（环境科学专业论文）生物淋滤法去除污水污泥中的cu、zn、ni.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 第三部分对太原市河西北中部污水处理厂浓缩污泥中重金属总量测 定及形态进行分析：该污水厂浓缩污泥中所测定的重金属均未超过我国 污泥农林利用碱性土壤标准；只有c u 和z n 超过污泥农林利用酸性土壤 标准，经过重金属形态分析，污泥中z n 元素不但含量高，且不稳定形态 所占比例普遍较高，超出污泥农林利用酸性土壤的标准。污泥在农林利 用前对重金属进行处理是必要的。 第四部分针对太原市河西北中部污水处理厂浓缩污泥，利用氧化硫 硫杆菌进行淋滤，研究了不用接种量对淋滤效果的影响，发现采用3 的接 种量，沥滤效果较好，c u ，z n 和n i 沥出率分别为9 3 9 ，8 3 4 和5 5 6 ； 硫浓度越高，污泥样品的p h 值下降越快，3 9 l 和5 9 m 的硫浓度下最终 p h 值稳定在1 8 左右，选择3 9 f l 为最佳底物浓度。 论文第五部分设置了简单的淋滤反应器，以连续搅拌的方式运行的反 应器，在不投加接种液的情况下，经过一个周期可以在18 天左右达到较 好的淋滤效果，后三周期生物淋滤达到较高去除率的时间越来越短。这 是由于随着生物淋滤的进行，污泥中硫细菌经过驯化所用时间逐渐缩短。 第六章对全文做了总结，并对后续工作提出了建议，应对不同种类 污泥重金属的淋出效率及污泥最佳接种量与最短淋出周期的关系还应进 一步研究和优化；测定经过淋滤后营养成分损失情况；研究生物沥滤后 污泥土地利用情况；污泥中重金属经固液分离分离后，对于淋滤液应该 采用合理的回收措施。 关键词：污水污泥，重金属，生物淋滤，形态分析，反应器 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e m o v a lo ft h ec u 、z n 、n if r o m t h eu r b a ns e w a g es l u d g e b yb i o l e a c h in g a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no ft h en a t i o n a ls e w a g et r e a t m e n tf a c i l i t i e s ，t h e s l u d g eo u t p u ti si n c r e a s i n gd a yb yd a y , w h i c hc a u s e ss e r i o u ss l u d g ep r o b l e m a s t h es l u d g ec o n t a i n sa b u n d a n tn u t r i e n te l e m e n t s ，s u c ha sn i t r o g e n 、p h o s p h o r o sa n d k a l i u m ，t h ea g r i c u l t u r a lu t i l i z a t i o no fs e w a g es l u d g eh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t t o p i ci nt o d a y sr e s e a r c h h o w e v e r , t h eh e a v ym e t a l si ns e w a g es l u d g ea r et h e k e yr e s t r i c t e df a c t o rt ot h eu t i l i z a t i o no fs e w a g es l u d g ei na g r i c u l t u r e t h e r e f o r e ， r e s e a r c ho nt h er e m o v a lo ft h eh e a v ym e t a la n dt h eu t ili z a t i o no fs e w a g es l u d g e i n a g r i c u l t u r ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h es e w a g es l u d g ef r o mt a i y u a nh e x i s e w a g et r e a t m e n tp l a n ti s s t u d i e d t h er e s e a r c ha i m st or e d u c et h ep o i s o n o u s h e a v ym e t a l sa n ds e a r c hf o ra ne f f e c t i v em e t h o do fu s i n gt h es e w a g es l u d g ea s r e s o u r c e sb ym i c r o b et r e a t m e n t b i o l e a c h i n gi su s e dt or e d u c et h eh e a v ym e t a l si ns e w a g es l u d g e i th a s b e e np a i dg r e a ta t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r sd u et oi t sl o wc o s t 、h i g he f f i c i e n c ya n d g o o dd e h y d r a t i o nc a p a b i l i t y a f t e r b i o l e a c h i n g t h em a j o rm i r o o r g a n i s m s r e s p o n s i b l e f o r b i o l e a c h i n g a r e a v a r i e t y o f a c i d o p h i l i c a n d c h e m o a u t o l i t h o t r o p h i c b a c t e r i as u c ha st h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n sa n d i ii 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s ，w h i c ho x i d i z et h ei n s o l u b l em e t a ls u l f i d e si n t om e t a l s u l f a t e si nd i r e c to ri n d i r e c tw a y t h ei n s o l u b l em e t a ls u l f i d e sa r es o l u b l e da f t e r s e p a r a t i o nf r o ml i q u i d a tp r e s e n t ，r e s e a r c ho nb i o l e a c h i n gh a sj u s ts t a r t e da n d n o tc o m p l e t eo ni n o c u l u ms i z e s 、r e a c t o re t c t h i sa r t i c l ew i l lf i r s t l yi n t r o d u c es o m ei m p o r t a n tt e c h n i q u e sn a t i o n a la n d i n t e r n a t i o n a lt od e a lw i t hs l u d g eb r i e f l y , a n dp r o v i d es o m en e c e s s a r i t yi nl a n d a p p l i c a t i o n t h e nt h eb a s i cm e t h o d sa n dt h e o r i e sa r ei n t r o d u c e d t h es e c o n dp a r to ft h i sa r t i c l ew i l lm a i n l yi n t r o d u c et h ef e a t u r e so fb a c t e r i a f o r b i o l e a c h i n g t h e r e a c t i o nm e c h a n i s mo fb i o l e a c h i n g ，a n dt h ef a c t o r s i n f l u e n c i n gt h em e t a lr e m o v a le f f i c i e n c yd u r i n gb i o l e a c h i n g t h et h i r dp a r to ft h i sa r t i c l ew i l lm a i n l ym e a s u r et h et o t a ls u mo f h e a v y m e t a l si n c l u d e di nc o n c e n t r a t e ds l u d g ei nt h es e w a g et r e a t m e n tp l a n t sl o c a t e d i nn o r t ha n dm i dt a i y u a n ，a n dw i l la n a l y z et h ec h e m i c a ls p e c i a t i o n s t h e r e s u l ts h o w st h a tt h es l u d g eo ft h i ss e w a g et r e a t m e n tp l a n t sd o e s n 。te x c e e dt h e s t a n d a r do fa l k a le s c e n ts o i l ；o n l yt h ec o n t e n to fz na n dc uh a se x c e e d e dt h e s t a n d a r do fa c i d i cs o i l i nt h em e a n t i m e ，t h eu n s t e a d yc h e m i c a ls p e c i a t i o n so f e l e m e n tz nt a k e sac o m m o nh i g hp e r c e n t a g ei n s l u d g e s ob e f o r es l u d g ei n a g r i c u l t u r ea r et a k e nu s eo f , d e a l i n gw i t ht h eh e a v ym e t a l si sm o r ea n dm o r e n e c e s s a r y i nt h ef o r t hp a r t ，t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n si su s e dt ob i o l e a c h i n g i n f l u n c eo n r e m o v a le f f e c tw i t hd i f f e r e n ti n o c u l u ms i z e si ss t a r t e d t h er e s u l ts h o w st h e e f f i c e n c yc a nb eb e t t e rw i t hi n o c u l u ms i z e so f3 t h er e m o v a lr a t e so fc u ，z n i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n d n ia r e9 3 9 ，8 3 4 并1 35 5 6 s e p a r a t e l y ；t h eh i g h e ro fs u l f u rc o n c e n t r a t i o n i s ，t h ef a s t e rt h ep hf a l l sd o w n t h ep hv a l u ew i l lb e1 8f i n a l l yw i t hs u l f u r c o n c e n t r a t i o no f3 9 la n d5 9 l 3 9 li sc h o o s e n s i m p l eb i o l e a c h i n gr e a c t o ri sm a d ei nt h ef i f t hp a r t b e t t e rr e s u l t 一18 d a y s c a nb ea c h i e v e di nc o n t i n u o u ss t i r r i n gt a n kr e a c t o r ( c s t r ) w i t h o u ta d d i n g i n o c u l u md u r i n gf i r s tp e r i o d t i m en e e d e dw i t hh i g h e rr e m o v a lr a t e si ss h o r t e r a n ds h o r t e ri nt h el a t e r p e r i o d s t h i s i sb e c a u s ea c c l i m a t i o nt i m eo f t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n si ss h o r t e n e d t h el a s tp a r tc o n c l u d e st h ew h o l ep a p e ra n dp r o p o s e st ot h el a t e r r e s e a r c h ：e f f i c e n c yo f d i f f e r e n tk i n d so f s l u d g ea n dr e l a t i o nb e t w e e nb e s t i n o c u l u ms i z e sa n ds h o r t e s tb i o l e a c h i n gt i m e ；n u t r i t i o nc o m o n e n t sl o s e sa f t e r b i o l e a c h i n g ；1 a n da p p l i c a t i o n ；r e a s o n a b l ec o l l e c t i o nm e a s u r e so f f i l t r a t ee t c k e yw o r d s ：u r b a ns l u d g e ，h e a v ym e t a l s ，b i o l e a c h i n g ，s p e c i a t i o n ，r e a c t o r v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 盏堑匿塾 日期：论文作者签名： 物垒丝 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签氰：娅鱼日期：塑牟业望 7 聊签名：琵竺至1 2 ：2 隰堕工2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1绪论 1 1 1 污水污泥 第一章概述弟一早卞既怂 污水污泥是城市污水处理厂处理污水过程中的必然产物，是污水处理后的附属 品，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。 一个稳定运行的城市污水处理厂都会产生一定量的污水污泥。因此污水污泥的产生量 和城市污水的总量有线性关系，并随着城市污水量的增加而增3 n t 。污泥量占污水量 的0 3 o 5 ( 体积) 或为污水处理量的l 2 ( 质量) ，如果进行深度处理，污 泥量会增加o 5 1 倍。目前我国污水处理量和处理效率虽然不高，但城市污水处 理厂每年排放干污泥大约3 0 万吨，而且每年还以大约1 0 的速度增长【2 1 。 污泥中含有许多植物营养元素，如氮、磷、钾，微量的氨基酸等，既污泥也是一 种肥料资源，如不加以利用会造成资源浪费。因此如何安全有效地进行污泥处理和处 置，即降低污泥处理、处置成本，又不引起二次污染，实现污泥的减量化、稳定化、 无害化和资源化，是目前环境领域急需解决的问题，所以研究寻找合理处理、处置并 充分利用污泥的有效途径具有重要的现实意义。一方面，由于污泥的处置不当，给环 境带来了极大的危害；另一方面，由于化肥的大量施用，土壤肥分减少，土壤质量日 趋下降，农业的可持续发展面临挑战。 1 1 2 我国污水污泥现状及特点 从目前我国城市污水的处理现状来看，各种类型的活性污泥法得到了广泛应用。 城市污水处理过程中，微生物利用自身的代谢和吸附作用使污水中的有机污染物质得 以降解和去除，活性微生物的不断繁殖及剩余污泥的排放，使污水处理厂每天都要产 生大量的污泥。加上和污水污泥性质类似的食品类及某些造纸类工业废水产生的污 泥，数量非常可观。 而传统的污泥处理工艺处理费用昂贵，约占污水处理厂总运行费用的2 0 5 0 ， 太原理工大学硕士研究生学位论文 投资占污水处理厂总投资的3 0 4 0 【4 1 。污水处理中的污泥处理和处置在我国还刚 刚起步，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l 1 0 。由于污泥中含有大量的有毒有害物质，尤其是一些有 毒有害的重金属元素，如不妥善处理势必会对环境造成严重的“二次污染”。并且有资 料显示，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，将造成重金属 污染等严重环境问题。如何妥善处置污泥，使其无害化、资源化、资源化已成为全球 关注的课题【3 1 。 与国外污水污泥相比，我国污水厂污泥具有如下特性： ( 1 ) 有机物含量低 与发达国家相比，我国城市居民住宅的卫生设施还不十分完善，城市公共厕所占 有较大的比重，许多污水未排入下水道。此外我国城市居民的食物结构中，主要以植 物型为主，副食品中动物型( 如肉类、奶制品类) 较少，这些造成城市污水污泥中有 机物含量偏低，有机物含量一般只有5 0 左右，而西方发达国家的城市污水污泥的有 机组份可以达到7 0 8 0 。所以，我国城市污水污泥属低有机组份类型的污泥。 ( 2 ) 碳水化合物高、脂肪含量低 由于我国城市居民的食品结构人均消费的肉类和奶制品较少，主要以粮食、植物 油、蔬菜和豆制品为主，而欧美一些发达国家的主要食品是肉类和奶制品。所以，我 国生活污水中的v s s ( 挥发性悬浮固体) 值较低，有机组份中淀粉、糖类和纤维等碳 水化合物占的比重很大，脂肪含量也低。因此污泥的有机组份也是以碳水化合物为主， 属于高碳水化合物、低脂肪的污泥。 ( 3 ) 具有一定的土地使用价值 污水污泥具有增加土壤肥力、防止土壤板结的功能。从长远看，污泥肥分的组成 之一，即磷含量将随着我国脱氮除磷工艺的推广运用将有所增长。 ( 4 ) 污泥c n c n 是堆肥操作过程中的一个关键因素。c n 在堆肥过程中最重要的是要保持营 养平衡。碳是发酵过程中的动力、热源，表征产热量的大小。氮是生物合成原生质的 物质。我国污水处理厂的污泥饼c n 一般为6 ：1 9 ：1 。加入c f n 高的物料如城市生活 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 垃圾、木糠、稻草、人畜粪、秸杆等，可提高c n 。 ( 5 ) p h 值和酸碱度 p h 值和酸碱度是厌氧消化十分重要的条件。一般认为，发酵在p h 值为6 9 范围内 进行，且最佳p h 值在8 左右。大量的研究结果表明，国内污水处理厂的污泥的p h 值均 在6 - 9 之间，e g , 碱度为1 6 2 6 m g l 左右。 1 2污泥的处理处置方法综述 根据污泥从污水中分离的过程，我们可将其分为如下几类： 初次沉淀污泥：初次沉淀池中截流的污泥，也有指一级处理过程中产生的污泥， 包括用化学药剂沉淀下来的污泥。 生物处理污泥：在生物处理过程中，由污水中悬浮状、胶体状或溶解状的有机污 染物组成的一些活性物质，称为生物处理污泥。一般是指污水二级处理过程中产生的 污泥，生物体中的大部分固体是有细菌块( 或菌群) 组成的。根据处理方式的不同， 又可进一步分为：生物滤池污泥( 也称腐殖污泥) ，包括采用生物滤池、生物转盘等 工艺处理污水时产生的污泥；活性污泥：采用活性污泥法处理污水后的二次沉淀池截 留的污泥。活性污泥中需要处理与处置的可称为剩余污泥。 一般来说，污水处理厂的污泥主要是初次沉淀池污泥与剩余活性污泥的混合污 泥，本文针对污水处理厂经过浓缩后的剩余污泥进行研究。 1 2 1污泥处理 污泥的处理处置与其他固体废弃物的处理处置一样，都应遵循减量化、稳定化、 无害化的要求。目前，污泥的处理方法主要有浓缩、消化、调理、脱水、干燥等【5 1 ， 其中消化法在国外应用较多。 1 2 1 1污泥浓缩 污泥浓缩后含水率可降为9 5 9 7 ，近似糊状。浓缩可以达到污泥的减量化【6 1 。 重力浓缩法用于污泥处理是广泛采用的一种方法， 已有5 0 多年历史。机械浓缩方法 出现在2 0 世多9 3 0 年代的美国，此方法占地面积小，造价低，但运行费用与机械维修费 用较高。气浮浓缩于1 9 5 7 年出现在美国。此法固液分离效果较好，目前应用已越来越 广泛【6 】【7 1 。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 污泥处理系统产生的污泥，含水率很高，体积很大，输送、处理或处置都不方便。 污泥浓缩可使污泥初步减容，使其体积减小为原来的几分之一，从而为后续处理或处 置带来方便。首先，经浓缩之后，可使输送污泥管道的管径减小，输送泵的容量减小。 浓缩之后采用消化工艺时，可减小消化池容积，并降低加热量；浓缩之后直接脱水， 可减少脱水机台数，并降低污泥调质所需的絮凝剂投加量。 污泥浓缩使体积减小的原因是浓缩将污泥颗粒中的一部分水从污泥中分离出来。 从微观看，污泥中所含的水分包括空隙水、毛细水、吸附水和结合水四部分。空隙水 系指存在于污泥颗粒之间的一部分游离水，占污泥中约总含水量的7 0 之间：污泥浓 缩可将绝大部分空隙水从污泥中分离出来。毛细水系指污泥颗粒之间的毛细管水，约 占污泥中总含水量的2 0 之间；浓缩作用不能将毛细水分离，必须采用自然干化或机 械脱水进行分离。吸附水系指吸附在污泥颗粒上的一部分水分，由于污泥颗粒小，具 有较强的表面吸附能力，因而浓缩或脱水方法均难以使吸附水与污泥颗粒分离。结合 水是颗粒内部的化学结合水，只有改变颗粒的内部结构，才可能将结合水分离。吸附 水和结合水一般占污泥总含水量的1 0 左右，只有通过高温加热或焚烧等方法，才能 将这两部分水分离出来。 污泥浓缩主要有重力浓缩，气浮浓缩和离心浓缩三种工艺形式。国内目前以重力 浓缩为主，但随着氧化沟、a 2 o 等污水处理新工艺的不断增多，气浮浓缩和离心浓缩 将会有较大的发展。事实上，这两种浓缩方法在国外早已有了非常成熟的运行实践经 验【8 】o 1 2 1 2 污泥稳定化 污泥稳定化的方法主要有堆肥化、干燥、厌氧消化等。污泥经过脱水后，仍含有 7 5 8 5 的水分，含有大量的有机物和病原茵等。稳定处理的目的就是充分利用污泥 中的微生物降解污泥中的有机物质，进一步减少污泥含水量，杀灭污泥中的细菌、病 原体等，消除臭味，使污泥中的各种成分处于相对稳定的状态。这是污泥能否资源化有 效利用的关键步骤。 稳定化的方法有生物法和化学法。生物稳定就是在人工条件下加速微生物对有机 物的分解，使之变成稳定的无机物；污泥生物稳定包括污泥好氧消化和厌氧消化两种 形式。化学稳定是采用化学药剂杀死微生物，使有机物在短时间内不致腐败的过程。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 1 3 厌氧消化 在污泥处理工艺中，厌氧消化也是较普遍采用的稳定化技术。最终产物为二氧 化碳和甲烷气，使污泥得到稳定。但运行管理要求高，消化池需密闭、池容大、池 数多【6 】o 1 2 1 4好氧消化 好氧消化污泥出现于2 0 世纪5 0 年代f 9 】，此法降解程度高，无臭稳定，易脱水，肥 份高，运行管理简单，基建费用低。但运行费用高，消化污泥量少，降解程度随温度 波动大【引。 1 2 1 5 堆肥化 堆肥技术探讨始于1 9 2 0 年i 】，堆肥系统可分为三类：条形堆肥系统、静态好氧 堆肥系统和装置式堆肥系统【1 1 】。经过堆肥化处理后，污泥的性状改善，含水率降低 ( 小于4 0 ) ，成为疏松、分散、细粒状，可杀灭病原菌和寄生虫( 卵) ，便于贮藏、 运输和使用【12 1 。 1 2 1 6 石灰稳定技术 石灰稳定技术始于2 0 世纪5 0 年代，在投加石灰的条件下，保持一定p h 值及一定 时间，可以杀灭传染病菌，并防腐与抑制臭气的产生。该技术操作简单、成本较低， 处理后较容易脱水。污泥石灰稳定后的处置可采用农用或者卫生填埋。 1 2 1 7 污泥湿式氧化 污泥湿式氧化后，难生物降解有机物可被氧化，灭菌率高，反应在密闭系统内无 臭，反应时间短，残渣量少，可以达到减量化、无害化、稳定化。但此方法设备昂贵， 运行费用高，需要气体脱臭装置( 6 j 【3 纠。 1 2 2 污泥处置 污泥的最终处置，一般是填埋、焚烧、排海、材料化利用以及土地利用。在中国， 填埋和土地利用是污泥的主要处置方法， 1 ) 卫生填埋 寻找合适的场地将污泥填埋后加以固封。此法费用昂贵，还会污染地下水，很难 找到合适的地点。随着人口增加，可供填埋的场地已非常有限。美国环保局估计今后 2 0 年内，美国现有8 0 的填埋场将关闭。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ) 焚烧 此方法处理彻底，可以最大量地减少污泥( 9 5 - - - - 9 9 ) 1 1 3 】。但焚烧的设备、能 源及操作费用都很昂贵，易产生大气污染问题。 3 ) 大海投弃 该方法简单，不需花费大量能源，但可污染海洋，会引起全球环境问题，此方法 己受到限制。1 9 9 1 年起美国禁止污泥向大海投弃。1 9 9 8 年欧盟也做了类似的规定【1 2 】。 4 ) 土地利用 可用于农田、林地、育苗、草地、公园、高速公路绿化带和高尔夫球场以及尾矿 堆、采石场、露天矿坑的固定等。城市污水处理厂污泥含有n 、p 等农作物生长所必 需的肥料成分，其有机腐殖质是良好的土壤改良剂，将之农用具有良好的环境效益和 经济效益。通过土地利用可达到污泥的稳定化、无害化、资源化的目的。 5 ) 其他用途 比如用作吸附剂，有望代替活性炭等除臭剂。通过污泥裂解可制成可燃气、焦油、 苯酚、丙酮、甲醇等化工原料。其它用途还包括用于建筑材料、制备合成燃料、制备 微生物肥料、用作土壤改良剂等。 1 2 3 污泥农林利用现状 污泥排海在许多国家不再采用，焚烧、卫生填埋虽然是污泥处置的重要方法，但 存在经济、二次污染方面的缺点。污泥的其它用途虽然可行，但对于日益增长的大量 污泥，从经济方面来讲，难以大量采用。因此从经济、环保、处置效果等方面综合考 虑，污泥农林利用将是污泥处置的一个重要途径。随着城市建设的不断加速，污泥作 为有机肥料用于林业地、城市园林绿化地等方面越来越多。研究表明，美国南卡罗来 纳4 年生火炬松施用污泥后，平均直径比对照增j j i 5 6 - - - - 7 6 。在城市园林绿化中施 用污泥或污泥堆肥，绿化效果也相当显著，与对照相比树高、树径、花卉的花期、开 花量等都明显增大。资料显示，污泥只要经过堆肥等适当的处理，并注意控制其中的 污染物含量，配以合理的使用，就不会造成二次污染，从而降低了应用风险性【”。我 国是农业大国，低肥力的农林地及待复垦的矿区弃地面积相当大。因此保证在环境安 全的前提下，发展污泥的城区园林绿地用肥、农业用肥具有很大的市场。 污泥农业利用的途径主要有以下几个方面： 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 直接施用 直接施用是将未经处理的污水污泥直接施用在土地上，如农业用地，林业用地， 严重破坏的土地，专用的土地场所，这是美国及大多数欧共体国家最普遍采用的处理 方法。 我国已建成的污水处理厂中，污泥未经任何处理直接农用的约占6 0 以上。 a 农田施用 污泥中富含的n 、p 、k 是农作物必需的肥料成分，有机腐殖质( 初次沉淀污泥含 3 3 ，消化污泥含3 5 ，腐殖污泥含4 7 ) 是良好的土壤改良剂。污泥富含有机质和 n ，p 等营养成分，土壤施用污泥可明显提高土壤肥力，具体表现在改善土壤物理性 质( 土壤团聚体和团粒结构提高，容重下降) ；增加土壤有机质和n ，p 水平，并增 加土壤生物活性。因此，施用污泥处理的作物产量较高，且可满足后茬作物生长的营 养需求。但污泥中的重金属以及病原菌含量仍是不可小觑的问题，如蔬菜对重金属的 富集使污泥对人体造成间接危害，以及污泥中的硝酸盐污染地下水的问题。 有试验表明，用消化污泥作为肥料，土壤持水能力、非毛细管孔隙率和离子交换 能力均可提高3 2 3 ，有机质提高3 5 4 0 ，总n 含量增力1 1 7 0 。但考虑到污泥中 所含的重金属对作物的影响，应合理地施用污泥，一般以作物对n 的需要量为污泥施 用量的限度，污泥中的重金属含量必须符合农用污泥标准以及污泥施用区土壤重金属 含量不得超过允许标准。我国规定施用符合污染物控制标准的农用污泥每年每公顷不 得超过3 0 t ，连续施用不得超过2 0 a ( g b 4 2 8 4 8 4 ) 。 b 林地施用 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一长的土地) 施用可促进树木、花卉、草 坪的生长，提高其观赏品质，并且不易构成食物链污染的危害。同时，土壤的容重、 持水量和孔隙度等物理性质也有一定程度的改善。同等深度土壤中的硝态氮和重金属 含量相比对照有所增加，但并没有对土壤造成较大程度污染，可能与污泥施用的时间 较短有关。 c 退化土地的修复 用污泥对干旱、半干旱地区的贫瘠土壤进行改良也有良好效果。我国内蒙古西部 的包头地区属典型干旱、半干旱荒漠地带。该区气候干燥，降雨少且分布不均匀，生 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 态环境脆弱，植被易遭破坏，水土流失十分严重。污泥对于防止土壤沙化、整治沙丘 及被二氧化硫破坏地区的植被恢复均为一种优质材料。将污泥与粉煤灰、水库淤积物 以一定比例联合施用，可改善土壤的保温、保湿、透气的性质，同时污泥中的有机营 养物强化了废弃物组合体的微生物作用，使整个土壤加速腐殖化，达到增加土壤中有 机质含量的作用。 另外污泥还可以施用于各种严重扰动的土地，如过采煤矿、尾矿坑、取土坑、以 及已退化的土地、垦荒地、滑坡与其他因自然灾害而需要恢复植被的土地。 ( 2 ) 间接施用 a 污泥消化后农用 对污泥进行厌氧消化处理，可以达到污泥减量化的目的，而且可以回收一部分能 源，也可为后续处理减轻负担。近年日本的污泥消化技术进一步提高，如机械浓缩和 高浓度消化的有机结合、搅拌和热效的改善、完全的厌氧二项消化法( 发酵工艺+ 甲 烷发酵工艺的分离法) 使发酵时间大大缩短，甲烷发生量和消化率提高。国内约有4 0 的污水处理厂把污泥进行消化脱水后农用，一方面可以产生部分能源回用，另一方而 可以减少污泥中的部分有害细菌，增加污泥的稳定性。这样，污泥在农用中其负面影 响相对小一些【。 b 制成复合肥料使用污泥与城市垃圾、通沟污泥等堆肥后农用。污泥经过堆肥 发酵后，可以杀死污泥和垃圾中绝大部分有害细菌，还可以增加和稳定其中的腐殖质， 应用风险性较小。这种方式解决了污泥在施用中科技含量不高的问题，存在的问题是 应用量较少，国内也有一些报道，但目前推广应用程度还远远不够【l 】。 1 2 4 国内污水处理厂污泥处理与处置现状 在我国，排水事业虽然有一定程度的发展，但在污水处理方面比西方发达国家仍 较为落后，污泥的处置技术也很落后，大多未经预处理或仅经简单处理后，就直接农 用、填埋或送垃圾场处理，甚至有随意堆放的，一些中小城市基本上没有建造污水处 理设施，即使在建有污水处理厂的大中城市，其厂内的污泥处理设施也有9 0 以上不 配套。在我国，已经建成的污水处理厂中，污泥未经任何处理就直接农用的占7 0 以 上。即使在设有消化池的污水处理厂，消化后的污泥也只是稍加脱水后就直接农用， 基本上未作无害化处理，很难符合污泥农用卫生标准。从国内己建成运行的城市污水 8 太原理工大学硕七研究生学位论文 处理厂来看，污水污泥处理工艺大体可归纳为1 8 种工艺流程，见表1 1 【14 1 。 表1 1 国内已建城市污水处理厂污水污泥处理工艺1 f i gl 一1t r e a t m e n tp r o c e s so fs e w a g e rs l u d g e i nn a t i o n a lf o u n d e du r b a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t 序号 污泥处理流程应用比例 】 浓缩池一最终处置 2 】6 3 2 双层沉淀池污泥一最终处置 1 3 5 3 双层沉淀池污泥一千化场一最终处置 2 7 0 4 浓缩池一消化池一湿污泥池一最终处置 6 7 6 5 浓缩池一消化池一机械脱水一最终处置 9 4 6 6 浓缩池一湿污泥池一最终处置 1 4 8 7 7 浓缩池一两级消化池一湿污泥池一最终处置 1 3 5 8 浓缩池一两级消化池一最终处置 2 7 0 9 浓缩池一礴级消化池一机械脱水一最终处置 9 4 6 1o 初沉池污泥一消化池一干化场一最终处置 1 3 5 11 初沉池污泥一两级消化池一机械脱水一最终处置 1 3 5 1 2 接触氧化池污泥一千化场一最终处置 1 3 5 1 3 浓缩池一消化池一一最终处置 1 3 5 1 4 浓缩池一千化场一最终处置 4 0 5 15 初沉池污泥一浓缩池一两级消化池一机械脱水一最终处置 1 3 5 1 6 浓缩池一机械脱水一最终处置 1 4 8 7 1 7 初沉池污泥一好氧消化一浓缩池一机械脱水一最终处置 2 7 0 18 浓缩池一厌氧消化一浓缩池一机械脱水一最终处置 1 - 3 5 注：1 表中未注明的污泥均为活性污泥。 2 污泥浓缩主要是降低污泥中的空隙水，通常采用的是物理处理方法，主要包括重力 浓缩法、气浮浓缩法、离心浓缩法等。 1 3污泥中重金属综述 1 3 1 污泥中重金属 重金属系指比重在5 以上的4 5 平e o 元素。砷、硒是非金属，但是它们的毒性及某些 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 性质与重金属相似，所以也将它们列入重金属范围内。环境污染方面所指的重金属主 要是指生物毒性显著的汞、锡、铅、铬以及类金属砷，还包括具有毒性的重金属锌、 铜、钻、镍、锡、钒等污染物；其中被列入“中国环境优先污染物黑名单”的有铍、铜、 镍、砷、汞、镉、铅、铬以及它们的化合物。 污泥中含有植物生长必需的各种微量元素c a 、m g 、z n 、c u 、f e 等，施用于农田 能够改良土壤结构、增加土壤肥力、促进作物的生长。若污泥中的重金属未经处理而 直接随污泥进入土壤中，不同类型的重金属对植物产生的危害情况有所不同；同种金 属，由于在污泥中存在的形态不同，其迁移转化特点和污染性质、危害程度也不同。 微生物一般不能降解重金属，相反的，某些重金属可以在土壤微生物的作用下转化为 金属有机化合物( 如甲醛汞等) ，产生更大的毒性。植物从被污染的土壤中提取重金 属，不经处理，长期施用会使重金属元素在土壤中发生累积，经过作物的吸收和富集 并经食物链的传递对人类产生毒害作用，因此，污泥中重金属的存在成制约污泥资源 化利用的关键因素。国内外众多学者针对如何有效去除污泥中重金属这一问题展开了 广泛的研究。结果表明，传统的化学方法去除效果明显，但处理费用较高，难于在实 践中应用【4 】。近年来，利用微生物技术去除污泥重金属的研究取得了较大的进展，其 中尤以采用生物沥滤法去除污泥中重金属的效果明显且处理成本低而受到广泛关注。 重金属是限制污泥大规模土地利用的最重要因素。由于我国城市污水中工业废水 比重较大，所以污水中的重金属含量较高，经二级处理后，相当一部分重金属转移到 污泥中去，影响污泥的利用。重金属不像有机物可以通过降解除去。而且，重金属一 般溶解度很小，在污泥中性质较稳定，较难除去。 1 3 2 污泥中重金属组分及形态 影响城市污泥农用的另一个重要因素是重金属的形态及其生物有效性。重金属在 城市污泥和土壤中的存在形态较多，只有一部分能被植物吸收，其余被固定在城市污 泥和土壤中。在评价城市污泥中重金属的影响时，应主要考虑其有效态的含量。 一般而言，重金属的有效性大，则相对容易被作物吸收。以活性相对较强的z n 为例，研究了连续施用城市污泥2 年后作物体内重金属的含量，结果发现，叶菜类蔬 菜富集重金属能力较强，果实类蔬菜和粮食作物施用城市污泥则相对安全。重金属进 入植物体内主要分布在根系，其次才是茎叶，果实或籽粒内含量往往最低。国内外已 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 有学者用石灰来钝化城市污泥中的重金属，降低有效态重金属的含量。在城市污泥的 实际运用中，如果有效态重金属含量较高，就需要采取一定措施来降低重金属的环境 风斛3 2 1 。 1 4污泥中重金属的处理方法 不论是城市污泥还是工业污泥，由于其大多含有毒性较大的重金属元素，如果处 理不当将会对污水处理厂乃至使用污水污泥的地区周边生态环境构成严重危害。因 此，降低或去除污泥中的超标重金属元素成为有效处置和利用污泥的关键。目前，为 解决城市污泥中重金属元素对生态环境可能造成的危害以及对污泥农用的制约所开 展的研究较多，但多数是从稳定和降低重金属元素毒性角度进行的，从降低污泥中重 金属总量的研究相对较少。从当前文献报道的状况来看，去除城市污泥重金属的研究 主要集中在以下几个方面： 1 1 利用微生物方法降低污泥中的重金属含量； 2 ) 通过化学方法去除污泥中的重金属； 3 ) 采用电化学方法降低剩余污泥中的重金属含量； 4 ) 利用植物的修复作用降低重金属含量。 1 4 1 微生物方法 近年来，国内许多学者对采用生物方法特别是微生物方法来降低城市污泥中重金 属含量作了大量的试验研究。该方法主要利用自然界中一些微生物的直接作用或者与 其代谢产物的间接作用，以产生氧化、还原、络合、吸附或者溶解作用，将固相中的 一些不溶性成分( 如重金属、硫及其其它金属) 分离出来。它最开始应用于提取矿石 或者贫矿中的金属，目前它的研究正被扩展到环境污染治理领域。南京农业大学的周 顺桂和周立详等人运用生物淋滤技术去除重金属，通过对污泥进行酸化处理，然后向 污泥中投加物料，在污泥中培养和繁殖大量的氧化亚铁硫杆菌( t h i o b a c i l l u s f e r o o x i d a n ) 和氧化硫杆菌( t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s ) ，在其作用下污泥中的难溶金 属硫化物被氧化成金属硫酸盐溶出，然后通过固液分离达到去除重金属的目的。 生物淋滤技术运行成本较低，实用性较强，是一种经济有效、极具有潜力的重金 属去除方法。然而生物淋滤法采取的主要细菌如硫杆菌，增殖速度较慢，且培养的细 11 太原理工大学硕士研究生学位论文 菌大多是从金属矿山酸性废水分离或者购买商品化的菌株，培养时间较长( 1 0 - 3 0 d ) ， 有时处理效果不太稳定，生物淋滤滞留时间较长也是限制该种方法大规模运用的主要 障碍。因此，直接从污水污泥中分离并培养大量合适的细菌，使淋滤过程高效、稳定 运行是今后该方法需要解决的主要问题。另外，利用生物方法尤其是生物淋滤法去除 污泥中重金属的应用与研究历史较短，仍有许多技术问题需要进一步探索。 1 4 2 化学方法 化学方法是一种易于掌握、操作相对简单的污泥中重金属去除技术，主要是通过 向污泥中投加化学药剂，提高污泥的氧化还原电位( e h ) 或降低污泥p h 值，从而使 污泥中重金属由不溶态的化合物向可溶的离子态或络合离子态转化。 尽管化学方法去除污泥中重金属的效果良好，而且淋滤过程所花的时间也较短， 然而酸化污泥需要消耗大量的酸，中和淋滤液中的酸又要耗费大量的石灰，因此该法 费用较高，而且操作复杂。另外，酸化处理在一定程度上会溶解污泥中的氮、磷和有 机质，降低污泥的肥料价值。如何妥善处理高浓度重金属的淋滤液也是很辣手的问题， 因此，该法需要进一步的完善。 目前利用化学方法，在一定条件下能去除污泥中的重金属，但化学方法在酸化污 泥阶段需消耗大量的酸剂，中和淋出液中的酸又要耗费大量的石灰。总的来说，这种 方法存在处理成本高、反应条件不易控制、操作也较麻烦，而且对污泥的副作用较大， 影响处理后污泥的农业利用。 1 4 3 电化学法 电化学法主要是利用外加电场作用于被处理对象，使其内部的一些物质，如矿物 颗粒、重金属离子及其化合物、有机物等在通电的条件下发生一系列复杂的电化学反 应。通过电化学溶解、离子电迁移作用使一些重金属在阴极聚集。利用电化学技术来 治理各类环境污染问题的报道较多，如土壤的电化学修复、污水