（环境工程专业论文）城市污泥农用对油麦菜的品质影响研究.pdf

摘要 随着城市污泥排放量的日益增大，对环境造成的污染也越来越严重，进而危害人体 的健康。因此，如何合理地处理和处置城市污泥以及污泥的资源化利用问题显得更加重 要。研究城市污水处理厂污泥在农业方面的应用，对有效利用污水厂污泥，减轻污泥填 埋的环境压力，具有十分重要的理论意义和实际价值。 本试验用污泥取自西安市北石桥污水厂，通过观察盆栽试验中油麦菜的生长情况， 测定其出芽率、根活性、叶绿素等生理指标和其叶片含水率、可溶性糖、可溶性蛋白等 品质指标来确定污泥农用对蔬菜生长的影响。通过试验得出以下结论： ( 1 ) 在第一季油麦菜盆栽试验中，低施用量污泥( 1 2 9 k g ) 对油麦菜的生长产生了抑制。 1 ) 油麦菜的发芽率测定结果表明：低施用量污泥对油麦菜的发芽起到了促进作用。 当污泥施用量为6 9 k g 时，油麦菜的平均发芽率( 9 3 ) 高于对照( 7 5 ) ；但随着污泥 施用量增大，平均出芽率受到抑制，在污泥施用量为9 9 k g 时，下降为6 3 ，而在1 8 9 k g 的处理中平均出芽率仅为1 3 。 2 ) 根活性测定结果表明：油麦菜的根体积、根系总吸收面积、活跃吸收面积和活 跃吸收面积比值在污泥低施用量时都呈现升高的趋势。在污泥施用量为3 9 k g 和1 2 9 k g 的处理中，根体积和活跃吸收面积比值分别达到了最大值；当污泥施用量为9 9 k g 时， 根系总吸收面积和活跃吸收面积达到最大值。 3 ) 叶绿素、可溶性糖以及可溶性蛋白含量测定结果表明：污泥施用可以促进油麦 菜叶绿素的合成。在施用量为6 9 k g 的处理中，叶绿素a + b 达最大值，为1 3 8 6 3 m g g 。 但污泥施用量过高时( 1 2 9 k g ) ，会导致叶绿素含量下降；污泥对油麦菜可溶性糖的合 成促进作用有限。在污泥施用量为6 9 k g 处理中，油麦菜可溶性糖含量最高，但仅比对 照增加了约3 。而抑制作用却很明显，当污泥施用量为1 2 9 k g 时，可溶性糖含量为 3 3 7 8 m g g ，与对照相比下降了约5 0 ；随污泥施用量的增大，油麦菜可溶性蛋白含量 明显增加，在施用量为9 9 k g 处理中可溶性蛋白含量达到最大，是对照处理的3 倍，之 后开始下降，但各处理可溶性蛋白含量仍高于对照。 ( 2 ) 第二季残效试验结果表明：油麦菜各指标值随着污泥施用量增大也呈现出先 增长后下降的趋势。叶绿素、含水率、可溶性蛋白的最大值都出现在污泥施用量为2 7 9 k g 的处理中，分别为9 1 9 、1 6 3 8 4m g g 、 2 5 2 6m g g ；当污泥施用量为2 1 9 k g ，平均 出芽率达到最大值，为6 7 ；根体积、根总吸收面积、根比面积、根活跃吸收面积和根 活跃吸收面积比值的最高值分别为1 2 c m 3 、0 6 3 2 e m 2 、0 8 2 4 、o 1 9 9e m 2 和4 1 6 1 。 可溶性糖的最大值为1 6 0 7 m g g ，出现在污泥施用量为9 9 k g 的处理中。 ( 3 ) 通过对油麦菜各项生理、品质指标的分析，综合油麦菜长势观察，可以得出 当污泥施用量低于9 9 k g 时，污泥对油麦菜的生长具有一定促进作用。因而此污泥用量 可以作为农用的推荐值，换算为大田施用量约为1 3 5 0 k g 亩。 关键词：城市污泥，盆栽试验，油麦菜，污泥施用量，生理及品质指标 a b s t r a c t w i t ht h ee m i s s i o n so f s e w a g es l u d g ei n c r e a s i n g ，e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，a n dg r o w i n g ， a n dt h u se n d a n g e rh u m a nh e a l t h s o ，i ti b e c o m em o r ei m p o r t a n tt od i s p o s a lo fs e w a g es l u d g e a n dm a k eg o o du s eo ft h es l u d g e t h es t u d yo nt h es e w a g es l u d g ea p p l i c a t i o ni na g r i c u l t u r e ， w h i c hi so fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u eo nt h ee f f e c t i v eu s i n go fs e w a g es l u d g ea n d r e d u c i n gp r e s s u r eo n t h ee n v i r o n m e n t t h es e w a g es l u d g ei nt h ee x p e r i m e n tw a st a k e nf r o mn a t i v es e w a g et r e a t m e n tp l a n t ( b e i s h i q i a o ，x i a n ) a n dl e t t u c ew a sc h o s e na st h ee x p e r i m e n t a ls u b j e c t s t h r o u g ho b s e r v i n gt h e g e r m i n a t i o na n dd e t e r m i n i n gp h y s i o l o g ya n dq u a l i t yi n d i c a t o r so fl e t t u c e ，w ec a nc o m et ot h e c o n c l u s i o n sa sf o l l o w ( 1 ) i nt h ef i r s tq u a r t e ro ft h ep o tt e s t , i tp l a y e dac e r t a i nr o l ei np r o m o t i n gl e t t u c eg r o w t h i nt h el o wa p p l i c a t i o n r a t e so fs l u d g e ( 12 9 k g ) 1 ) t h er e s u l t so fl e t t u c eg e r m i n a t i o nr a t es h o wt h a t ：t h el o wa p p l i c a t i o n r a t e so fs l u d g eo n t h eg e r m i n a t i o no fl e t t u c eh a sb e e nf a c i l i t a t e di nt h es l u d g e sa p p l i c a t i o n r a t e sf o rt h e6 9 k g ， t h ea v e r a g eg e r m i n a t i o nr a t e ( 9 3 ) t h a nt h eo n e ( 7 5 ) i nt h ec o m p a r i s o n ；b u t 、) i ，i t ht h e s l u d g e sa p p l i c a t i o n r a t e si n c r e a s e d ，t h ea v e r a g eb u d d i n gr a t ew a si n h i b i t e da n di tw a sj u s t 13 i nt h es l u d g e sa p p l i c a t i o n r a t e so fls g k g 2 ) t h er o o ta c t i v i t yt e s ts h o w e dt h a t ：t h ev o l u m e ，t o t a la b s o r p t i o na r e a , a c t i v ea b s o r p t i o n a r e ao fl e t t u c er o o ta n dt h ep e r c e n t a g eo fa c t i v ea b s o r p t i o na r e an c r e a s e di nl o ws l u d g e s a p p l i c a t i o n r a t e s i nt h es l u d g e sa p p l i c a t i o n r a t e sf o rt h e3 9 k ga n d6 9 k g ，t h er o o tv o l u m ea n d p e r c e n t a g eo fa c t i v ea b s o r p t i o n a r e aw e r eu pt ot h em a x i m u m ；w h e nt h es l u d g e s a p p l i c a t i o n r a t e sf o rt h e9 9 k g ，t h et o t a la b s o r p t i o na r e aa n da c t i v ea b s o r p t i o na r e ar e a c h e d t h e i rm a x i m u m 3 ) t h ec o n t e n tr e s u l t so fc h l o r o p h y l l ，s o l u b l es u g a ra n ds o l u b l ep r o t e i ns h o w e dt h a t ：t h e s l u d g ec a np r o m o t et h es y n t h e s i so fc h l o r o p h y l l a n dw h i c hr e a c h e di t sm a x i m u mo f 13 8 6 3 m g gi nt h ea p p l i c a t i o n r a t e sf o rt h e6 9 k g h o w e v e li tw o u l dd e c r e a s e dc h l o r o p h y l l c o n t e n tw h e ns l u d g e sa p p l i c a t i o n r a t e si st o oh i g h ( 1 2 9 k g ) ；s l u d g eh a dal i m i t e di m p a c to n t h es o l u b l es u g a r s i nt h es l u d g e sa p p l i c a t i o n r a t e sf o rt h e6 9 k g ，s o l u b l es u g a rc o n t e n tw a s h i g h e s t , b u tw h i c hw a so n l ya b o u t3 h i g h e rt h ec o m p a r i s o n s t h ei n h i b i t i o ni sv e r yc l e a r t h a tw h e nt h es l u d g e sa p p l i c a t i o n r a t e si s1 2 9 k g ，t h es o l u b l es u g a rc o n t e n tw a s3 3 7 8 m g g ， a n dd e c r e a s e db ya b o u t 5 0 c o m p a r e d 、析t 1 1 t h e c o m p a r i s o n s w i t h t h e s l u d g e s a p p l i c a t i o n r a t e si n c r e a s i n g ，s o l u b l ep r o t e i nc o n t e n ti n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya n dr e a c h e dt h e m a x i m u mi nt h ea p p l i c a t i o n r a t e s9 9 k g ，w h i c hi s3t i m e sh i g h e rt h a nt h ec o m p a r i s o n s ，b u t t h es o l u b l ep r o t e i nc o n t e n ts t a r t e dt od e c l i n ew h e nt h es l u d g ei n c r e a s i n g h o w e v e r ，t h e s o l u b l ep r o t e i nc o n t e n to fe a c ht r e a t m e n tw a ss t i l lh i g h e rt h a nt h ec o m p a r i s o n s ( 2 ) t h er e s i d u a le x p e r i m e n ts h o w e dt h a t ：t h ei n d e x e so fl e t t u c ea p p e a r e dat r e n do f i n c r e a s i n ga n dt h e nd i s c r e a s i n g 讪t l ls l u d g ea p p l i c a t i o n t h em a x i m u m so fc h l o r o p h y l l ，w a t e r c o n t e n t ，s o l u b l ep r o t e i n sa p p e a r e di nt h es l u d g e sa p p l i c a t i o n r a t e sf o rt h e9 9 k g ，a n dw e r e 9 1 9 ，1 6 3 8 4m e g g ，2 5 2 6m g 儋r e s p e c t i v e l y ；w h e nt h es l u d g ea p p l i c a t i o nw a s2 1 9 k g ，t h e a v e r a g es p r o u t i n gr a t ec a m et ot h em a x i m u mo f6 7 ；r o o tv o l u m e ，t o t a la b s o r p t i o na r e a , r o o t a r e ar a t i o ，r o o ta c t i v e a b s o r p t i o n a r e aa n dr o o ta c t i v e a b s o r p t i o na r e ao ft h eh i g h e s t p e r c e n t a g e sw e r e1 2 c m 3 ，0 6 3 2 c m 2 ，0 8 2 4 ，0 1 9 9c m 2a n d4 1 6 1 t h es o l u b l es u g a r s m a x i m u m a p p e a r si nt h es l u d g e sa p p l i c a t i o n r a t e sf o rt h e9 9 k ga n dw a s16 0 7 m g g ( 3 ) t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，w ec a nc o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a t ：t h es l u d g eh a sar o l ei n p r o m o t i n gt h eg r o w t ho fl e t t u c ew h e ni t sa p p l i c a t i o nl o w e rt h a n9 9 k g s ot h ea p p l i c a t i o no f t h es l u d g e ，w h i c hc o n v e r t e dt of i e l da p p l i c a t i o ni sa b o u t13 5 0 k g m u ，c a nb eu s e da st h e r e c o m m e n d e dv a l u eo ff a r m i n g k e yw o r d s ：m u n i c i p a ls l u d g e ，p o te x p e r i m e n t ，l e t t u c e ，t h es l u d g e sa p p l i c a t i o n r a t e s ，t h e p h y s i o l o g ya n dq u a l i t yi n d i c a t o r s 长安大学硕士学位论文 第一章综述 1 1问题的提出及其研究意义 城市污泥( s w e g a es l u d g e ) 是城市污水处理厂处理污水过程中产生的固体废弃物，由 污水中的有机残片、胶体、金属元素、细菌菌体、无机颗粒等组成。 随着城市污水处理厂的出现，污泥处理的问题就摆在了人们的面前。目前，全球每 年干污泥产量将达l 亿吨，随着污泥处理技术的发展，这一数字还将增长。相对于美欧 等发达国家，我国的污水处理起步较晚，但是，随着经济和社会的发展，近几年，我国 的污水处理厂建设速度明显加快。目前全国城镇累计建成污水处理厂已近2 0 0 0 座，总 处理能力已超过1 亿立方米日。按万吨污水产2 吨干污泥算，我国2 0 0 9 年将产干污泥 近6 0 0 余万吨【l 】。但是因为资金的紧缺，国家在建设污水处理设施的同时没有把污泥处 理设施一并考虑进去，所以，造成我国大部分污水处理厂的污泥没有得到妥善的稳定化 处理。我国目前的城市污泥的主要处置方式是自然堆放或和城市垃圾一起混合填埋，被 资源化利用的污泥很少。由于污泥含水率高，成分复杂，污泥的自然堆放和填埋，不仅 会给填埋处理过程中的堆放、运输带来很多麻烦；还会对土壤、地表水、地下水等造成 严重的污染，进而危害人体的健康。因此，如何合理地处理处置城市污泥以及污泥的资 源化利用问题显得越来越重要。 国外目前污泥的处理方式除了稳定化后填埋，更多的偏向于污泥焚烧和土地利用， 但污泥的焚烧一般都需要再添加燃料才可以完成，成本过高，不适合我国大部分地区。 因此，在我们这样一个农业大国，污泥农用是符合我国国情的一种污泥处置方式，但污 泥中含有重金属、有机化合物及大量病原菌，如果盲目施用，必然会对土壤造成污染。 因此，研究污泥施用对土壤、作物的影响具有重要的理论意义和实际价值。 西安市是西北重要的工商业城市和内外经济贸易中心。改革开放以来，经济发展迅 速，城市基础设施日臻完善，人民群众的生活水平和生活环境也获得了大幅提高。在经 济发展的同时，西安市政府也十分重视环境保护工作，尤其是注重对水环境的治理与改 善。先后建成邓家村、北石桥、纺织城和店子村四座市区污水处理厂，日污水处理规模 达5 2 万一，几乎处理了西安市区约l 2 的城市污水量。已有污水厂可年处理污水近2 亿m 3 ，对减轻渭河的污染做出了重要贡献，取得了可观的社会和环境效益。但是，与 目前中国大部分城市相似1 2 j ，由于技术和经费的原因，这四个污水厂至今也没有配备可 第一章综述 对污泥做最终处置的设备。目前，西安市四个污水处理厂的日产泥总量约为：2 0 0 0 f f d ， 其中北石桥污水厂年产湿污泥在2 6 0 f f d 左右。 北石桥污水采用氧化沟工艺处理，脱水后的污泥含有大量养分，而且通过对污泥中 c u 、z n 、p b 、c d 、n i 等五种重金属含量进行分析，五种重金属含量均低于我国农用污 泥的标准【3 】。且北石桥位于西安市西郊皂河东侧，皂河以西即为农田，交通便利。随着“西 咸一体化”的发展，西安周边将逐渐粮食作物向菜区发展。因此，研究污泥的对蔬菜生 长的影响，不仅对污泥的减量化、资源化有重要的意义，更对广大周边农村有机肥的获 取提供了新的渠道。 1 2国内外城市污泥处理及利用研究现状 随着人们环境保护意识的增强、城市污水厂污泥产生量的不断增大，及污泥不恰当 处置对周围环境污染事故的增加，人们越来越重视城市污泥的处理和处置。 1 2 1 国内外城市污泥处理和处置现状 污泥的处理和处置问题是伴随污泥的产生而出现的，更进一步说，有污水厂之时， 人们就需要面对污泥的处理和处置问题。污泥的处理和处置受国家法律、生态环境、经 济条件、公众意识、污泥性质等多种因素的影响，因此，各个国家，甚至各个地区在对 污泥处理方式的选择上都有很大的差异。 污泥处理与处置的目的主要有4 个：稳定化、无害化、减量化和资源化。目前，国 内外城市污水污泥的处理和处置方法大致为以下几种。 1 2 1 1 土地填埋 土地填埋即寻找合适的场地挖坑，将污泥加以填埋封固。土地填埋始于2 0 世纪6 0 年代，其操作相对简单，投资费用较小，处理费用较低，适应性强。但是污泥填埋会引 发许多环境、生态问题。首先，由于污泥的含水率高( 一般在8 0 左右) 、粘度大，会 给填埋带来困难。其次，污泥的高含水率增加了填埋场渗滤液的处理量，加重了垃圾坝 的承载负荷，给填埋场的安全和管理带来困难。第三，污泥的流变性使得填埋体易发生 变形和滑坡，给填埋场带来极大的安全隐患。第四，污泥填埋侵占土地严重，成本相对 较高，导致一些城市的填埋场已经开始拒收污泥。第五，如果防渗技术不够，污泥填埋 将导致潜在的土壤和地下水污染。因此，美国已陆续关闭了8 0 的污泥填埋场。欧洲也 己在通过的城市废物技术指南明文规定，禁止填理有机物含量超过5 的污泥【4 1 。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 1 2 海洋弃置 海洋弃置一般是将污泥直接投入大海。但这种方法会污染海洋，造成海洋环境的恶 化，危害海洋生态系统，因此这种方法已先后被各国禁止。 1 2 1 3 污泥焚烧 焚烧是使污泥中的可燃成分在高温下充分燃烧，最终成为稳定的灰渣。污泥焚烧可 使有机物全部碳化、杀灭各种病原体，其终产物为含固率9 9 以上的无机灰烬。无菌、 无臭，不仅最大限度地减少了污泥体积，还可作为水泥厂、砖瓦厂的辅助原料【5 l ，焚烧 过程产生的余热还可用于发电或供热。近年来，焚烧法采用了合适的预处理工艺和先进 的焚烧方法，满足了越来越严格的环境要求，在发达国家应用较为广泛。但污泥燃烧过 程中存在不易燃烧、产热量低、污染空气、操作管理复杂、能耗和运行费用高等缺点 6 1 ， 所以这种处理方式我国相对较少，目前仅在沿海省市有一些的较大规模污泥焚烧项目出 现，而且是用污泥和秸秆等固体废物混合燃烧。 1 2 1 4 水体消纳 利用水体消纳城市污泥一般都不进行严格的无毒无害化处理，也不脱水就直接排入 水体，而且容量大。这种方法只是目前国内个别地方解决污泥出路的一种权宜之计，不 但不能从根本上解决环境污染问题，反而将有毒有害物溶入水体，导致水生环境恶化； 一 另一方面，进入水体的污泥会导致水位升高，甚至堵塞河道，对人类生存产生潜在的威 胁。 1 2 1 5 土地利用 污泥土地利用是把污泥适当处理后，将之与其它有机物按一定比例混合堆沤，在微 生物的作用下产生高温，分解污泥中的有机物，使其无害化后用于农田等施肥，垦荒地、 贫瘠地等受损土壤的修复及改良，园林绿化建设，森林土地施用等。污泥的土地利用目 前主要在以下几个方面： ( 1 ) 土壤改良剂。污泥可改善土壤结构、促进土壤熟化，被认为是防止土壤沙化、 整治沙丘和用来恢复被二氧化硫破坏地区的植被的一种优质材料。将污泥与粉煤灰、 水库淤积物以一定比例混合施用，可改善土壤的保温、保湿和透气性能；同时，污泥 中的有机营养物可强化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。 ( 2 ) 污泥林地施用。在林地、草地、市政绿化、高速公路隔离带、等非食物链植 物生长的土地施用污泥，可促进树木、花卉、草坪的生长，提高其观赏品质。污泥对 第一章综述 树木、花草的促进和改善作用已得到了中外学者的试验验证。王新等【7 】研究了污泥堆肥 对树木生长及土壤环境的影响，结果表明，施用污泥堆肥的处理促进了树木的生长，与 对照组相比，树高和径粗同时得到不同程度地提高。a g u l i a r 等人【8 】研究发现，施用污泥 后土壤中植物所需的许多营养元素的含量都显著增加，牧草产量明显提高。表面的污泥 覆盖在牧草地上，可有效地防止侵蚀和径流。 ( 3 ) 污泥中含有丰富的有机物以及植物生长必需的大量元素和z n 、c u 、f e 等微量 元素。污泥施用后可增加土壤有机质、改善土壤结构、促进植物根系增长和增强土壤功 能。施用活性污泥不仅能提高作物产型9 1 ，而且能提高作物品剧10 1 。林春野等【l l 】也发现。 将污泥经过脱水干燥，添加固定有机废弃物、氮、磷和钾等植物生长所需营养元素后控 制条件进行发酵，然后混合、干燥造粒，制成复合肥。堆肥处理后的污泥能将污泥中的 难降解的有机物分解，并能杀灭污泥中的致病菌，进一步增加污泥中有机质的含量，提 高污泥农用的效果和安全性【12 1 。 污泥的土地利用已经成为世界上处置污泥的一种主要方式。欧共体将污泥视为一种 资源，因此要求其成员国从资源利用的角度鼓励农用，限制填埋。自1 9 8 9 年以来，污 泥农用在其成员国中己相当普遍。目前卢森堡、丹麦和法国主要以污泥农用为主，爱尔 兰、芬兰和葡萄牙等国家污泥农用的比例还将增加。在英国一些大型工业城市，污泥主 要采取焚烧的方式，而其它城市则以土地利用为主。 我国是一个发展中的国家，又是一个农业大国，相对其它污泥处置方式而言，城市 污泥的土地利用更符合我国国情。因此，污泥的土地利用在我国一直是一种重要的污泥 处置方式，起步也较早，北京高碑店污水处理厂的污泥1 9 6 1 年即被附近的农民施用于 土地。近年来，随着污水处理事业的飞速发展，污泥产量逐年增加，污泥农用的规模也 逐步扩大。但是，因为没有完善的污泥农用技术规范，以及针对我国污泥成分的定量统 计及分析。大多数施用者对污泥的施用方法，还存在盲目性和任意性。污泥富含营养物 质，但污水生化处理过程所产生的污泥中也存在大量病毒、细菌和寄生虫及铜、镉等有 毒重金属物质。这些物质在污泥农用过程中会对土壤造成污染，如果污泥处置不当，这 些物质进入人类的食物链必然导致疾病的传播。因此，污泥土地利用的一个原则是施用 污泥中的有害成分不能超过受施土壤的环境容量。欧盟、美国及日本的污泥产生量和处 置方法见表1 1 。 1 2 1 6 污泥的其它资源化利用途径 詹莉【1 3 】等人利用生化污泥和原煤为主原料，与固硫剂、粘结剂、除异味剂掺合制成 4 长安大学硕- l 学位论文 表1 1 欧盟、美国及日本近年的污泥产量和主要处置方法 注：引自邓晓琳等，上海城市污水处理j 的污泥处置途径探讨，中国给水排水， 2 0 0 0 的污泥型煤，具有燃点低、温度高、起火快、热值高、污染少等优点。污泥也被广泛作 为建筑材料用于制砖及替代石灰石用作水泥原料。南开大学陈春云等人【1 4 】将城市污水处 理厂剩余活性污泥改性后与干污泥、热解污泥制成吸附剂，对深棕m 和酸性媒介棕r h 等染料有很好的吸附能力。而剩余污泥良好的吸附性能在日本早已被重视，并被规模化 的用于加工成活性炭。由于污泥中含有大量有价值的有机质( 蛋白质和脂肪酸等) ，被认 为是一种非常好的饲料蛋白，因此，人们也提出了用污泥制动物饲料的想法【1 5 】。但是如 何将污泥中的营养成分转化为饲料蛋白，长期利用污泥蛋白产生的有毒物质在动物体内 的累积，造成的潜在危害和长远影响都还有待于进一步研究 1 2 2 城市污泥农用存在的问题 污泥用作肥料，可以减少化肥施用量，从而降低农业成本，减少化肥对环境的污染。 但是，由于污水种类繁多，性质各异，各污水厂的污泥成分就更加复杂。在污泥中，除 含有对植物有益的成分外，还可能含有盐类，酚、氰、苯并芘等多种有机物及c u 、c r 、 镉、汞、镍、砷等重金属物质。当污泥施用量和有害物质含量超过土壤的净化能力时， 就可能污染土壤，危害作物生长，使农产品质量降低，甚至在农产品中的残留物超过卫 生标准，给生态环境安全和人类健康带来风险。 污泥中造成土壤污染的有害物质，主要是重金属元素。由于其具有难迁移、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。重金属进入土壤后，首先会对 土壤中的微生物产生影响。微生物与植物所需养分的生物化学循环和有机碳的转换密切 相关，是土壤肥力的一个重要指标。当地球化学指标不能对污染物影响土壤生态系统做 出有效评价时，微生物学指标可以预示潜在性有毒物质对土壤肥力的影响。污泥中的微 生物会使土壤的微生物生物量、呼吸速率发生显著变化。施用污泥会使土壤微生物种群 结构发生改变。虽然目前在污泥施用对土壤中微生物种类和微生物活性的影响方面进行 了广泛的研究，但是在污泥农用对土壤微生物生态系统风险评价中还缺乏有效的生物学 指标。 第一章综述 其次，污泥中的重金属会对土壤酶产生影响。土壤酶对环境因素引起的变化较为敏 感，因此土壤酶活性在一定程度上可以反映出环境状况。某些污染物的存在能抑制土壤 酶活性，如脲酶和脱氢酶活性对某些重金属的反应很敏感。谭启玲等【7 】的研究表明，污 泥的施用能增加潮土中脲酶的活性，多酚氧化酶及中性磷酸酶的活性与与土壤中交换态 z n 、c u 含量呈一定负相关。刘云国等【1 7 】则发现，土壤脲酶活性随土壤c d 浓度的增加 而降低，脲酶活性与土壤c d 浓度显著负相关。 污泥中的重金属也会对土壤中的蚯蚓产生影响。有关研究发现【1 8 】，与对照处理相比， 施用污泥的土壤中蚯蚓体内c u 和z n 的含量要明显增加，而蚯蚓体内重金属含量的增加 会明显降低其繁殖能力。目前对土壤其它动物的研究还很缺乏，应加强这方面的科学研 究。 进入土壤的重金属也会对作物产生影响。辛玉玲【1 9 】发现，高浓度的金属铬会对黑麦 的叶绿素，生物量产生大的影响。植物对重金属的吸收受到土壤条件、重金属形态、植 物类型等多种因素的影响，因此不能简单只从土壤重金属的总量角度来研究。重金属植 物有效性是一个涉及物理、化学、生物等许多因素的交叉研究课题。污泥中重金属的活 性既不同于土壤中原有的重金属，又不同于以无机盐形式加入的重金属，其在土壤中的 形态转化和植物有效性更带有本身的复杂性，需要更深入细致的研究。 被植物吸收利用的重金属必然会通过食物链最终进入人体，进而对人类造成危害。 为此，欧美国家根据各自的具体情况对城市污泥土地利用都采取了一定的措施。英国对 土地利用的污泥有严格的规定，包括污泥中各项有毒有害物质和p h 值及土地类型及其 性质的测定；污泥经无害化、卫生化、稳定化处理后的各项指标值和适用的土地范围。 奥地利则通过对重金属和工业废水的源头控制，使污泥中重金属如汞、镉和铅等的浓度 显著下降，大大改善了污泥农用的可行性。而美国联邦政府将污泥分为a 和b 两大类： 经脱水、高温堆肥无菌化处理后，各项有毒有害物指标达到环境允许标准的为a 类，可 用作肥料、园林植土和生活垃圾填埋坑覆盖土等多种用途；经脱水或部分脱水简单处理 的为b 类污泥，只可用于林业用土，不能直接用于改良耕地【2 0 1 。 我国农用污泥中污染物控制标准( g b 4 2 8 4 8 4 ) 2 1 】中规定了可在农田中施用的 城市污水处理厂污泥中污染物( 如c d 、h g 、a 1 、c r 、a s 、b 、c u 、z n 、n i 、矿物油、 苯并( a ) 芘) 的控制标准。在2 0 0 2 年发布的城市污水处理厂污染物排放标准 ( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中提高了用于农用的污泥中金属g u 和z n 的限量，并增加了对病虫 卵、有害病菌及部分多氯化物、可吸附有机卤化物的限值规定。 6 长安大学硕士学位论文 1 3 研究内容 通过添加不同施用量的污泥，利用油麦菜盆栽试验，分别进行以下3 个方面的研究： ( 1 ) 采集供试污泥和土壤，并对污泥和土壤中的营养成分和毒性较强的重金属元 素c u 、z n 、p b 、c d 、n i 进行测定，通过比较探讨污泥农用的可行性。 ( 2 ) 通过盆栽试验测定油麦菜的出芽率、叶绿素、根活性等各项生理指标和含水 率、可溶性糖、可溶性蛋白含量等品质指标，以探索不同污泥施用量下对油麦菜生长的 影响，预测和评价污泥的肥效和对油麦菜生长的毒性效应。 ( 3 ) 通过第二季油麦菜残效试验，对污泥农用的毒性残效进行研究。 1 4 本研究拟解决的主要问题及创新点 通过研究不同施用量的污泥对油麦菜各项生理指标和品质指标的影响，来探讨污泥 的最佳施用量。 本文的创新之处在于对污泥农用的生物残效进行了研究，其具有更大的理论意义和 实际价值。 1 5 研究技术路线 本项研究技术路线如图1 1 所示。 7 第一章综述 i 结果与讨论 上 结论 图1 1 技术路线 8 长安大学硕士学位论文 第二章城市污泥的特点及其利用价值 2 1 城市污泥的定义 城市污泥( s w e g a es l u d g e ) 是由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其 复杂的非均质体2 2 1 ，是城市污水处理厂处理污水过程中产生的固体废弃物，是污水处理 厂的必然产物。1 9 9 9 年，世界水环境组织( w a t e re n v i r o n m e n tf e d e r a t i o n ，w e e ) 按其资源 化特性将城市污泥更名为“生物固体 ( b i o s o l i d s ) ，其确切含义为：“一种能够有效利用 的富含有机质的城市污染产物t 2 3 】。 “生物固体 概念的提出，肯定了绝大多数城市污水污泥可资源化的特性，使其更 容易被公众接受，以便更好地被重新利用，参与生态系统物质循环，走上人类社会与生 态系统的和谐共处与可持续发展轨道，这在一定程度上标志着人们对城市污水污泥处理 与处置观念的转变和成熟1 2 3 。 但目前我国对污泥还没统一命名，仍将其统称为污水污泥。 2 2 污泥的产生量 城市污泥的产生量是指各种城市污水净化处理后排出的污泥量。因为世界各国污水 的处理率和处理水平相差很大，所以污泥的产生量一般都是根据污水处理量来大体估算 的。一般而言，城市污泥在污水处理过程中的产生量相当于污水体积的0 3 - 4 3 5 ( 指含 水率为9 7 的液体污泥) ，可折算为1 3 吨干污泥万吨污水。如果采用深度处理，污泥 量会更大。按这种方法估计，全球一年产生的干污泥量可高达l 亿吨。城市污泥的产生 量与城市发展水平息息相关，随着城市发展水平的进一步提升，城市污泥产量也趋于增 加。 近几年，我国污水处理技术、污水处理产业发展较快。据统计，我国城市污水年排 放量、污水年处理量及污水处理率逐步提高，截止2 0 1 0 年，全国城镇累计建成污水处 理厂已近2 0 0 0 座，总处理能力已超过l 亿立方米日。按万吨污水产2 吨干污泥算，我 国2 0 0 9 年将产干污泥近6 0 0 余万吨【l 】。根据预测，到2 0 1 5 年城市污水处理率将超过6 0 ， 湿污泥产量将达到1 1 7 1 9 5 亿立方米，若进行深度处理，则污泥产量还会近一步提高。 如对污泥不加以有效处置和利用，会对环境造成严重的影响。因此，如何合理地处理、 处置城市污泥以及污泥的资源化利用问题显得越来越严重。 9 第二章城市污泥的特点及其利用价值 截止2 0 1 0 年，西安市区共有4 座污水处理厂运行，可实际日处理污水5 4 万t ，日 产污泥2 0 0 0 余吨。目前全部填埋。 2 3 污泥的性质和特点 城市污水处理厂污泥一般由四部分物质组成：具有代谢功能活性的微生物群体， 微生物( 主要是细菌) 内代谢、自身氧化的残留物，由原污水挟入的难降解的惰性有 机物，由污水挟入的无机物质。 2 3 1 城市污泥的性质 城市污泥的物理性质对污泥的预处理过程有明显的影响，表征污泥物理性质的常用 指标有含水( 固) 率、密度、颜色、气味等。不同类别城市污泥由于组成不同，物理性质 有较大的差异【2 4 1 ，表2 1 表述了城市污水厂不同工艺环节以及不同工艺产生的污泥的基 本物理性质。 表2 1 污水污泥的物理性质 污泥( 包括i 古| 体)特性 栅渣含水率一般为8 0 ，容重约为0 9 6 t m 3 ： 一 初沉池污泥通常为灰色糊状物，有难闻气味，含水率约 初况污泥 为9 2 9 8 ，污泥固体密度为1 4 t ，m 3 ，容重为1 0 2 伽3 ； 壬| 吐活汩 活性污泥通常为灰色絮状物，运行良好的活性污泥一般无特殊气味，含 帼工门帕 水率一般为9 9 0 0 - 9 9 5 ，固体密度为1 3 5 1 4 5 3 ，污泥容重为1 0 0 5 伽3 ； 生物滤池污泥褐色新鲜黑搿i 嚣麓凳淼0 型值为9 5 注：引自何品晶等，城市污泥处理和利用，科学出版社，2 0 0 3 城市污泥中的固体物质主要为胶质，结构复杂、与水的亲和力很强，因此污泥的含 水率很高，一般在9 6 9 9 ，而污泥的高含水率增加了污泥处理处置运输过程的难度。 污水的水质、絮凝剂的种类、污水处理工艺环节和工艺运行条件等因素都会对城市污水 厂污泥的含水率产生影响【2 5 1 。其含水率决定了其相态，含水率在9 0 以上污泥的几乎为 液体；含水率在8 0 9 0 时则多为粥状物；含水率在7 0 8 0 表现为柔软状；含水率在 6 0 , - - 7 0 时几乎为固体 2 4 1 。污泥是一种混和物，固体物质包括有机物和无机物，因此， 污泥的密度随其中的有机物和无机物的比例不同而变化。一般有机物的密度为1 0g m 3 ， 无机物的密度为2 5g m 3 。 2 3 2 城市污泥的营养成分及可利用性 城市污泥中含有丰富的氮、磷、钾和有机质，但不同地区城市污泥的养分含量相差 1 0 长安大学硕上学位论文 很大【2 们，我国城市污泥的有机质含量为2 6 2 - - , 6 9 6g k g ，总氮含量为2 5 - 5 1 6 9 k g ，总磷 含量为2 2 4 6 1g l ( g ，总钾含量为3 2 - 1 2 5g k g ，我国城市污泥含有较高的有机质和矿 质营养，甚至高于一般的农家肥( 猪厩肥干物质中平均含氮1 6 3g k g 、磷3 0g k g ，牛厩 肥中平均含氮1 5 1g k g 、磷3 1g l ( g ) 。所以污泥总体而言是一种富含有机质( 但c n 较 低，一般低于1 0 ) 、高氮、高磷而低钾的有机肥，其养分含量高于一般的禽畜粪便，矿 化速度也比农家肥迅速【2 7 】。 国内外许多学者对城市污泥的土地利用情况进行了大量的研究，并充分肯定了污泥 的土地利用效果。城市污泥不仅可以作为土壤改良剂以改善土壤结构，提高保水性能和 保肥能力，而且可作为有机肥，使施用作物增产，其效用与农家肥相当f 2 8 】 2 3 3 城市污泥中的有害物质 2 3 3 1 有害重金属 限制污泥农用的主要因素是其中的重金属。根据重金属对农业环境污染程度而分为 两类。一类对植物的影响相对小些，也很少被植物吸收，如铁、铅、硒、铝；另一类污 染比较广泛，对植物的毒害作用中，在植物体内迁移性强；有些对人体的危害大，如镉、 铜、锌、汞、铬等。 农田被重金属元素污染后，会造成土壤板结、含毒量过高、作物生长不良，严重的 甚至没有收成。重金属会影响植物根部供水和蒸腾作用；导致植物的细胞无法正常生长； 光合过程受到抑制。重金属对植物体产生毒性的生物学途径可能有以下几个方面 2 9 1 ： 大量的重金属离子进入植物内，干扰了离子间原有的平衡系统，造成正常离子的吸收、 运输、渗透和调节等方面的障碍，从而使代谢过程紊乱；较多的重金属离子进入植物 体后，不仅与核酸、蛋白质和酶等大分子物质结合，而且还可取代某些酶和蛋白质行使 其功能时所必需的特定元素，使其变性或活性降低。另外，某些重金属胁迫能抑制植物 体内一些保护酶的活性，导致大量的活性氧自由基产生，而自由基能损伤主要的生物大 分子( 如蛋白质和核酸) ，引起膜脂过氧化，这也可能是植物受重金属毒害的机理之一。 城市污水中的重金属主要来源于冶炼、化工、电镀、金属表面处理、农药、电子等 工矿企业的废水。不同的城市污泥重金属种类差异不大，一般都含c d 、h g 、p b 、c r 、 a s 、n i 、z n 、c u 等重金属元素，但由于污水来源不同，其含量差异较大1 3 0 】【3 1 】【3 2 】。 有关资料对英国4 2 个污水处理厂污泥中重金属含量的统计发现，z n 含量为 7 0 0 - - 4 9 0 0 m g k g ，c u 含量为2 0 0 0 8 0 0 0m g k g ，c d 含量为6 0 15 0 0m g k g 、p b 含量为 1 2 0 3 0 0 0m g k g t 2 引。陈同斌等1 1 1 对中国1 9 9 4 - - 2 0 0 1 年一些城市污泥重金属的数据资料统 第二章城市污泥的特点及其利用价值 计发现，中国城市污泥中重金属的含量变化幅度很大( 表2 2 ) ，极差最高达几千m g k g ； 含量最高的元素是z n ，均值达1 4 5 0m g k g ，其次是c u ，再次是c r 。相比而言，我国污 泥重金属含量普遍低于欧美等城市污泥