城市污泥的成分分析与利用探讨论文

城市污泥的成分分析与利用探讨Component Analysis and Utilization of Municipal Sludge 毕业设计(论文)任务书毕业设计（论文）题目：城市污泥的成分分析与利用探讨基本内容：(1)选取沈阳市沈水湾污水处理厂、沈阳北部污水处理厂和仙女河污水处理厂的脱水污泥，对其进行相关的化学分析，测定含水率、pH、总碱度、可溶性氮磷钾盐、重金属等。(2)分别对脱水污泥干燥基进行工业分析，测定其水分、挥发分、灰分、固定碳含量等。(3)就污泥燃料化方面进行探索，干化污泥与煤粉按不同比例混合，测定混合燃料的发热量。(4)根据城市污泥的成分分析，探讨其利用途径，包括土地利用、建材化利用、燃料化等方面，为污泥的合理利用提供有益指导。毕业设计（论文）专题部分：题目：基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目日期第周指导教师签字：年月日III 城市污泥的成分分析与利用探讨摘要随着国内污水处理事业的发展，污水厂总处理水量和处理程度将不断扩大和提高，产生的污泥量日益增加，污泥的处置利用问题日益突出。本文分析了我国污泥处理处置及资源化利用的现状，分别对沈阳市沈水湾污水处理厂、北部污水处理厂、仙女河污水处理厂脱水污泥的成分进行了分析测定，并探讨了城市污泥的利用途径。实验测定了城市脱水污泥成分，含水率在70%80%，有机物含量高，氮、磷、钾等肥分丰富，但含有多种重金属、病原微生物等。污泥成分复杂，通过分析测定为污泥的处置利用提供参考数据。城市污泥具有一定的热值，根据实验测定，研究其发热量对煤等燃料的贡献，可知具有潜在的经济效益和社会效益。城市污泥是一种有价值的资源，可变废为宝，本文通过探讨土地利用（农用肥料、园林绿化、土地修复与改良）、建材利用（制砖、制水泥、制陶粒、作混凝土填料）、燃料化（热利用）等多种利用途径，分析了各种利用方法存在的利弊，为其资源化综合利用提供有益的参考，以达到经济利益、社会利益和生态利益的统一。关键词：城市污泥，成分分析，土地利用，建材利用，燃料 Component Analysis and Utilization of Municipal SludgeAbstractWith the development of domestic sewage treatment, the total capacity of treated sewage and the treatment level in wastewater plants will continue expanding and advancing, and at the same time the capacity of sewage is increasing, and then the problem of sludges utilization becomes increasingly prominent. This paper analyzes the status quo of the sludges disposal and utilization, and the ingredients of dewatered sludge were measured and analyzed respectively in sewage treatment plants of Shenshuiwan, Beibu and Xiannv River located in Shenyang, to explore the Utilization of municipal sludge.This paper focus on determination of the municipal sludge composition，such as moisture content 70% 80%, high content of organic matter, and the sludge contains nitrogen, phosphorus, potassium and other fertilizer, but it contains many heavy metals and pathogenic microorganisms. Because of complex components of municipal sludge, reference data is provided for sludge disposal and utilization by analysis of sludge determination. City dehydrated sludge has a calorific value, and we can see the potential economic and social benefits by the experimental determination of its contributions of calorific value to coal and other fuels.Sewage sludge is a valuable resource, and can be profitable. The paper investigates a variety of utilization ways such as land use (agricultural fertilizers, landscaping, land restoration and improvement), building materials (brick, manufacturing cement, ceramic, for concrete fill) and fuel-based (thermal), and analyzes merits or demerits of these utilization ways, in order to achieve a unity of economic interests, social interests and ecological interests.Keywords: municipal sludge, component analysis, land use, building materials, fuel 目录毕业设计(论文)任务书I摘要IIAbstractIII第一章 绪论11.1我国城市污泥处理现状与问题11.1.1城市污泥处理现状11.1.2城市污泥处理处置存在的问题21.2国外污泥处理处置与利用状况31.3本课题研究的目的及意义41.4本课题主要工作4第二章 城市污泥的成分分析与测定52.1污泥含水率的测定52.2总碱度及pH值的测定62.2.1总碱度指示剂滴定法62.2.2 pH电极法72.3有机物82.4氮、磷、钾92.5重金属102.6微生物142.7黏土质14第三章 城市污泥利用探讨153.1污泥的土地利用153.1.1污泥用于制作农用肥料153.1.2污泥用于园林绿化163.1.3污泥用于土地修复与改良163.2污泥的建材利用173.2.1污泥制砖183.2.2污泥制水泥193.2.3污泥制陶粒等轻质材料193.2.4污泥作混凝土混料的细填料203.3污泥燃料化利用（热利用）213.4其他方面的利用263.4.1污泥制动物饲料263.4.2污泥制生化纤维板263.4.3污泥制可降解塑料263.4.4污泥改性制吸附剂26第四章 结论27参考文献28致谢30附录31 第一章 绪论1.1我国城市污泥处理现状与问题1.1.1城市污泥处理现状随着污水处理率的提高，污泥产量也不断增加，污泥的处理处置问题愈加突出。据统计,我国目前污水排放量为1.09108 m3/d，每天所产生的污泥量约为处理量的0.5%1.0%；不同规模、不同程度的城市污水处理厂427座，其中二级处理厂282座，处理率约为15%1。据估算，目前我国城市污水处理厂每年排放的污泥量（干重）大约为130万吨，而且年增长率大于10%，特别是在我国城市化水平较高的几个城市与地区，污泥出路问题已经十分突出。如果城市污水全部得到处理，则将产生污泥量（干重）840万吨，占我国总固体废弃物的3.2%2。 图1.1 污泥处置技术在我国所占的比例图1.1为几种污泥处置技术在我国所占的比例。从图1.1中可以看出，我国污泥农用约占13.51，综合利用约占5.41，陆地填埋约占63.06，露天堆放约占1.80，外运约占14.42，焚烧约占1.80。其中，卫生填埋仍是污泥处置的主要途径3。目前我国城市污泥的处置工序主要分三步。首先，污水处理厂产生的污泥在厂区完成简单的稳定脱水处理；然后，污泥被运到污泥销纳中心进行中转；最后，一部分用作有机肥的污泥被送往田地，大部分被运往垃圾填埋场填埋。按照目前的处理方法，污泥仍然存在污染隐患。因为经过简单处理后的污泥，稳定状态很容易被打破，一场雨就可以使污泥恢复原形。用作有机肥的部分，没有经过专门处理的污泥中虽然含有部分有机质，但其中含有的重金属、病原菌和其他长效有机污染物都会对土壤产生危害，并且使作物的品质受到严重影响。在一些地方随意施用污泥肥已经导致土地盐害、烧苗和病虫害等问题。填埋法的问题是，由于垃圾填埋场大多为露天，经过几场雨后恢复原形的污泥就对场地的安全构成严重的危害。雨水使露天堆放的污泥涨成了浑浊的稀汤，褐色的污水混着污泥在场区到处蔓延，污染到不远处农户的田地。这样，不仅污泥到处蔓延，污泥对垃圾填埋场防护设施的腐蚀渗透现象也很严重，垃圾填埋场的寿命被大大缩短。这样的情景在全国并不新鲜，中国科学院地理科学与资源研究所研究员、国际水质协会污泥管理专业委员会城市污泥堆肥处理专家陈同斌说，城市污水处理厂成为污染大户。1.1.2城市污泥处理处置存在的问题国内的污泥处置存在严重的问题，对环境带来巨大危害。污泥散发的臭气污染严重，病原菌对人类健康产生潜在的威胁，重金属和有毒有害有机物污染地表和地下水系统。污泥的处理和处置技术起步较晚，而且对污泥处理、处置重视不够。在全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1/10，能够正常运行的为数不多，消化、脱水后的污泥一部分被运送到附近农村的农田、林场、菜地和果园当作肥料使用，另一部分露天堆放风干，然后外弃或进行简易的填埋处理2。其中存在许多问题，主要表现在以下几个主要方面：(1)污泥处理率低，工艺不完善。我国存在着重废水处理，轻污泥处理的倾向。随着我国城市污水处理设施的普及，处理率的提高和处理程度的深化，污泥的产生量将有较大的增长，大量未经稳定处理的污泥没有正常出路，不但成为污水处理厂的沉重负担，而且污泥的任意排放和堆放对周围环境又造成新的污染。污泥的处理处置已迫在眉捷。(2)污泥处理技术设备落后。当前我国有些污水处理厂所采用的污泥处理技术已经是发达国家所摈弃的技术，而且有些污泥处理技术根本不合乎国内的污水污泥特性。污泥处理设备也比较落后，性能差，效率低。因此，限制了我国污泥处理技术的提高。(3)污泥处理管理水平低。在我国大部分污水厂的管理人员和操作人员的素质较低，缺乏经验。因此，提高污水处理厂的管理水平，早日实现科学管理是保证污水处理厂污泥系统长期运转的关键。(4)污泥处理设计水平低。在污泥处理方面，我国还缺乏设计经验和实践经验，尤其是污泥处理系统的整体水平还比较低，从已建成的污水处理厂污水处理装置看，运行工况不佳，不能保证长期运行。(5)污泥处理投资低。国内污水厂污泥处理处置费用约占工程投资和运行费的24%45%，而美国及欧洲等发达国家污泥处理投资已占污水处理厂总投资的50%70%。由于污水处理厂污泥处理处置高昂的投资及其运行费用，使得国内大部分污水处理厂未对污泥进行稳定处理或处理工艺的配套设施不完善，也有些建有完善污泥处理设施的污水处理厂因其运行费用较高而难以正常运行。我国的城市污泥不仅体积和数量大，而且成分复杂，采用国外现有的污泥处理和处置方法并不能有效彻底解决污泥二次污染问题，因此，如何从我国的实际情况出发，开辟符合我国国情的污泥无害化、减量化、资源化处理新途径，是我们努力的目标4。1.2国外污泥处理处置与利用状况表1.1 世界各国污泥产生量和最终处置情况国家处置方法/%产量(干污泥)(亿ta-1)土地利用陆地填埋焚烧海洋倾弃奥地利比利时丹麦法国德国希腊爱尔兰意大利卢森堡荷兰葡萄牙西班牙瑞典瑞士英国美国日本133137502532834814480104550554195656335063971855185313505530817353192801200110301002072255042000540107300030201320075130700250001502480001528220028018021511076900171发达国家从20世纪60年代开始，就对大量产生的城市污泥进行了有关安全处理和处置方面的研究，他们根据各国自身的实际情况，通过不断的工程实践，逐步建立了相应的污泥处理和处置方法，归纳起来主要有四种方法，即卫生填埋、土地利用、焚烧和投海4。表1.1是世界各国污泥产生量和最终处置情况5。由表1.1可以看出，农用和陆地填埋是大多数国家污泥处置的最主要方法。近年来，随着污泥农用标准(特别是合成有机物和重金属含量等)的逐渐提高，许多国家如德国、意大利、西班牙等，污泥农用的比例不断降低，而污泥填埋的比例呈增加趋势。但也有一些国家如美国、英国、卢森堡等，污泥农用的比例呈增加趋势，填埋呈减少趋势3。总之，在大多数国家中，特别是发展中国家土地利用和填埋仍是污泥处置的主要途径，而随着可填埋范围的日益减少，土地利用将是一个主要的发展方向。我国是一个发展中的国家，又是一个农业大国，城市污水污泥的土地利用应是一项重要的途径。1.3本课题研究的目的及意义 污泥是放错位置的资源。污泥是一类危害性极大的固体废弃物，如不加彻底的处理与控制，将会对环境造成严重的二次污染。污泥本身的复杂特性决定了污泥处理技术的复杂性，而污泥工程化处理的研究在我国还处于探索阶段。为了执行环保基本国策实施可持续发展战略，解决我国的环境问题，更好的利用污泥这种潜在的资源。本文就城市脱水污泥的成分进行分析研究，并对其利用途径进行了深入探讨。根据减量化(Reduce ) 、再利用(Reuse) 、资源化(Recycle) 的“三R”原则，从我国的实际情况出发，选择合理的污泥处理处置技术。利用污泥来为现代化建设服务，变废为宝，在减少环境污染的同时，更发挥其的商品价值。针对这些，开辟一条符合我国国情的污泥无害化、减量化、资源化处理的新途径势在必行。因此，本课题研究具有经济效益和社会效益。1.4本课题主要工作 (1)选取沈阳市沈水湾污水处理厂、沈阳北部污水处理厂和仙女河污水处理厂的脱水污泥，对其进行相关的化学分析，测定含水率、pH、总碱度、可溶性氮磷钾盐、重金属等。(2)分别对脱水污泥干燥基进行工业分析，测定其水分、挥发分、灰分、含硫量等。(3)就污泥燃料化方面进行探索，干化污泥与煤粉按不同比例混合，测定混合燃料的发热量。(4)根据城市污泥的成分分析，探讨其利用途径，包括土地利用、建材化利用、燃料化等方面，为污泥的合理利用提供有益指导。62 第二章 城市污泥的成分分析与测定准确测定污泥中的各项成分，对污泥处置和资源化工艺的选择，设计参数的确定，以及构筑物的运行管理具有十分重要的意义。因此，本章参照中华人民共和国城镇建设行业标准（CJ/2212005）中的城市污水处理厂污泥检验方法分析测定了城市污泥的成分，并根据其成分测定简要介绍相关的污泥处置和资源化技术。本课题研究的城市污泥分别来自沈阳市沈水湾污水处理厂、沈阳北部污水处理厂和仙女河污水处理厂的脱水污泥。2.1污泥含水率的测定污泥的含水率的测定采用重量法，即将均匀的污泥样品放在称至恒重的蒸发皿中于水浴上蒸干，放在103105烘箱内烘至恒重，减少的重量以百分率计为污泥含水率。将来自三个污水处理厂的脱水污泥剔除各类大型纤维杂质和大小碎石块等无机杂质，采样后应尽快分析。用已恒重为m1的蒸发皿称取经捣碎均匀的污泥样品约20g(精度为0.001g)记为m，直接放入103105烘箱中干燥2h，取出放入干燥器中冷却至室温，称重，反复多次，直至恒重记为m2。污泥含水率的数值以%表示，按(2-1)计算（计算结果表示至小数点后一位）。(2-1)式(2-1)中：m称取污泥样品质量，g；m1恒重空蒸发皿质量，g；m2恒重后蒸发皿加恒重后污泥样品质量，g。实验结果见表2.1。实验测得的沈阳沈水湾、北部、仙女河污水处理厂的脱水污泥的含水率分别为76.0%、83.6%、76.4%，三者的结果都符合城市脱水污泥的要求。表2.1 脱水污泥含水率测定结果污水处理厂编号m(g)m1(g)m2(g)(%)平均值(%)沈水湾1#20.01146.42851.22176.076.02#20.08846.70551.54675.9北部3#20.00146.43149.69583.783.64#20.00047.69650.97683.6仙女河5#20.00646.41951.24075.976.46#20.00947.72052.36276.82.2总碱度及pH值的测定2.2.1总碱度指示剂滴定法指示剂滴定法测定污泥总碱度的实验原理：用无二氧化碳蒸馏水浸泡振荡污泥样品，过滤，得到浸出液用标准酸溶液滴定浸出液至规定的pH值，其终点可由加入的酸碱混合指示剂溴甲酚绿甲基红在该pH值的颜色变化来判断。当滴定至混合指示剂由绿色变成微红色时，溶液的pH值为4.44.5，浸出液中的氢氧根离子（OH-），重碳酸盐和碳酸盐均已被中和。化学反应如下：OH-+H+H2OCO3-2+H+HCO3-HCO3-+H+H2O +CO2根据终点时所消耗的盐酸标准滴定液的量计算出总碱度。实验主要试剂：无二氧化碳水、溴甲酚绿甲基红混合（3:1）指示剂、盐酸（1.19g/ml分析纯）、碳酸钠标准溶液c(1/2Na2CO3)=0.0250mol/L、盐酸标准溶液c(HCl)=0.0250mol/L，主要仪器：酸式滴定管（25ml或50ml）、锥形瓶（250ml）、布氏漏斗、振荡器。称取20g至50g（视污泥的总碱度而定），准确至0.01g，记为m，将样品至于广口瓶中，按泥水比1:15（质量分数）准确加入无二氧化碳蒸馏水，记录加入到污泥中的水量，剧烈振荡10min，静止30min后用中速滤纸过滤上层水层得到过滤液。取待测滤液25.0ml（V）于锥形瓶中，加水至约50ml，加入3滴混合指示剂，摇匀，用盐酸标准溶液滴定溶液由绿色经灰色到刚出现微红色为止，记录盐酸标准液的用量（V2）。另取无二氧化碳蒸馏水进行空白实验，记录盐酸标准溶液的体积（V1）。总碱度以氧化钙（CaO）或碳酸钙（CaCO3）的质量分数计，数值以毫克每千克（mg/kg）表示，按公式(2-2)计算（计算结果表示到小数点后两位）：(2-2)式(2-2)中：c盐酸标准溶液浓度，mol/L；V2滴定样品试液所需盐酸标准溶液的用量，ml；V1滴定空白试液所需盐酸标准溶液的用量，ml；M氧化钙（1/2CaO）或碳酸钙（1/2CaCO3）摩尔质量，g/mol，（M=28.04或52.05）；V0加入到污泥中的水量和污泥的含水量，ml；m称取污泥样品质量，g；V量取待测溶液体积，ml。总碱度以氧化钙（CaO）的质量分数（mg/kg）计，其中盐酸标准溶液的浓度值经标定为0.0252mol/L，公式中V0=300ml，V=25ml，含水率f为表2.1的平均值。实验结果如表2.2所示。表2.2 脱水污泥总碱度实验结果污水处理厂编号V2(ml)V1(ml)M(g)f(mg/kg)平均值( mg/kg)沈水湾1#3.550.1620.040.7605975.365966.542#3.545957.73北部3#2.260.2020.010.8365324.085349.934#2.285375.77仙女河5#4.940.1420.080.7648589.098553.306#4.908517.51实验测得的沈阳沈水湾、北部、仙女河污水处理厂的脱水污泥的总碱度以氧化钙（CaO）的质量分数（mg/kg）计分别为5966.54 mg/kg、5349.93 mg/kg、8553.30 mg/kg。2.2.2 pH电极法电极法测定污泥pH的原理：pH值由测量电池的电动势得到，以玻璃电极为指示电极，饱和甘汞电极为参比电极组成电池。在25条件下，溶液中每变化1个pH单位，电位差改变为59.16mV，据此在仪器上直接以pH的读数表示，温度差异在仪器上设有补偿装置。用无二氧化碳水浸泡污泥样品，最终使污泥中的H+完全转化至水中，达到液固平衡后，测定此时的pH值。实验主要仪器：pH酸度计、复合电极、振荡器、离心机。将样品进行预处理，称取脱水污泥样品5.00g置于150ml具塞磨口锥形瓶中，加入50ml无二氧化碳水浸泡，密封，置于往复式振荡器上于室温振荡4h后进行离心，离心5min后取上清液用于pH值测定。测定结果一般情况下保留一位小数。实验结果如表2.3所示。表2.3 脱水污泥pH实验结果污水处理厂编号pHpH平均值沈水湾1#6.896.872#6.85北部3#7.337.344#7.34仙女河5#5.695.736#5.78实验测得的沈阳沈水湾、北部、仙女河污水处理厂的脱水污泥的pH值分别为6.9、7.3、5.7。2.3有机物有机物含量是指污泥中有机物总量的综合指标，它是污水中各种有机污染颗粒的总和。测定有机物总含量的原理：将混合均匀的污泥样品放在称至恒重的瓷坩埚内，先将水分大的样品放置于水浴锅上蒸干，然后放进烘箱内烘至恒重，干燥样品直接放入恒温烘箱至恒重，再将它放进马弗炉内灼烧，根据公式计算有机物含量。用有机物含量可以间接评价污水中有机物污染的程度，对污泥的处理及利用也具有重要意义。实验测定样品应剔除各类大型纤维杂质和大小碎石块等无机杂质，用恒重为m1的瓷坩埚在天平上称取约10g的样品，将其移入烘箱内103105烘干2h，取出放入干燥器内冷却0.5h后称重，反复几次直到恒重为m2。将烘干后的样品和瓷坩埚放入马弗炉中（55050）灼烧1h，关掉电源，待炉内温度降至200左右时取出，放入干燥器中，冷却后称重为m3。计算污泥中有机物含量的数值，以%表示，按式（3）计算（计算结果表示到小数点后两位）。 (2-3)式（2-3）中：m1恒重瓷坩埚的质量，g；m2恒重瓷坩埚加烘干后样品的质量，g；m3恒重瓷坩埚加灼烧后样品的质量，g。实验结果如表2.4所示。表2.4 脱水污泥有机物含量实验结果污水处理厂编号m1(g)m2(g)m3(g)(%)平均值(%)沈水湾1#24.62827.01425.650 572 5762#25.10327.477 26.100 580 北部3#24.59826.21825.220 616 6124#24.82726.46725.471 608 仙女河5#25.05927.46926.198 527 5236#24.87427.25426.019 519 实验测得的沈阳沈水湾、北部、仙女河污水处理厂的脱水污泥的有机物含量分别为57.6%、61.2%、52.3%，均在50%以上。污泥中的有机物主要是由碳构成的，此外还有少量的氢、氧、氮、硫和磷，主要包含蛋白质、碳水化合物和脂肪。作为营养物质，有机物可以促进腐殖质的形成，改变土壤的肥效、容重、聚集作用和孔隙率等；增加土壤的持水性和水力传导性；高有机物碳含量的污泥还可以为土壤提供可靠的氮源，增加聚集作用，有利于耕作，减少土壤的侵蚀和流失。作为燃料，有机物可以燃烧，进一步利用其热值6。2.4氮、磷、钾污泥中含有大量植物生长所必须的肥分（氮、磷和钾盐），有利于制肥。对脱水污泥进行预处理，103105烘干，研磨，使样品全部通过80目尼龙筛，混匀备用。委托本校中心化验室测得磷和钾的含量，并在辽宁省安全科技研究院测得氮的含量。三个污水处理厂脱水污泥干燥基所含肥分如表2.5所示。表2.5 污泥肥分表（%） 污水处理厂氮磷钾沈水湾4.930.900.84北部4.651.110.75仙女河3.540.560.73图2.1 污泥肥分（%）污泥中含有大量的有机营养成分和微量元素，施用于农田后会提高土地的氮、磷、钾等的浓度，增加土地的肥效，从而促进作物的生长。我国郭媚兰等人对污泥农田施用后对土壤的改良作用进行了研究，其盆栽和田间实验表明：施用污泥后，土壤中氮、磷、钾、总有机碳等营养成分及田间持水量、土壤团粒结构、土壤空隙度等都随污泥或污泥堆肥用量的增加而相应增加，土壤结构得到明显改善7。2.5重金属测定污泥中重金属的含量，其中铜、锌、铅和镉采用常压消解后原子吸收分光光度法测定，铬、镍、砷、硼和汞的含量委托本校中心化验室测定。实验部分：常压消解后原子吸收分光光度法测定铜、锌、铅、镉的含量。以锌及其化合物的测定为例加以详细介绍。实验原理：样品经硝酸-过氧化氢-盐酸常压消解，然后将消解液喷入空气-乙炔火焰中。在高温火焰下，锌化合物离解为基态原子，该基态原子蒸汽吸收从锌灯射出的特征波长的光，吸收度的大小与火焰中锌基态原子含量成正比，可从校准曲线查得被测元素锌的含量。主要试剂：硝酸（=1.42g/ml，优级纯）、硝酸溶液（体积浓度50%）、硝酸溶液（体积浓度0.2%）、硝酸溶液（体积浓度1%）、过氧化氢溶液（30%）、盐酸（=1.19g/ml，优级纯）、锌标准贮备液（Zn=1.000mg/ml）、锌标准使用液（Zn=10.00g/ml）、乙炔（纯度99.9%）。实验仪器：原子吸收分光光度计、锌空心阴极灯、空气压缩机、玻璃器皿（所有玻璃器皿均应经硝酸溶液（体积浓度20%）浸泡24h，用水反复冲洗，最后用去离子水洗净）、天平（感量0.0001g）、电热板、尼龙筛（80目至100目）、玛瑙研钵。采样：应采集具有代表性的污泥样品，将湿污泥样品平铺于瓷托盘上，用玻璃棒等压散，除去泥样中的石子和动植物残体等异物，混匀备用。污泥样品在烘箱内103105烘干，研磨，至全部通过尼龙筛，混匀备用。步骤：(1)样品试液的制备：称取0.1000g至0.3000g样品于聚四氟乙烯烧杯中。在通风橱内，向盛有样品的烧杯中加入1ml去离子水润湿样品，加入硝酸（体积浓度50%）10ml，盖上玻璃表面皿于电热板上加热10min。冷却后再加入5ml硝酸（=1.42g/ml，优级纯），盖上玻璃表面皿加热30min，此时的棕黄色烟雾为硝酸氧化样品所产生。重复此步骤，每次加硝酸5ml，直至无棕黄色烟雾产生，表示消化反应完成。冷却后加入少许去离子水及过氧化氢，加热进行过氧化反应。持续每次加入1ml过氧化氢，直至反应不再剧烈。注意加入过氧化氢总量不超过10ml。继续加热至溶液剩下5ml。冷却后加入10ml盐酸（=1.19g/ml，优级纯），盖上玻璃表面皿加热15min。冷却后加入40ml去离子水，加热煮沸至溶液剩下10ml。处理后的样品过滤定容至50ml容量瓶中，待测。(2)空白试液的制备：用去离子水代替式样，采用和(1)相同步骤和试剂，制备全程序空白溶液。(3)标准曲线的制备：在100ml容量瓶中，分别加入适量锌标准使用液，用硝酸溶液（体积浓度0.2%）稀释至标线，配制至少5个标准工作液。其各点浓度分别为：0mg/L、0.05 mg/L、0.10 mg/L、0.30 mg/L、0.50 mg/L、1.00 mg/L。(4)测定：按仪器使用说明书调节仪器至最佳工作条件，测定校准曲线系列溶液、空白试液及样品试液的吸光度。元素铜、铅、镉的测定方法与锌相同，各金属元素工作曲线如图2.2-2.5。图2.2 Cu标准曲线图2.3 Zn标准曲线图2.4 Pb标准曲线图2.5 Cd标准曲线此方法测得的污泥干燥基中重金属含量和中心化验室所测数据汇总于表2.6。表2.6 污泥重金属含量（%）污水处理厂ZnCuPbCdCrNiAsBHg沈水湾0.3010.0160.0060.00060.0190.0750.010.0120.01北部0.0380.0310.0110.00080.0230.0250.010.0120.01仙女河0.0280.1300.0100.00100.0150.0270.010.0150.01注：表中数据为占污泥干燥基百分比在污水处理过程中，70%90%的重金属元素通过吸附或沉淀转移到污泥中。一些重金属元素主要来源于工业排放的废水，如隔、铬；一些重金属来源于家庭生活的管道系统，如铜、锌等。由于污泥施用于土壤后，重金属将积累于地表层，通过食物链，在作物、动物以及人类体内积累，因此重金属是限制污泥大规模土地利用的重要因素8。2.6微生物大多数污水处理工艺会把污水中的致病微生物转移到污泥中，因此污泥中包含多种微生物群体，它们可以分类为细菌、放线菌、病毒、寄生虫、原生动物、轮虫和真菌，这些微生物中相当一部分是致病的6。未经过处理的污泥含有较多的病原微生物和寄生虫卵，在污泥应用中，它们可通过各种途径传播，污染土壤、空气、水源，并通过皮肤接触、呼吸和食物链危及人畜健康，也会在一定程度上加速植物病害的传播8。2.7黏土质污泥中的黏土质组分有利于污泥的建筑材料利用。一般情况下，城市污水厂污泥中含有20%30%的无机物，主要是硅、铁、铝和钙等氧化物，它们即使被焚烧了还会以焚烧灰的形式存在。表2.7对污泥焚烧灰成分、制砖和制水泥要求的成分进行了比较6。表2.7 污泥焚烧灰与制砖、制水泥要求的成分比较（%）项目SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO污泥焚烧6381.33.2制砖要求57894.020.62.06.60.313.10.10.6制水泥要求1824481860695由此可见，污泥焚烧灰的黏土质成分基本满足制砖和制水泥的要求。 第三章 城市污泥利用探讨随着城市污水处理事业的发展，作为污水处理过程的伴生物的污泥也日益增加，污泥的处置问题在城市污水处理中占有的位置将日益突出。针对这一问题，不同国家的解决方法是不尽相同的，同一国家不同地区也存在差异，因地制宜应该是污泥处理处置方式选择的基本思路和原则。我国地域辽阔，不同地区的自然环境、人文环境、产业结构和经济发展水平都不同，各地区应从自身特点出发，采取适宜的技术路线。本课题对城市污泥的利用途径进行探讨，包括土地利用、建材利用、热利用等方面，为污泥的资源化综合利用提供有益指导。3.1污泥的土地利用污泥的土地利用，有可能是最古老、最经济的处置方法。因为污泥中含有丰富的有机质和氮、磷、钾等植物生长所需的营养成分，是进行土地修复、农地利用、林地利用和园林绿化等的一种很好的材料。随着人们对污泥处理认识的不断提高，城市污泥的土地利用也日益受到重视，土地利用越来越被认为是一种积极、有效、有前途的污泥处置方式。3.1.1污泥用于制作农用肥料城市污泥中所含的大量有机质，具有改良土壤、培肥地力、抗旱和供肥平稳等特点，肥效比普通化肥时间长，而且对化肥中氮素具有一定的固定作用，使化肥带入的氮素缓慢释放，提高其养份利用效率。污泥直接施用于农田和牧场，南京农业大学和湖南农学院对田间施用污泥做了大量试验，发现施用污泥能显著增产，稻麦籽粒和秸秆平均增产分别为38%和41%，蔬菜可食用部分则平均增产11.7%。研究表明，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9。污泥堆肥土地利用与传统的污泥直接土地利用明显不同。在污泥堆肥化工艺方面，注重污泥堆肥前的预处理 ，研究堆肥基础理论 ( 动力学、微生物学) 及新工艺、反应器、影响堆肥因素、腐熟度指标等 ，了解生物相的构成及变化情况弄清堆肥 过程中降解有机物能力强的优势菌种及其条件等10。在我国，污泥堆肥主要有两种方式，一是污泥消化或污泥和垃圾等其他物质混合堆肥后农用；二是污泥经过堆肥发酵制成复合肥农用。前者采用中温厌氧消化处理，有产气率高、含水率低等优点，但该种方法由于病菌几乎没有减少，因此，推广中受到限制。而采用污泥经过堆肥发酵制成复合肥农用法，堆肥时一次发酵周期约为 710d 左右，二次发酵周期约为一个月左右，堆肥的最佳温度 50 65 。通过堆肥过程的生化反应，使污泥达到稳定化和无害化的要求，堆肥后无蚊蝇滋生，基本无臭味，外观呈较松散，已达到腐熟程度，既杀死了污泥中的有害细菌，又能提高其肥效。污泥堆肥可明显促进值物生长，使土壤的理化及生物学性质改善，在非食物链植物上施用污泥堆肥对环境的不良影响很小，只要控制好污泥中的不稳定成分，该方法具有很好的发展潜力11。3.1.2污泥用于园林绿化稳定后的污水污泥用于园林绿化有三个出路和途径：园林绿化介质土、园林绿化肥料和市民盆栽肥料。园林绿地施用污泥可促进树木、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。上海市曾经对稳定化污泥施用于园林绿化进行探索，结果表明：污泥稳定化后，其污染物控制指标、卫生学指标都达到相应标准，适量施用可促进植物长势，可以作为栽培介质土，也可以作为有机肥。当污水污泥施用于质地黏重的绿化土壤中时，重金属可被表层黏粒吸附，下层土壤中重金属含量几乎空白，不会对地下水造成污染12。因此，污泥的林地和市政绿化的利用是一条很有发展前途的利用方式。污泥用于园林绿化也存在一些问题：绿化介质土需求量实际上是一个阶段性过程，而不是一个持续均衡过程，但污水污泥的产生却是连续不断的，因此实际绿化介质土的需要量远远小于理论计算量。日常的绿化养护需要量也较大，而且是一个相对平稳的过程，但由于绿化养护费用需要各绿化养护单位支出，目前这些单位经费较为紧张，难有改良的积极性8。3.1.3污泥用于土地修复与改良污泥还可以用于受严重扰动的土地修复。受严重扰动的土地是指各种采矿后残留的矿场、建筑取土排废用的深坑、森林采伐场、垃圾填埋场、地表严重破坏区等需要复垦的土地。这类土地一般已失去土壤的优良特性，无法直接植树种草，施入污泥可以增加土壤养分，改良土壤特性，促进地表植物的生长。例如，可将污泥以表施和耕层施肥施于城市废弃物垃圾场后，播种牧草，以尽快覆盖地表，过23年后牧草长起来，再植树造林。另有研究表明，在矿山恢复系统中，施用污泥可提供有机碳并改善土壤肥力，改良矿山废弃地的理化性质和防治水土流失，利于迅速有效地恢复植被，并提高矿山废弃地微生物的活性。特别是污泥应用于铅锌尾矿的垦植，不仅增加土壤全碳及氮、磷、钾含量，而且降低尾矿基质的Zn、Pb、Cd及二乙烯三胺五乙酸(DTPA)含量，继而降低了田菁植物器官对Zn、Pb、Cd的吸收和积累。该研究中介绍的污水污泥具有一般污水污泥的物理特性，同时其营养元素含量达到土壤改良剂的标准，具有制作土壤改良剂的应用潜力13。这种方法也避开了食物链，对人类生活潜在威胁较小，既处置了污泥，又恢复了生态环境，是一种很好的利用途径。综上，由于用途的不同，对污泥的理化性质、污泥中有害物质的耐受程度、连续累积量等的要求都会有巨大的差别。因此，在污泥处置利用方面应该区别出不同的受体。合理、可行的受体主要有14：（1）施用于农田，此处还应具体细分为不易与土壤或污泥接触的高植株植物（如桃树、苹果树、玉米、棉花等）、易与土壤或污泥接触的矮植株植物（如南瓜、西红柿、茄子、卷心菜等）和果实在地下的植物（如马铃薯、山药和花生），分别在健康和毒性评价的基础上制定不同的施用要求。（2）施用于森林等非公众接触的土地，由于不进入食物链，要求相对较为宽松。（3）公众接触土地公园、植物园、比赛场地、草坪、公共绿地等，应充分考虑到与动物及人类的接触。（4）矿山或建筑工地等待修复土地，较少与动物或人接触，但应更注重污泥中有机质含量和粒度、孔隙率等对修复的贡献。（5）园林绿化用土地，不进入食物链，与动物或人的接触也不多。堆肥化是我国污泥稳定化的主要手段，污泥土地利用是一种适合我国国情的有前途的污泥处置方法。在推广污泥土地利用的同时，应建立、健全相关法律、法规，划分污泥种类和施用地分区，发展和制定配套的环境监测方法和制度。总之，要想安全有效的处置污泥，需要政府、科研、环保、用户各方面的通力合作才能真正实现。3.2污泥的建材利用污泥中除了有机物外往往还含有2030的无机物，主要是硅、铝、铁、钙等，与许多建筑材料常用的原料成分相近，可以分别利用污泥中的无机成分和有机成分制造建筑材料15。目前污泥建材利用的几种基本形式，包括污泥制砖、水泥、陶粒和混凝土混料等。建材行业原料需求量非常大，在污泥资源化利用方面有显著的优势。3.2.1污泥制砖目前，污泥制转材料可采用焚烧灰或者干污泥，两种方法制砖的工艺流程基本相同，分别如图3.1和图3.2所示8。污泥浓缩脱水干燥焚烧筛选黏土磨细压力成型烧结污泥砖图3.1 污泥焚烧灰制砖工艺流程图污泥浓缩脱水干燥磨细筛选黏土磨细压力成型烧结污泥砖图3.2 干污泥制砖工艺流程图由图3.1和图3.2可知，两种制砖的工艺流程基本相同。利用干污泥制砖方式，由于受坯体有机挥发分含量的限制，当有机挥发物达到一定限度会导致烧结开裂，影响砖块质量，污泥掺和比甚低，因此，从粘土砖限制要求来看，生污泥较难成为一种适宜的污泥制建材方法8。使用污泥灰作为添加剂或者完全替代粘土的技术可行性已被证实。用焚烧污泥灰制砖，其污泥灰含量可较高，甚至100%；适宜烧成温度为10201060，在含量低于10%的污泥灰砖的强度性能比粘土砖高。用干污泥制砖，其适宜干污泥质量含量为5%10%，烧成温度为9601000，其干污泥砖强度与粘土砖相当16。利用污泥制砖不仅处理了污泥，在烧制过程中将有毒重金属都封存在坯料中，也杀死了所有有害细菌，而且这种砖没有异味。污泥砖质轻、孔隙多，因而具有一定的隔音、隔热效果等优点。但是，利用污泥制砖过程中都存在有恶臭气体的产生，特别是在加热条件下恶臭非常强烈，恶臭治理往往成为污泥利用过程中的主要障碍。污泥作为制造烧结制品（如烧结砖）的原料在高温焙烧制品时等于使得污泥的无害化，防止二次污染，且制烧结制品过程中污泥含有一定发热量的有机物质又补充了高温焙烧的热量，同时降低了能源的消耗，既利于发展自身良性循环经济，废弃物处理的资源化和产业化要求，同时也符合禁止毁田挖土制砖，节约耕田资源的原则，既满足了大量建设用烧结制品的需求，又实现了减少环境污染降低资源消耗的可持续发展的国策和循环经济发展模式17。3.2.2污泥制水泥利用污泥做生产水泥原料有三种方式：一是直接用脱水污泥；二是干燥污泥；三是污泥焚烧灰。日本从1994年起就开始了以污泥、垃圾焚烧灰作为原料生产生态水泥的研究，2001年在千叶县建成世界上第一条生态水泥生产线。我国近年来也开展了利用污泥生产水泥的研究。污泥具有较高的烧失量，扣除烧失量后，其化学成分与粘土质原料相近，当进行生料配料计算时，理论上可以替代30粘土质原料。例如上海新型建材研究开发中心在充分论证及实验室成功基础上，分别在湿法回转窑和四级预热器回转窑水泥厂进行了多次工业试验，分别将污泥从窑尾、窑头、窑中加入进行比较，共处理污泥500多吨，生产熟料3000多吨，生产水泥4000多吨， 取得了有益的经验15。利用污泥作原料生产水泥时，主要解决污泥的贮存、生料的调配以及恶臭的防治，确保生产出符合国家标准的水泥熟