1、城市污泥的危險(xiǎn)性和農(nóng)作物秸稈焚燒帶來的問題
2006年我國661個(gè)設(shè)市城市中共建成污水處理廠791座，污泥產(chǎn)量（干重）約173萬噸，截止到2008年11月，我國建成的污水處理廠總數(shù)已達(dá)1442座，污水處理廠呈快速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，污泥的產(chǎn)量將相當(dāng)可觀，而污泥的不當(dāng)排放對環(huán)境的危險(xiǎn)性則迅速增加。
城市污泥中含有泥砂、纖維、動植物殘?bào)w、微生物等固體顆粒及其凝結(jié)的絮狀物和較多的氮、磷等多種微量元素和有機(jī)質(zhì)，也含有大量的病原體、寄生蟲（卵）以及一定量的重金屬和多種有毒有害有機(jī)物，是目前世界各國都十分頭疼的難題。污泥的處置是污水處理中所面臨的最重大的挑戰(zhàn)之一，也是廢物中影響環(huán)境、造成危害最為嚴(yán)重的因素之一。在歐美發(fā)達(dá)國家，污泥甚至被當(dāng)作危險(xiǎn)物品來處理。因此，作為一個(gè)亟待解決的重大環(huán)境問題，如何妥善、科學(xué)地處理污泥，正受到前所未有的關(guān)注。
改革開放以來，由于農(nóng)民收入不斷提高，農(nóng)民的生活方式有城市化的趨勢。農(nóng)民常常將農(nóng)作物秸稈就地焚燒。而且這種現(xiàn)象屢禁不止，也成了許多地方政府十分頭疼的問題。如何將農(nóng)作物秸稈資源化，為農(nóng)民帶來實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)利益，是解決這個(gè)問題的根本出路。
2、城市污泥處理的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)
污泥處理處置與利用的傳統(tǒng)方式主要有棄海、填埋、焚燒和土地利用等幾種。由于污泥棄海處置環(huán)境壓力大，在大部分國家已被禁止。目前普遍采用的處置方式是填埋和在農(nóng)業(yè)上作為肥料使用。污泥的衛(wèi)生填埋始于上世紀(jì)60年代，到目前為止，已發(fā)展成為一項(xiàng)比較成熟的污泥處置技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是投資較少、容量大、見效快。然而，城市污泥衛(wèi)生填埋也存在許多問題。污泥中含有的各種有毒有害物質(zhì)經(jīng)雨水的浸蝕和滲漏會污染地下水及大氣，同時(shí)還要占用大量土地，另外，遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸費(fèi)用高昂也是制約污泥的衛(wèi)生填埋的一個(gè)重要因素。污泥的衛(wèi)生填埋并不能最終避免環(huán)境污染，而只是延緩了產(chǎn)生時(shí)間。以上種種不利因素限制了污泥的衛(wèi)生填埋的發(fā)展，將不會成為污泥最終處置的發(fā)展方向。
近年來的實(shí)踐表明，污泥農(nóng)用可在一定程度上利用污泥中的有機(jī)質(zhì)和N、P等養(yǎng)分，且處理方法簡單、成本低，但因污泥含有Pb、Cr、Hg、Cd等重金屬，細(xì)菌類、病毒和蠕蟲卵等病原體以及氯酚( CPs)、氯苯(CBs)、硝基苯(NBs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)、多氯代二苯并二惡英／呋喃(PCDD/Fs)、鄰苯二甲酸酯(PEs)、多環(huán)芳烴(PAHs)和有機(jī)氯農(nóng)藥(OCPs)等有機(jī)污染物，可能給植物、牲畜和人帶來危害。雖然在降低污泥農(nóng)用的危險(xiǎn)性方面已作了很多的研究，但仍有很大爭議，且被認(rèn)為，至少目前的農(nóng)用方式仍是不安全的。就環(huán)境的安全性來說，污泥焚燒相對是目前較好的處理方法。因此，污泥的焚燒一度很受人們的歡迎，然而污泥焚燒又以一次性投資大、設(shè)備投資高、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高、會產(chǎn)生二惡英等劇毒物質(zhì)、焚燒灰需要再處理等限制了其使用。由于焚燒裝置復(fù)雜，建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)高于一般污泥處理方法，焚燒成本是其它工藝的2～4倍（噸干污泥綜合處理成本約為700～1000元），在經(jīng)濟(jì)上難以支撐，因此在實(shí)用上無法得到推廣應(yīng)用。
農(nóng)作物秸稈除了秸稈焚燒外，其實(shí)也可以經(jīng)過
秸稈壓塊機(jī)和
秸稈顆粒機(jī)壓制成生物質(zhì)顆粒燃料，這樣的話不但利于物料的保存也非常的利于物料的運(yùn)輸，秸稈壓塊機(jī)和秸稈顆粒機(jī)以及其生產(chǎn)的生物質(zhì)顆粒產(chǎn)品如下圖所示：
就現(xiàn)狀而言，污泥資源化是發(fā)展的大趨勢，也是研發(fā)的主要方向，但焚燒或作農(nóng)用肥料使用，不是成本高得難以承受，就是有二次污染甚至使人畜致病的風(fēng)險(xiǎn)。很明顯，污泥處理確實(shí)是擺在我們面前的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，科技工作者應(yīng)該探索新的、綠色的、經(jīng)濟(jì)的污泥處理方法及其中的科學(xué)規(guī)律。目前，在污泥資源化研究方面，除了農(nóng)用之外，也有其它方法正處于研究階段，如制備污泥活性炭、熱加工回收能量、制造建材等。下面就污水污泥資源化利用研究的現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行分析。
(1)城市污泥制活性炭
在污泥制活性炭方面，幾乎所有的研究者都是僅僅將污泥當(dāng)作一種普通原料，簡單借用傳統(tǒng)的制備方法，如化學(xué)活化法（氯化鋅法、磷酸法或其它使用強(qiáng)腐蝕性酸、堿、鹽活化的工藝）或水蒸汽活化法，一般需要對含水污泥進(jìn)行干燥、炭化、活化（化學(xué)法還要漂洗、干燥）等步驟制成活性炭。由于制備過程流程長、工藝復(fù)雜、能耗大、污染嚴(yán)重（主要是化學(xué)法），且成本未見明顯降低。另外，大部分污泥本身有機(jī)質(zhì)含量明顯低于木材、煤炭和椰殼果殼等活性炭常用原料，甚至低于農(nóng)作物秸稈，使得污泥活性炭吸附性能明顯低于傳統(tǒng)活性炭，加上重金屬潛在的不利影響，因此這種利用傳統(tǒng)方法制備的污泥活性炭成本高、性能差、使用場合受限制，將很難在市場上生存。
目前，市場上缺乏的要么是高性能的高檔活性炭（用于特種用途如催化劑載體、汽油吸附炭等，價(jià)高，但需求量不大），要么是廉價(jià)的有競爭力的低檔活性炭（主要用于環(huán)境治理，需求量很大）。顯然，傳統(tǒng)方法制備的污泥活性炭不符合市場需求。
雖然利用傳統(tǒng)技術(shù)制備的污泥活性炭有不少缺點(diǎn)，但也發(fā)現(xiàn)了許多有價(jià)值的結(jié)果，如任愛玲及吳鍵。等人研究發(fā)現(xiàn)，污泥制成活性炭吸附劑后，其中含有的重金屬被固定化，活性炭溶出液中未檢出重金屬或重金屬量低于普通活性炭；余蘭蘭等人用污泥吸附劑處理城市污水和煙道氣中的SO2取得丁較好的結(jié)果，其他人也得到了類似的結(jié)果，結(jié)論是污泥活性炭可以用于污水治理及有害氣體的處理。根據(jù)這些研究結(jié)果，可以認(rèn)為將污泥制成吸附劑使用的潛力是巨大的。
污泥本身具有膠體特性，毛細(xì)孔隙發(fā)達(dá)，經(jīng)過干燥和熱解，能轉(zhuǎn)化為富含孔隙的多孔材料，但孔隙主要是大孔，比表面積很小，吸附作用有限。利用傳統(tǒng)技術(shù)雖然可以提高吸附能力，但成本高或有二次污染。因此，污泥的資源化利用必須突破固有思路，一定要充分考慮和利用其本身的特點(diǎn)，如污泥中“孔隙”就是可資利用的突出特點(diǎn)！同時(shí)，也要克服其不足之處，如有機(jī)質(zhì)含量低、熱量低、水分高、灰分高等。
(2)熱加工回收能量和制造建材
在回收能量的熱加工（利用）主要有熱解制油、氣化、燃燒等方式。無論那種熱加工或利用方式，都不得不面對一個(gè)嚴(yán)重問題，就是污泥本身水分含量高達(dá)75%～85%，其干物質(zhì)中的灰分含量也很高，導(dǎo)致本身的熱值有限，常常低于蒸發(fā)自身水分所需的熱量，一般情況下不僅沒有富裕能量輸出，而且還要補(bǔ)充大量化石燃料來保持熱解或燃燒的正常進(jìn)行。這種熱加工往往是以外補(bǔ)能量為前提的。制造建材也是一樣，僅僅利用了其中的固體物質(zhì)和有限的熱能，但付出的代價(jià)卻是額外燃煤的能量用于污泥中水分的蒸發(fā)，此外，許多重金屬在水泥熟料燒成階段會揮發(fā)逸出進(jìn)人大氣而產(chǎn)生新的污染。雖然這兩類利用方式可以較為徹底地解決污泥的處置問題，但從節(jié)能減排的角度看，這兩類方法并非最佳，經(jīng)濟(jì)上也無優(yōu)勢。
3、城市污泥與農(nóng)作物秸稈共熱解
本研究提出，在城市污泥熱解過程中添加合適的有機(jī)物料一一秸稈和無污染的活化試劑（在高溫下可以促進(jìn)孔隙的形成，提高吸附劑的吸附性能），采取適當(dāng)?shù)摹⒑唵蔚拇胧瓤梢詽M足自身能量平衡，還會顯著提高熱解固體產(chǎn)物的吸附性能，并將為污水處理、煙道氣脫硫脫硝等領(lǐng)域開發(fā)出低成本的、性能可滿足要求的吸附材料制備新技術(shù)，為污泥及秸稈資源化利用開辟新的出路。我們的初步研究表明，將污泥與秸稈共熱解得到的吸附劑具有較好的吸附性能，其碘吸附值達(dá)到或接近用傳統(tǒng)方法制備的污泥活性炭的水平(12:400～500mg/g)，而這種方法的制備成本、污染水平大大低于傳統(tǒng)方法，完全處于可以接受的水平，具有巨大的推廣應(yīng)用價(jià)值！
將污泥和秸稈共熱解，有可能解決城市污泥和農(nóng)作物秸稈這兩種物料單獨(dú)熱解處理時(shí)各自遇到的困難和問題。秸稈的特點(diǎn)是有機(jī)質(zhì)含量高，熱解產(chǎn)物的熱值高，但固體產(chǎn)物密度低、易飄飛、難以貯運(yùn)；而污泥含水高、熱值低、熱解時(shí)需要外界補(bǔ)充能量，導(dǎo)致高能耗，固體產(chǎn)物密度大，同時(shí)粘性大難以輸送。如果將這兩種物料按合適的比例混合，則可以取長補(bǔ)短，會使問題的解決變得容易。如秸稈可以彌補(bǔ)污泥熱值低的缺陷，而污泥可以彌補(bǔ)秸稈熱解固體產(chǎn)物易飄飛難以貯運(yùn)的問題，熱解固體產(chǎn)物則可以用于環(huán)境治理，一舉多得。除了這些優(yōu)點(diǎn)之外，可以想到的好處至少還有：
(1)無害化和資源化：污泥和秸稈兩種物料均可以徹底轉(zhuǎn)化、無害化和資源化，與現(xiàn)有處置方式相比，對環(huán)境的不利影響幾乎可以降低到零，固體產(chǎn)物可以轉(zhuǎn)化成為市場急需的低成本、適用的廉價(jià)吸附劑，為難降解污水處理和某些廢氣如煙道氣脫硫脫硝提供可行的、具有明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的處理方案（這也是本研究的最重要的最終目的之一）；
(2)熱量自身平衡：在污泥中添加秸稈（須粉碎到2～3mm以下），可顯著降低水分含量和灰分含量，提高有機(jī)質(zhì)含量和熱值，有利于實(shí)現(xiàn)熱解過程熱量的自平衡，而且可以顯著改善其理化特性；改善干燥和熱解過程中的傳熱、傳質(zhì)過程和動力學(xué)；
(3)節(jié)能減排：污泥熱解所需能量得到解決，不會因?yàn)轭~外使用化石燃料補(bǔ)充熱量而導(dǎo)致能耗和C02排放的增加，符合國家節(jié)能減排的政策；
(4)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯：因?yàn)楝F(xiàn)有的污泥填埋、焚燒等處置方法需要大量財(cái)政補(bǔ)貼，處置成本高達(dá)500～1000元／t干污泥。但本研究可以將污泥和秸稈轉(zhuǎn)化為性能良好、可用于廢水廢氣治理的吸附材料，其價(jià)值和價(jià)格將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于作為能源使用的價(jià)值，可能從根本上解決現(xiàn)有的污泥焚燒、燒制陶粒、制水泥等熱處置方法的高成本問題；
(5)節(jié)約土地，消除環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)：由于不采用填埋的處理方法，可以節(jié)約大量土地，同時(shí)消除了填埋和農(nóng)用帶來的二次污染和潛在的致病風(fēng)險(xiǎn)，社會效益無法估量。
4、城市污泥和秸稈共熱解制吸附劑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
將含水80%左右的污泥與秸稈和添加劑按一定比例混合均勻，在450℃左右隔絕空氣加熱一定時(shí)間，得到熱解固體產(chǎn)物，對其進(jìn)行碘吸附值測定，結(jié)果見表1。
表1的結(jié)果無疑是令人鼓舞的，碘值達(dá)到甚至超過了利用傳統(tǒng)方法制備的污泥活性炭（見表2）。因此，該方法值得進(jìn)一步深入研究工業(yè)設(shè)備及技術(shù)方案以及炭粉的后續(xù)用途，如污水處理、廢氣處理等具體用途和相關(guān)科學(xué)問題，如熱解動力學(xué)、吸附性能形成機(jī)制、重金屬遷移轉(zhuǎn)化特性、重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化等，為產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
5、結(jié)語
(1)國內(nèi)外其他人的方法主要是傳統(tǒng)的化學(xué)法或水蒸氣活化法，缺點(diǎn)是制備周期長、成本高，且吸附性能一般，化學(xué)法還會在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的含有化學(xué)試劑的廢水，難以處理，會帶來新的污染。這種工藝因?yàn)槌杀咎撸趯?shí)際中難以推廣應(yīng)用。
(2)本研究提出的方法沒有上述方法的缺點(diǎn)，生產(chǎn)過程不產(chǎn)生污染，或即便有輕度污染也很容易治理；由于制備流程短、能耗低，成本大大降低；產(chǎn)品的吸附性能好，達(dá)到甚至超過現(xiàn)有的化學(xué)法產(chǎn)品。因此，我們提出的解決方案不僅具有極大的經(jīng)濟(jì)可行性，同時(shí)，所得產(chǎn)品的用途廣泛，為徹底解決城市污泥的資源化和農(nóng)作物秸稈的利用開發(fā)出了技術(shù)先進(jìn)、環(huán)境安全、經(jīng)濟(jì)可行的綠色處理方法。
