（环境工程专业论文）我国城市污泥中养分和重金属含量及农用潜力分析.pdf

摘要 我国城市污泥中养分和重金属含量 及农用潜力分析 环境工程硕士研究生郭广慧 指导教师陈玉成教授 陈同斌研究员 摘要 城市污泥是城市污水处理厂经各级处理净化污水而产生的沉积物，主要来自初沉池和剩余污泥 的排放。城市污泥中含有丰富的氮、磷、钾等营养元素和有机质，但也含有大量的病原体、寄生虫( 卵) 、 重金属和多种有机污染物，随意堆放或不合理处理会带来二次环境污染。随着污水处理量的提高， 城市污泥的产生量日益增大，城市污泥将成为影响城市生态环境的主要问题之一，城市污泥的安全 处理己受到国内外广泛关注。国际上城市污泥的处置主要有焚烧、卫生填埋、投海和土地利用。因 为环境压力和费用太高，前两种方式处置量不断减少或被禁止。目前，被认为最有潜力的处理方法 是将污泥进行土地利用处理。但是，污泥中的重金属由于易富集、危害大等特点一直是限制污泥农 业利用的最主要因素。 本研究对全国5 1 个城市9 8 个城市污水处理厂进行采样分析，研究了我国不同地区城市污泥中养 分、有机质和重金属的含量，分析了城市污泥农用的潜力，并对我国现行的污泥农片l 控制标准 进行了讨论，结果如下： 1 我国城市污泥中总氮含量分布接近正态分布p 为0 7 7 ) ，其变幅在8 4 - 5 0 3 9 k g ，算术平均值和标 准差分别为2 9 5 9 k g 和1 0 1 9 k g ；总磷含量呈正态分布p 为0 7 1 ) ，其变幅在6 0 - - - 3 7 5 9 k g ，算术平 均值和标准差分别为2 2 2 9 k g 和6 6 9 k g ；总钾含量呈正态分布( p 为0 3 2 ) ，其变幅在1 4 一1 2 1 9 k g ， 算术平均值和标准差分别为5 s g k g 和2 4 9 k g ：有机质含量呈正态分布p 为0 1 2 ) ，其变幅在 1 1 2 - , - 4 5 0 9 k g ，算术平均值和标准差分别为2 8 1 9 k g 和7 7 5 9 k g 。不同区域城市污泥中养分和有机 质含量不同，城市污泥中有机质和总氮与城市人均g d p _ - 星_ 显著相关( f o 0 5 ) 。 2 与其他的造纸污泥，鸡粪，牛粪，猪粪相比，城市污泥中总氮含量显著高于造纸污泥、猪粪、 牛粪、鸡粪的总氮含量( p o o o ) ；城市污泥总磷含量显著高于其他固体废弃物中总磷含量 ( 卿o o ) ；总钾含量显著高于造纸污泥的钾含鼙( 卿o o ) ，却显著低于畜禽粪便的钾含量 两南大学硕十学付论文 ( p o 0 5 ) t h ek a l i u m c o n t e n ti ns e w a g es l u d g ew a sh i g h e rt h a nt h a to f p a p e rm a k i n gp l a n t ( p = 0 0 0 ) ，a n dk a l i u mc o n t e n ti n s e w a g es l u d g el o w e rt h a nl i v e s t o c km a n u r e ( p 碳酸盐结合态 硫化物及有 机结合态。虽然重金属的碳酸盐态、氢氧化物络合态的稳定常数比有机络合物的大，但由于易受 p h 值变化的影响，因此其稳定性反而不如有机络合物，而重金属硫化物不论从其稳定常数，还是 从其对p h 值变化的敏感程度看，都具有较强的稳定性。正是基于这一特性，目前在稳定污泥重金 属危害性方面，也可将污泥中一些稳定性差的易受p h 值变化影响的重金属化合物转化为稳定性较 好的受p h 值变化影响小的重金属硫化物，以提高污泥农用的安全可靠性。 1 4 2 养分 城市污泥中含有丰富的氮、磷和钾等营养元素，维持植物正常生长的多种微量元素b 和m o 等以及改良土壤结构的有机质及腐殖质，提高土壤的保水性能和保肥能h i ”l 。一般来说，在没有 其它限制因素时，养分浓度越高，农业利用价值越大。总体上讲，城市污泥是一种富含有机质( 但 c n 较低，一般低于l0 ) 、高氮、高磷而低钾的有机肥，p h 为中性或偏酸性，其养分含量高于一 般禽畜粪便，矿化速度也比农家肥迅速 2 0 l 。 不同污水处理厂氮、磷和钾含量会有所差异。这可能与污水处理厂的污水来源及污水、污泥 处理工艺不同有关，对污泥的性质产生一定的影响。李艳霞等对我国1 6 个城市2 9 个污水处理厂 城市污泥养分的统计分析并与美国的城市污泥中养分进行比较2 1 ( 表1 - 4 ) 。与国外污水污泥相比， 我国城市污泥含有丰富的氮和磷等养分，且平均值均高丁美国城市污泥，尤其是磷和氮含量普遍 较高。但是我国城市污泥的土地利用远不及美国。据美国环保局公布的数据表明，1 9 9 8 年美国城 市污泥堆肥及土地利用占其污泥产量的5 3 ，预计到2 0 1 0 年美国城市污泥的利用率达7 0 。0 1 2 ”。与 纯猪粪和猪厩肥相比。我国城市污泥氮和磷的含量比纯猪粪高3 1 和5 9 ，比猪厩肥高1 8 8 和 2 0 4 。钾的含鼍较低，相比纯猪粪和猪厩肥低3 8 和6 2 。因此，城市污泥作为肥料提供氮和磷 可以优于猪粪及猪厩肥，但全钾含量偏低，施_ i j 城市污泥时应补充钾肥。 4 第1 章文献综述 表1 4 不同国家城市污泥及猪粪、猪厩肥中有机质与养分含量 t a b1 - 4o r g a n i cm a t t e ra n dn u t r i e n tc o n t e n bi nd i f f e r e n tc o u n t r i e s p i gm a u r ea n dp i g m a n u r ec o m p o s t 1 ) 为瑰田1 6 个城市2 外城市污水处理厂污泥有机质厦井分的平均音量牡q 2 ) 文献u s e 队删，w 锄一卅u s e p a l 5 l 3 ) 文献l 坷 蹙料来谭：李艳霞2 0 0 3 1 2 q 1 4 3 有机质 土壤有机质在土壤肥力中有其他元素不可代替韵作用，常以它作为土壤肥力高低的指标；一 般认为1 7 为高肥力，1 2 为低肥力【2 ”。城市污泥经堆肥后会形成大量腐殖质和许多已被植 物吸收状态的营养物质，可以能够改善土壤结构，增加土壤肥力。促进作物生长。 李艳霞等对我国1 6 个城市2 9 个污水处理厂城市污泥养分的统计分析并与美国的城市污泥中 养分进行比较 2 1 l ( 表1 - 4 ) ，我国污泥中有机质含量( 3 8 4m g k g ) 较美国( 5 3 4m g k g ) 低。这可能与我国 城市居民生活水平和食物结构有关，我国主要以植物型为主，副食品中动物型( 如肉类、奶制品) 较少，人均排出b o d s ：2 0 - 3 5 9 ( p d ) 另一方面，与发达国家相比，我国城市居民住宅卫生设施 还不是很完善，城市公共厕所所占比重较大，这部分污水未捧入下水道，这也是造成城市污泥有 机质含量低的原因之一。另外我国污泥中有机质的含量比猪粪中的有机质含量低，相当于纯猪粪 有机质平均含量的5 4 ；比猪厩肥中的有机质高2 7 2 1 2 ”。因此我国城市污水中有机组分中淀粉、 糖类和纤维等碳水化合物占的比重很大，而脂肪含量低。 1 4 4 有机污染物 城市污泥因其来源于各种污水，不可避免的含有一些有机污染物，其中有多酚( c p s ) 、氯苯 ( c b s ) 、硝基苯( n b s ) 、多氯联苯( p c b s ) 、多氯代二苯并二恶英肤喃( p c d d f s ) 、邻苯二甲酯( p e s ) 、 多环芳烃( p a h s ) 和有机农药等3 0 l 。这些有机污染物具有生物放大效应，并具有“三致”( 致癌、致 畸、致突变) 作用，逐渐引起人们的关注。美国环保总局列出了1 2 9 种“优先控制污染物”中就有1 1 4 种是有机污染物。不同城市污泥中有机污染物的种类及其含量不同，与污水的来源、污泥的类型 及其处理方式等因素有关i 删f 表1 5 ) 。 国外一些研究者对城市污泥农用中有机物的特征及其在农业环境中的行为、生态效应和调控 两南大学硕十学何论文 措施等方面进行了一些研究。欧洲一些国家和我国也对污泥农用的有机物制定了控制标准( 表1 6 ) 。 由表1 - 5 可以看出，不同类型污水的污泥中有机污染物的分布不同，各国对有机物的控制标准有 较大差异，我国必须结合国情，进一步研究完善其控制标准。蔡全英等研究发现，堆肥可降低污 泥中有机污染物的含量口”，有研究发现污泥消化过程可以明显降低有机污染物含量3 ”，也有研究发 现，在污泥处理过程中，除了消化过程，浓缩、脱水、调理、烘干、稳定化等过程也可能引起有 机物染物浓度的变化p ”。 表1 - 5 我国部分城市污泥中有机物的含量 t a b1 - 5 c o n t e n to f o r g a n i cp o l l u t a n t si ns e l e c t e dm u n i c i p a ls l u d g e si nc h i n a 有机污染物( m g k gd w ) 污水处理厂醚类氯苯类硝基苯类胺类卤代烃类邻苯二甲酸酯类 广州污泥 3 0 4 00 5 1 01 1 2 6 n d0 1 0 3 佛山污泥26 5 50 4 5 71 6 4 8n d 0 6 3 7 珠海污泥i 2 9 10 0 5 10 3 8 9n d0 1 l l 深圳污泥n d0 0 1 00 0 8 50 0 0 20 ，0 0 7 无锡污泥 1 6 6 0 0 7 7 04 4 8 9o 2 2 7o 2 2 2 北京污泥n d1 1 8 77 6 8 70 ，1 5 80 3 5 9 兰州污泥7 7 4 36 9 1 71 7 2 2 00 7 8 03 2 3 8 西安污泥o 2 3 90 1 4 20 5 2 60 0 2 90 1 1 0 香大埔 2 7 8 9 1 1 0 51 9 9 10 1 0 60 1 2 9 港沙田0 9 0 1o 3 5 10 8 1 70 0 1 50 5 0 4 1 8 0 0 7 1 2 8 5 2 3 53 4 0 1 3 9 2 7 2 3 4 4 8 1 1 4 2 3 4 2 3 2 1 l 1 1 7 2 5 2 9 7 5 0 2 6 1 7 l 多环芳烃类 苯并( a ) 芘 3 3 0 7 l0 6 5 0 1 8 3 6 01 0 2 0 7 8 4 1 06 5 7 8 1 3 8 80 0 5 0 1 5 6 9 80 0 2 4 3 3 6 3 6 5 0 4 7 1 4 3 8 0 40 0 4 9 2 2 7 l 0 0 6 3 5 1 5 50 0 0 7 1 1 8 4 80 0 3 3 元朗1 8 7 50 6 7 107 2 10 0 9 30 3 1 l2 2 7 5 896 7 60 4 7 6 - _ _ 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 资料来潭：莫测辉，2 0 0 1 1 u t 表l - 6 不同国家污泥农用的有机物控制标准 t h bl _ 6 c r i t e r i o nc o n t e n t o f o r g a n i cp o l l u t a n t si ns e w a g es l u d g eu s e di nl a n d - u s e 国家二恶英、呋喃类多氯联苯类有机卤化物多环芳烃 苯并( 口) 芘 法国 德国 瑞典 0 8 1 0 2 2 0 4 2 - 5 ” 5 - 4 ” 中国 3 注：1 ) 所用多氯联苯的总量；2 ) 每一种多氯联苯的量；3 ) 指荧葸：4 ) 指污泥用到牧场上 资料来潭：莫测辉2 0 0 1 1 。1 1 4 6 重金属 在污水处理过程中，污水中5 0 - 8 0 以上的重金属通过细菌吸收、细菌和矿物颗粒表面吸附 6 第l 章文献综述 以及无机盐( 磷酸盐、硫酸盐) 共沉淀等多种途径浓缩到产生的污泥中口j 。而污泥中重金属种类和数 量也因城市生活、生产特点的不同而异。城市污泥中主要含有c u 、z n 、c d 、n i 、c r 、p b 、h g 和 a s 等有害有毒重金属。研究发现，污泥中重金属的8 5 * o - - 9 5 附着于生物团( 细菌碎屑) 上，5 - - 1 5 存在于矿物颗粒和有机碎屑颗粒物上，很少一部分存在于可溶态和胶状的有机物质上【2 3 5 1 重金属 具有剂量小、危害大、易富集等的特点，一直是限制污泥农业利用的最主要的因素p 3 7 1 因此， 污泥中潜在的重金属污染( c u 、c d 、p b 、n i 和z n ) 得到了广泛的关注。即使是植物必须的微量元素， 如c u 和z n 等，其在土壤中的含量超过了一定浓度，也会对植物产生毒害作用。 陈同斌等对国内( 1 9 9 4 - 2 0 0 1 年) 报道的城市污泥重金属的资料进行统计分析表明，我国城市污 泥的n i 、p b 、c r 、c u 和办含量变化幅度很大，极差最高达几千个m g k g ( 表1 7 ) 。从表1 7 看出： 城市污泥中的各种金属含量，z n 含量普遍较高，这可能是因为我国城市大量使用镀锌管道，导致 城市污水中z n 含量较高的缘故。其次是c u ，再次是n i 和p b 。而c d 、h g 、a s 含量除极个别污 水厂外，通常含量低，在几个到几十个m g k g 范围内。不同污水处理厂重金属的含量差别较大， 这可能与污水来源、污水量及处理工艺有关。如，c r 主要来自皮革行业污水和电镀废水p ”，c d 主要来自电镀污水，p b 主要来自冶炼业，h g 主要来自塑料。 表1 7 我国城市污泥的重金属含量 t a b1 - 7 h e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o ni ns e w a g es l u d g eo f c h i n a i 统计样本靛叩为污承处理厂教赍料年限为1 9 9 4 - 2 0 0 1 年 2 油于城市污泥中重金属含量正在逐年下降因此衰中1 9 9 4 - 2 0 0 1 年的平均值高于当前的重金属含量平均值 3 ) 城镇污术处理厂污集物捧放标准( 报批稿) 胃家环境保护总局2 0 6 2 年5 月 瓷辩来源：陈同斌，2 0 0 3 i 搠 近年来，我国环境污染管理制度和法规得到完善与实施，污水达标排放率不断提高，城市污 水中h g ，c d 、a s 和p b 等毒性较大的重金属逐年下降”，这将会降低城市污泥土地的风险。陈同 斌等根据国内外有关城市污泥重金属的报道资料，我国的城市污泥重金属含量酱遍低于欧美等国 家( 表l 一8 ) 。 7 两南大学硕十学位论文 表1 - 8 中国、英国，美国和瑞典城市污泥中重金属的含量 t a b1 - 8h e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o n si ns e w a g es l u d g e so f c h i n a ，u l ( ，u sa n ds w e d e n l lm c g r a t h 1 9 9 4 2 ) 数据引自城镇污水处理厂污辩物捧放标准( 报批稿p 编制说嘲，孱家环境保护总局2 0 0 2 年5 月 资料来源：胨同斌，2 0 0 2 i 柳 从表1 - 8 中可以看出，即使是含量最高的z n 含量( 1 4 5 0 m g k g ) ，也低于瑞典城市污泥中办含 量，更远远低于英国和美国。容易超标的z n 、c u ，c d 和p b 含量比英国低分别为9 6 、1 3 1 ， 3 5 0 0 和5 8 7 ，比美国分别低5 2 、4 4 、8 和3 9 。 1 5 城市污泥处理与处置 据估计，污泥处理费用约占污水处理厂总运行费用的2 0 5 0 ，处理投资占总投资的 3 ( y 0 - - 4 0 m i 。由此看出，污泥的处理和处置是污水处理过程中非常重要的一环。将产量巨大，成 份复杂的污泥，经过科学处理，使其减量化、无害化、资源化，已成为我国乃至全世界环境保护 行业深为关注的课题之一。 污泥的处理和处置，就是通过适当的技术措施，使得污泥得到再利用或以某种不损害环境的 形式返回大自然。污泥处理就是改变污水厂污泥性质的过程，如稳定和脱水；而将污泥的出路安 排如堆肥、填埋、干化和加热处理及利用等，称为污泥处置1 4 “。 1 ) 处理技术 污泥处理( s l u d g eh a n d l i n go rs l u d g et r e a u n e n t ) ：污泥经单元工艺组合处理，达到“减量化、稳定 化、无害化”目的的全过程。城市污泥的处理技术包括有污泥脱水、污泥浓缩等。目前，与热物理 密切相关的污泥流化床焚烧【”- “，利用天然气候冻融处理h , 4 5 1 和利用余热调理减容 4 6 1 等方面的研 究都方兴未艾。 2 ) 处置技术 城市污泥处置( s l u d g e d i s p o s a l ) ：处理后的污泥，弃置于自然环境中( 地面、地下、水中) 或再利 用，能够达到长期稳定并对生态环境无不良影响的最终消纳方式。污泥的处理处置方式的选择是 根据本区的地理环境、经济水平和技术措施等因素而确定的。国际上处置城市污泥主要有焚烧、 卫生填埋、投海( 已禁用) 和七地利用1 4 7 1 。各种处置方式各有优缺点( 表i - 9 ) 。张义安等对污泥堆肥、 污泥填埋和污泥焚烧的三种处置方式进行了成本和效益分析，结果表明，污泥堆肥成本低，而且 还可以提供养份和有机质l “。根据污泥处理处置技术大致可以分为两大类l 1 )耗竭性处置技术，污泥作为废物不能再利用 2 )资源化技术，充分利h j 污泥中的有用成分。实现变废为宝 8 第1 章文献综述 1 5 1 城市污泥耗竭性处置技术 耗竭性处置技术主要有填埋、焚烧和远洋投海。 1 ) 填埋法 卫生填埋是目前世界上处置污泥最主要的方法。污泥既可以单独填埋也可与生活垃圾一起填 埋。在我国，土地填埋也是主要方法。该法的处理工程简单，易行、成本低，特别适于质量较差 的污泥，但需要合适的场地和大量的费用4 9 l ，地基需要做防渗处理以免污染地下水和散逸臭味 5 0 - 5 ”。填埋渗滤液中污染物含量高，且成分复杂，如果防渗设施不好，渗出液就会进入地下水层， 污染地下水。填埋场产生的气体主要是甲烷，若不采取适当措施就会引起爆炸和火灾。国内仍有 运用填埋法来处置污泥，如三峡库区有6 8 ( 1 0 6 t ) 的污泥进入各区县生活垃圾填埋场，其余污泥进 入老垃圾场或堆放在污水处理厂内1 5 ”。 表1 - 9 三种主要污泥处置方法优缺点比较 t a b l - 9s h o r t a g e sa n da d v a n t a g e s o f d i f f e r e n t d i s p o s e o f s e w a g es l u d g e 资料来矗：张建频i 札卅 9 两南大学硕十学位论文 2 ) 污泥排海 污泥排海是利用海洋巨大的稀释和容纳能力处理污泥。该方法简单，费用也相对低。但是， 这种未经处理而只是空间转移的处置方法，污泥中的有害物质会对海洋生态环境造成难以估量的 危害。1 9 9 8 年底，国际公约已禁止污泥投海。目前，美国、日本和我国基本上已经禁止污泥远洋 投海b5 5 “。 3 ) 污泥焚烧 污泥焚烧是利用污泥中有机成分高，具有一定热值的特点来处置污泥。脱水污泥经焚烧后产 生无菌、无臭的无机残渣，大大减少了体积，能够迅速实现无菌化和减量化的目的”。但污泥焚 烧仍存在以下几个方面的问题： 设备及运行费用昂贵 容易造成大气污染，带来二次污染，如灰分中重金属颗粒物污染”l ，燃烧时产生大量的有害 物质，如二恶英、二氧化硫等有害气体跏 污泥有效成分未得到充分利用 因此，从经济的发展、资源的开发利用和城市生态环境的保护等方面来看，城市污泥资源化 利用是城市污泥处理处置的理想出路。 1 5 2 城市污泥资源化利用技术 城市污泥资源化处理处置技术包括有污泥堆肥土地利用i “】、用作燃料或沼气制备原料1 6 5 1 ， 直接用于植被肥料删、制砖6 7 ”1 和陶粒t ”，7 ”、生产水泥【7 2 7 3 1 和玻璃陶瓷【”】等、作为生物农药 和有机复混肥【7 ”，制取吸附剂 7 9 4 ”、低温热解制油8 3 】以及用做公路路基1 8 4 l 。污泥的处置应兼 顾到环境生态效益、社会效益和经济效应的均衡，污泥土地利用作为城市污泥土地资源化处理处 置技术最理想的出路。这种方式不仅可以有效利用污泥所含有的营养物质，而且费用低，处理数 量大。正是由丁：污泥资源性特点，世界水环境组织( w w o ) 于1 9 9 5 年已降污泥( s l u d g e ) 更名为生物 固体( b i o s o i d ) ，从而更加明确了污泥应该作为资源来利用的观念p 9 1 。 1 6 城市污泥资源化土地利用状况及其环境问题和生态效益 污泥中含有很高的n 、p 、k 和有机质，并且含有许多植物所必需的微量营养元素，是一种经 济有效的肥料来源”1 ，因此，污泥是有用的养分资源，是很好的土壤的改良剂和肥料。污泥土地 利用投资少，能耗低，运行费用低，其中有部分可转化成土壤改良剂成分，因此污泥土地利用被 称为最有发展潜力的一种处置方式。通过这种途径既有效地解决城市污泥的出路，也为环境带来 了很好的生态效益。但同时也应该关注污泥土地利用带来的环境问题。 1 6 1 城市污泥资源化土地利用状况 污泥资源化土地利用可把污泥应用了：农田【8 “”、果园、林地”9 1 、草地1 6 1 , 9 0 l 、市政绿化蛾9 ”、 1 0 第1 章文献综述 育苗机制1 8 ”及严重扰动土地的修复和重建。 1 污泥农用 在国外，污泥及其堆肥作为肥源农用，已有6 0 多年的历史。美国、英国、法国和葡萄牙的污 泥农用量分别占污泥产出总量的3 3 ，5 5 、5 0 和8 0 0 0 ，在美国专门制定了污泥土地利用法规 ( a c t 5 0 3 ) t “，日本也成立了污泥k t i i t t 指导委员会用以指导污泥在土地上的合理利用”。在我国， 污泥的农业利用也开始较早，如1 9 6 1 年北京高碑店污水处理厂的污泥被当地农民用于土地l ”。 为控制重金属污染的毒副作用，需要对农用的污泥及其施用条件加以限制。目前，我国城市 污泥的土地利用较低( o 0 5 ) 0 6 q 。 钟熹光等研究发现，污泥用于养分水平较低的沙质土效果较好；施用于生长期较长的块根类作物 的增产效果比茎叶类、果实类作物更显著l l ”j 。 3 1 提高农产品产量和品质 陈同斌等研究发现，采用c t b 堆肥工艺制备的污泥复合肥，小区试验中，施用污泥复合肥的 小麦产量最高，比空白对照增产6 4 4 ，且差异显著；且土壤中速效n 、p 含量比对照提高7 3 、 1 7 3 。小麦籽粒中c u 、z n 、p b 和c d 的含量均在国家食品卫生标准范围内旧】。施用城市污泥及 污泥复混肥对玉米籽粒增产1 1 - - 2 7 ，与对照差异达显著水平 ”1 。张桥等研究发现，城市污泥 中的有机质、营养成分可为土地利用提供重要的有机肥源，堆肥后的污泥施用于萝h ( b r a s s i c a c a m p e s t r i s ) 和菜- l = f , ( b r a s s i c a p a r a c h i n e n s i s ) 后，土壤中的有机质、n 和p 含量显著增加o 0 5 ) ，微 生物活性增强、数量增加，农作物产量明显提高【”l 。由于城市污泥所含的养分种类较多，有改善 某些农产品质量的作用，施用城市污泥后，种植的水稻糙米蛋白质含量提高6 0 一1 0 ，小麦籽粒 蛋白质提高9 7 ，玉米籽粒蛋白质提高1 4 5 - , 2 3 7 t ”。蔡全英等采用盆栽试验方法，探讨了不 同性质土壤和不同施肥方式对蕹菜和萝 作物生长和产量的影响。结果表明，水稻土、赤红壤、 石灰性土和褐士上盆栽作物施用适量污泥，可以显著增加蕹菜的产量i l ”】。 综上所述，污泥是污水处理的必然产物。其产生量和组成等与污水处理量、来源、处理工艺 以及处理水平等因素有关。污泥来源与各种污水，通常在含有有机质、氮、磷、钾和一些微量营 养元素的同时，也含有病原物、重金属、有机污染物、盐分和散发性臭味等问题，需要采取科学 有效的途径利用去有效成分，同时防止二次污染。从国际趋势来看，污泥投海己被禁止，污泥填 埋在减少，焚烧处置方式基本不变，污泥土地利用将成为污泥处置的主要途径。土地处置方式可 以在一定程度上利用污泥中的有机质和氮磷等营养元素，但污泥中的各种有害成分也会随之进入 生态环境。因此，污泥土地利用时需要根据其组成、性质等采取科学、合理、有效的土地使用措 施，尽量降低或避免其负面效应。 1 7 两南人学硕十学位论文 第2 章引言 2 1 研究目的和意义 伴随我国社会、经济和城市化的发展以及人民生活水平的提高，我国水污染问题日益严重。 建设城市污水处理厂成为治理水污染不可缺少的重要举措1 ”。到2 0 0 4 年，我国共设有6 3 7 座城 市污水处理厂，曰污水处理能力约4 2 5 5 万t 。这些污水处理厂由于相当部分尚未满负荷运行，现 年排放污泥量( 干重) 约7 6 万t 1 1 7 2 1 ，且每年污泥大约以1 0 的速度增长【”1 。因此，随着污水处理率 的提高，污泥的产生量将迅速增加，这必将使污泥的处理处置成为日益突出的问题( 9 1 。 污泥含水量高，易腐败，有恶臭，并含有一些有机无机有毒物质和病原物，因此必须及时处 置。国际上城市污泥的处置主要有焚烧、卫生填埋、投海和土地利用m 。因为环境压力和费用太 高，前两种方式处置量不断减少或被禁止。国内外学者也有将污泥用做燃料或沼气“、用作饲料 6 6 1 、烧制普通砖 6 7 - 6 9 和陶粒1 7 0 ”1 、生产水, 泥1 7 2 , 7 3 1 和玻璃陶瓷1 等、作为生物农药7 5 】和有机复混肥 7 6 - 7 ”，制取吸附剂( “7 - s ”、低温热解制油i b 2 8 3 】以及用做公路路基i s 4 。但基于经济和技术的压力，上 述方法的大幅推广利用受到种种限制。城市污泥中富含植物生长所需的氮、磷、钾及有机质，是 良好的有机肥料原料，目前，被认为最有潜力的处理方法是将污泥进行土地利用处理。在美国， 污泥农用利用量占污泥产出总量的3 3 ，英国占5 5 ，法国占5 0 ，葡萄牙高达8 0 ，在美国还 专门制定了污泥土地利用法规( a c t 5 0 3 ) 1 4 ”，日本也成立了污泥还田指导委员会用以指导污泥在土地 上合理利用阱】。而目前我国城市污泥资源化利用较低( i o ) ，仍无大规模的农业利用1 9 4 1 。再者， 我国中低产土壤面积又相当大，据第二次土壤普查，全国缺乏有机质和氮的耕地均为3 3 x 1 0 7 l u n 2 ， 约占耕地面积的3 5 ，缺磷耕地6 7 x 1 0 7 h m 2 ，占耕地面积的7 0 7 ，部分耕地缺锌、硼、钼等微 量元素”1 ，相当面积的土壤急需培肥。目前，大多数研究者只对其研究中涉及劭的一种或几种污 泥的性质作了报道【9 1 ，但是有关污泥组成和性质的系统性的研究还未见报道。因此，对全国城市污 水污泥进行系统的调查和分析，从整体上了解我国城市污泥的组成和性质，可为科学合理地进行 污泥土地利朋奠定基础。本研究收集了全国5 1 个城市9 8 个污泥样品，旨在通过调查和分析污泥 的养分、重金属的种类和含量，为污泥土地利用方式、污泥土壤利用标准的制定以及全国污水处 理和污泥处置的发展趋势的预测提供一些基础性资料。 2 2 研究内容 1 )不同时期城市污泥养分，有机质含蹙的变化 2 )不同时期城市污泥中重金属含晕的变化 1 8 第2 章引言 3 )城市污泥农业资源化利用的评价 2 3 研究特色 n研究的系统性：对全国5 1 个省城市9 8 座城市生活污水处理厂脱水污泥进行了系统的调 查分析，通过试验分析了解全国不同城市脱水污泥的总体特征 2 )研究的代表性：选择全国主要城市生活污水处理厂的脱水污泥，或者主要以处理生活污 水的污水处理厂为主的城市污泥来分析其营养成分n 、p 、k 和有机质及重金属含量 3 1研究的创新性：从污泥的养分含量、重金属含量不同角度阐明了污泥农用的生态环境效 益，对污泥土地利用的安全性进行了较为系统的评价，为污泥土地利用提供理论基础 1 9 两南大学硕十学何论文 3 1 样品采集 第3 章材料与分析 为调查全国不同城市生活污水处理厂污泥养分n 、p 、k 和有机质含量，在全国5 1 个城市9 8 个城市污水处理厂采集脱水污泥，这些城市污泥均来自各城市中具有代表性的城市污水处理厂。 城市主要选择各省( 市、区) 经济发展规模较大的城市，包括香港特别行政区和台湾省台北市( 图 3 - 1 ) 。除内蒙古呼和浩特市的污泥采自活性污泥外，其它城市污泥均采自各污水处理厂脱水车间的 脱水污泥，进行多点取样并混匀，每个污泥样品约取2 3k g 左右。污泥混合后装入塑料密封袋， 带回实验室，放入冰箱冷藏，并经冷冻干燥，备用。 图3 - 1 全国城市污泥样点分布图 f i 9 3 - 1 l o c a t i o no f s a m p l i n gs i t e ss h o w n i n t h es k e t c h m a p o f c h i n a 3 2 污泥样品处理 3 2 1 污泥样品预处理 污泥样品预处理遵循以卜步骤： 1 )污泥样品冷冻干燥后，放入纸袋中密封保存。备用。 第3 章材料与分析 2 )取1 ) 中部分样品，过2 0i j ( 1 m m ) 尼龙筛，四分法取一半样品留待下一步处理使用，另外一 半存放于纸袋中密封保存。备用。 3 )取2 ) 中部分样品在研磨机上研磨，过1 0 0 目，放入广1 ：3 瓶中密封保存，备用。 全部样品为防止采样过程中人为原因导致的样品污染，样品的混合、装袋、粉碎、研磨等处 理均使用木头、橡胶、塑料或玛瑙等材料的工具。 3 2 2 污泥样品的分析 1 ) 污泥全氮、全磷、全钾的测定 全氮采用半微量凯氏法测定1 1 州；全磷采用钒钼黄比色法测定1 7 4 1 ：全钾采用原子吸收分光光 度计1 1 7 4 1 ；有机质采用重铬酸钾氧化油浴外加热法【1 7 4 】 2 ) 污泥重金属的分析 污泥样品中a s 、c d 、c r 、n i 、p b 、c u 、z n 和h g 根据u s e p a 3 0 5 1 微波消煮( u s e p a ，1 9 9 4 ) ， 具体程序如图3 2 ，具体参数见表3 一l 。 图3 - 2 污泥消煮程序 f i g3 - 2p r o c e d u r eo f s e w a g es l u d g ed i g e s t i n g 2 1 西南大学硕七学位论文 表3 - 1 微波消煮r a m pt ot e m p e r a t u r e 温，时匀速爬坡模式参数 t a b3 - 1p a r a m e t e ro fr a m pt ot e m p e r a t u r ei nm i c r o w a v ed i g e s t i n g 消煮液过滤后，定容到5 0m l 。石墨炉原子吸收光谱( a s sv a r i o6 ) 测定c d 含量；火焰- 原子吸 收光谱法( a s sv a r i o6 ) 测定c r 、c u 、n j 、p b 和z n 含量。用氢化物发生原子荧关光谱法( a f s - 2 2 0 2 ) 测定a s 、h g 含量。分析过程所用试剂均为优级纯，所用的水为超纯水。 3 2 1 3 质量控制 为了控制试验测试结果的准确度和精密度，必须建立相应的质量控制。质量控制程序： 1 ) 平行样控制：随机抽取1 5 e e 一2 0 的样品进行重复测定： 2 ) 空白值控制：每批样品测定空白值，以扣除试剂中杂质、环境及操作进程中的玷污； 3 ) 内标样控制：由于目前，污泥消化过程没有标准物质，所以采用“内标回收法，即在样 品中添加标准溶液，以测定其回收率，以确定其准确度。但需注意的是，通常加入标准 物质的量应与待测物质的浓度水平接近，因为加入标准物质量的大小对回收率有影响。 回收率：塑堑望苤塑颦塑笔堑型。1 0 0 加杯 宦 3 3 数据处理 3 3 1 数据的正态检验 ( 1 ) 在样本均值表征、t 检验、方差分析以及相关性分析等统计分析中，均要求随机样本数据符合 正态分布。因为这些参数统计分析的数学模型都时要求建立在正态分布的数据基础上的i ” 。往往 根据数据符合正态分布与否，采用不同的方法进行上述统计检验。若数据不符合正态分布，通常 尝试将数据进行正态转换，常用的止态转换方法包括对数转换和，幂转换( b o x - c o x 转化，”q 。 b o x - c o x 转换方法如式( 1 1 ) 所示： y = 掣 圆 = ：一 t 纠 式( 2 ) 中y 为转换后的数据；x 为转换之前的原数据：x 为最优转换系数，一般介于- 5 和5 之间， 最常她的则介于1 和1 之间。本论文中 由统计软件m i n i l a b 求得。而样本的b o x - c o x 平均值是 采用b o x - c o x 转换的逆运算而得，即 第3 章材料与分析 一c = 一 z m = y 旯+ l ( 3 ) 式( 3 ) 中x m 一为b o x - c o x 平均值，可用以进行符合b o x - c o x 正态分布的样本均值表征；y 为 b o x - c o x 转换后的平均值。 数据处理及统计分析采用s p s s i i 5 、o r i g i np r 0 7 5 、s i g m a p l o t 9 0 、m i n i t a b l 4 0 来进行。图形 谱绘制使用a r c g i s9 0 。 3 3 2 其他统计方法 采用a r cg i s 制作样点分布图；正态检验采用k o l m o g o r o v - s m i m o v 法( 简称k - s 法，结果采用 p k _ s 表示；方差分析前先进行正态检验，如不符合正态分布，需先进行正态转换( 常用方法包括对