（环境科学专业论文）城市污水污泥应用于废弃地生态恢复研究.pdf

致谢 本论文是在导师张银龙教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、调研、立 论、初稿到定稿的全过程，无不倾注了导师大量的心血和精力；导师严谨的治学 态度、渊博的知识、谦和的为人、正直的品行是学生学习的榜样；导师对人生的 领悟、对专业的掌握，在谆谆教导中更让我受益终身；三年来，在学习中、工作 中和生活中，导师给予的无微不至的关怀和照顾，学生感激不尽。 感谢张金池教授、胡海波教授、关庆伟副教授、吴永波副教授、王艮梅老师、 罗红艳老师、陈拮敏老师等诸多老师给予我专业学习上的指导和关心。 特别感谢南京市环科院卜现亭院长、府灵敏主任、陈方荣高工、陈天安高工 在方案设计和试验过程中给予的帮助和建议，他们严谨的科研态度和务实的工作 作风给我留下了深刻的印象，我将永远铭记。 感谢杨波、俞学如、张姝姝、周艳文等陪我共同走过研究生学习生涯的同门 学友以及室友周瑞、姚远、胡明、吴亮、严明、邓滔等同学。另外要特别感谢竺 壮林学弟，他在试验过程和论文撰写过程中给予我启发和帮助，使我受益匪浅。 同时，还必须感谢众多参考文献的作者，他们在污泥土地利用方面的研究成 果，打开了笔者的专业视野，他们的观点、思想和实践以及所提供的信息丰富了 本文的内容。衷心感谢论文的评阅老师和答辩委员会的诸位委员，感谢你们所付 出的辛勤劳动。 最后，我要深深感谢我的父母，是你们让我一路走到今天，再多的语言都难 以表达我对你们的爱和感激。 作者：何志锋 二oo 八年六月 于南京林业大学 课题背景与意义 第一章绪论 随着城市污水处理日益普及，城市高速发展和城市排水管网的日趋完善，城 市污水处理在污水治理方面已取得巨大成功，但大量污泥的产生使污泥处置问题 日益突出。至2 0 0 4 年末，城市污水日处理能力达6 6 10 6 m 3 d ，全国城市污水处 理量1 6 2 10 旧m 3 ，污水处理率4 5 6 。相应污水处理能力的不断提高，污泥产 量也在不断增长，根据有关预测( 柯建明，2 0 0 0 ) ，我国城市污水量在未来1 0 年 还会有较大增长，2 0 1 0 年污水排放量将达到4 4 1 0 1 0 m 3 d ，如果按每立方污水 产泥l o q m 3 估算，届时将达到4 4 x 1 07 m 3 d 。 目前我国城市污水污泥大都以填埋、焚烧为主，处理利用率不足1 0 ，距发 达国家如美国、欧洲等国家的处理利用率6 0 7 0 相差甚远。无论从土壤学和植 物学的角度，还是从自然的观点来看，污泥的最佳归宿应是土壤。就我国国情而 言，我国土地总面积居世界第三位，但人均占地仅为世界人均的1 3 ；人均林地 在世界排名1 2 1 位，人均可耕地为世界的3 0 ，可利用的土地资源十分紧张。同 时，我国也是矿业大国，由于经济发展的需要，以及长期以来受体制和忽视采矿 对生态环境的影响，我国土地资源遭受了掠夺式的开发。仅矿山废弃地就占用和 破坏大量的土地资源，我国现有国营矿山企业8 0 0 0 多家，个体矿山达2 3 万多个， 这些矿山达到2 3 万多个。这些矿山企业在开采矿山过程中对土地的破坏是惊人 的。据统计，我国矿山破坏土地累计面积达2 8 8 10 6 h m 2 ，并且每年以大约 4 6 7 1 0 4 h m 2 的速度增长。 矿山废弃地生态复垦的思路是发展矿山林业。利用城市污水污泥作为矿山废 弃地的生态修复基质，一方面将消耗大量的城市污水污泥；另一方面可大大改善 土壤结构，促进土壤熟化，加速永久地建立植被，更新废弃地土壤生态系统，改 善废弃地的环境质量和景观效果。但是，污泥在废弃地土地利用也会带来环境风 险，主要包括：污染土壤，污泥堆置的有害成分聚集，风吹雨淋，产生高温或 者其他化学反应，能杀灭土壤微生物，破坏土壤结构，使其丧失腐解能力；污 染地表水、地下水；污染大气，污泥有机物被微生物分解释放出有害气体、尘 埃，加重大气污染：含有大量的病原菌，主要有肠道细菌、蠕虫、寄生虫及病 毒三大类，大部分被结合在污泥颗粒物上浓缩，其数量比污水中的要高得多。因 此，污泥的安全土地利用必须在科学的指导下进行。 污泥在废弃地的土地利用既是城市污泥处置的迫切需要，也将成为“十一五 规划环保优先的亮点。“十一五环境科技项目将区域生态环境保护建设列为重 点领域，将固体废弃物防治列为优先主题，说明污泥处置城市管理中比较棘手的 问题，加快污泥处置方法方面的研究，谋划污泥处置的新出路，构建城市污水污 泥处置和废弃地生态环境建设对建设节约型社会、协调资源与环境的关系、促进 人与环境的和谐发展具有极大的现实意义。 1 1 污泥土地利用现状 1 1 1 国内外污水污泥处置 ( 1 ) 国外污水污泥处置 西方发达国家由于工业化进程早，经济实力雄厚，所以总体污水处理技术先 进、处理深度程度高。但是，面对日益增长的的污泥产量，对西方国家也提出了 严峻的挑战。 随着城市人口的增长、市政服务设施的不断完善、污水处理技术的不断提高， 欧、美等发达国家的污泥产量每年大约以5 1 0 的速度增长。据美国环保署估计 ( 平冈正胜，2 0 0 0 ) ，1 9 9 8 年全美干污泥产量为6 9 1 0 6 t 。在过去的2 0 年，美国 人口和开展市政污水处理的人口数量皆得到显著增加，而且自从19 7 2 年政府颁 布水净化条例以来，污泥产量快速增加。可以预计，随着人口水平的持续增加， 污泥的产量还会增加，而且污泥产量的年增长速率会超过市政所能提供污水处理 服务人口的增长速率。1 9 8 6 1 9 9 6 年期间，美国只经过一级处理的污水流量减少 了4 ，而经过二级或更高级处理的污水流量增加了2 。假设这种趋势发展下去， 根据市政所能提供污水处理服务人口的增长和污水二次处理以及污泥产量的轻 微改变进行预测，到2 0 0 5 年美国干污泥产量将达到7 6 x 1 0 6 t ，2 0 l o 年将达到 8 2 1 0 6 t 。这就是说，从1 9 9 8 年到2 0 1 0 年，污泥产量将增加1 9 。表1 是1 9 9 8 年以后美国污泥产量和处理状况及预测( 姚刚，2 0 0 0 ) 。 表1 美国污泥产量及其预测 t a b l e lt h ea m o u n to fs e w a g es l u d g e d e v e l o p m e n ti nu s 年份 1 9 9 82 0 0 02 0 0 52 0 l o 有益利用( 10 6 t )土地利用 2 83 13 43 9 先进处理 0 80 9l1 1 ( 干污泥) 其他有益利用 0 5 0 5 o 60 7 小计 4 14 555 7 处置( 10 6 t )地表处置陆地填埋 1 2lo 8l 焚烧 1 51 61 51 5 ( 干污泥) 其他 0 10 1o 1o 1 小计 2 87 17 68 2 总计( 10 6 t ) 6 9l1 61 2 61 3 9 出处：u s e p a ：b i o s o l i d sg e n e r a t i o n ，u s e ，a n dd i s p o s a li nt h eu n i t e ds t a t e s s e p t e m b e r1 9 9 9 1 9 9 0 年欧洲干污泥产量为1 1 0 7 1 0 6 t ，到1 9 9 9 年干污泥产量达1 7 4 6 1 0 6 t 。 到2 0 0 5 年，欧洲将建立许多新污水处理厂，一些国家污泥产量将几乎增加3 0 0 ， 污泥管理处置将是一个严峻挑战，选择处理处置方法也将会具有更大的经济和环 境内涵。由于城市污水处理要求的日益严格，欧洲城市污泥产量预计将增加5 0 。 2 表2 为欧洲国家污水处理厂污泥的处理和预测( 姚刚，2 0 0 0 ) 。 表2 欧洲国家污水处理厂污泥处置和预测单位：1 0 3 吨重年 t a b l e 2t h ea m o u n to fs e w a g es l u d g e sd e v e l o p m e n ti ne u r o p e a nc o u n t r i e s1 0 3 to n ey e a r 年份处置 比 丹麦德国希腊法国爱尔 芦 奥葡芬瑞英国合计 利 m 森地萄 u 典 时堡 利牙 水体消纳 | 1 5|2 6 72 8 2 循环利用 2 21 2 0l1 5 ll4 8 97 7 6 34 48 61 2 06 4 82 8 5 3 填埋 3 92 58 5 76 511 41 435 88 87 21 0 6l1 41 7 4 7 1 9 9 5 焚烧| 4 04 ll | 1 6 l | 6 6 | 1l o8 4 4 其它 1 7 | 9 3 | 4 | 31 5 | 1 l1 9l8 5 合计 7 818 52 5 1 26 67 6 44 01 01 9 01 4 7l5 82 3 61 l5 85 9 l o 水体消纳 |f2 4 02 4 0 循环利用 3 31 2 51 2 7 045 7 22 596 8 7 4 8 5|6 7 23 0 3 7 填埋3 72 57 4 48 29 2 1 7 l5 8 1 4 76 5 ll l81 4 9 4 19 9 8 焚烧 l l5 05 5 8 | 2 1 4 f 36 6 | f1 4 4l1 9 6 其它 3 2 | 8 9 | l 42 5 f |l91 9 3 合计1 132 0 02 6 6 18 68 7 84 31 31 9 62 4 6l5 0|11 9 36 1 6 0 水体消纳l| o 循环利用 4 01 2 51 3 3 466 4 06 596 81 0 49 0 | 1 0 1 43 6 0 5 2 0 0 0填埋4 32 56 0 89 07 l3 5l5 82 0 96 0|l 1 l1 3 7 9 焚烧1 l5 07 3 22 6 936 6|3 2 61 6 5 7 其他3 76 2|4 3 5 f 1918 0 合计 1 3 l2 0 02 7 3 69 69 8 01 0 01 31 9 63 4 815 0|1 4 7 06 8 2 l 水体消纳 | | | | f | f|o 循环利用 4 71 2 51 3 9 l77 6 58 496 81 0 81 15|l 1 183 9 4 7 填埋 4 0 2 55 0 0 9 2 |2 9 1 5 8 2 154 5 l1 4l l8 7 2 0 0 5 焚烧 1 4 5 08 3 8f4 0 7f 46 5 | 3 3 2l9 l o 其它 5 8 5 8 | 43 6 | 1 91 9 8 合计 l5 92 0 02 7 8 79 91 17 21 131419 53 5 916 015 8 37 2 4 2 水体消纳 |f|f|fo 循环利用6 21 2 5 l5 2 l 1 67 8 0 9 0 98 8 l2 0l2 5 f l l5 6 4 2 17 填埋 4 52 5 4 5 3 9 4 | 3 037 82 313 5 l 1 4 51 2 3 5 2 0 l0 焚烧 1 07 08 7 9 | 4 l9j55 9|3 4 2l9 8 4 其它 5 6f5 4|53 6f|191 9 8 合计 17 3 2 2 02 9 0 7 l 1o l1 9 91 2 0 17 2 3 03 8 7 1 6 0 1 6 6 27 6 3 4 3 从表1 、表2 可以看出，欧洲各国的污泥农用己占很大比例，如卢森堡、葡 萄牙、西班牙等。污泥用于焚烧的比例越来越小，因为焚烧的投资较大，而且其 会产生许多有害气体，如二嗯英等。污泥投海的处置方式应用的也越来越少了， 因其可对海洋造成水体污染，在许多国家已禁止使用。 到2 0 1 0 年，欧洲15 个成员国干污泥产量预计由19 9 2 年的6 6 0 万吨上升到 至少9 4 0 万吨。欧委会希望：到2 0 1 0 年污泥农用比例上升7 3 达到污泥总产量 的5 3 ；污泥焚烧比例达到总产量的2 5 ，比目前增加大约3 0 0 ；到2 0 1 0 年 填埋数量比目前下降2 4 ( 薛文源，19 9 2 ) 。 ( 2 ) 国内污水污泥处置 我国虽然污水处理产业发展较晚，但从一开始污泥处置就以土地利用为主要 方式。如我国最早的上海、北京几家污水处理厂，大多采用湿污泥直接做农家肥， 施用到附近的农田中( 周少奇，2 0 0 2 ；周立祥，l9 9 9 ) 。随着近些年污水处理产业 的迅速发展，污泥产生量不断增加，对污泥的处置也开始走向多元化，但仍然是 以土地利用和土地填埋为主。根据对我国2 9 家污水处理厂的调查表明，采用土 地利用、土地填埋和堆肥处置污泥的污水处理厂家比例为1 4 ：1o ：1 ，4 3 个城市7 5 家污水处理厂中约有9 0 的污泥用作农家肥( 李宝贵和杜霞，2 0 0 1 ) 。据本文作者 在南京市污水处理厂实地调查发现，该地区污泥的处置、利用在很大程度上存在 着盲目性，其表现为：对污泥产生量、成分、性质缺少清楚的认识，其利用和处 置方式的选择不是以污泥组成和性质为依据，也不是以污泥的有效利用为出发 点，而是贪图简单、节省，就近随意处置，有些甚至任意丢弃；有些土地填埋的 污泥也没有预先脱水，填埋场也没有采取有效的防渗漏、防废气爆炸的措施，很 有可能造成二次污染和其它环境安全隐患；采取土地利用的污泥中有些污染物含 量很高，施用前也缺少有效的稳定化措旌，对施用方法和施用量都缺少科学的依 据和指导。 1 1 2 国内污水污泥土地利用研究 污泥中含有很高的有机质，大量的n ，p ，k 养分，同时污泥中还有许多植 物所必需的微量营养元素，在土壤中可以缓慢释放，供给作物生长需要。因此， 污泥是有用的养分资源，是很好的土壤改良剂和肥料。 污泥土地利用投资少，能耗低，运行费用低，其中有机部分可转化成土壤改 良剂成分，因此污泥土地利用被认为是最有发展潜力的一种处置方式。这种处置 方式是把污泥应用于农田( 郭媚兰等，19 9 4 ；林毅等，l9 9 2 ；欧阳喜辉等，l9 9 4 ； 周立祥等，1 9 9 4 ) ，菜地( 乔显亮等，2 0 0 1 ；周立祥和戈乃玢，19 9 4 ) 、果园、林地 ( 李宝贵等，2 0 0 2 ) 、草地( 陈涛等，2 0 0 2 ；李艳霞等，2 0 0 2 ；张学勇等，2 0 0 2 1 、 市政绿化( 罗军勇和崔宽心，2 0 0 0 ；薛澄泽等，2 0 0 0 ；2 0 0 0 ) 、育苗基质( 陈同斌等， 2 0 0 2 ；叶静，2 0 0 2 ) 及严重扰动土地的修复与重建等，在有效的处置污泥的同时， 又利用了其中的有效养分资源，并可减少污泥带来的负面效应。其中，林地和市 政绿化的利用是一条很有发展前途的利用方式，因为它不易造成食物链的污染， 4 从食物安全角度考虑更具有可行性。污泥还可以用于如矿场土地、建筑排废深坑、 森林采伐场、垃圾填埋场、地表严重破坏区等严重扰动而需要复垦的土地( 莫测 辉等，2 0 0 1 ) 。 污泥中含有丰富的植物所需的各种养分，适量施用对各种蔬菜、小麦、水稻、 玉米、棉花、以及树木、牧草、园林花卉的生长都有较好的促进作用，肥效相当 于优质的农家肥( 陈同斌等，2 0 0 2 b ；胡承孝等，2 0 0 2 ：李国学等，l9 9 8 ；乔显亮 和骆永明，2 0 0 1 ；于向君等，2 0 0 l ；张增强和薛澄泽，l9 9 6 ；张学洪等，2 0 0 0 ； 郑纪慈等，2 0 0 0 ；王敦球等，2 0 0 0 ；周立祥和戈乃玢，1 9 9 4 ) ，而且还有可能在 一定程度上改善作物的品质( 林春野等，19 9 4 ) 。 污泥施用对土壤有很好的培肥效果，会明显地增加土壤有机质、氮、磷养分 ( d e b o s ze ta 1 ，2 0 0 2 ；郭媚兰等，19 9 4 ；周立祥，19 9 9 ) ，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的成本。郭媚兰等( 19 9 3 ) 对 太原市污水污泥所作的肥效试验表明，污泥肥效相当于优质的农家肥。污泥中的 有机物质可以改善土壤的物理性质。蔬菜地试验表明( 周立祥和戈乃玢，1 9 9 4 ) ， 施用生活污泥可以明显改善土壤的结构性，使土壤的容重下降，孔隙增多，壤 的通气、透水性变好。郭媚兰等( 19 9 4 ) 的研究也发现，随着污泥及污泥堆肥用量 的增加，土壤可供植物吸收的氮、磷等营养成分和有机质含量相应递增，污泥或 污泥堆肥的施用在不同程度上提高了土壤的田问持水量。污泥还能提高土壤的阳 离子代换量，改善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 而提高土壤保肥性。此外，污泥还能够改变土壤的生物学性状，使土壤中微生物 总量及放线菌所占比例增加，土壤的代谢强度提高( 周立祥等，1 9 9 4 ) 。 1 2 城市污水污泥土地利用稳定化 未稳定的污泥产品施用到土壤后，由于微生物还会利用土壤间隙中的氧气继 续降解堆肥中的未完全降解的有机物，从而造成厌氧的环境，使植物根系缺氧， 并产生h 2 s 和n o 等气体。未腐熟的产品中有很高的碳氮比( 2 5 ：1 或更高) ，容易造 成微生物的氮饥饿而去摄取土壤中的氮，使土壤产生缺氮现象。并且在微生物的 持续降解活动中还会产生作为副产品的低分子有机酸，对植物产生毒性，尤其是 乙酸和酚类化合物会抑制植物种子发芽、根系的生长，对植物根系的土壤呼吸、 进而对植物生长产生不利影响( c l o we w c h a s eh a ，m i l n e rm g ，2 0 0 0 ) 。 从污泥的性质来看，主要是有机的，通常含有5 0 以上的有机物，极易腐败， 并产生恶臭，因此需要进行稳定化处理。目前常用的稳定化工艺有：厌氧消化、 好养消化、好养堆肥、碱法稳定和热干化稳定等。消化池是利用厌氧发酵的方法 来达到污泥稳定化的目的；污泥堆肥是采用好氧的方式达到稳定化；焚烧法是在 极端条件下取得无机物的彻底矿化。从而可知稳定化是污泥处置中的关键环节， 可以说污泥处置是以取得污泥稳定化为主要目的。事实上污泥稳定化针对污泥中 有机质而言，是与污泥中有机物的矿化过程密切相关的。所谓有机物的矿化过程 是在一定条件下，通过物化反应或生化反应，使污泥中的有机物发生分解或降解 为矿化程度较高的无机化合物，如h 2 0 c 0 2 或c h 4 c 0 2 的过程。由此可以看出， 污泥的稳定化不仅与有机物含量有关，还与是否在一定条件下有机物的分解或降 解反应有关，这里所谓一定条件是指时间和环境条件。 1 2 1 污水污泥固态发酵 污泥的固态发酵，俗称污泥堆肥，在世界上许多国家和地区的确得到了广泛 的应用，却没有一个被大家认可的严格定义。h a u g e ，d i a z 等和a u g e n s t e i n 等的 固态发酵定义都包含了好氧发酵和厌氧发酵，而在欧盟固态发酵仅限于好氧发酵 ( 魏源送，2 0 0 2 ) 。不过，虽然各种定义的范围有所不同，但大家都认为污泥的固 态发酵是一种受控制的生物降解和转化过程。本文认为可以将固态发酵定义为： 通过微生物的发酵作用，将不稳定的有机物降解和转化成较为稳定的有机质，并 使挥发性物质含量降低、臭气减少、物理性状明显改善( 如含水率) 的过程。在 发酵过程中，有机物由不稳定状态降解为稳定的腐殖质物质，高温发酵杀死病原 菌实现无害化，实现减容化，最后实现污泥资源化。 堆肥化的一般过程为( 魏源送，2 0 0 2 ) ：底料是堆肥系统的处理对象，一般是 污泥、城市固体废弃物、庭院废弃物等。调理剂可分为两类：( 1 ) 能源调理剂。 它是加入堆肥底料的一种有机物，增加可生化降解有机物的含量，从而增加了混 合物的能量；( 2 ) 结构调理剂。它是一种加入堆肥底料的物料( 无机物或有机物) ， 可减少底料密度、增加底料空隙，从而有利于通风。堆肥化过程分为两个阶段， 第一个阶段是高速堆肥阶段，第二个阶段是熟化阶段。高速堆肥阶段的特征是好 氧分解速度快、温度高、挥发性有机物降解速率快和有很浓的臭味。 r o d r i g u e ( 2 0 0 1 ) 研究用不同的资源( 污泥和酵母萃取物) 和甜高粱废物进行混 合堆肥，结果表明：污泥和甜高粱废物的堆肥最适宜作肥料，碳氮( c n ) 质量比 为2 0 ：l 。n a i n a ( 2 0 0 6 ) 认为c n 小于2 0 只是堆肥腐熟的必要条件，建议采用“t = ( 终 点c n ) ( 初始c n ) ”来评价腐熟度。一般情况下，t 值小于0 6 时堆肥达到腐熟。 m a t h u r ( 2 0 0 3 ) 认为在腐熟的堆肥产品中，干堆肥中b o d 5 值应小于5 m g 儋。 l o s s i n ( 1 9 9 7 ) 对鸡的粪便进行堆肥研究后认为，堆肥腐熟后干堆肥中的c o d 应小 于7 2 0 m g g 。c o o kg m ( 2 0 0 0 ) 等通过试验表明，当污泥堆肥施用量超过1 8 k g m 2 就会造成盐分伤害植物。 1 2 2 生物捕食稳定 污水生物处理系统是一个非常复杂的生态系统，系统内微生物主要以各种细 菌为主，同时还存活一定数量的原生动物和和后生动物。污泥的生物沥滤稳定源 自原生动物和后生动物的捕食作用。相对细菌来说，原生动物和后生动物属于高 营养水平微生物，因而能量通过捕食作用从细菌转移到原生动物和后生动物时， 将会因低效的生物转化而形成能量损失。所以，从本质上说捕食作用引起了系统 内物质能量损耗，这就是捕食作用能够引起系统内生物总量减少的原因，也是促 进污泥稳定的原因。 6 目前用来研究的捕食生物种类：原生动物包括鞭毛虫、肉足虫和纤毛虫。 鞭毛虫有三角袋鞭虫和葡萄异鞭虫等，肉足虫有后湖马氏虫和半圆表壳虫等。纤 毛虫在运行良好的活性污泥中是优势种，每1 m l 曝气池悬浮液中，可含5 1 0 4 个，占总生物量的5 ，是活性污泥中最常见的捕食者，依生活习性可分为三类： 游泳类群，爬行类群和固着类群( c u r d sc r ，l9 8 2 ) 。后生动物包括：轮虫、线 虫、寡毛纲环节动物和软体动物。特别是寡毛纲中的蚯蚓具有丰富的酶系统，食 量较强，每天至少能吞食和排泄相当于体重1 2 倍甚至高达1 0 倍的物质( m i c h a e l h g ，1 9 8 7 ) 。 张绍园( 2 0 0 3 ) 用两段淹没式膜生物反应器处理城市废水( 第一阶段为污染物 转化池，第一阶段为污泥降解池) 。通过调节回流污泥量和出水量，控制污泥在 转化区和降解去的分配，使得蠕虫集中在污泥降解区里消化污泥。化学需氧量和 氨氮量平均去除率分别为9 7 3 和9 9 5 。吴敏等( 2 0 0 3 ) 用污泥稳定床处理剩余 污泥，装置分三层，表层为污泥投加区，中层为蛆叫床区，下层为滤液排除区。 污泥床填料采用具有高度透气度、高透水性的混合型惰性载体。其所用的污泥稳 定床的表而尺寸为1 0 1 0 m ，蚯蚓床高度1 0 1 5 c m 。剩余污泥经蚯蚓处理之后转 化为增殖的蚯蚓和蚓粪，蚯蚓的增殖和蚓粪的积累在长期的生态循环中并不明 显。 生物捕食减量上艺研究已经取得了些较好的效果，与其他采用化学、物理 手段来进行污泥减量的技术相比，其优势体现在低成本、无污染上，具有较好的 应用前景。目前该方法还主要停留在实验阶段，尚未在生产中推广运用。 1 3 污泥土地利用风险评价 重金属是污泥中最主要的污染物之一。据前人和本文作者的研究发现( 李季 和吴为中，2 0 0 3 ；乔显亮和骆永明，2 0 0 l ；唐建国等，2 0 0 3 ) ，重金属可能是限 制我国污泥土地利用的最主要因素，许多污泥中有一种和几种重金属超过了我国 农业污泥标准( g b 4 2 8 4 8 4 ) ，这可能由于我国排水管道中一般工业污水和生活污 水混流的原因。城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的颁布对污 泥中的锌和铜的含量做了一定调整，使更多的污泥符合农用的要求。有关我国城 市污水污泥中重金属种类、含量，污泥施用后重金属在土壤中的迁移转化，生物 有效性等，在本文第二章、第四章将进行更详细的阐述，在此不再赘述。 污泥中通常含有丰富的n ，p 等各种养分，如果在降雨量较大的地区且土质 疏松土地上大量施用，有机物分解速度大于植物对n ，p 的吸收速度，就很可能 会随水流失，进入地表水体造成水体的富营养化，或进入地下引起地下水的硝酸 盐污染。污泥中含有丰富的氮，从农业角度来讲，氮素是有用元素，但如果污泥 施用量过高，过多的氮素会成为环境污染的不利因素。前人的研究表明，n 0 3 。 的淋溶流失和地面径流分别是地下水和地表水污染的重要原因( 吕耀，1 9 9 8 ) 。国 内外对于饮水中n 0 3 含量过高导致“蓝婴病 和癌症已有多次报道( 白晓慧和王 宝贞，19 9 8 ) 。对硝态氮淋溶污染地下水问题，世晃各国都给予了高度重视，世 7 界卫生组织规定饮用水的n 0 3 含量不超过4 5 m g l ，美国限制n 0 3 在1 0 m g l 以 下，我国政府19 8 5 年起也要求n 0 3 。不得超过2 0 m g l ( 文化等，19 9 0 ) 。 有研究表明，污泥中有机质的分解矿化在前6 周较快，随后逐渐变慢( 周立 祥等，l9 9 7 ) 。国外有研究发现，污泥施用的当季，其土壤渗滤液中硝态氮和铵 态氮含量会高于对照处理( h a l l e t te ta 1 ，1 9 9 9 ；l u oe ta 1 ，2 0 0 3 ) 。也有研究发现， 施用污泥后氮的有效性、植物吸收和淋溶与污泥来源及性质有关。一次大量施用 虽然可以获得高产，但氮的淋溶率较高，会污染地下水。从保证产量和防止水污 染综合考虑，多次少量比一次大量施用对氮的利用更合理( m a m oe ta 1 ，19 9 9 ) 。 并且土壤氮的淋溶还受到土壤条件的影响，壤土的淋溶速度和淋失量显著高于粘 土( s o g b e d j ie ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 此外，污水污泥由于来源于各种污水，其中常含各种病原微生物和寄生虫卵， 在污泥土地利用过程中可能通过各种途径传播，污染土壤、空气、水源、果蔬、 花草等，进而危及人和家畜的健康( 周立祥等，1 9 9 5 ；周少奇，2 0 0 2 ) 。有研究发 现，辐射处理可以完全杀死生物固体中的病原菌，而巴氏灭菌和石灰稳定处理虽 然能显著降低病原菌的数量，但是不能全部杀死( f r a n c o h e m a n d e ze ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 石灰稳定污泥和污泥堆肥中的肠道致病菌( 如大肠杆菌) 在放置一段时间后有再 发现象( g a n t z e re ta 1 ，2 0 0 1 ) 。污泥堆肥中的沙门氏菌具有再生作用，在施用时 不宜放置时间过长( s i d h ue ta 1 ，2 0 0 1 ) 。生物固体施入土壤后，粪大肠杆菌和沙 门氏菌量均较对照高，随着施入时间的延长，二者数量均降低，在一段时间内没 有检测到沙门氏菌，但施用一定时间后沙门氏菌的最大或然数( m o s tp r o b a b l e n u m b e r ，m p n ) 值又高于开始施用时( g i b b se ta 1 ，19 9 7 ) 。这一系列现象表明病 原菌的控制是一个复杂又长期的过程。常见的虫卵有蛔虫卵、绦虫卵等。但其中 以粪大肠杆菌、沙门氏菌、蛔虫卵、绦虫卵以及肠道病毒最常见，存活期较长， 危害也最大。污泥中的病原茵有几千种，具有引起皮疹，红眼病，嗓子痛和肺病 等的可能性( l e w i sa n dg a t l e ，2 0 0 2 ) 。当含有病原菌的城市污水污泥施于农田时， 可能会导致水生疾病( w a t e rb o m ed i s e a s e ) 的爆发( f u k u s h ie ta 1 ，2 0 0 3 ) 。整体而 言，关于病原菌对人体健康的危害国内外还缺少有效的评价方法( c o w e l l e ta 1 ， 2 0 0 0 ) 。 1 4 课题研究的目的与内容 1 4 1 本课题的研究目的 综上所述，我国在污泥处置方面还处于比较落后的阶段，解读污泥各种处置 方法后，我们认为污泥处置应走污泥无害化、资源化的道路，污泥土地利用是适 用我国国情的污泥处置优先方法，特别是将污泥在废弃场所利用，既能避免污泥 进入人类食物链，又能改良废弃地的土壤环境，美化环境，是促进资源与环境协 调发展的重要内容。 相比国外发达国家，基础数据缺乏是影响污泥处置的一大瓶颈。本研究从污 r 泥土地利用的角度出发，探讨污泥土地利用中的问题，为污泥土地利用积累重要 的信息，希冀对推广污泥土地利用提供参考方法和意见。 1 4 2 本课题的研究内容 经过两年多的资料收集、调查研究及对南京市典型污水处理厂的污泥试验， 取得了一定的进展。本课题的主要研究内容有： ( 1 ) 针对南京市污水处理厂的基本情况进行了调研分析，探讨了南京市污水 污泥的处置方法。 ( 2 ) 对污泥的稳定化方法和稳定性指标进行了分析比较研究，较详细的分析 了污泥稳定化过程的机理过程。 ( 3 ) 通过实验，对南京市典型污水污泥的成分进行了较详细的了解，进行了 污泥运用于废弃地生态恢复可行性研究，特别是对污泥中重金属形态分布与生物 有效性进行了评价。 ( 4 ) 进行了污泥稳定、无害化的中试试验，对污泥稳定过程中污泥理化性状、 营养物质、生物毒性进行了较为详细的研究，并将其运用到南京仙林废弃采石宕 口实例中。 ( 5 ) 运用模拟分析评价方法，了解某些元素特别是n 和有毒重金属元素在矿 山废弃地的迁移能力，评价污泥施用后对土壤和地下水产生环境风险。 9 第二章：南京市典型污水污泥特征研究 南京市属长三角发达城市，污水处理量大，多采用生化处理工艺，产泥量也 较高。其中比较典型的污水处理厂有江心洲和锁金村污水处理厂，简介如下： 南京市江心洲污水处理厂位于南京市江心洲上，主要承担内秦淮河流域截流 污水和河西地区分流污水的处理。根据南京市总体规划和南京市主城区水环境 整治与保护规划，江心洲污水处理厂扩建改造工程于2 0 0 2 年6 月正式开工建设， 2 0 0 3 年9 月扩建改造一期工程完成，达到日处理污水4 0 万吨的处理能力，处理 工艺由原来的一级物理处理上升为活性污泥法a o ( 厌氧好氧) 工艺。二期扩建改 造工程全部结束后，处理规模位居全国大型污水处理厂第二位( 第一位是北京市 高碑店污水厂，处理能力为1 0 0 万m 3 d ) 。经二期工程改造后，该厂处理规模为 4 0 1 0 4 t d ，并新建一套2 4 万m 3 d 二级处理( 含污泥消化) 设施。 江心洲污水处理厂污水处理工艺流程如图l 所示。该厂采用a o 前置反硝 化生物处理工艺，主要分为三个处理单元：预处理单元、生物处理单元和污泥处 理单元。其中，预处理单元又包括隔栅、曝气沉砂池和初沉池；生物处理单元包 括前置的缺氧反硝化反应池、好氧硝化反应池和二沉池。 弱黝c 图1 江心州污水处理厂工艺流程图 f i g 1t h es c h e m em a p0 ft h ej i a n g x i n z h o uw r a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t 江心洲污水处理厂污水处理采用传统活性污泥法二级处理工艺：一级处理包 括格栅、泵房、曝气沉砂池和矩形平流式沉淀池；二级处理采用空气曝气活性污 泥法。二级消化后的污泥用带式压滤机脱水成泥饼，规划运作为农业和绿化的肥 源。江心洲污泥处置工艺如图2 。 l o 用 埋 图2 污泥处理工艺流程图 f i 9 2t h ef l o wo ft h eb a s i ca r t i f i c eo fs e w a g es l u d g et r e a t m e n t ( 2 ) 南京市锁金村污水处理厂 南京市锁金村污水处理厂位于南京市东郊，占地面积2 h m 2 ，污水处理规模 o 5 10 4 t d ，服务面积1 4 6 h m 2 ，服务人口10 万人，其中含有少量工业污水，工 业废水约占1 5 。该厂主要接纳当地居民生活废水为主，采用活性污泥法污水处 理工艺，处理深度为二级。污泥处理工艺采用重力脱水，脱水后污泥含水率约为 8 0 ，处置污泥用于农田堆置或进行安全填埋。 0 7 年5 月对南京市江心洲污水处理厂、锁金村污水处理厂进行了调研，调 研结果如下： ( 1 ) 江心洲实际干污泥产量约3 8 4 t d ，按含水率9 7 考虑，江心洲污水处理 厂污泥产量为1 2 8 0 m 3 d ，脱水泥饼产量约为8 9 6 m 3 d ( 泥饼含水率按平均值7 6 6 计) 。 ( 2 ) 当前江心洲所产污泥均用于污泥焚烧，据估算，运往焚烧场所的污泥约耗 费1o 元t 的费用。由于采用焚烧的处置方式，故厂内有近一半厌氧消化设施闲 置，为污泥资源化土地利用带来障碍。 ( 3 ) 锁金村污水污泥经脱水后，运往城北幕府山进行安全卫生填埋。 综上，南京市污水污泥处置暴露出许多问题：污泥处置耗费大量的市政经费； 资源化利用比例低；带有安全隐患。根据南京市“十一五 排水规划，到2 0 10 年，主城区污水处理率将达8 5 ，南京市将新建、扩建多座污水处理厂，污水处 理率大幅度提高的同时也将产生更多的污泥，研究和开发污泥的资源化道路已显 得刻不容缓。 2 1 实验材料与方法 2 1 1 泥样的采集和试剂的制备 ( 1 ) 泥样的采集 污泥样品取自江心洲污水处理厂、锁金村污水处理厂。0 7 年3 月( s 1 ) 、0 7 年5 月( s 2 ) 、0 7 年7 月( s 3 ) 、0 7 年1 1 月( s 4 ) 取污泥鲜样一次。用塑料桶 取回污泥后，当即各取一烧杯污泥置于冰箱( 4 ) 中保存，以备分析用，其余存 放于阴凉处风干后用于后续处理。 ( 2 ) 风干样的制备 取污泥于托盘中，置于窗口阴凉通风处，风干三天后碾碎，过10 0 目的筛子。 置于磨口塞的玻璃瓶中保存。 ( 3 ) 干燥样的制备 取污泥薄层涂于坩埚平底中，在10 5 烘箱中烘干2 4 h ，碾碎，过2 0 0 目的 筛子，然后置于磨口塞的玻璃瓶中，于干燥器中保存。 ( 4 ) 泥样水浸提液的制备 新鲜样泥水浸提液：取l o g 污泥新鲜样，按照新鲜污泥：蒸馏水= 1 ：1o ( w v ) 的比例混合，在恒温振荡器中，2 5 下恒温振荡2 h ，然后在5 0 0 0 r p m 离心分离 1 5 m i n ，取上清液置于磨口瓶中，待测n h 4 + n 、p h 。 风干泥样水浸提液：取l0 9 污泥风干样，按照风干的污泥：蒸馏水= 1 ：1 0 ( w v ) 的比例混合，在恒温振荡器中2 5 下恒温振荡2 h ，然后在5 0 0 0 r p m 离心分离 1 5 m i n ，取上清液置于磨口瓶中，待测n 0 3 一n 。 2 1 2 主要实验仪器 实验所用仪器装备见表3 ： 表3 主要实验仪器设备列表 t a b l e3t h em a j o re x p e r i m e n te q u i p m e n t sl i s t 1 2 2 1 3 实验参数与测定方法 ( 1 ) 污泥含水率的测定( 重量法测定) ( 2 ) p h 测定 取新鲜泥样水浸提液，用酸度计测量p h 值，做三次平行样取平均值。 ( 3 ) 挥发性固体及灰份含量的测定( 赵庆祥，2 0 0 2 ) ( 灼烧减重法) 污泥中的挥发性固体为干污泥经过高温灼烧后减少的那一部分，其主要成分 为有机物，而残留的无机部分称为灰份。 ( 4 ) 氨氮的测定( 赵庆祥，2 0 0 2 ) ( 0 0 2 5 m o l l ( n h 4 ) 2 s 0 4 振荡提取直接蒸馏法) ( 5 ) 总氮的测定( 水和废水检测分析方法，1 9 9 8 ) ( 重铬酸钾一硫酸消煮法) ( 6 ) 有机碳的测定( k 2 c r 2 0 7 一h 2 s 0 4 外加热法) ( 7 ) 总磷的测定( 赵庆祥，2 0 0 2 ) ( 酸溶一铝锑抗比色法) ( 8 ) 总钾的测定k 2 0 ( 土壤理化分析，1 9 7 8 ) ( 火焰原子吸收分光光度法) ( 9 ) 污泥样品中重金属元素z n 、c u 、c d 、c r 、n i 和p b 的总量测定 将o 2 0 0 9 风干的污泥样品分别置于2 5 m l 带有盖子的聚四氟乙烯烧杯，加入 优质纯浓硝酸( 2 m l ) 、氢氟酸( 2 m l ) 和浓高氯酸( 1 m l ) 电热板加热消化，至白烟赶 尽，冷却，残留物用1 h n 0 3 溶解，定容2 5 m l 。用i c p a e s 测定上清液重金属 元素z n 、c u 、c d 、c r 、n i 、和p b 的含量。 ( 1 0 ) 污泥样品中重金属元素z n 、c u 、c d 、c r 、n i 和p b 的形态提取 本实验选取欧共体标准测量与检测组织开发的三态连续提取法( t h eb u r e a u c o m m u n i t yo fr e f e r e n c e ，b c r ) 研究污泥样品中重金属的形态分布( r a u r e l c e m m a ，1 9 9 8 ) 。具体提取方法如下： 第一态：酸溶态可交换态( f 1 ) ，取o 5 9 干污泥样品，置于5 0 m l 聚乙烯离 心管中，加入2 0 m lo 1 m o l l h a c ，室温下振荡1 6 h ，40 0 0 r m i n 下离心2 0 m i n ， 上层清液经0 4 5 p m 微膜过滤，滤液中加入o 2 m l 浓硝酸，i c p a e s 测定各元素 含量； 第二态：可还原态( f 2 ) ，于上一级固相中加入2 0 m lo 1 m 0 1 ln h 2 0 h h c l ， 室温下振荡1 6 h ，40 0 0 r m i n 下离心2 0 m i n ，上层清液经0 4 5 m 微膜过滤，滤液 中加入0 2 m l 浓硝酸，i c p a e s 测定各元素含量； 第三态：可氧化态( f 3 ) ，向上一级固相中加入5 m l3 0 h 2 0 2 ，置于2 5 水 浴中1 h ，再向其中加入5 m lh 2 0 2 再置于8 5 水浴中1 h ，水浴蒸发至近干，然 后加入2 5 m l1 m o l 几n h 4 a c ，室温下振荡1 6 h ，40 0 0 r m i n 下离心2 0 m i n ，上层清 液经o 4 5 “m 微膜过滤，滤液中加入0 2 m l 浓硝酸，i c p a e s 测定各元素含量。 ( 1 1 ) 污泥中生物有效态重金属含量提取 e d t a 浸提法：称取2 9 沉积物样品，加入2 0 m l ( 0 1 m o l 功的e d t a ，振荡 0 5 h ，然后置于离心机中以40 0 0 r m i n 的速度离心分离1 5 m i n ，将上部清液移入 容量瓶，定容酸化后，置于冷柜保存。 m e h l i c h3 通用浸提剂法： 1 3 m 3 浸提剂的组成为：o 2 m 0 1 lh a c ，o 2 5 m o l ln h 4 n o3 ，0 0 1 5m o l ln h 4 f ， 0 0 1 3m 0 1 lh n 0 3 ，o 0 0 1m o l le d t a 。p h 2 5 + o 1 。试剂配制：先配n h 4 f e d t a 贮备液，2 7 7 8 9n h 4 f 溶于1 2 0 m l 水中，加入1 4 6 1 9e d t a ，用水定容至2 0 0 m l ， 贮于塑料瓶中保存。再配m 3 试剂，2 0 0 9n h 4n o3 溶于约5 0 0 m l 水中，加4 o m l n h 4 f - e d t a 贮备液，再加1 1 5 m l 冰醋酸( 1 7 4m o l l ) 和o 8 2 m l 浓h n 0 3 ( 1 5 8 m o l l ) ，加水定容至l l ，p h 为2 5 + 0 1 ，贮于塑料瓶备用。 浸提步骤：称取2 o o g 过1 m m 筛的风干污泥样放在塑料离心管中，加1 0 m l m 3 浸提剂，在2 5 振荡2 h ，离心，o 4 5 l m 微孔滤膜的过滤器过滤，滤液承接 于聚苯乙烯瓶中待用。 2 2 南京市典型污水污泥特征分析 2 2 1 污泥的基本理化性质 污泥的泥样化验主要包括含水率、p h 值、导电率、有机物等的检测。其中 p h 、含水率、有机物对污泥的性质影响很大，是污泥的重要理化指标。它将为 后续的污泥处置方法选择提供依据。 采用上述测试方法，江心洲污水厂污泥、锁金村污水厂污泥的基本物理化学 性质见表4 。 表4 污泥的基本理化性质 1 a b l e4p h y s i c a l c h e m i c a lp r o p e n i e so fs e w a g es l u d g e 注：0 7 年3 月( s 1 ) 、0 7 年5 月( s 2 ) 、0 7 年7 月( s 3 ) 、0 7 年1 1 月( s 4 ) 2 2 2 污泥中营养成分分析 城市污水污泥中含有丰富的有机质和n 、p 、k 等营养成分，污泥土地利用 的价值很大一部分就取决于污泥中较高的植物养分含量，这是污泥土地利用的前 提。江心洲污水处理厂、锁金村污水处理厂污水污泥的养分组成见表5 。 1 4 表5 污水污泥的养分组成 t h b l e5t h en u t r i t i o u sc o n t e n to ft h es e w a g es l u d g es a m p l e s 注：0 7 年3 月( s 1 ) 、0 7 年5 月( s 2 ) 、0 7 年7 月( s 3 ) 、0 7 年l1 月( s 4 ) 由表5 中可以看出，南