷现象在文献已有大量的报道[29]。由于该现象与微生物的活动联系紧密,Maurer等[30]将其称为“biologically induced precipitation”,并指出对于典型的污水条件(Ca2+浓度为1～2mol/m3,pH为7～7.7)来说只要具有较高浓度的磷酸盐,就会发生沉淀现象。

由于磷在工农业生产中的不可替代性，而且世界上磷矿资源又面临枯竭的危机，实行磷的回收势在必行，这也符合我国经济可持续发展的战略要求。使用再生磷资源同时也可以避免开采磷矿石带来的环境问题。而且水体富营养化的日益严重和城市污泥排放量的增大，除磷、回收磷工艺也越来越受到国内外人士的重视，最近一种适合污泥磷回收的污水除磷新方法被提出，国外某学者提出这样一种新的结晶除磷方法，即以聚磷菌的细胞体作为晶种，在外加钙源的条件下，在细胞表面生成磷酸钙沉淀。这样聚磷菌内部贮存多聚磷酸盐，外部有磷酸钙沉淀，综合了生物和化学聚磷过程，可使富磷污泥中的磷含量达到有利于磷回收的水平。

污泥是宝贵的有机肥料,对于污泥的最终处置,应该从自然界元素的循环出发,采用自然生态式的处置方法———使污泥作为肥料还田、还林,一方面可以恢复和维持氮、磷、钾等的自然循环平衡,保持和提高土壤肥力,改善土壤结构,提高土壤抗涝、抗旱和抗污染的能力,另一方面,可以减少、避免对水环境的二次污染,从而实现土壤的可持续利用,是农业可持续发展、水健康循环的重要支柱之一[30].

4 结论

目前污泥处置已成为污水处理厂设计、运行中必须优先考虑的主要环节。为了防止污泥二次污染，首先，应尽可能通过技术进步和工艺改造等手段减少污泥的产量；其次，应该大力开展促进污泥减量技术的研究，以减少污泥最终处置前的体积，从而降低现有污泥处理处置基建和运行费用。通过资源化改善污泥的成分和性质，回收能量和资源，以减少污泥污染。总之，要想安全有效的处置污泥，需要政府、研科、环保、企业各方面的通力合作才能真正实现。

参考文献

[1] 刘代俊，蒋绍志，罗洪波，张允湘，钟本.中国磷矿资源贫化危机与挑战.无机盐工业[J].2005，37(5).

[2] 刘代俊，蒋绍志，罗洪波，张允湘.国磷矿资源贫化趋势与对策探讨.2005，20，（1）.

[3] 龚贵生．云南中低品位磷矿开发利用与问题探讨[J]．中国工程科学，2005，7(9)：169～172．

[4] 梅翔，陈林，王照，王磊.城市污泥中磷的释放与回收.环境科学与技术[J].2010，33(1).

[5] USAERA. Land application of sewage sludge-a guide for land appliers on the requirements of the federal standards for the use or disposal of sewage sludge， CFRP Part 503. EPA/831-B-93-002b. Office for Enforcement and Compliance Assurance. 1994， Washington. DC.

[6] 郭广慧.我国城市污泥中养分和重金属含量及农用潜力分析[J].2006年.

[7] 污泥的定义与四种分类方法概述.

[8] 吴昊，李铁民，吴旭辉，符艳研，郭晓春. 城市污泥制肥及应用前景[J].中国科学学会学术年会优秀论文集.2006.

[9]尹军，谭学军，张立国.城市污水污泥的土地利用.吉林建筑工程学院学报[J].2003，20(1).

[10] 黄雅曦. 城市污水污泥重金属控制机理及堆肥利用的研究. 2004.

[11] 城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南(试行).环境保护部.2010年2月。

[12] 陈同斌，黄启飞，高定，等.中国城市污泥的重金属含量及其变化趋势.环境科学学报，2003，23(5): 561～569.

[13] 莫测辉，蔡全英，吴启棠，等.城市污泥中有机污染物的研究进展.农业环境保护，2001，20(4): 273～276.

[14] 李艳霞，陈同斌，罗维，等.中国城市污泥有机质及养分含量与土地利用.生态学报，2003， 23(11): 2464～2474.

[15] USAEPA. Biosolids generation，use and disposal in the United States.

EPA530-R-99-099，1999:35.

[16] USEPA. Guide to field storage of biosolids. 2000， ERA/832-B-00-007: 114.

[17] Wang.M.J， Jones.K.C. Up take of chlorobenzene by carrots from spiked and sewage sludge-amended soil. Environment Science Technology, 1994，28: 1260-1267.

[18] USEPA. Biosolids generation，use and disposal in theUnited States. EPA530-R-99-009，1999:35

[19] 郭广慧，杨军，陈同斌，郑国砥，高定，宋波，杜伟.中国城市污泥的有机质和养分含量及其变化趋势. 中国给水排水[J].2009，25(13). [20] 王慧珍，张清敏. 污泥处理及有效利用.城市环境与城市生态[J].2001，14(4)。

[21] 周立祥等·城市污泥土地利用研究[J]·生态学报，1999，19(2):185～193.

[22] 周立祥等·苏州市生活污泥成分性质及其对蔬菜和菜地土壤的影响[J].南京农业大学学报，1994，17(2):54～59.

[23] 郭媚兰等·城市污泥和污泥与垃圾堆肥的农田施用对土壤性质的影响[J].农业环境保护，1994，13(5):204～209.

[24] 王敦球.城市污水污泥农用资源化研究[J].重庆环境科学，1999，21(6):50～53.

[25] 鄂勇.废弃物与污染对环境与健康的影响[M].北京:中国环境科学出版社，2005.

[26] 郭杰，曾光明，张盼月，蒋剑虹. 污水处理厂污泥中磷的回收. 环境科学与技术[J]. 2006,29(9).

[27] 吕娟，陈银广，顾国维. 好氧颗粒污泥在生物强化除磷中的应用.环境科学与技术[J].2006，29(7).

[28] Kathleen Stratton, Padma Shetty, Robert Wallace, et al. Clearing the Smoke[M]. Washington D C: National AcademyPress, 2004。

[29] Appeldoorn K J, Boom A J, Kortstee G J J, et al. Contribution of

precipitated phosphates and acid-soluble polyphosphate to enhanced biological phosphate removal[J].Water Res, 1992, 26:937～943.

[30]李捷，熊必永，张杰. 城市污水处理厂污泥的处置与农业的可持续发展.