摘要：為了實現汙泥的減量及資源化利用，本文介紹了近年來汙泥處理處置的一些新興方法，主要通過汙泥源頭控制和預處理方法實現汙泥的減量化原則；其次介紹了汙泥的各種資源化方式，同時結合汙泥和西北黃土地區的各自特點重點探討了汙泥在西北黃土地區農林用的可行性，為西北黃土地區汙泥找到出路的同時提高西北黃土的肥效，以期達到改善黃土的貧瘠特性的目的。
關鍵詞：汙泥，處理處置，減量化，資源化，西北黃土
汙泥是汙水處理過程中產生的副產物，包括初沉汙泥，剩餘汙泥及其混合汙泥。隨著人民生活水平的提高和工業的快速發展，汙水的產生量與日俱增。目前國內汙水產生量為1.39億t/d，城市汙水處理率已達77.5%，十二五規劃明確指出：到2015年城市汙水處理率達到85%。每萬m3汙水經處理後汙泥產生量（按含水率80%計）一般約為5~10 t，汙水排放量的大幅度增加和處理效率的提高，必然導致汙泥數量的成倍增加。並且汙泥處理處置費用佔到整個汙水處理廠總費用的20%~45%，汙泥的處理與處置迫在眉睫。
在傳統汙泥處理與處置方法應用的同時，一系列新興的汙泥處理工藝方法漸漸推廣，大致可分為源頭減量、預處理和資源化利用三個方面。汙泥處理應當遵循減量化為主，資源化末端處置為輔的原則。採用減量化技術的前提是不影響汙水的正常處理。雖然汙水處理廠可通過新方法從源頭控制汙泥的產量，但每年仍有大量的剩餘活性汙泥產生，且經過預處理後，汙泥體積仍就非常龐大。因此，很有必要對剩餘活性汙泥進行資源化利用，本文結合西北黃土地區土質的特點和汙泥中含有有機質、氮、磷、鉀及鐵、錳、鋅等微量營養元素，探討西北地區汙泥的出路和施用於黃土對黃土改良的可能性。
城鎮汙水處理廠汙泥處理工藝的選擇應同汙水處理工藝和汙泥處置技術統籌考慮，應優先選擇汙泥源頭削減汙水處理工藝，降低城市汙水處理廠總體運行費用和能耗，減輕末端汙泥處置的負荷，緩解汙泥在處理和處置過程所帶來的環境汙染問題。目前汙泥源頭控制的方法主要有解偶聯代謝，隱性生長和汙泥好氧顆粒化三種方法。
解偶聯的作用機理是使氧化和磷酸化脫偶聯，氧化仍可以進行，而磷酸化不能進行，使分解代謝和合成代謝不能同時進行，微生物仍能正常分解底物，但其自身合成速度減慢，汙泥表觀產率降低。解偶聯來源於英國生物化學家米切爾（P.Mitchell）在1961年提出的「化學滲透學」假說，即生成ATP的氧化與磷酸化之間起偶聯作用的是H+的跨膜梯度。解偶聯的方式主要有解偶聯劑和好氧-沉澱-厭氧工藝兩種方法。
解偶聯劑為離子載體或通道，能增大線粒體內膜對H+的通透性，消除H+梯度，因而無ATP生成，使氧化釋放出來的能量全部以熱的形式散發。解偶聯的方式主要有解偶聯劑和好氧-沉澱-厭氧(OSA)工藝兩種。目前研究較多的解偶聯劑有氯代酚，硝基酚，氨基酚、甲基酚和四氯水楊苯胺等。其具有改變微生物生態結構、汙泥膨脹性能和沉降性能；但微生物可產生抗性，或者產生降解偶聯劑的分解酶，從而使解偶聯劑失效；較難生物降解的解偶聯劑,將會給汙水水處理帶來新的汙染。
Westgarth等首次報導了在汙泥回流過程中增加一個厭氧段可減少一半剩餘汙泥，即好氧-沉澱-厭氧(OSA)工藝，是給微生物提供一個好氧、厭氧的交替生長環境，使細菌在好氧階段所獲的ATP不能立即用於合成新的細胞，而是在厭氧階段作為維持細胞生命活動的能量被消耗，從而減少微生物的表觀產率係數而達到汙泥減量的目的[10,11]。OAS具有汙泥產量低、汙泥沉降性能好，對COD和磷的去除效率高等優點，但對汙水中氮的去除效果較差。
隱性生長又稱溶胞技術，其有機械（如超聲波或微波輻射）、化學(如以O3、ClO2、H2O2 氧化)等方法。機械法的機理是超聲波機械剪切力和自由基氧化作用破壞了汙泥細胞壁和絮體的結構，細胞內含物溶出而進入水相，從而改變汙泥的沉降性能和可生化性，還提高了汙泥的脫水性能。其特點為溶解性CODCr顯著增加；無汙染、能量密度高、分解速度快、簡便靈活且高效等優點；但作用體積較小，適用於小規模操作，超聲波處理汙泥的比能耗較高。
化學方法的機理為強氧化劑首先作用於細胞壁、細胞膜，使其構成成份受損而導致新陳代謝障
礙。Yasui等首先提出將剩餘汙泥用臭氧氧化後返回到曝氣池的方法，可以從總體上實現汙泥減量化；即臭氧繼續滲透，穿透膜而破壞膜內脂蛋白和脂多糖，改變細胞的通透性，導致細胞溶解、死亡[15,16]。其特點為破解效率高，不產生有害副產物；處理成本高，出水水質差，特別是出水中N、P含量高等問題操作條件需要優化。
汙泥顆粒化分為好氧顆粒汙泥和厭氧顆粒汙泥兩種。好氧顆粒汙泥是微生物在飢餓狀態表面變得更加疏水，有助於微生物的粘附和聚集，其次，水力剪切力和反應器中水的流動方式也促進了顆粒的形成。其具有沉降性能優異、生物量濃度高、 抗衝擊負荷和耐受有毒物質的能力強等特點；能有效處理高低濃度的有機廢水，且出水效果好；具有較強的脫氮除磷能力。
厭氧顆粒汙泥一般為產甲烷菌、產乙酸菌和解發酵菌等構成的自凝聚體。其能耗較高，可處理高濃度有機廢水，但出水COD較高，除氮磷的能力也有限。
汙泥是一種膠狀結構的親水性物質，易形成菌膠團和絲狀細菌，當大量繁殖時其表面吸附大量水而使活性汙泥膨脹，導致汙泥含水率高且不易脫水。有研究得出高幹度脫水可使汙泥含水率從95%降至50%左右，與現有帶濾機和離心機相比，汙泥減容可達60%左右，推廣應用後，汙泥處理成本和外運處置成本都將大幅降低。
傳統的預處理的方法一般方法有濃縮、破解、調理、消化、脫水等，汙泥經過傳統預處理後，含水率仍在80%左右，大大加重了汙泥後續的成本。因資源化是今後汙泥處置的發展方向，而經濟高效的汙泥高幹度脫水是汙泥資源化的前提。因此，以提高汙泥的脫水效率，降低後續汙泥熱力乾燥作業的能耗成本，經濟高效的汙泥高幹度脫水技術的研究逐漸開展起來。高幹脫水法主要有熱乾燥法、加消石灰後機械壓濾法和電滲透脫水法。其中熱乾燥法能耗大，設備體積龐大，汙泥易黏在儀器壁上，傳熱受阻效率低；汙泥中加入消石灰後，汙泥中的水分被消石灰吸收並放出大量的熱量，使得汙泥中的水分被蒸發，但該方法由於加入大量的消石灰，增加了成本且不易後續的壓濾處理。電滲透對汙泥的高含水段（80%-60%）脫水效率很高，低含水率段（60%-40%）效果相對不明顯，且設備費較昂貴。
上述汙泥處理處置方法主要從破壞微生物的細胞結構和對汙泥進行高幹度脫水處理。這些方法雖能達到減少汙泥體積的目的，但昂貴的費用和引起的二次汙染說明這些方法還有待進一步研究。
根據汙泥的理化性質，其資源化應用的一般途徑非常廣泛。 表1為汙泥資源化應用的一般途徑。
表1 汙泥資源化應用特點
資源化類型
汙泥特點
產品特點
制型煤
大量有機物，發熱量高[22,23]，粘結性能好。
熱值高，抗壓強度、熱穩定性好，成本低，無汙染，著火點低、溫度高、起火快等優點。
制建築用材
汙泥經焚燒後，灰渣中含有灰為SiO2，CaO，Al2O3和Fe2O3等普通矽酸鹽水泥的組分[25-27]。
重量輕、節能、保溫等優點，並且光潔度、磚體強度均高於一般黏土磚，放射性指標完全符合國家標準。
制有機肥
含有N、P、K等營養元素以及豐富的有機物。
經濟有效且重金屬等汙染物含量符合國家標準。
飼料添加劑
含有大量的粗蛋白、纖維素、脂肪酸等有價物質以及幾乎所有家畜飼料所需的胺基酸。
各種胺基酸之間相對平衡
制沼氣
含大量有機物、微生物及其所需的各種營養。
CH4含量約佔40%-50%，發熱量高。
焚燒發電
含有大量可燃燒的有機物和定量纖維木質素。
清潔，無汙染。
因汙泥含有大量蛋白質、脂肪、多糖等碳水化合物，人們利用微型動物捕食汙泥，不但能增強汙泥減量程度和減量穩定性, 且由於能耗低、不產生二次汙染, 作為一種生態工程技術而備受關注。現階段國內外利用微型動物減量汙泥的研究主要集中在寡毛綱環節動物如紅斑體蟲和體型較大的後生動物顫蚓等。已有研究利用汙泥養殖蚯蚓並在其體內可以提煉出動物所需的維生素B12等。
近年來，汙泥燒制陶粒並用於建築輕集料也得到了快速發展。張雲峰等以自制陶粒作為輕粗集料配製輕集料混凝土，通過調整水灰比、砂率、粉煤灰摻量，配製出強度等級滿足CL30強度要求，幹表觀密度<1700kg/m3的輕集料混凝土；與普通混凝土相比，具有密度小、強度高、保溫、隔熱、抗震性能好的特點，結構質量減輕25%左右，若用於工業和民用建築，將具有很好的經濟效益和應用前景。
汙泥通過氯化鋅為活化劑，製取的汙泥活性炭具有微孔容積大、吸附性能好等優點。黃錚等以汙泥所製備的汙泥活性炭在200目粒徑下的BET比表面積3936.2419m2·g-1，微孔總容積1.47768 cm3·g-1，平均孔徑12.19Å；汙泥活性炭浸出液除Zn超出農用汙泥中汙染物控制標準外，其它重金屬濃度遠低於標準值。通過實驗研究張斌初步得出當汙泥含碳吸附劑的投加量不少於0.7g時，是六價鉻廢水吸附實驗的最佳吸附條件。
解建坤對汙泥活性炭的製備工藝條件和機理進行了研究，得出與以微孔為主的商品活性炭相比,汙泥活性炭屬於中孔性，具有更加開放的孔隙結構，其可以作為一種高效、安全、經濟和可行的商品活性炭替代品用於染料等大分子汙染物廢水的處理。活化劑ZnCI2起到脫水縮合的作用，使原料中的H和O以水的形式分離出來，同時，更多的C鍵合併並保留在原料中。汙泥活性炭的浸出實驗表明，汙泥活性炭浸出液中幾種主要重金屬的濃度不超標,將其用於水處理是安全和可行的，從而可以實現汙泥的資源化。
汙泥熱解因其經濟性好、二次汙染小、熱解產物利用價值高等優點而而被認為是實現汙泥減量化、穩定化、無害化和資源化目標的極具潛力的處理技術，且汙泥低溫熱解制衍生油漸漸得到發展。汙泥低溫煉油技術已在加拿大進行了生產性實驗,獲得了較高的產油率。我國近年來採用間歇反應釜對城市汙水廠汙泥直接熱化學制油的實驗室研究表明:在250℃~300℃的反應溫度範圍內,每千克揮發性固體(VS)可得油0.14~0.144kg，相應有機質轉化率為70%~80%[39,40]。邢英傑等得出汙泥制油的最佳條件為在溫度270℃，反應時間75分鐘，催化劑NaCO34g/100g汙泥。
汙泥是一種十分有效的生物資源，它含有大量的微生物、有機質以及益於植物生長的N、P、K等營養元素，經堆肥後腐熟汙泥能夠改善土壤的理化性質，提高土壤的肥效，並且增加了土壤中微生物的數量，改變土壤微生物群落的結構，並分別提高了土壤硝化細菌的比例、酶的活性、土壤的基礎肥力和土壤腐殖質的含量。其次，汙泥中含大量基本礦物質組成與土壤相似的腐殖質．可提高土壤的陽離子交換量，改善土壤對酸鹼的緩衝能力，提高土壤的保水、保肥和通透性。
汙泥在園林綠化中合理施用, 既避開了食物鏈, 又為園林綠化提供了有機肥。研究結果表明汙泥堆肥促進了供試植物的生長，當汙泥施加量為9kg/m2時，月季、白蠟和扶桑的長勢最好，而國槐施用量以6-12kg/m2為最好。薛澄澤又得出汙泥施用與林地對灰化土等土壤上生長的雲杉和松樹生長都有顯著促進作用，能加速樹木的生長高度和發育；在松樹、橡樹和黃楊樹等林地上，汙泥施加4-6t/km2與施用化肥相比時，樹高度增加46%-489%，直徑增加50%-453%，生物量增加42%-661%。汙泥施用後，森林地表枯枝落葉中氮的積累增加，且土壤中可利用的氮含量也有提高。
當汙泥應用於農田時，汙泥堆肥對農作物具有明顯的增長作用。歐美國家也把土地利用作為汙泥處置的主要方式和鼓勵方向。國內陳同斌等得出城市汙泥複合肥較化肥能使小麥和玉米增加產量，兩者增產分別為11%-17%和11%-27%。 還有研究得出當汙泥施用量為56.25 t/ hm2 時，小麥增產為最大，玉米的產量隨施肥量的增加而增大。但汙泥中的重金屬一直被認為是影響和限制汙泥堆肥與農林用資源化的瓶頸。
我國北方及西北大部地區主要以黃土覆蓋，其性質比較疏鬆，多以黃灰色或棕黃色的粉土和粉沙細粒組成，質地均一。黃土分布範圍北起陰山山麓，東北至松遼平原和大、小興安嶺山前，西北至天山、崑崙山山麓，南達長江中、下遊流域，面積約63萬平方公裡，佔全國土地面積的6％；該地區黃土平均厚度120～200m，其黃土主要為風成黃土，粉粒佔黃土總重量的50%，土質富含碳酸鹽、偏砂且多孔、結構疏鬆、孔隙度大、透水性強、遇水易崩解、抗衝抗蝕性弱。頻繁的水土流失極易造成土壤中有限的植物礦質養分大部分丟失，形成不穩定的、相對貧瘠的表土層。極度貧瘠的土壤對形成良好的植被極為不利。特別是長期的水土流失造成了土壤環境的退化，肥力不足，造成苗木成活率低、生長不良，已經成為今後的發展障礙。
剩餘活性汙泥中含有在許多植物生長所必需的氮、磷、鉀等營養成分，硫、鐵、鈣、鈉、鎂、鋅、銅、鉬等微量元素和豐富的有機物和有機質，這些營養物可以緩慢釋放，具有長效性。有機汙泥既有肥效性，又能是土壤形成團粒結構，具有水穩定性，對土壤的改良和植物的生長均有促進作用，因此被考慮直接施用於土壤和農田。基於汙泥的這些特點，把汙泥施加到土壤中並研究得出，汙泥的土地施用可以改善土壤的生物和物理化學性質，明顯增加了土壤有機質，在土壤改良、育苗、林地綠化等取得了較為明顯的效果。同時土壤施用適量汙泥後，由此帶來的容重降低、孔隙度、團聚體穩定度、持水量以及導水性增加，對農業也起到了積極的作用。通過施用城鎮汙泥，土壤微生物的活動加強和有助於土壤團粒的形成，減少了地表徑流衝刷，增大了土壤的抗衝性。
西北黃土地區（陝西、甘肅、青海、寧夏）2010年汙水總處理量為331萬t/d，汙泥產量（含水率80%計）為6.04×105t/a~1.28×106t/a。雖然汙泥的出路要有填埋、焚燒、堆肥和土地利用等方式，但針對於相對落後和經濟不發達的西北黃土地區，有機汙泥經堆肥後施用於黃土是西北地區汙泥的最好出路，因土壤生態系統有自淨作用，包括生物、物理和化學等過程（生物降解、化學絡合、氧化-還原、物理吸附等），可以抑制汙泥中一些致病生物的生長並使其失活，使汙泥中大部分有機物礦化，同時還可以限制重金屬的遷移、擴散與生物可利用特性等；同時汙泥給黃土提供大量微生物、有機物和氮、磷等植物營養素等，不但解決了汙泥的處置問題，而且有效提高黃土的有機肥效，並降低了其孔隙度、增大團粒穩定度、增強保土保水能力，最終既實現了控制西北地區水土流失的目的，種植植物後也起到了防風護沙和改善生態環境的目標。把汙泥添加到黃土中恰可以取長補短，既可實現黃土有效利用，又可促使西北地區汙泥的資源化。將對農業、林業及生態環境都有不可估量的意義。
汙泥處理與處置是世界範圍內關注的環境問題，任其汙泥的隨意堆放，不僅會造成資源和能源的浪費，還會汙染環境，危害人類健康。隨著人們對環境和能源問題的日益關注，汙泥的資源化利用也備受重視，因此，學者便探討和實踐了一些新型方法。根據西北黃土地區生態現狀，土壤貧瘠，肥力不足，若把高肥效的汙泥應用於黃土，不但可以實現汙泥的資源化利用，還能提高黃土的肥效和保水能力，改善黃土地區的生態環境。同時長期施用汙泥，黃土將會積累較多的重金屬，因此，很有必要長期監測汙泥堆肥施入土壤後所含的有害成分在土壤中的行為及變化。