（环境工程专业论文）污泥陶粒的制备及其在废水处理中的应用研究.pdf

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衍射分析表明污泥陶粒基本同商品陶粒一样，其晶体结构主要是氧化结构和 硅酸盐结构粒。污泥陶粒的浸出液中几种重金属的浓度均低于国标g b5 0 8 5 3 2 0 0 7 ( 危险废物鉴别标准一浸出毒性鉴别) 中规定的浸出液最高允许浓度，这 表明污泥陶粒用于水处理是安全、可行的，但不建议用于饮用水的处理。 将污泥陶粒用作曝气生物滤池的填料，处理模拟生活污水和实际生活污水， 在挂膜过程以及各个运行条件下均取得了良好的效果，这表明利用污泥制备陶粒 是可行的，污泥陶粒是一种性能良好的水处理用填料，可以作为一种高效、安全、 经济和可行的产品替代用于水处理的商用粘土陶粒和页岩陶粒，从而实现污泥的 减量化、无害化和资源化。 关键词：污泥：资源化：污泥陶粒：生活污水 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es e w a g es l u d g eo fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti ss o l i dw a s t ew h i c h m u s tb ed i s p o s e ds u i t a b l y , o re l s ei tw i l lb r i n gs e c o n d a r yp o l l u t i o na n dw a s t eo f r e s o u r c e s i nc h i n a ，t h ep r i m a r yt r e a t m e n tm e t h o d si n c l u d ei n c i n e r a t i o n ，l a n d f i l l a n d c o m p o s ta tp r e s e n t ，a n dm o r eo rl e s ss h o r t a g e se x i s ti nt h e s em e t h o d s s od e v e l o p i n g an e ww a yo fs l u g es o u r c er e u s es e e m st ob ep a r t i c u l a r l yi m p o r t m a n t i nt h i ss t u d y , t h es e w a g es l u d g eo fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tw a su s e d a sp r i n c i p a lm a t e r i a lt os i n t e rc e r a m s i t e ，m e a n w h i l e ，t h ef l ya s ha n dc l a yw a su s e da s a d d i t i v e s t h eb e s tm a s sr a t i oo fr a wm a t e r i a l sw a ss e l e c t e d a n dt h ei m p a c to fm a i n f a c t o r s ，s u c h a s d r yt i m e ，p r e t r e a t m e n tt e m p e r a t u r e ，p r e t r e a t m e n tt i m e ，s i n t e r t e m p e r a t u r e ，a n ds i n t e rt i m e ，o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g ec e r a m s i t e ( s p e c i f i c s u r f a c ea r e a , b u l kd e n s i t y , g r a n u l ed e n s i t y ) w e r es t u d i e d o r t h o r h o m b i ce x p e r i m e n tw a s c a r r i e do u tt od e t e r m i n et h eb e s tt e c h n i q u ec o n d i t i o n sf o rt h es l u d g ec e r a m s i t e p r o d u c e b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r s ( b a f s ) w i t hs l u d g ec e r a m s i t ea n dc o m m e r c i a l c e r a m s i t ea sb i o f i l mm e d i a r e s p e c t i v e l y , w e r ed e s i r e dt ot r e a tt h e s i m u l a t e d w a s t e w a t e r a n dt h er e s u l t ss 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 e r a m s i t ef l sb i o f i l m m e d i ai nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw a sf e a s i b l e b a s e do nt h es p e c i f i cs u r f a c ea r e a jb u l kd e n s i t ya n dg r a n u l ed e n s i t y , t h eb e s tm a s s r a t i oo fr a wm a t e r i a l sw a sd e t e r m i n e da sf o l l o w s s e w a g es l u d g e ：f l ya s h ：c l a y22 ：3 ： 1 ，a n dt h eb e s tp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n sw e r ea l s oo b t a i n e da sf o l l o w s ：t h ed r yt i m ew a sl h , t h e p r e t r e a t m e n tt e m p e r a t u r ew a s3 0 0 。c t h ep r e t r e a t m e n tt i m ew a s2 0 m i n t h es i n t e rt e m p e r a t u r ew a s 1 10 0 c a n dt h es i n t e rt i m ew a s8 m i n u n d e rt h i sc o n d i t i o n 。t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r e p a r e ds l u d g e c e r a m s i t ew e r ea sf o l l o w s ：t h es p e c i f i cs u r f a c ea r e aw a s4 2 2 2m 2 g t h eb u l kd e n s i t yw a s6 3 5 k g m 3 t h eg r a n u l ed e n s i t yw a s1 14 6k g m 3 p e r f o r m a n c eo fs l u d g ec e t a m s i t ew a st e s t e d a n d a n a l ) ，z e d a n dt h er e a u l t ss h o w e dt h ef i t t n e s s o fs lu d g ec e r a m s i t ef o rt h er e q u i r e m e n t so f b i o f i l m c a r r i e r t h ec o n t e n t so fm e t a le l e m e n t si nt h et i x i v i u mo ft h es l u d g ec e r a m s i t e w a sw i t h i nt h ec o n t e n tr a n g ed e f i n e di nt h ec h i n e s es t a n d a r dg b5 0 8 5 3 - 2 0 0 7 w h i c h i n d i c a t e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no fs l u d g ec e r a m s i t ew a sf e a s i b l ea n ds e c u r ef o r w f l s t e w a t e rt r e a t m e n t b u tn o tf o rd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n t 山东大学硕士学位论文 t h es l u d g ec e r a m s i t ew a su s e da st h eb i o f i l mm e d i ai nb a ft ot r e a tt h es i m u l a t e d w a s t e w a t e ra n da c t u a ls e w a g e t h ee f f e c t so fs l u d g ec e r a m s i t eb o t hi nt h ep r o c e s so f b i o f i l ma t t a c h m e n ta n dn a t u r a lc i r c u l a t i o nw e r ev e r ) g o o d a n dw e r eb e t t e rt h a nt h a t o fc o m m e r c i a lc e r a m s i t e t h ea b o v er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es l u d g ec e r a m s i t ec o u l db ee m p l o y e da sa n e f f e c t i v e ，s a f ea n de c o n o m i c a l l yf e a s i b l es u b s t i t u t ef o rc o m m e r c i a lc l a ) c e r a m s i t eo r s h a l ec e r a m s i t ei nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t s ot h er e s o u r c er e u s eo fs e w a g es l u d g ec o u l d b ea c h i e v e d k e yw o r d s ：s e w a g es l u d g e ；r e s o u r c er e u s e ；c e r a m s i t ef r o ms e w a g es l u d g e ； w a s t e w a t e r 4 山东大学硕士学位论文 1 1 本研究的目的和意义 第1 章引言 随着我国经济的高速发展，城市污水厂的数量和处理水量日益增多，随之产 生的污泥量也日益增加。污泥中不仅含有丰富的有机物及氮、磷等营养元素，同 时还含有重金属及病原菌等有害物质，如果任意排放不加处理，不仅会对环境造 成二次污染，同时也是对资源的严重浪费【l 】。因此，如何解决污泥对环境的污染 问题，使其化废为宝，是摆在环境科学界的一个重要课题。 中华人民共和国固体废弃物污染防治法：“国家鼓励、支持综合利用资源， 对固体废物充分回收和合理利用，并采取有利于固体废物综合利用活动的经济、 技术政策和措施”。根据世界各国污泥处理技术发展的趋势和我国相关政策导向， 资源化必将成为未来污泥处理的主流。当前污泥的资源化技术主要有：农田林地 利用、消化制沼气、制取污泥活性炭等【2 卅，各种方法均有其优缺点。近年来， 人们一直在努力尝试新的资源化方法。 污泥陶粒最早由n a k o u z is 等人提出【5 】，是以污泥为原料，掺加适量辅料， 经过成球、焙烧而成的。陶粒作为一种轻集料，可以取代普通砂石配制轻集料混 凝土，具有密度小、强度高、保温、隔热、抗震性能好的特点，在建筑、环保、 冶金、化工、石油、农业等部门有着广泛用途，因此近年来得到了迅速发展1 6 j 。 陶粒主要取材于页岩或粘土( 主要成分为偏铝硅酸盐) ，但此生产过程对粘土有 着巨大的需求，粘土资源的大量开采直接影响到农村耕田的数量和质量，危胁到 我国的粮食生产，因而寻找新的原材料成为当务之急。 本论文的目的是以城市污水处理厂脱水污泥作为原料制备污泥陶粒，并对污 泥陶粒在废水处理实验中的应用性能进行检验。本论文以污泥作为主要原料，以 粉煤灰和粘土作为辅料来烧制陶粒滤料，对配料的最佳配比进行了筛选。并考察 了烧制过程中各主要因素( 干燥时间、预热温度、预热时间、烧胀温度和烧胀时 间) 对产品性能指标( 比表面积、松散容重和颗粒容重) 的影响，最终结合正交 试验确定了污泥作为主要原料烧制陶粒的最佳工艺条件，为此项污泥资源化技术 的：1 ：业化应用奠定了坚实的基础：然后，将污泥陶粒与普通商品陶粒作对照，检 山东大学硕十学位论文 验其在废水处理实验中的性能，进一步论证了其在废水处理中的可行性，为污泥 陶粒的推广应用提供了可靠的技术依据。 ， 综上可以看出，以脱水污泥制备陶粒滤料，既解决了污泥的二次污染问题， 同时又将污泥变“废”为“宝”，使其成为一种有用的资源，实现了经济效益、 环境效益和社会效益的完美结合，走出了一条可持续发展的新路。因此，本论文 具有重要的理论意义和实际应用价值。 1 2 污泥的特性及其处理现状 1 2 1 污泥的产生及危害 伴随着我国经济的发展，人1 5 1 的增加，水污染问题日益严重。据国家环保总 局的( ( 2 0 0 6 年中国环境状况公报报道，全国工业和城镇生活废水排放总量为 5 3 7 0 亿吨，比上年增长2 4 ，其中工业废水排放量为2 3 9 5 亿吨，城镇生活污 水排放量为2 9 7 5 亿吨。废水中的化学需氧量( c o d ) 排放量为1 4 2 8 2 万吨， 比上年增长1 o ；氨氮排放量为1 4 1 3 万吨，比上年略有减少。2 0 0 6 年度在国 家环境监测网( 简称国控网) 实际监测的7 4 5 个地表水监测断面中( 其中，河 流断面5 9 3 个，湖库点位1 5 2 个) ，、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为 3 2 和2 8 ，主要污染指标为高锰酸盐指数、氨氮和石油类等。由此可见，我国 的城市环境和水污染问题形势严峻。 为了改善水资源污染严重的状况，实现经济的可持续发展，我国从“九五” 起便加大了对水体污染的治理，流域水污染防治项目得到了迅速启动，特别是城 市污水处理设施。另外，在2 0 0 6 年7 月召开的全国水污染防治工作电视电话会 议上，确定了水污染防治的“水六条”，即：严格控制污染物排放总量；积 极抓好重点流域水污染防治；加快推进城镇污水垃圾处理设施建设；坚决防 范水环境安全事故；促进优化经济布局、改善水环境质量：切实做好饮用水 安全保障工作。 在政府的重视和政策引导之下，我国的城市污水处理事业也有了长足的发 展。1 9 4 9 年，全国仅有4 座污水处理厂【7 1 ，改革开放前的1 9 7 8 年，我国也才建 成3 7 座污水处理厂，日处理能力仅有5 7 1 万m 3 d 到了1 9 9 9 年，我国己经有 6 山东大学硕士学位论文 污水处理厂2 8 3 座，二级处理能力达到1 1 9 1 万m 3 d 。目前，我国近七百个城市 中，城市污水和工业废水处理率已分别达到2 5 和9 4 7 1 8 j 。按国家有关部门的 规划，到2 0 1 0 年，要求能达到6 0 以上的处理率，重点城市的污水处理率不低 于7 0 。照此估算，到2 0 1 0 年，我国将新建城市污水处理厂1 0 0 0 多座。 随着城镇污水处理设施的增多，越来越多的污水得到了处理，但是另一个问 题随之产生：即城市污水污泥量约占污水总处理量的0 5 1 0 f 9 1 0 】，如果按照万 吨废水污泥产生量的平均值2 7 吨( 干重) 计，我国城市污水处理厂每年将产生 的污泥量约为8 1 0 万吨，折合含水8 0 的脱水污泥为4 0 5 0 万吨。并且随着污水 处理量的不断提高和处理程度的深化，污水处理过程中将会产生更多的污泥。污 水厂污泥成分复杂，是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组 成的集合体，除含有大量的水分外( 可高达9 9 以上) ，还含有难降解的有机物、 重金属、少量的致病微生物( 致病细菌、病毒体、寄生虫卵、有害昆虫卵等) ， 以及一般的耗氧性有机物和植物养分m ，p ，k ) 等。所以其具有侵占土地、易腐 变臭，易污染土壤和地下水及河流、湖泊、海洋等地表水体，影响环境卫生状况 ( 蚊蝇孽生、臭气、含致病生物密度大的空气等) 及破坏城市景观、导致水体的 加速淤积等危害，并且其中的重金属和毒性有机物还容易通过生态系统中的食物 链迁移富集，对生态环境和人体健康产生长期潜在的危害】。同时，在污水处 理过程中，约有9 0 以上的致病微生物和寄生虫卵被富集于污泥中，其中以沙门 氏菌、霉菌和寄生虫卵等最易浓集，这些致病微生物与寄生虫卵大致通过三个途 径传播给人体或牲畜：首先是与污泥直接接触或吸入污泥的粉尘；其次是食用接 触过污泥的作物或食用以污泥为饲料的牲畜肉类；再次是雨水将污泥冲刷到水 体，由水体传染给人畜，从而危害人体或牲畜的健剧1 2 】。污泥如果处理不当， 还会给环境造成严重的二次污染，如污泥不加稳定处理而任意排放到水体中，污 泥中的有机物和氨、氮将大量消耗水体中的氧，造成水体水质恶化，严重影响水 生物的生存：污泥中的营养物质还会造成水体的富营养化，促使藻类恶性繁殖， 造成水体的赤潮和绿潮现象，不仅使城市水源水质恶化，影响生活用水和工农业 用水，还将使渔业产量下降，造成巨大的经济损失【1 3 】。因此，如何更有效的处 理处置城市污泥，避免其造成二次污染，不仅是污水处理厂亟待解决的难题，同 时也是我们环境工作者迫切关心的问题。 7 山东大学硕士学位论文 1 2 2 污泥的处理、处置传统方法 1 2 2 1 污泥的处理方法 污泥的处理方法主要有浓缩、消化、调理( 预处理) 、脱水、干燥等。进行 污泥处理的目的主要有三方面：减少水分，为后续处理、利用和运输创造条件， 并减少生物固体最终处置前的体积。使生物污泥无害化、稳定化。通过处理， 消除生物固体中的有毒有害物质，防止散发恶臭，避免导致二次环境污染，尽量 使生物固体达到稳定无害。改善生物固体的成分和某些性质，使其便于资源化。 污泥浓缩是减少污泥体积的最经济最有效的方法。污泥中的水分有四种存在 形式：自由水分、间隙水分、表面水分及结合水分。污泥浓缩的脱水对象是间隙 水分，当污泥的含水率从9 9 降至u 9 6 时，体积可缩小到原来的i 4 ，但仍可保持 流动特性，可用泵输送，运输方便【1 3 】。污泥的浓缩方法主要有重力浓缩、气浮 浓缩、离心浓缩等。 污泥消化是在人工控制条件下，通过微生物的代谢作用，使生物固体的有机 质稳定化的过程。污泥的消化可分为厌氧消化和好氧消化，一般说的污泥消化为 厌氧消化。 污泥调理是为了提高污泥的浓缩和脱水效率而进行的一种预处理过程。由于 污泥中的有机物与水的亲和力很强，以致过滤、脱水困难，为了提高厌氧消化及 过滤脱水的有效性，进行适当的调理是非常必要的。污泥的调理方法主要有化学 法、物理法和生物法。化学调理法是应用一种或多种化学添加剂以改变污泥的特 性，如臭氧、酸、碱和酶等无机、有机添加剂。物理调理主要采用洗涤、热处理、 超声波、高压及辐射等。生物调理实际上指厌氧或好氧消化过程。 污泥经浓缩处理后，含水率仍较高，可达9 5 9 7 ，体积仍然很大。为了有 效经济地进行污泥的焚烧、堆肥、填埋等进一步的处置，必须充分的脱水以减量 化。在整个污泥的处理过程中，脱水是最重要的减量化手段。脱水的方式主要有 自然干化、机械脱水及热处理。 污泥经脱水后，滤饼含水6 0 8 0 ，用于堆肥、直接填埋或焚烧等处置过程 仍含水较高，有必要继续降低其含水量以适应后续处置过程的要求，即污泥的干 化。干燥是通过加热或通风使污泥中的水分蒸发，此过程伴随较复杂的传热及传 8 山东大学硕士学位论文 质。由于四种水分与固体颗粒的结合情况不同，干燥过程中首先脱除的是自由水 分，而后是间隙水分，第三是表面水分，污泥中的结合水分是不能通过干化脱除 的，只有加热到一定程度后，在污泥发生裂解的过程中才能除去。按照污泥与热 源的接触方式，污泥干燥可分为直接干燥和间接干燥。直接干燥的热源通常是燃 料或热烟气，优点是流程简单，缺点是尾气量较大，由于尾气中通常含有高浓度 的致臭物质，故需进行脱臭处理，因此经济性较差。间接干燥的热源多为蒸汽， 比直接干燥增加了一个传热环节，虽然流程复杂，但尾气量小，总体操作的经济 性较好。 1 2 2 2 污泥的处置方法 污泥的处理是各种处置技术实施的前提，但是没有解决最终的出路问题。污 泥的处置是在符合国家法规和标准的基础上，综合考虑当地经济、环境等因素， 采取适当的技术措施和管理政策，为城市污泥提供最终的出路。污泥的传统处置 方法主要包括填埋、焚烧、填海和土地利用等。一般来说，各地区、各国家对于 污泥处置方式的选择是根据本地区的地理环境、经济水平、技术措施、交通运输 等因素而确定的，而且会随着公众认识的提高和兴趣的改变而发生变化。这些传 统的处置方式在实际应用中发挥了一定的作用，但随着环境标准的更加严格化， 其应用中的弊端就明显暴露出来了【1 2 】。 ( 一) 卫生填埋 污泥的卫生填埋始于2 0 世纪6 0 年代，是把污泥运到土地填埋场的限定区域内 压实，再在其上覆土壤，利用微生物将污泥中的有机质分解，使其体积减少而渐 趋稳定的过程。经过4 0 多年的发展，其技术已经趋于成熟，该方法具有投资少、 容量大、见效快等优点，成为大多数西方国家主要的污泥处置方法之一。据有关 资料统计，19 9 2 年欧盟大约4 0 的污泥采用了填埋处置。填埋仍然是将来垃圾和 污泥处置中的一种重要方法。对于不能资源化的废弃物，填埋是目前最有效的处 置途径。 然而，城市污泥卫生填埋也存在许多问题，如污泥中含有的各种有毒有害物 质经雨水的侵蚀和渗漏会污染地下水环境。此外，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。据调查预测，虱 2 0 0 5 年，欧盟国家的污泥卫生 9 山东大学硕士学位论文 填埋场仅能容纳污泥总产量的1 7 。此外，污泥作为卫生填埋处理时，除了要考 虑城市周围是否有合适填埋的低地或谷地之外，还应该考虑到环境卫牛问题。建 设污泥卫牛填埋场如同生活垃圾卫生填埋场一样，地址须选择在地基渗透系数低 且地下水位不高的区域，填坑铺设性能好的材料，卫生填埋场还应配设渗滤液收 集装置及净化设施。目前我国修建的卫生填埋场中，都用高密度聚乙烯为防渗层， 避免了对地下水及土壤的二次污染【1 4 】。 由于污泥填埋对污泥的土力学性质要求较高，需要大面积的场地和大量的运 输费用，地基需作防渗处理以避免污染地下水，近年来污泥填埋比例越来越小。 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，有的州已 经无场地可供堆放。因此，美国许多地区己禁止利用土地填埋污泥，英国污泥填 埋的比例也在逐年下降。我国大约有3 0 的污泥采用填埋处置，因为填埋场的选 址及运输花费等问题限制了其广泛应用【1 5 】，【1 6 】。但填埋并未最终避免环境污染， 而只是延缓了污染产生的时间【1 7 1 ，例如，有害成分的渗漏可能会对地下水造成 污染，渗沥水属高浓度有机污水，处理不好二次污染的可能性很大：填埋场的卫 生条件难于保证，填埋场废气排放严重，如臭味的扩散等：如果填埋场位于海边， 对海水的影响则更加难于避免等。这些都决定了土地填埋从多方面来讲都不是处 置污泥可以长久依赖的方法。从环境的角度，尤其是考虑到可能对地下水造成的 污染，人们对土地填埋提出越来越多的疑问。、 由于填埋一般会释放出c m ，其产生的温室效应是c 0 2 的3 0 倍。d rn e ii h a l t i s 从研究大气的角度出发，认为，c 对0 3 的破坏效率比c 0 2 大得多。从 全球变暖的观点来看，c 出是红外线气体，c h 4 排入大气对气候变暖有更直接的 效果【1 8 】，【1 9 】。可见必须限制c i - h 排入空气中的数量。不过对于c 出气体的收集和 利用是土地填埋可得到的一项收益，只是其利用仍然不普遍。从所面临的公众舆 论压力来看，污泥填埋不太可能得到推广。但在近期或中期，仍可用于处置难以 处置的污泥。从长远角度来看，由于各种法规对工业污泥的限制越来越多，更多 的工业污泥将被有效的加以利用，而不是进行土地填埋。同时，由于填埋空间的 限制，运行费用的提高、严格的环境控制标准以及对循环利用的鼓励，未来污泥 填埋量会逐渐减少。 l o 山东大学硕士学位论文 ( 二) 焚烧 污泥焚烧，是将污泥进行干燥以后，利用其中的可燃成分进行燃烧，从而利 用其燃烧产生的热能。该技术处理迅速，占地面积小，无害化、减量化、资源化 效果明显。污泥焚烧已有7 0 年的发展历史，1 9 3 4 年，美国密西根安装了第一台有 记录的污泥焚烧炉。2 0 世纪6 0 年代，污泥焚烧炉以多膛式焚烧炉为主，后来由于 辅助燃料的成本不断增加及气体排放标准日益严格，多膛炉逐渐失去了竞争力 1 2 0 。至7 0 年代，流化床焚烧炉逐渐占据了主导地位，在美国和日本得到广泛应 用。流化床式焚烧炉由风箱、空气分配器、流化床及分离器组成。流化床的特点 是利用粒径为0 3 2 m m 的硅砂作为热载体，深度为1 1 5 m ，在预热空气的喷流 下，形成悬浮状态，污泥加入后，与灼热的砂层进行激烈混合焚烧。通常流化床 的床温控制在7 3 0 8 7 0 ，气体停留时间通常为5 7 秒，足以破坏大部分有机 物，现有的污泥焚烧工艺有6 5 的采用流化床焚烧。目前国际上正在开发的自体 干燥流化床焚烧系统，可以利用焚烧的烟气余热进行发电【b 】。目前在日本、瑞 典等国又研究了湿式氧化技术焚烧工艺【2 1 忽】，该法的操作温度为5 7 0 ( 2 ，压力为 2 3 3 m p a 。污泥经湿式氧化后的产物为无毒无害的物质：气态产物主要为0 2 和 c 0 2 ，液态产物为含铵根及脂肪酸类的物质，固态产物为f e 2 0 3 、s i 0 2 及a i 2 0 3 等， 由于该工艺较复杂，应用还不是很广泛。 焚烧方法的优势在于可以迅速和较大程度地使污泥达到减量化，且在恶劣的 天气条件下不需存储设备。以焚烧为核心的污泥处理方法是比较彻底的处理方 法，主要可分为两大类：一类是脱水污泥直接送焚烧炉焚烧；另一类是将脱水污 泥先干化再焚烧【2 3 1 。与其它的污泥处置方法相比较，焚烧的优点在于其产物为 无菌、无臭的无机残渣，迅速地使污泥化为灰烬而达到减量的目的，实现了无菌 化和减量化( 数量将减少6 0 ) 1 2 4 1 ， 2 5 】。但是污泥焚烧法的推广尚有难度，一是 所需设备、能源及操作费用昂贵，成本较高；二是污泥中含有大量的有机物，燃 烧时会产生大量的有害物质，如二嗯英、二氧化硫等，而且污泥焚烧灰烬中含有 重金属，这都可能会造成二次污染【1 7 】，所以公众和环保部门并不欢迎焚烧这种 处理方法。同时对于焚烧灰烬的利用，虽然有很多学者进行了研究，例如 r k h a b i i x ，a r d i t 2 6 】的研究表明污泥灰可替代高达3 0 混凝土的细填料( 按重量计) ， 具有很高的商用价值；o k u n o l 2 7 2 8 1 发展了一种1 0 0 焚烧污泥灰制砖技术，但这些 山东大学硕士学位论文 利用方法都还很难大规模的采用。 、 污泥焚烧成本昂贵，从国内外的污泥焚烧工艺运行过程看，污泥焚烧处理的 成本较高，为其他处理工艺的2 4 倍俐。而且焚烧方法大量浪费了污泥中的营 养物质，这些不利之处都限制了该种方法的广泛应用。一般只有在其它处置方法 由于环境或土地利用受到限制时才会采用。 ( 三) 土地利用 城市污水污泥是一种天然有机肥，不但含有大量的有机物，还含有能够促进 农作物生长的n 、p 、k 及其它微量元素，而且含量一般高于农家肥。因此，关于 污泥土地利用的国内外的报道很多。所谓的污泥土地利用即把污泥应用于林地、 市政绿化、容器育苗、农田、矿区及其它严重扰动的土地，迅速恢复植被，促进 土壤熟化。可以大量接纳城市生活污泥的土地类型很多而且广大，如农田耕地、 林地利用、园林绿地等【3 0 】，【3 1 】 【3 2 1 。 污泥的农用主要有以下两种方式：一是直接施用，二是间接施用。直接施用 主要用于以下几种土地：( 1 ) 农业用地；( 2 ) 林业用地：( 3 ) 园林绿化用地。而间接 施用主要是指污泥经过消化堆肥后制成肥料后再进行相关的利用。这里主要讨论 直接施用的方式。 ( 1 ) 污泥农用 污泥的农用资源化是一种具有广阔前景的污泥处置方法。由于其处理量大、 环境安全、经济可行，因此一直深受各国重视。在国外，污泥及其堆肥做肥源农 用，己有6 0 多年的历史。城市污泥农用比例最高的是卢森堡，达8 0 以上，其次 是荷兰，占5 5 ，丹麦、英国、法国占4 5 ：美国占2 5 ，而国内约有4 0 的污 水处理厂将污泥消化脱水后农用【3 3 】 【3 4 1 。 城市污水污泥在农田上循环利用，是最古老和最经济的方法。污泥农田利用 后，对农田物理、化学及生物学性状均有一定的改良作用，增加土壤养分，提高 可耕作性。污泥中的有机物质可明显改善农田的结构性，使农田土壤的容重下降， 空隙增多，通气透水性和田间持水量提高【l l 】，从而改善农田土壤的物理性质。 施用污泥也可以提高农田中土壤的阳离子交换量( c e c ) ，增加团粒结构、土壤空 隙度：同时，还可改善农田土壤对酸碱的缓冲能力，提供养分交换和吸附的活性 位点，从而提高农田肥t , f 1 35 1 。污泥中丰富的养分，明显的增加了农田土壤中氮、 1 2 山东大学硕士学位论文 磷的养分含量，并能有效地向植物提供养分，减少化学肥料的施用量，从而可以 降低农业生产成本1 3 6 1 。 日本有资料表明，从2 0 世纪3 0 年代开始，日本城市郊区已经普遍将污泥用做 肥料，但5 0 年代初，由于化肥的普及，污泥农用数量有所减少。同时，日本的研 究表明，污泥的施用对绝大多数作物都有良好的肥效作用，以叶菜类的增产最多。 另外，污泥可以改变农田土壤的生物学性状，使农田土壤中微生物总量及放线菌 所占比例增加，农田土壤的代谢强度提高。据s o p p e r 报导，施用污泥改良农田土 壤，细菌数和真菌数分别比不施用污泥的提高5 1 0 倍和3 - 4 倍【3 7 】，【3 8 】。 我们国家的有关学者也对污泥施用到农田中对作物的产量和品质进行了研 究，周立祥、张天红等【3 9 】、张增强等 4 0 1 、林春野等【4 l 】都曾报道过污泥对作物生 长的促进作用，在污泥农业利用的研究报道中，涉及的作物己有小麦、水稻、大 麦、燕麦、黑麦、玉米、蔬菜、葡萄等果树。研究结果表明，污泥的施用能普遍 提高作物的产量。但长期施用污泥的蔬菜v c 含量有所下降。 ( 2 ) 林业用地 随着城市污水处理工业的不断发展，城市污水污泥在林地方面的应用越来越 多。污泥用于造林或成林施肥，不会威胁人类食物链，林地处理场所又远离人口 密集区，所以很安全。由于森林环境的强大影响，林地、荒山往往比农田更缺乏 养料，因此，致使病原生物的存活时间大大缩短，从而使过量的n ，p 养料得以 充分利用【4 2 】锨2 来找删用l 。 我国施用污泥的树木包括白杨、泡桐、红松、黑洋槐、槐树和金钟柏等。迄 今为止，污泥主要应用于森林的陆地表面，污泥堆肥后也可以用于保存树苗。污 泥应用于森林后一年，白杨、泡桐、红松的高度及直径分别增加1 0 9 2 1 4 1 2 和 1 0 5 6 1 2 0 8 倍。应用污泥1 5 年后，随着污泥负荷率的提高，所有树木的直径和 高度都有所提高。张天红1 9 9 0 1 9 9 1 年对长安县南五台林场施用污泥的研究中也 得到类似的结果【3 9 1 。据资料介绍，麦肯等在美国的南卡罗来纳；对生长4 年的 火炬松所做的试验表明，与对照相比，应用污泥的火炬松平均直径增加 5 6 7 6 。西雅图华盛顿大学林业资源学院对派克林业站二百多亩的树木进行了 17 年的研究，结果表明，应用污泥的树木生长加速，直径增加5 0 - 4 0 0 1 4 3 1 。 ( 3 ) 园林绿化用地 山东大学硕士学位论文 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。这种方法可 以实现城市废物的循环利用，不仅是有效的污泥处置途径，而且可以满足城市绿 化的要求，绿化效果相当显著。干污泥和污泥堆肥用于城市绿化及观赏性植物 脱离了食物制4 4 】触悻删引脯，一般不会影响人体健康，从而降低了应用风险性： 同时减少了运输费用，节约了化肥，又可以使花卉的开花期延长，开花量增加， 花径增大，草坪绿色保持时间更长，土壤的成分和结构都显著提高。张增强1 9 9 3 年与农业部环保科研监测所合作，对天津纪庄子污水处理厂所产的污泥进行了堆 肥化及园林绿地应用技术的研究，试验的结论为，污泥在城市园林绿地的施用可 明显促进树木、花卉及草坪的生长；污泥可以明显改善土壤的理化性质；施用污 泥对环境的影响很小；污泥在城市园林绿地科学施用，可明显促进园林植物的生 长，减轻环境的压力。资料显示，污泥只要经过堆肥等适当处理，并注意控制其 中的污染物含量，配以合理使用，就不会造成二次污染【3 3 】。 污泥中除含有植物所需的营养元素外，还含有许多有害物质如：盐分、重金 属、有毒有机物、多氯联苯、二嚼英、放射性核素等难降解的有毒有害物质【1 4 1 ， 这些物质随污泥的土地施用进入到土壤中，可能会对土壤一植物系统、地表水系 统产生影响，造成环境与人类健康风险。污泥中含有的重金属主要有铜、镍、镉、 铅、锌、汞等，由于其迁移性较差，所以大部分在土壤表层累积。当重金属超过 农用标准时( 也包括低于有关标准时) ，它将对土壤产生污染甚至长期危害。因 此，污泥中重金属已经成为污泥土地利用的重要限制性因素。表1 1 列出我国对 污泥农用的重金属控制标准。 表1 1 中国农用污泥中重金属含量限制标准 t a b 1 - 1m e t a lc o n t e n t sl i m i t a t i o ns t a n d a r do fa g r i c u l t u r a ls l u d g ei nc h i n a 重金属 在酸性茹污泥中含量限制淼碱性土壤中 注：表中数据参照g b 4 2 8 4 8 4 另外，污泥中的n 、p 营养元素如不能被植物及时吸收，会随雨水径流进入 地表水，造成水体的富营养化；同时，堆肥中含氮量高时，因硝化作用产牛的 1 4 山东大学硕士学位论文 n 0 3 就高，因其利于淋失，如果土质疏松，地下水位浅，则会进入地下水，引起 地下水的硝酸盐污染【4 6 1 。同时，部分含盐量高的污泥会明显提高土壤的导电率， 过高的盐分会破坏养分之间的平衡，抑制植物对养分的吸收，甚至会对植物根系 造成直接的伤害。 对于污泥中有机污染物的研究，发达国家己经开展了很多年，比如有些废水 中可能含有的聚氯二酚、多环芳烃等有机物，虽然在污水处理工艺中会有些降解， 但一般难以完全去除，这些毒性有机物具有致癌、致畸、致突变性，同时，它们 会残留在土壤中，以至被作物吸收进入植株产生危害。我国在这方面的研究工作 还不是很多，但并不意味着我国的污水污泥中不含或少含有有机污染物。例如， 在北京高碑店污水处理厂的污泥中己经检测到3 5 种含氮芳香族化合物，并有7 种 已经定量化。广州市大坦沙污水处理厂中检测到有机污染物5 4 种。这些有机污染 物通过颗粒物吸附，大量地富集在污泥中【1 4 1 。因此，污泥施用时需要考虑其可 能产生的危害。 ( 四) 海洋投放 对于靠近海岸的大型污水处理厂，将其液态污泥排海是一种方便的污泥处置 方法f 2 5 】。污泥的排海有两种方法，一种是船运，另一种是用管道直接把污泥输 送到深海区域，利用海洋的潮流将污泥迅速扩散稀释。英国、美国和日本等国家 曾经较多采用污泥投海处理，但随着全球一体化概念的加强，此项措施已经遭到 强烈反对 1 6 】。同时，此种方法并没有从根本上解决环境污染问题，污泥进入水 体后，其中的有害物质溶入水环境，导致水生环境恶化。进入9 0 年代，大量城市 污泥进入水体，致使江河湖海污染问题日趋突出，许多国家已经慎重考虑水体消 纳污泥的方式，1 9 9 1 年和1 9 9 8 年，美国和欧盟成员国己经制定相关的法规禁止海 洋排放。 1 2 3 污泥的资源化利用现状 采取何种方式处置污泥，因国家和地区科技水平、经济状况和自然环境的不 同而异。从环境污染、卫生安全和经济有效等方面考虑，无论那种处置方式都存 在利弊。随着土地资源日益匮乏、环境标准的严格化，传统的污泥处置方式已经 不能够适应今后环境可持续发展的要求。污泥的根本出路必然是资源化。在众多 山东大学硕士学位论文 学者的努力下，污泥资源化技术取得了较大的进步和显著的成果，其主要技术有： 污泥堆肥技术、污泥制备活性炭技术、污泥能源化技术、污泥的建材利用技术等。 1 2 3 1 污泥堆肥化技术 堆肥化是利用微生物的作用。将不稳定的有机质降解和转化成较为稳定的有 机物，并使挥发性物质含量降低，减少臭气；使物理性状明显改善( 如含水量低、 呈疏松、分散、粒状) ，便于贮存、运输和使用：且高温堆肥还可以杀灭堆肥中 的病原菌、虫多p 和草籽，使堆肥产品更适合作为土壤改良剂和植物营养源。 堆肥化的目的就是要达到无害化、稳定化、资源化的要求，生产出符合标准 的堆肥产品。发酵时如温度维持在6 0 c 以上数天，致病菌、寄生虫卵和草籽等都 能杀灭，因此从卫生学上讲，无害化不成问题。有机质经过微生物降解，转化成 腐殖质，不再具有腐败性，微量有毒物质减少，对环境的影响减小很多。目前对 于堆肥腐熟度的判断还没有一个量化的标准，这给判断堆肥产品是否达到最佳带 来了困难，进而影响了堆肥产品的推广。 污泥堆肥土地利用与传统的污泥直接土地利用明显不同。在我国，污泥堆肥 主要有两种方式，第一种是污泥消化或污泥和垃圾等其它物质混合堆肥后农用： 第二种是污泥经过堆肥发酵制成复合肥农用【4 7 1 。目前，污泥直接消化后农用比 较成熟的方法是中温厌氧消化处理，它具有产气率高、含水率低等优点，但该种 方法由于一些病菌如蛔虫卵等几乎没有减少，而使其推广应用受到限制。至于混 合堆肥，是通过堆肥过程中的生化反应，使污泥稳定化、无害化，这种处理方法 我国己经有了相关的研究【4 8 】，它既杀死了污泥中的有害细菌，又能提高其肥效。 薛澄泽等的研究表明经过堆肥化处理的污泥质地疏松，容重减少，可被植物利用 的营养成分增加，病原菌和寄生虫卵几乎全被杀灭。郭眉兰等对污泥堆肥作为园 林绿地肥源的研究表明，将污泥与生活垃圾以1 ：1 进行堆沤发酵处理后既提高了 有效养分的含量，又消除了污泥的臭味，降低了有害物质的含量，适用