肥园林利用对植物和土壤的影响研究.pdf

同济大学环境科学与工程学院 博士学位论文 污泥堆肥园林利用对植物和土壤的影响研究 姓名：黄游 申请学位级别：博士 专业：环境科学 指导教师：赵建夫;陈玲 20070301 摘要 摘要 随着污水处理设施的普及、处理量的提高和处理程度的深化，污泥的产生 量逐年增加，如何合理处置污泥，解决如此大量污泥的出路已成为非常紧迫的 任务。污泥堆肥园林利用既可促进植物生长，又能有效避开食物链循环，减少 污泥运输费用，是一种合理利用能源的方式。但是污泥堆肥中的有害物质进入 土壤中，可能会对土壤环境产生影响；此外过量的N 、P 可能会随地表径流进入 地表水体造成水体的富营养化。为科学利用污泥堆肥，降低其潜在风险，开展 污泥堆肥园林利用对植物及土壤环境的影响方面的研究具有重要意义。 本文以上海市曲阳水质净化厂好氧污泥堆肥产品为主要研究对象，在分析 污泥堆肥性质的基础上，通过室内培养、盆栽和田间等一系列试验考察污泥堆 肥的园林利用价值，并研究污泥堆肥园林利用后重金属累积对土壤酶活性的影 响，以及氮、磷等营养物质在土壤中的转化和迁移规律，最后借鉴国外的方法 对污泥堆肥园林利用可能带来的环境风险进行了初步的评价。主要研究结果如 下： ( 1 ) 充分了解污泥堆肥的组成，特别是污染物和营养物的含量，是评价污 泥堆肥园林利用适用性不可缺少的前提。对污泥堆肥的物理和化学性质进行分 析，结果表明，其微带泥土气味，有机质含量为5 0 8 “ - - 6 5 9 9 k g ，T N 为3 0 2 4 0 1 9 k g ，T P 为6 4 4 - - 一8 6 2 9 k g ，是良好的有机肥料，具有较高的利用价值。污 泥堆肥中Z n 和C u 的含量较高，Z n16 5 2 7 2 7 13 4 m g k g ，C u15 9 2 “ - - - 5 4 5 6 m g k g ， 它们在酸性土壤上施用时有超标和潜在风险。其它重金属的含量均远低于国家 污泥堆肥排放标准中对重金属的要求。未检测出优先控制污染物，病原菌和寄 生虫卵均达到国家相应要求。 ( 2 ) 污泥堆肥含有的营养成分很高，研究污泥堆肥作为有机肥对不同园林 作物生长和产量的影响，来评价其园林利用价值。结果表明，施加污泥堆肥能 促进植物的生长，提高园林植物的观赏价值。盆栽实验中污泥堆肥施加量为5 、1 0 和2 0 组高羊茅的生物量分别比对照组增加了3 1 7 、4 2 5 和1 7 7 。 万寿菊在混配土中的生物量1 3 9 左右，是对照组的2 7 9 倍；开花数和花径明显 增加。田间实验中，比较一串红在混配组与对照组中的植株高度、地上生物量 摘要 和地下生物量，3 个指标分别增加4 0 5 、1 4 2 9 和5 5 6 。同时，植物的生 长可以吸收部分随污泥堆肥进入土壤的重金属，并且对于污泥堆肥中Z n 的吸收 富集作用尤为显著。重金属向植物体内迁移的有效性与其在土壤中的有效态含 量相关。混配组高羊茅对土壤全氮和全磷的最大吸收率为分别2 0 6 6 和4 6 5 ， 吸收率最高值均出现在苗期至成株期间。高羊茅对磷素的吸收率和吸收量均比 对氮要低，因此建议以作物对磷的需求量作为污泥堆肥施加量的控制指标。 ( 3 ) 土壤酶是土壤营养物质转化和能量代谢的重要参与者，土壤酶活性可 作为土壤污染的重要生物活性指标。以土壤酶作为考察指标研究了污泥堆肥园 林利用对土壤生态环境的影响。研究表明，污泥堆肥在盆栽和田间试验中均可 以增强混配土中脲酶、磷酸酶活性，但对转化酶活性的影响不大。这说明污泥 堆肥中的有机碳和微生物可以增强土壤酶的活性。考虑到污泥堆肥多次土地施 用后，重金属可能在土壤中造成累积，针对污泥堆肥中含量较高的Z n 进行培养 试验，研究其对土壤酶活性的影响。结果表明，当土壤中Z n 2 + 浓度较高时，会 对土壤酶产生抑制作用，4 种酶对Z n 2 + 的敏感性依次为过氧化氢酶 磷酸酶 脲酶 转化酶，且Z n 2 + 对潮滩土比对混配土酶活性的抑制作用大。比较土壤z n 2 + 浓度 为3 0 0 - - 一9 0 0 m g k g ，磷酸酶、脲酶、转化酶活性在单一污染和复合污染情况下的 变化情况，发现Z n 2 + 在该浓度范围内对土壤酶活性未产生明显的抑制作用，但 当有其他重金属( 如C u 和N i ) 存在时，土壤中酶活性明显随重金属负荷的升高 而降低。通过微生物群落结构研究了重金属对土壤酶活性的影响机理，发现重 金属污染土壤的1 6 S r D N A 图谱与对照图谱相比产生了一些改变，说明在多种重 金属的诱导作用下，混配土中微生物群落结构组成发生了变化，一些耐重金属 的菌属适应环境，逐渐繁殖成为优势菌群，同时部分原有的菌属在重金属的胁 迫作用下，逐渐消亡。 ( 4 ) 植物生长离不开氮，同时氮也是引起水体富营养化的主要限值因子。 通过瓮栽实验考察了污泥堆肥园林利用后，土壤中各种氮在植物种植期间的动 态变化，并通过土柱模拟降雨实验研究了氮在土壤中的迁移和淋出情况。结果 表明，土壤全氮除植物种植的初期浓度有所下降外，在植物生长期间含量较为 稳定。混配土中的氨氮在施肥一段时间后几乎全部转化为硝氮，污泥堆肥施加 量5 、1 0 和2 0 组土壤氨氮转化所需要的时间分别为2 0 d 、3 5 d 和4 5 d 左右。 混配土中的硝氮逐渐向有机氮转化，5 、1 0 和2 0 组硝氮转化为有机氮需要 的时间分别为1 个月、2 个月和3 个月。模拟降雨淋溶实验表明，8 L 淋溶量淋溶后， l I 摘要 混配土淋出液中氨氮浓度略高于对照组，但仍满足我国地表水三级标准。淋出 液硝氮浓度与对照相比差异不显著( P O 0 5 ) ，从土壤剖面氨氮、硝氮、全氮的 迁移情况来看，三者在混配土中浓度与对照相比差异不显著( P 0 0 5 ) ，说明氮 未向土壤深层迁移。 ( 5 ) 磷素是植物生长所必需的元素，也是温带水体富营养化的限值因素。 研究污泥堆肥园林利用后磷素的动态变化情况，结果表明，在植物种植期间， 混配土全磷含量几乎不变，有机磷含量在植物生长期间呈缓慢下降趋势：速效 磷变化规律不明显。模拟降雨淋溶实验表明，8 L 淋溶量淋溶后，污泥堆肥的施 用不会增加潮滩土壤总磷的淋出，淋出液中总磷浓度与对照相比差别不大，且 2 L 降雨量淋溶后，实验土柱中淋出液的总磷浓度均小于地表水二级标准。从磷 素在土柱剖面的迁移情况看，在O , 5 c m 土层中混配土土壤全磷和有效磷含量略 高于对照组，但5 l O o m 土层中未发现明显差异。 ( 6 ) 针对污泥堆肥中的主要重金属风险因素Z n ，在园林利用过程中给 环境带来的风险进行初步评价。结果表明，在“污泥堆肥_ 人体“ 途径中， 污泥堆肥的Z n 浓度小于1 9 3 0 0 m g k g 干泥时，不会影响人体健康。在“污泥堆肥 _ 植物”途径中，调查分析了前期实验中1 6 种园林绿化植物和3 7 2 个土壤样 品，其中施加污泥堆肥土壤Z n 浓度为6 2 - - 一3 9 4 m g k g 之间，均未发现施泥土壤 中植物比对照组生长量降低5 0 的情况。在“污泥堆肥叶微生物“ 途径中， 根据土壤酶和Z n 浓度之间的暴露剂量关系，推算导致土壤酶磷酸活性降低l O 时的土壤Z n 浓度为8 5 5 m g k g 左右。此外，应根据植物生长需要控制施肥量， 为避免硝氮在环境中的迁移，建议污泥堆肥单次施加比例不宜超过5 ，且避免 雨季施肥。 关键词：污泥堆肥，土地利用，重金属，酶活性，氮迁移，磷迁移，风险评价 A b s t r a c t A b s t r a c t L a n da p p l i c a t i o no fs e w a g es l u d g ei sar e a s o n a b l ew a yo fr e c y c l i n gb o t ht h e n u t r i e n t sa n dt h eo r g a n i cm a t t e rc o n t a i n e di ns l u d g e H o w e v e r , i th a sl o n gb e e n c o n s i d e r e dt h a tp o t e n t i a l l yt o x i ce l e m e n t si ns l u d g em a yh a v ei m p a c to np l a n ta n d h u m a nh e a l t h B a s e do nt h ep r o p e r t i e sa n a l y s e so fs l u d g ec o m p o s t ，as e r i e s e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t ei t sf e r t i l i z e rv a l u e ，s o i le n z y m ea c t i v i t i e s ， a sw e l la st h ed y n a m i c sa n dt r a n s p o r t a t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf o l l o w i n gi t s a d d i t i o nt ot h ef l u v o a q u i cs o i l S ot h er i s ko fs l u d g ec o m p o s to ni t sg a r d e nu t i l i z a t i o n w e r ea s s e s s e d T h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ts l u d g ec o m p o s tc o n t a i n e dl a r g ea m o u n to fn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u s ，a n dr e l a t i v e l yl e s sc o n t e n to fh e a v ym e t a l ，w h i c hr e p r e s e n t sam o r e v a l u a b l ef e r t i l i z e r E x c e p tt h a tZ na n dC uh a dp o t e n t i a lr i s ko fe x c e e d i n gt h en a t i o n a l l i m i tf o rs l u d g ed i s p o s a lo na c i ds o i l ，o t h e rh e a v ym e t a l sw e r es a f e ri na c c o r d a n c et o t h en a t i o n a ll i m i t P r i o r i t yc o n t r o lc o n t a m i n a n t sw e r eu n d e t e c t e da n dp a t h o g e n i c b a c t e r i aa n dp a r a s i t i co v u mc a nm e e tt h ec o r r e s p o n d i n gn a t i o n a lr u l e s T h ef e r t i l i z e rv a l u eo fs l u d g ec o m p o s to ng a r d e nu t i l i z a t i o nw a si n v e s t i g a t e db y p o ta n df i e l de x p e r i m e n t C o n s t r a s tt oc o n t r o l ，t h eb i o m a s s e s o ft a l lf e s c u ei ns o i l sa t 5 ，10 ，2 0 a d d i t i o nr a t ei n c r e a s e d3 17 ，4 2 5 ，17 7 T h eb i o m a s so fm a r i g o l d i nt h ea m e n d e ds o i lW a s13 9 ，2 7 9t i m e sh i g h e rt h a nt h a to ft h ec o n t r o l ，a n dn u m b e r s a n dd i a m e t e ro ft h eb l o o m i n gf l o w e r sw e r ei n c r e a s e d ，t o o T h em a x i m u mi n c r e a s i n g d e g r e eo ft h es c a r l e ts a g ei np l a n th e i g h t ，o v e r g r o u n db i o m a s sa n dt h eu n d e r g r o u n d b i o m a s s ，w e r e4 0 5 ，14 2 9 ，5 5 6 r e s p e c t i v e l y P l a n tm a ya b s o r bh e a v ym e t a l si n t h es o i l ，e s p e c i a l l yf o rZ na n dC uw h i c hh a v eh i g hc o n t e n t si nt h ec o m p o s t i n gs l u d g e T h eb i o a v a i l a b i l i t yo fh e a v ym e t a l sw a sa f f e c t e db yt h e i rf o r m si nt h es o i l T h et o t a l a b s o r p t i v er a t eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sb yt a l lr e s c u ew e r e2 0 6 6 a n d4 6 5 r e s p e c t i v e l y T h eh i g h e s ta b s o r p t i o nr a t ea p p e a r e df r o ms e e d l i n gs t a g e st oa d u l ts t a g e s T h ea b s o r p t i o nr a t ea n dq u a n t i t yo ft a l lr e s c u ef o rp h o s p h o r u ss t a t u sw e r el o w e rt h a n t h a tf o rn i t r o g e ns t a t u s A sar e s u l t ，t h ed e m a n do fp l a n t sf o rp h o s p h o r u sw a sa d v i s e d I V A b s t r a c t t ob et h ec o n t r o li n d e xo fs l u d g ec o m p o s ta p p l i c a t i o nr a t e U r e a s ea n dp h o s p h a t a s ew e r es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e di ns o i l sa m e n d e ds l u d g e c o m p o s ta sc o m p a r et oc o n t r o ls o i l s ，i n v e r t a s ew a su n a f f e c t e db ys l u d g ea m e n d m e n t E n z y m ea c t i v i t i e sw e r ei n h i b i t e da th i g hZ n 计c o n c e n t r a t i o n ，w h i c hs e n s i t i v i t yo n Z n 2 + w e r ei no r d e ro fc a t a l a s e p h o s p h a t a s e u r e a s e i n v e r t a s e T h e r eW a Sn o c h a n g e so ne n z y m ea c t i v i t i e sw h e nZ n 2 十w a sa d d e df r o m3 0 0 - - 9 0 0 m g k g ，w h i l e e n z y m ea c t i v i t i e sd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a l s ，s u c ha s C ua n dN i T h ea f f e c t i o nm e c h a n i s mo fh e a v ym e t a lo nt h em i c r o b i a lc o m m u n i t y s t r u c t u r ef o u n dt h a tt h e16 S r D N As p e c t r o g r a mh a sc h a n g e dc o m p a r i n gt oc o n t r 0 1 I t s h o w e dt h a tp a r to fm i c r o b i a ls p e c i e si nm i x e ds o i la p p e a r e dv a r i a t i o nw i t ht h e i n d u c t i o no fs e v e r a lh e a v ym e t a l s An u m b e ro ff l o r aw h i c hi sa b l et ob e a rh e a v y m e t a lg e n e r a t e d ，a tt h es a m et i m e ，p a r to fo r i g i n a lf l o r aa d a p t e dt h ee n v i r o n m e n ta n d b r e e dg r a d u a l l y T h ee x p e r i m e n t so ft r a n s f o r m a t i o no fn i t r o g e ns h o w e dt h a tt h ec o n t e n to ft o t a l n i t r o g e nW a si n v a r i a b l ei nt h es t a g eo fp l a n tg r o w t h ，w h e r e a sal i t t l ed e c r e a s eW a s f o u n di nt h ei n i t i a ls t a g e T h ea m m o n i u mn i t r o g e ni nt h em i x e ds o i lc o n v e r t e di n t o n i t r a t en i t r o g e na f t e rf e r t i l i z a t i o n , t h et i m ew h i c ht h ea m m o n i u mn i t r o g e nn e e dt ob e c h a n g e de n t i r e l yo fg r o u p5 ，1 0 ，2 0 w e r ea b o u t2 0 d ，3 5 d ，4 5 dr e s p e c t i v e l y T h en i t r a t en i t r o g e nc h a n g e di n t oo r g a n i cn i t r o g e ng r a d u a l l y , t h et i m ew h i c ht h e n i t r a t en i t r o g e nn e e dt ob ec h a n g e di n t oo r g a n i cn i t r o g e ne n t i r e l yo fg r o u p5 ，10 ， 2 0 w e r e1 ，2 ，3m o n t h T h ee x p e r i m e n to fm i g r a t i o no fn i t r o g e ns h o w e dt h a tt h e c o n c e n t r a t i o no fa m m o n i u mn i t r o g e ni nt h el e a c h a t eo fm i x e ds o i lW a sa b o v et h e c o n t r o l l e do n e sal i t t l e ，b u ti ts t i l ls a t i s f i e dt h et h i r dc l a s so fs u r f a c ew a t e rc r i t e r i o ni n o u rc o u n t r y T h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r a t en i t r o g e no fl e a c h a t e a n dt h ec o n t r o l l e do n e sW a si n s i g n i f i c a n t ( P 0 0 5 ) T h em i g r a t i o n so fa m m o n i u m n i t r o g e na n dn i t r a t en i t r o g e na n dt o t a ln i t r o g e nw e r en o td i f f e r e n te v i d e n tf r o mt h e s o i lp r o f i l e ( P 0 0 5 ) ，i ts h o w e dt h a tt h en i t r o g e nd i dn o tm o v e di n t ot h ed e 印l a y e ro f t h es o i l 1 1 1 ee x p e r i m e n t so ft r a n s f o r m a t i o no fp h o s p h o r u ss h o w e dt h a tt h ec o n t e n to f t o t a lp h o s p h o r u sw a sa l m o s ti n v a r i a b l ei ns e e d i n gs t a g e T h ec o n t e n to fo r g a n i c p h o s p h o r u ss l o w l yd e c r e a s e di ng r o w t hs t a g e T h ec h a n g ed i s c i p l i n eo fr a p i d l y V A b s t r a c t a v a i l a b l ep h o s p h o r u sw a sn o te v i d e n t T h et r a n s f e re x p e r i m e n t so fp h o s p h o r u s s h o w e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no fs l u d g ec o m p o s tw o u l dn o ta d dt h el e a c hw i t ht o t a l p h o s p h o r u si nt h et i d a lb a n ks o i l ，t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft o t a l p h o s p h o r u si nt h el e a c h a t ea n dt h ec o n t r o lw a si n s i g n i f i c a n t W h e nt h ev o l u m eo f t h e l e a c h a t ee x c e e d e d2 L ，a l lt h ec o n c e n t r a t i o no ft o t a lp h o s p h o r u si nt h el e a c h a t eo ft h e e x p e r i m e n t a ls o i lc o l u m nw e r eu n d e rt h es u r f a c ew a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t y I I ( O 1 m g L ) F r o mt h et r a n s f e ro fp h o s p h o r u si nt h es o i lc o l u m np r o f i l e ，i tc a nb ef o u n d t h a tt h ec o n t e n to ft o t a lp h o s p h o r u sa n de f f e c t i v ep h o s p h o r u si nt h e0 5 c mm i x e ds o i l w a sal i t t l eh i g h e rt h a nc o n t r o l ，b u tt h e r eW a sn oo b v i o u sd i f f e r e n ti n5 - 10 c ms o i l l a y e r T h er i s ko fs l u d g ec o m p o s ti ng a r d e nu t i l i z a t i o nw e r ea s s e s s e db a s e do n Z n R e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew e r en oe f f e c to nh u m a nh e a l t hw h e n Z nc o n c e n t r a t i o n o fs l u d g ei su n d e r19 3 0 0 m g k gD M ，a n dn od i s t u r b a n c eo nm i c r o b i a la c t i v i t yw h e n Z nc o n c e n t r a t i o no fs o i li su n d e r8 5 5 m g k g M o r e o v e r , t h ef e r t i l i z e ra p p l i c a t i o nr a t e s h o u l db ec o n t r o l l e da c c o r d i n gt op l a n td e m a n d T h ea p p l i c a t i o nr a t eu n d e r5 W a s a d v i s e dt oa v o i dt h et r a n s f e r r i n go fn i t r a t en i t r o g e ni n t ot h ee n v i r o n m e n t K e yw o r d s ：s e w a g es l u d g e ，l a n da p p l i c a t i o n ，h e a v ym e t a l s ，c T i z y m ea c t i v i t y , t r a n s p o r t a t i o n ，r i s k a s s e s s m e n t V I 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签锨从 学位敝作者签名伤 矽年弓月，汨扣年；月艿日 t l 岔珀篱加 名 ， 一 獬 月 糕 ； 作 年 嫣户 论 知 一 捌 知 剿 一 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 污泥产生现状和处置方式 1 1 1 污泥的产生现状 随着城市进程的加快和生活质量的提高，公众对环境问题愈来愈关注，对环 境质量的要求也逐渐提高，为防治水域污染、改善生态环境，我国城市污水处 理率迅速提高。据2 0 0 4 年和2 0 0 5 年中国环境状况公报n _ 1 ，2 0 0 4 年全国生活污水 排放量2 6 1 3 亿吨，全年城市污水处理量为1 6 2 亿吨，处理率为4 5 6 7 ；2 0 0 5 年 全国生活污水排放量2 8 1 4 亿吨，全年城市污水处理量为1 8 7 1 亿吨，处理率为 5 1 9 9 。可见，随着污水处理设施的普及，我国城市生活污水的排放量和处理 率都在不断增长。城市污水处理过程中，必然产生大量的污泥，按照污泥产生 量是污水处理量的0 3 0 5 估算( 以含水率9 7 计) ，我国2 0 0 5 年的污泥产 生量约为5 6 1 3 “ - 9 3 5 5 万吨。污泥中含有多种有害成分，如重金属、有机污染物、 病原菌等，若处置不当，很容易对环境、土壤、农作物造成二次污染，危及人 类的健康。因此，污泥的处理和处置已成为非常紧迫的任务。 1 1 2 污泥的处置 1 1 2 1 污泥的处置方式 ( 1 ) 卫生填埋 卫生填埋始于6 0 年代，是在传统填埋的基础上经过科学选址和必要的场地 防护处理，具有严格管理制度的科学的工程操作方法。污泥填埋是一项比较成 熟的污泥处置技术，其优点是处理容量大、见效快、操作简单，但也存在一些 问题。如合适的场地不宜寻找，污泥运输和填埋场地建设费用较高；污泥填埋 后，其降解、无害化的过程会释放出甲烷气体，若收集不当，不仅会污染大气， 还可能成为安全隐患。填埋过程中产生的渗滤液可能会通过雨水夹带和渗漏作 第1 章绪论 用污染地下水环境，同时还有可能渗透到土壤中，对土壤结构和土质产生负面 影响，使土地毒化、酸化、碱化，其污染的面积常常超过其占土地面积的数倍。 此外，由于填埋处理周期较长，适宜污泥填埋的场所因城市污泥大量的产出而 显得越来越有限。污泥填埋是欧洲特别是希腊、德国、法国在前几年应用最广 的处置工艺，但由于渗滤液对地下水的潜在污染和城市用地的减少等，对处理 技术标准的要求越来越高( 例如德国从2 0 0 0 年起，要求填埋污泥的有机物含量 小于5 ) ，许多国家和地区甚至坚决反对新建填埋场口1 。1 9 9 2 年欧盟大约4 0 的污泥采用填埋处置，近年来欧洲正在减少用填埋场来处理污泥H 1 ，例如英国污 泥填埋比例由1 9 8 0 年的2 7 下降到1 9 9 5 年的1 0 ，预计到2 0 0 5 年将继续下 降到6 。2 0 0 0 年美国大部分污泥被有效利用，2 1 个州的5 0 以上的污泥被循 环利用，4 个州的5 0 以上的污泥被填埋，5 个州的5 0 以上的污泥被焚烧。 调查的4 0 个州中，有5 个州没有污泥陆地填埋处置，1 7 个州没有污泥焚烧处理 船1 。由此表明：美国主要的污泥处置方法是循环利用，而污泥填埋的比例正逐步 下降，美国许多地区甚至已经禁止污泥土地填埋。据美国环保局估计，今后几 十年内美国6 5 0 0 个填埋场将有5 0 0 0 个被关闭。这意味着填埋并不能最终避免 环境污染，而只是延缓了产生的时间陌1 。 ( 2 ) 焚烧 焚烧的技术优势在于其处理的彻底性，可达到最大限度减量化的目的，减 量率可达到9 5 左右，其有机物被完全氧化砸1 ，重金属几乎全被截留在狄渣中。 一般情况下，当污泥不符合卫生要求，有毒物质含量高，不能作为资源化利用， 同时污泥自身的燃烧热值较大时，才考虑采用污泥焚烧并回收热量。污泥经焚 烧后，产生的热能可用于发电、取暖等。 但焚烧存在以下几个问题：( 1 ) 投资和操作费用较高。为提高污泥热值， 常需添加助燃剂，因此焚烧的成本通常是其它处理工艺的2 “ - - 4 倍，而且污泥焚 烧常产生大气污染，同时污泥必须保证比较低的含水率才能制作“合成燃料， 这就又增加的预处理的费用。( 2 ) 产生二次污染。在焚烧过程中产生飞灰、炉 渣和烟气，研究发现，在焚烧的灰渣中，尤其是飞灰( 有毒、有机污染物高出灰 渣几个数量级) 中含有较多C d 、P b 及其他重金属，属于危险废弃物，若处理不 当，容易渗漏而污染地下水体、附近地表水体和土壤，进而危害人类健康，在 2 第1 章绪论 排放的烟气中含有二嗯英和呋喃等剧毒物质，产生二次污染。( 3 ) 污泥中的有 用成份未得到充分利用，浪费了大量有利于植物生长的营养元素。 ( 3 ) 土地资源化利用 土地利用则越来越被认为是一种积极、有效、有I j 途的污泥处置方式。这 种方式主要是将污泥用于农田等的施肥，垦荒地、贫瘠地等受损土壤的修复及 改良，园林绿化建设，森林土地施用等。污泥中含有丰富的有机营养成分如氮、 磷、钾等和植物所需的各种微量元素如C a 、M g 、C u 、Z n 、F e 等，其中有机物的 浓度一般为6 0 “ - - - 7 0 ，其含量高于普通农家肥，因此能够改良土壤结构，增 加土壤肥力，促进作物的生长。如能合理利用，将是非常有价值的资源。在园 林用地、森林土地上施用污泥，可改善树木、草坪、花卉的生长情况，对人类 健康影响不大，是近年来发展较快的污泥利用途径。污泥还可作为良好的有机 肥料和土壤改良剂用于矿山等受损土壤的复垦，对土壤的特性有一定的改善。 世界水环境组织于1 9 9 5 年已将污泥( S l u d g e ) 更名为生物固体( B i o s o l i d ) ， 从而更加明确的指出了污泥应该作为资源来利用。 此外，从污泥综合利用角度出发，有关学者还进行了污泥制动物饲料、污 泥热解产油、污泥制水泥质材料、污泥改性制活性炭等尝试。但其经济性、安 全性、实用性尚待深入研究。 1 1 2 2 国内外污泥处置方式的选择 ( 1 ) 欧美国家污泥处置方式 国外各国根据本国的实际，在污泥处置方法的选择上各有侧重。美国污泥 的处置方式主要是土地利用，8 0 年代末以填埋为主约占4 2 ，1 9 9 8 年土地利用 急剧上升至5 9 ，预计2 0 1 0 年土地利用的比例将上升至7 0 H 】：同本由于国土面 积较小，焚烧处置约占6 3 ，土地利用2 2 ，填埋5 ，其它约1 0 ；欧盟各成 员国的侧重不尽相同，目前卢森堡、丹麦和法国主要以污泥农用为主，爱尔兰、 芬兰和葡萄牙等国污泥农用的比例还会逐步增加，而法国、卢森堡、德国和荷 兰则计划加大焚烧的比例。2 0 0 5 年欧盟各国总体上采用污泥处置方式的比例为： 回收利用占4 5 ，焚烧占3 8 ，填埋占1 7 哺1 。 第1 章绪论 ( 2 ) 我国污泥处置方式 污水处理中的污泥处理和处置在我国起步较晚，在我国现有污水处理设施 中有污泥稳定处理设施的还不到1 4 ，处理工艺和配套设备较为完善的还不到 1 1 0 阻1 ，6 0 以上污泥未经处理直接农用，不符合污泥农用的卫生标准n 们，污泥处 理处置问题已经在大城市中显现出来。早期的污水处理厂，由于没有严格的污 泥排放监管，普遍将污水和污泥处理单元剥离开来，为了追求简单的污水处理 率，尽可能地简化、甚至忽略了污泥处理处置单元；有的还为了节省运行费用 将已建成的污泥处理设施长期闲置，甚至将未做任何处理的湿污泥随意外运、 简单填埋或堆放，致使许多大城市出现了污泥围城的现象并已开始向中小城市 蔓延，给生态环境带来了极不安全的隐患。目前我国虽然对污泥问题开始关注， 但仍然停留在技术层次，我国从2 0 0 3 年开始，主要大城市开始尝试进行污泥处 理处置规划，对其技术方案进行了充分论证，如：广州市近期采取生污泥填埋， 远期将用于农肥；深圳市已完成专项规划，拟采取热干化加焚烧工艺；上海市 则根据不同情况，采取处理分散化、处置集约化、技术多元化的方针；天津市 计划建设3 座污泥处理场，采用污泥消化发电工艺，但尚无污泥最终处置的方法。 选择合理有效的污泥处置方法，应该兼顾到环境生态效益与处置成本、经 济效益之间的平衡。我国作为发展中国家，经济发展水平还不够高，污泥成分 也不完全和国外相同，因此必须寻找适合国情的处理方法。我国土地资源严重 不足，世界上没有哪个国家遭遇的环境问题、土地资源问题、人口问题有中国 那么严重，那么负担沉重，压力巨大。因此可以说，世界上没有哪个国家对肥 料的需求像中国这样迫切，这就决定了我国必须认真考虑污泥的资源化利用问 题。在安全、可靠、避免二次污染的前提下将污泥进行土地利用，既消除城市 污染，又能促进农业的发展。因此，稳定无害化处理后的污泥进行土地循环利 用，将是我国污泥处置主要发展趋势。 1 2 污泥的土地利用 大量的污泥任意排放和堆放带来的后果：一是污染环境；二是污泥中含有 的多种营养物质得不到利用，造成资源浪费。而在农业生产方面，由于长期追 求农业的高产，施用了大量化肥，忽视了有机肥料的施用，因此造成土壤板结、 4 第l 章绪论 p H 值降低、土壤肥力下降以及农产品品质降低。在我国，由于连续耕作，植物 根系不断获取矿物质，导致土壤的有机质和矿物质含量都很低。因此，如能合 理开发利用污泥，不仅解决了环境问题，而且可以变废为宝，增加新的经济收 益。如何科学、经济与合理地将污泥进行土地利用已成为我国乃至全世界广为 关注的课题之一。污泥土地利用主要有污泥农用、污泥园林绿化施用和对退化 土地的修复三种。 1 2 1 农田利用 污泥农用于种植作物的土壤时，不仅能提高作物产量，而且能提高作物品 质。张学洪等n 妇进行了城市污水污泥有机复合肥水稻施肥实验，结果表明该有 机复合肥对水稻的增产效果显著，肥效与N 、P 、K 三元复合肥相当。陈同斌等n 2 1 通过盆栽和田间实验，探讨了堆肥污泥种植小麦的肥效及其对小麦吸收重金属 的影响，试验结果发现堆肥污泥对小麦的增产效果和土壤的培肥效果明显优于 化肥，它能促进植株生长发育，提高小麦产量，对土壤速效养分的积累有明显 的作用。施用活性污泥后，水稻糙米蛋白质含量提高6 1 0 ，小麦籽粒蛋白 质含量提高9 7 ，玉米籽粒蛋白质含量提高1 4 5 - - - 2 3 7 ，棉籽蛋白质含 量提高1 3 。乔显亮等口3 1 采用盆栽实验研究了污泥土地利用过程中重金属对水 稻的影响，实验发现施用污泥后增加了水稻茎叶和籽粒中重金属的含量，水稻 体内重金属的吸收没有明显变化。 但是重金属是污泥农用过程的主要限制因素，污泥施用不当时会对作物品 质产生危害。据张桥等n 钔人的研究，堆肥污泥施用于萝卜和菜心后，产量明显 提高，部分堆肥产品增产效果优于化肥，且后效明显，但是作物和土壤中重金 属含量也有较大程度的提高。李国学n 础对青菜的研究结果表明，随着污泥施用 量的增加，青菜中的重金属( 包括C u 、c d 、Z n 、N i 、P b ) 含量也呈增加趋势。 当污泥施用量大于5 时，青菜中的C u 、Z n 超过国家允许标准；当施用量大于 1 0 时，C d 超标。重金属在植物体内的积累规律大致为：根系 茎叶 籽粒和果 实。马芸等的研究表明，在西安市污水处理厂污泥施用于土壤后，以最大可 能量计算，C d 超出食品卫生标准( G B l 5 2 0 1 9 4 ) 规定的4 倍，P b 未超出食品卫生 标准( G B 2 7 1 3 - S 1 ) 规定，C u 超出食品卫生标准( G B l 5 1 9 9 - 9 4 ) 规定约7 倍，Z n 超 出食品卫生标准规定( G B l 3 1 0 6 1 9 9 1 ) 约1 6 倍。W e r n e rW 等n 7 1 在德国对土壤进行 5 第1 章绪论 了3 0 次污泥试验，结果表明，土壤和小麦籽粒中重金属无 岿娃影响，但植物中 C d 浓度有明显增加。因此，污泥农用时要特别注意重金属的单次施入量，充分 考虑重金属对作物的影响，尤其施用于那些种植了重金属富集作用较强作物的 土壤时应更为慎重。 1 2 2 园林绿化利用 污泥在森林与园林绿地( 包括林地、草地、市政绿化、高速公路的隔离带、 育苗基质、高尔夫球场、草坪等非食物链植物生