（环境科学专业论文）城市污泥堆肥与应用过程中的重金属有效性及机制研究.pdf

摘要 摘要 本文介绍了国内外污泥处理处置方式和污泥资源化途径，污泥中重金属有 效性等研究现状。通过堆肥实验，深入地分析了重金属形态在堆肥过程中的变 化规律。通过重金属对堆肥过程中典型微生物毒理效应实验，分别计算出了铜、 锌、铅、镉四种重金属单一污染对堆肥过程典型微生物h r 6 菌的4 8 h e c 5 0 ，及 复合污染产生的复合毒理效应存在的联合作用，探讨了微生物在污泥堆肥过程 中对污泥中重金属的吸收情况。通过小麦盆栽实验探讨了在土壤中施放污泥对 植物生长的影响，及重金属在植物体内的积累作用。通过吸附一解吸实验，探讨 了污泥堆肥产品对重金属吸附一解吸机理。通过往石油污染土壤中投加污泥及其 堆肥产品，初步确认了利用污泥堆肥产品处理石油污染土壤的可行性。实验结 果如下g 1 重金属在堆肥过程中的变化规律是先得到活化，然后在腐熟期受到钝化。 在堆肥过程的中温期和高温期，p h 呈下降趋势，然后在腐熟期回升。在p h 减 小时，重金属有效态含量增加，在腐熟期p h 回升时，重金属有效态含量骤降。 堆肥前后重金属有效态含量略有减少。 2 铜、锌、铅和镉单一污染对h r 6 菌的4 8 h - e c 5 0 分别是5 0 5 8 、8 7 7 7 、3 6 6 6 4 和2 3 4 7m g l 1 。通过对比铜锌铅镉单一复合污染实验，结果表明，单一污染 产生刺激作用浓度下，复合污染产生明显的协同效应，其结果使重金属复合污染 的毒性阈值浓度大大降低，毒性明显增强。微生物对重金属吸收取决于微生物的 特性以及重金属的理化性质。 3 盆栽实验结果表明，土壤中施放适量的污泥堆肥对小麦生长起促进作用， 然而，随着污泥施放量增加，小麦体内积累的重金属的量也随之增加，当小麦 体内重金属的量增加到一定程度时，将对小麦生长产生抑制作用。不同元素生 物富集能力不同。小麦幼苗不同组织对相同元素的富集能力不同。根系富集的 重金属含量高于该重金属在茎叶中的含量。 4 重金属在污泥堆肥产品中的吸附等温线可以通过f r e u n d l i c h 方程拟合， 结果表明，污泥堆肥产品对c u 、z n 、p b 、c d 的吸附与f r e u n d l i c h 方程拟合的相 关系数r 2 分别为0 9 7 2 9 ，0 9 5 8 6 ，0 9 7 0 5 和o 9 1 6 9 。污泥堆肥产品中吸附态 摘要 重金属的解吸率随着吸附的重金属浓度升高而升高，但总体来说，其解吸率是 很低的，因此，重金属一旦被污泥堆肥产品吸附就不容易再释放。重金属在污 泥堆肥产品中的解吸等温线也可以通过f r e u n d l i c h 方程拟合，结果表明，污泥 堆肥产品对c u 、z n 、p b 、c d 的解吸与f r e u n d l i c h 方程拟合的相关系数r 2 分别 为0 9 9 8 6 ，0 9 5 7 1 ，0 9 9 4 8 和0 9 8 1 2 。 5 添加污泥及其堆肥产品处理石油土壤，三十天后土壤中的含油量分别下 降为1 6 9 1 9 6 。污泥及其堆肥产品中的重金属的有效形态变化不大。 关键词：污泥；堆肥；重金属；有效性；微生物；吸附解吸 i i 一 一 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hi n t r o d u e e dt h et r e a t m e n ta n dr e s o u r c e f u lu t i l i z a t i o no fs l u d g ea t h o m ea n d a b r o a da n da v a i l a b i l i t yo fh e a v ym e t a l si n s l u d g e c o m p o s t i n g e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t ，a n dc h a n g e so fh e a v ym e t a lf o r m si ns l u d g ed u r i n gt h e e o m p o s t i n gp r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt ot o x i c o l o g i c a le f f e c t so fh e a v y m e t a l so nr e p r e s e n t a t i v em i c r o b i a ls p e c i e sd u r i n gt h ec o m p o s t i n gp r o c e s s ，e c 5 0 v a l u e so fc u ，z n ，p ba n dc do nb a c i l l u ss p h r 6a f t e r4 8hw e r ec a l c u l a t e d ，t h e c o m b i n e dt o x i c o l o g i c a le f f e c to fc u ，z n ，p ba n dc dw a si n v e s t i g a t e d ，a n da b s o r p t i o n o fh e a v yb yh r 6w a sa l s os t u d i e d o nt h eb a s i so f p o te x p e r i m e n to fw h e a tg r o w t h ， w ed i s c u s s e dt h ee f f e c to ft h ea d d i t i o no ft h es l u d g et os o i lo nt h ep l a n tg r o w t ha n d a c c u m u l a t i o no fh e a v ym e t a l si np l a n t a d s o r p t i o n d e s o r p t i o ne x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h em e c h a n i s mo fh e a v ym e t a l sa d s o r p t i o na n dd e s o r p t i o n b yt h es l u d g ec o m p o s t f u r t h e r m o r e ，t h ef e a s i b i l i t yo fs l u d g ec o m p o s tt ob eu s e d a s r e m e d i a t i o nm e d i af o rp e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i lw a ss t u d i e db ya d d i t i o no ft h e s l u d g ea n dt h es l u d g ec o m p o s tt op e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i l t h er e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： 1 d u r i n gt h ee o m p o s t i n gp r o c e s s ，h e a v ym e t a l sw e r ea c t i v a t e df i r s t l yt ot h e e x c h a n g e a b l ef o r ma n dt h e ni n a c t i v a t e di nt h em a t u r a t i o np e r i o d t h ep hv a l u e s d e c r e a s e di nt h em e s o p h i l i ca n dt h e r m o p h i l i cp e r i o d s ，a n dt h e ni n c r e a s e di nt h e m a t u r a t i o np e r i o d t h ec o n t e n t so fa v a i l a b l eh e a v ym e t a l si n c r e a s e dw i t hd e c r e a s i n g p hv a l u e s ，a n dd e c r e a s e d 、) l ，i t i li n c r e a s i n gp hv a l u e s a f t e rt h ee o m p o s t i n gp r o c e s s ， t h ec o n t e n t so fa v a i l a b l eh e a v ym e t a l sd e c r e a s e ds l i g h t l y 2 e c 5 0v a l u e so fc u ，z n ，p ba n dc dt ob a c i l l u ss p h r 6a f t e r4 8h w e r e5 0 5 8 ， 8 7 7 7 ，3 6 6 6 4a n d2 3 4 7m gl 1 ，r e s p e c t i v e l y t h ec o m p a r i s o no fs i n g l eh e a v ym e t a l p o l l u t i o na n dc o m b i n e dh e a v ym e t a l sp o l l u t i o ns h o w e dt h a tt h ec o m b i n e de f f e c to f c u ，z n ，p ba n dc ds i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e dt h et o x i c i t yt h r e s h o l da n de n h a n c e dt h e t o x i c i t y c h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o o r g a n i s ma n dp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fh e a v y m e t a l sw e r ec r u c i a lf o rt h ea b s o r p t i o no fh e a v ym e t a l sb y m i c r o o r g a n i s m i i i a b s t r a c t 3 t h er e s u l t so fp o te x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ew h e a tg r o w t hw a sp r o m o t e d w h i l ea d d i n ga p p r o p r i a t ec o n t e n ts l u d g ec o m p o s tt os o i l h o w e v e r , w i t l li n c r e a s i n g a d d i t i o no fs l u d g e ，t h ea c c u m u l a t i o no fh e a v ym e t a l si np l a n ti n c r e a s e d ，w h i c h i n h i b i t e dt h eg r o w t ho fw h e a t b i o a c c u m u l a t i o nc a p a b i l i t yv a r i e dw i t hd i f f e r e n t e l e m e n t s ，a n db i o a c c u m u l a t i o nc a p a b i l i t yo ft h es a m ee l e m e n tv a r i e d 丽md i f f e r e n t t i s s u e so fw h e a tb o d y t h eh e a v ym e t a lc o n t e n t si nr o o tt i s s u ew e r eh i g h e rt h a nt h a t i ns t e ma n d l e a 4 f r e u n d l i c he q u a t i o nc o u l db eu s e dt od e s c r i b et h ea d s o r p t i o np r o c e s s e so f h e a v ym e t a l si nt h ep r o d u c to fs l u d g ec o m p o s t i n g ，w i 也t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t s o f o 9 7 2 9 ，0 9 5 8 6 ，0 9 7 0 5a n d0 9 1 6 9 ，r e s p e c t i v e l y t h ed e s o r p t i o nr a t i oo f h e a v y m e t a l si nt h ep r o d u c to fs l u d g ee o m p o s t i n gi n c r e a s e dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f h e a v y m e t a l si n c r e a s e d ，b u tt h ed e s o r p t i o nr a t i oo fh e a v ym e t a l sw e r en o th i g h t h i s m e a n s ，o n c et h eh e a v ym e t a l sa r ea b s o r t e d , t h e ya r en o te a s yt or e l e a s e f r e n n d l i c h e q u a t i o nc o u l db eu s e dt od e s c r i b et h ed e s o r p t i o np r o c e s s e so fh e a v ym e t a l si nt h e p r o d u c to fs l u d g ee o m p o s t i n g ，w i t ht h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t so f 0 9 9 8 6 ，0 9 5 71 ， 0 9 9 4 8a n do 9 812 ，r e s p e c t i v e l y 5w i t ha d d i t i o no fs l u d g ea n ds l u d g ec o m p o s tt ot h ep e t r o l e u m - p o l l u t e d s o i l ，t h i r t yd a y sl a t e r , i tw a sf o u n dt h a t t h e c o n t e n to ft p h ( t o t a lp e t r o l e u m h y d r o c a r b o n ) d e c r e a s eb y16 9 - - - 19 6 a f t e r3 0d a y s ，w h i l et h eb i o a v a i l a b i l i t yo f h e a v ym e t a l sd i dn o tc h a n g em u c h k e yw o r d s s l u d g e ；c o m p o s t i n g ；h e a v ym e t a l ；a v a i l a b i l i t y ；m i c r o o r g a n i s m ； a d s o r p t i o n - d e s o r p t i o n i v 目录 目录 第一章绪论1 第一节研究背景1 第二节文献综述2 1 2 1 污泥的定义、来源、组成及性质2 1 2 2 污泥的处理处置方法及现状7 1 2 3 污泥堆肥技术及堆肥微生物研究9 1 2 4 污泥及土壤中重金属有效性研究1l 1 2 5 重金属对植物及微生物的毒理作用研究进展。1 4 1 2 6 重金属的吸附解吸机理研究现状16 第三节研究内容和意义18 第四节技术路线19 第二章污泥堆肥过程中的重金属形态变化分析2 0 第一节实验目的2 0 第二节实验材料与方法2 1 2 2 1 实验材料2 1 2 2 2 实验方法2 1 第三节污泥堆肥条件2 4 第四节结果与分析2 5 2 4 1 堆肥结果2 5 2 4 2 重金属形态分析2 5 第五节小结2 7 第三章重金属对堆肥中典型微生物的毒理研究2 9 第一节重金属对微生物4 8 h - e c 卯实验3 0 v 目录 3 1 1 实验目的3 0 3 1 2 实验材料与方法3 0 3 1 3 结果与讨论31 3 1 - 4小结3 4 第二节微生物对重金属的吸收3 4 3 2 1 实验目的3 5 3 2 2 实验材料与方法。3 5 3 2 3 结果与讨论3 5 第四章污泥及污泥堆肥产品应用过程的有效性及机制一：3 8 第一节污泥及其堆肥产品对小麦幼苗的影响及重金属积累状况3 8 4 1 1 实验目的3 8 4 1 2 材料和方法3 8 4 1 3 结果与讨论4 0 第二节堆肥产品对重金属的吸附一解吸机理研究4 l 4 2 1 实验目的4 2 4 2 2 材料与方法4 2 4 2 3 结果与讨论4 3 第三节堆肥产品处理石油污泥土壤过程中的重金属有效性4 6 4 3 。l 实验目的。4 6 4 3 2 材料与方法4 6 4 3 3 结果与讨论4 7 第四节小结4 9 第五章结论与展望5 0 第一节结论j 5 0 第二节展望5 1 参考文献5 3 v i 致谢5 7 个人简历一5 8 v l i 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究背景 人类活动自工业革命后对环境的影响急剧增强，造成了越来越严重的环境 污染和生态破坏。但随着经济发展，人们又越来越重视其生存环境的质量，于 是自十九世纪未，二十世纪初，人们开始了现代环境保护的探索。环境污染， 尤其是水环境污染，极大地威胁着人类的健康和阻碍经济的发展。自1 9 1 4 年由 英国人a r d e n 和l o c k e t t 创建活性污泥法【l 】，9 0 多年来，经过各种的改进和修 正，在废水处理中取得了巨大的成就。但无论处理结果多么良好，最终总会产 生部分剩余污泥。在欧洲，每年污水处理所产生的干污泥约为6 0 0 万吨。据1 9 9 4 年组成的“欧洲污水小组”估计，经过8 年间，由于新环境法规的实施，污水 生物处理所产生的污泥体积将增加1 0 0 ，即到2 0 0 2 年为1 3 2 0 万吨。日本1 9 9 6 年产生的干污泥总量为1 7 0 万吨【2 】，1 9 9 8 年美国产生的污泥6 9 0 万吨干重【3 1 。 随着我国工农业生产的发展，我国的工业废水排放量正在迅速增加，我国 的近年来污水排放情况见下表1 1 表1 1 中国从1 9 9 9 至2 0 0 5 年的污水排放量( 亿吨) 木注：数据来源于我国各年的环境状况公报 2 0 0 0 年我国工业和城市生活废水排放总量为4 1 5 亿吨，其中工业废水排放 第一章绪论 量为1 9 4 亿吨，城市生活污水排放量为2 2 1 亿吨。化学需氧量( c o d ) 排放总量 1 4 4 5 万吨，其中工业废水中c o d 排放量为7 0 5 万吨，生活污水中c o d 排放量为 7 4 0 万吨。由此可见工业废水和生活废水平均c o d 浓度大致相同。如果万吨废 水污泥产生量的平均值为2 7 吨( 干重) ，2 0 0 0 年全国工业废水处理率为9 4 7 ， 生活污水2 5 ，按此计算我国每年产生的污泥量约4 2 0 万吨，折合含水8 0 的脱 水污泥为2 1 0 0 万吨t 4 1 。 目前我国的污水处理量和处理效率虽然不高( 4 5 6 ) ，但城市污水处理厂 每年排放干污泥大约3 0 万吨( 干重) ，而且还以每年大约1 0 的速度增长【5 】。据 不完全统计，日前全国已经建成的城市污水处理厂有4 2 7 余座，年处理能力为 1 1 3 6 亿立方米，今后，随着大城市化的进一步发展，新的污水处理厂不断建 立，根据建设部门的规划，到2 0 1 0 年，我国设市城市污水处理率不低于7 0 ， 所有城市都要建立符合标准的生活污水处理设施，必将产生更多的污水污泥。 污泥是污水处理后的附属品，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒等 组成的极其复杂的非均质体。污泥量占污水量的o 3 o 5 ( 体积) 或为污水 处理量的1 2 ( 质量) ，如果深度处理，污泥量会增加0 5 - - - 1 倍【6 】。污水处 理效率的提高，必然导致污泥数量的增加。污泥的成分非常复杂，除含有大量 的水分( 9 3 9 9 ) 外，还含有大量的有机质、难降解的有机物、多种微量元 素、病原微生物和寄生虫卵、重金属等成分。大量的未经处理的污泥任意堆放， 会对环境造成严重的污染，因此，如何将产生量巨大、成分复杂的污泥减量化、 无害化和资源化，已经成为世界环境界深为瞩目的课题之一。 第二节文献综述 1 2 1污泥的定义、来源、组成及性质 1 2 1 1污泥的定义 城市污泥是污水处理厂在污水处理过程中产生的伴生物，脱水后其含水率 7 0 8 0 ，是一种散发着恶臭、伴有来自工业废物、家庭化学制剂、杀虫剂、重 金属无机离子和有毒化学制剂、带有多种病源菌和病毒的生物有机体等各类物 质的浓缩物【7 1 。污泥进一步经过好氧或厌氧消化处理后的污泥称为好氧或厌氧 2 第一章绪论 消化污泥。 1 2 1 2 污泥的来源 不同的污、废水和给水中，都会含有大量可溶及不可容的物质，不可容的 固形物会由于重力或截流作用沉淀下来，而可溶的部分则会在采用各种方法进 行水处理的过程中以原有的或其他的形态，最终得到去除或沉淀下来，这些沉 淀下来的固形物就成了污泥。 污泥的种类有很多，见表1 2 ，根据来源大体有生活污水污泥、工业废水 污泥和给水污泥三类【8 】。根据污泥的成分和性质又可分为有机污泥和无机污泥； 亲水性污泥和疏水性污泥。而对于城市污水处理厂中的污泥一般可按其分离和 处理过程分为沉淀污泥( 包括初沉淀污泥、混凝沉淀污泥和化学沉淀污泥等) 及 生物污泥( 包括腐殖污泥和剩余污泥) 以及它们的混合物。对于通常的城市污水 处理厂来说，目前均采用生物法，在沉砂池和沉淀池中，污水中大量的无机及 不溶的物质己被截留和沉淀，含有大量有机物的废水进入生化池，在此与大量 空气相接触，这时水中就会产生污泥，这些污泥是以好养菌为主体形成的絮状 体，絮状体混杂着污水中的有机物和无机物的悬浮物质、胶体物质，并在表面 上附聚着种种不同的原生动物、后生动物等。也就是，在污泥上充满了活的微 生物，所以人们把这种污泥称为活性污泥【9 1 。用于堆肥的污泥主要来源于生物 处理法的活性污泥以及沉淀污泥和活性污泥的混合物。格栅及调节沉淀池的污 泥一般被叫做沉渣，由于其中有机成分很少，所以不用来进行堆肥处理。 表1 2 污泥的种类及来源 污泥的种类来源 初沉池污泥 腐殖污泥 剩余污泥 消化污泥 化学污泥 来自初沉池无机成份较高 来自生物膜法处理的污泥 来自活性污泥法处理二沉池排出的污泥 生化处理的污泥经厌氧处理后的熟化污泥 混凝、气浮、化学沉淀所产生的污泥 1 2 1 3 污泥的组成 城市污泥中含有一定数量的有机质、氮、磷、钾和其它植物生长所必需的 营养元素( 其中有机质可达3 0 - 6 0 ，氮、磷分别达1 4 和0 6 1 5 ) ，甚至 3 第一章绪论 高于一般的农家肥( 猪厩肥干物质中平均含氮1 6 3 、磷0 3 0 ，牛厩肥中平均 含氮1 5 1 ，磷o 3 1 ) ，另外，污泥施用于土壤既可增加产量，又可改良土壤 的理化和生物学性质【1 0 】，表1 3 列出了一些污水处理厂的污泥营养物含量。可 以看出，污泥是一种良好的有机肥料和土壤改良剂。按n ，p ，k 主要营养物质 的总量计算，1 吨城市污水污泥大约相当于1 0 0 公斤n ，p ，k 无机肥料。美国 城市污泥中平均含有机质3 1 ，全氮3 0 、全磷2 5 、全钾o 4 【1 1 1 ，将污泥 和废水加以利用，每年可以得到价值相当于9 5 0 0 万美元的商品化肥【l2 1 。我国每 年产生的污水污泥数量巨大，充分利用也将是一笔巨大的财富。 与此同时，污泥中也含有大量有害污染物。分为有机和无机两种。污泥中 无机污染物主要为重金属，如p b ，c d ，h g ，c r ，n i ，c u ，z n ，a s 等( 其中类 金属a s 一般也被当作重金属研究) 【1 3 】，见表1 4 。污泥农用时，人们较为关注 表1 3 天津几个污水处理厂的污泥中的营养物含量 有机成份氮磷钾 天津开发区污水厂消化4 2 8 - 4 4 6 23 5 9 3 7 81 5 8 一1 9 4o 2 8 一o 3 3 污泥 天津纪庄子污水厂消化 污泥 天津东郊污水厂混合污 泥 猪厩肥 马厩肥 牛厩肥 羊厩肥 4 8 - 5 3 5 1 - 5 3 2 5 0 2 5 o 2 0 0 3 1 8 2 4 - 3 91 2 - 3 50 3 2 - 0 4 3 3 0 4 - 3 1 81 2 4 - 1 4 7 0 4 50 0 8 3 0 5 80 1 2 2 一 o 3 40 0 7 0 一 o 8 41 1 0 0 一 的重金属主要为p b ，c d ，c r ，n i ，c u ，z n 。污泥通常含有比土壤中含量高得 多的金属离子，并且是金属输入土壤的主要途径【1 4 】。如果对污泥旋用不加处理 和限制，直接施用就会对农作物和土壤造成污染。另外，作物对不同重金属的 反应不同，锌、铜等主要反应在对作物生长发育以及降低产量方面，铅、镉、 铬、汞等的毒害主要通过食物链危害人体健康，这些重金属在作物可食部分积 4 第一章绪论 累超过人畜食用卫生标准时，作物可能并未明显受害【15 1 。因此，为了防止对人 畜以及作物造成毒害，各个国家对农用污泥重金属含量都做了具体的规定，我 国也在1 9 8 4 年初次颁布了农用污泥中污染物控制标准( g b 一4 2 8 4 ) 。 表1 4 一些污水处理厂污泥的重金属浓度( m g l 【曲 污泥中有机污染成分主要包括多氯联苯( p c b s ) 和二恶英( p c d d p c d f ) 多 环芳烃和有机氯杀虫剂等【1 6 1 。这类有机化合物中有些对人畜有毒，它们的存在 会影响污泥的农田利用。但试验表明，能通过根部吸收和在植物中转移的二恶 英、吠喃及6 种重要的p c b 衍生物的量非常少，将含p c d d p c d f 较高的污泥 过量用于冬小麦、夏小麦、土豆和萝卜，与未施污泥的土壤相比也显示不出有 害物质含量的增高【1 7 】，而且污泥中这类有机物的含量很低，因此目前一般认为 用于农田土壤的污泥中有机化合物不可能通过农田施用对人畜造成危害。 表1 5 世界各国农用污泥中重金属最大容许排放量( m g k g ，d w ) 另外，污泥中还含有病原菌等，但在堆肥处理过程中能有效地被减少。据 文献报道，只需在6 0 ( 2 - - - 7 0 c 温度条件下将污泥加热3 0 m i n 就可将绝大部分致 病微生物与寄生虫卵杀死，又不损失其中的植物养分。虽然有部分病原菌在一 5 第一章绪论 定的条件下会再生，但施入土壤后，土壤中的有效养分及土著微生物有阻止这 些病原菌再生的作用，所以经堆肥化或消化处理的污泥施入土壤中不会引起病 原菌的污染【1 5 1 8 、1 9 1 。 1 2 1 4 污泥的性质 正确把握污泥的性质指标，是正确选择有效的处理工艺和合理的处理设备 及资源化趋向的先决条件。污水处理厂曝气池中产生的污泥，其颜色一般呈茶 褐色或深灰色、灰黑色、灰白色等，不但与水质有关，还与污水处理厂的工艺 流程及运行状况有直接关系。若活性污泥在曝气池、沉淀池中供氧不足或出现 了厌氧状态，颜色很快会变暗，状态很象煤焦油，甚至会变成黑色。如果供氧 过多，则活性污泥颜色发白。正常的活性污泥一般为茶褐色。良好的活性污泥 几乎没有臭味，微具泥土的气味或略带霉臭味。而不正常状态时，会表现为臭 味的变化，如腐殖土臭味、生草味、海草味、粪臭味及硫化氢臭味或者这些臭 味的混合臭等。其中，最重要的变化是活性污泥带有硫化氢味，通常认为是己 经发生了厌氧情况。活性污泥发生厌氧变化时，含硫物质被分解，因而产生了 硫化氢【2 0 1 。污泥的含水率一般都很高，而含固量很低，例如城市污水厂初沉污泥含 固量在2 - 4 ，而剩余活性污泥含固量在o 5 加8 ，密度接近l g c m 3 。一般 来说，固体颗粒愈小，其所含有机物愈多，污泥的含水率愈高。 污泥的理化性质主要包括：有机物( 挥发性) 和无机物( 灰分) 的含量，植物养 分含量，热值等。污泥中含有较多有机物，据调查，我国污泥中的有机物含量 约为5 0 7 0 ，与西方国家的有机物含量( 6 0 8 0 ) 相比偏低，但碳水化合物 含量较高，属高碳水化合物低脂肪类型【2 1 1 。污泥中又含有丰富的n 、p 、k 等营 养元素及植物所必须的各种微量元素c a 、m g 、c u 、z n 、f e 等，能够改良土壤 结构，增加土壤肥力，促进作物的生长【2 2 】。我国污水厂污泥热值较高，发热量 约为8 3 6 0 k j k g 。一般情况下，只要控制好含水率，污泥不需要添加辅助燃料能 自持燃烧，可作为非常规能源使用。例如，干燥后相当于褐煤，可以直接当燃 料或发酵产生沼气做燃气使用等。而且污泥的高有机物含量决定了它的可生化 性。 污泥的毒性和危害性主要因其含有毒有机物、致病微生物和重金属3 类物 质。污泥中重金属的种类及含量因城市的工业结构和布局、城市性质的不同而 略有差异。大多数城市生活污泥的重金属含量较低( p b 、c d 、c r 等的含量均低 6 第一章绪论 于国家农用标准) ，不会造成危害。但一些城市中，生活污水和工业污水不是分 开处理，而是工业污水经处理后汇入城市污水管道，与生活污水一同进入城市 污水处理厂，因此，在一些工业发达的地区，污泥中重金属超标严重，不经处 理难以达到污泥农用的标准，污泥中的重金属浓度视当地工业重金属污染而定。 污泥中的病原体主要来源于粪便，其中危害较大的是肠道病原茵和寄生虫类， 有毒有机物主要是难分解的有机氯杀虫剂。这些有毒病原茵和有机物必须经过 处理处置，降低其毒害性，使其符合有关法规和标准规定的安全性要求，方可 实现污泥的资源化利用。 污泥的p h 值为6 7 ，总碱度约为2 0 0 m g l ，般不会明显影响后续处理及 利用。 1 2 2 污泥的处理处置方法及现状 1 2 2 1污泥的处理处置方法 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。目前国际上处理处置污泥方法有：焚烧、填埋、堆肥后土 地利用、排海等，但是这些处理方法都存在弊端。如厌氧消化法虽能实现能源 利用，但是厌氧消化残渣仍需处理，并且运行管理水平较高。焚烧处置虽能最 大限度消减污泥，但设备的投资和运行费用都比较高。由于脱水污泥含有重金 属和病源微生物等，直接农用将对人类的健康和生态环境造成严重的危害。填 埋处置容易造成对地下水的污染，同时占用大量的土地。远洋投海是一种污染 转嫁行为，己被世界上大多数国家禁用。 ( 1 ) 污泥焚烧 污泥焚烧的处理法是最彻底的方法，一是脱水直接焚烧，另一类是脱水、 干化再焚烧。如果城市远离填埋场，造成运费比较高，使用焚烧法处理污泥是 经济有效的。因城市污泥含有大量的有机物和一定量的纤维木质素，脱水后的 污泥发热量约为8 3 6 k j 埏，掺入适量的引燃剂、催化剂、疏松剂和固硫剂等添 加物制成合成燃料，可作工业炉窑和生活锅炉的辅助燃料。由于污泥含水率高， 必须保证比较低的含水率才能制成“合成燃料，国内外对污泥的脱水处理多采 用机械压滤、真空过滤等方法，这些方法投资高、能耗大，采用重力吸附脱水 法( 污泥干化池) ，可节约费用9 0 。它的主要原理是：根据污泥的脱水性能， 7 第一章绪论 选择相应的滤料，滤料可分为二至三层，每层2 0 - - 3 0 e r a 厚，滤料可选择活性 炭、煤渣等。泥浆用泥浆泵抽至污泥干化池，泥浆在池中均匀地扩散，经过滤 料层可除去部分有害物质，而污泥被截留在滤料上面，积到一定程度，可挖至 锅炉房焚烧。优点：焚烧法产生的剩余物最少，无异味，可迅速和较大程度的 使污泥达到减量化，不需作灭菌处理，干污泥颗粒可作发电厂燃料的掺合料， 燃烧灰可作水泥的添加剂，污泥陶粒等可作建筑材料。污泥通过干馏，可提取 焦油、燃料油等，也可制造四氯化碳、有机玻璃树脂、甲醛等化工产品。污泥 的利用前景十分可观。缺点：一次性投资大，运行费用高，管理水平和设备维 修要求高，焚烧的烟尘如果直接排放，污泥中的重金属物质会随着烟尘扩散而 污染空气。另一方面成本高，如果采用机械脱水，焚烧成本是其他工艺的2 - - 4 倍。如果采用自然脱水虽然成本降低，但时间长，占地面积大，晾晒时，污泥 的臭气会污染空气。 ( 2 ) 污泥卫生填埋处理 把生污泥经过简单的无菌处理，直接倾倒于低谷地区可制造人工土地。优 点：处理成本低，不需高度脱水或自然干化，既处理了污泥又增加了城市的建 设用地。污泥消化后经脱水再填埋也是经常采用的方法，由于消化装置工艺复 杂，一次性投资大、运行操作难度大，故我国污泥消化处理技术尚未普及。厌 氧消化和巴氏灭菌法，是传统的杀菌方法，厌氧消化污泥可以使有机物消化分 解，污泥不再腐败，同时通过中温消化，大部分病菌和寄生虫卵被杀灭，使他 们失去活性并作为有机物被分解，由此污泥达到稳定，无害，所产生的沼气还 可以利用。巴氏灭菌法需在4 5 - - - 6 8 的条件下加热较长时间，它既不伤害污泥 中的植物养分，又可使污泥符合卫生要求，但能耗太大。缺点：由于污泥填埋 对于污泥的土力学性质要求较高，地址须选择底基渗透系数低且地下水位不高 的区域，填坑需铺设防渗性能好的材料( 高密度聚乙烯防渗透层) ，卫生填埋场 还应配设渗滤液收集装置及净化设施，以防止污泥中的各种有毒、有害物质， 经雨水的浸蚀和渗漏污染地下水及土壤。 1 2 2 2 污泥的资源化技术 近年来，污泥处理处置的理论也在发生变化，从原来的单纯处理处置逐渐 向污泥有效利用，实现资源化方向发展。根据我国污泥处理技术发展的趋势和 我国相关政策的导向，资源化必将成为未来污泥处理的主流。 第一章绪论 污泥中除了有机物外，往往还含有2 0 - - 3 0 的无机物，主要是硅、铁、 铝和钙等。过去大部分以污泥焚烧灰作原料生产各种建材，近年为节省投资， 直接利用污泥作原料生产各种建材的技术已开发成功，如污泥制水泥、制轻质 陶粒、制砖等各种建材。 污泥能源化技术是一种适合处理所有污泥，能利用污泥中有效成分，实现 其减量化、无害化、稳定化和资源化的污泥处理技术，是当前污泥处理技术研 究开发的方向。例如：污泥高效蒸发法制污泥燃料、从污泥中提取可用于燃料 电池的气体燃料、污泥低温热解制燃料油。 1 2 2 3 污泥的处理处置现状 基于经济和环境压力以及资源化考虑，污泥土地利用依然是当前国际上污 泥处置的最重要途径。英国、瑞士，瑞典和荷兰等国城市污泥的农用资源化率 达4 0 左右，法国达5 2 【2 3 1 。我国的污水处理事业起步较晚，目前尚没有妥善 处理污泥的途径，污泥土地利用率也较低【2 4 】。但从国内许多田间和盆栽试验结 果证实，施用污泥能明显提高水稻、小麦、萝卜、白菜等大田作物和蔬菜的产 量f 2 5 1 ，也有利于促进月季、木模、自蜡、泡桐、杨树等灌木、乔木和花卉的生 长 2 6 、2 7 】。但污泥土地利用后可能会造成土壤一植物系统重金属的污染，这是污 泥土地利用最主要的环境问题。试验证明，污泥中9 0 以上的c d ，p b ，c u ， n i 等会残留在施用层中，很难向下迁移【2 引。另外，污泥的土地利用处置还会带 来如病原物、有机污染物和一些实际操作过程中的问题。因而，在污泥土地利 用处置的实际运行过程中，必须通过适当途径改良污泥的理化性质，并使其病 原菌和重金属污染得到有效控制。 1 2 2 4 污泥再利用需要要解决的六大问题 第一，彻底消灭污泥中存在的多种病源菌和病毒；第二，规模化、快速高 效地排除污泥中的细胞水；第三，有效地控制污泥中重金属离子的活性；第四， 使有机污泥有效地实现减量化和稳定化；第五，消除在污泥处理及运输过程中 散发的恶臭；第六，对处理后的污泥进行稳定的、综合性利用。 1 2 3 污泥堆肥技术及堆肥微生物研究 1 2 3 1 污泥堆肥技术 9 第一章绪论 污泥含丰富的氮、磷、钾和有机物质，见表1 6 ，是一种十分有效的生物资 源。但是在它含有大量的养分、多种微量元素的同时也有很多病原菌、有毒有 机物和重金属等成分，就其特殊的性质，因此，污泥的处置与利用是一个应该 引起广泛重视的问题。污泥处理方法很多，目前最常用的方法是进行污泥堆肥， 即在微生物的作用下，污泥高温发酵使其中的病原菌无害化、有机质分解，通 过堆肥化把有机废物分解转化成类腐殖质的过程。 表1 6 我国城市污泥处理厂各种污泥所含肥分 高温快速堆肥技术是处理这些生物质废弃物的有效手段。对市政污泥堆肥 研究较多，由于污泥一般粒径较小，氧气在堆肥系统内的扩散受到限制，因而 在污泥的堆肥处理工艺中普遍采用了强制通风技术。堆肥的控制实际是对堆肥 中微生物活动的控制过程。堆肥过程存在的微生物是一个复合微生物体系，存在 着各种不同的微生物如细菌、真菌和放线菌【2 9 1 。这些微生物在堆肥过程中如何 变动，特别是不同原料堆肥过程中微生物的种群构成及变动的特点有何不同现 在还不是完全清楚。 污泥高温堆肥技术，有静态和动态两种方法，如自然堆肥法，圆柱形分格 封闭堆肥法，滚筒堆肥法，竖式多层反应堆肥法以及条形静态通风等堆肥技 术研究表明，选用适当的堆肥技术既可杀灭污泥中的病毒、病原体和寄生虫 卵，又不会破坏污泥中的植物养分。经高温堆肥后的污泥，不仅消除了污泥的 恶臭，同时杀灭了虫卵、致病菌，还可以显著降解或者钝化有毒有害的物质， 避免二次污染，具有较好的社会效益和环境效益。堆肥产品含有多种植物生长 促进剂。是一种品质优良的有机复合肥或可生产有机菌肥。可作花卉、树木等 施用肥，堆肥过程中不需要其他能源和人工管理，投资及运行费用低，操作管 理方便，很适用于中小型污水处理厂。我国近几年在北京、天津、深圳、大连、 秦皇岛、石家庄等城市对污泥高温堆肥处理的研究已取得了工艺技术方面的经 验和成果