北京地區(qū)不同城鎮(zhèn)污水處理廠堆肥污泥研究

　　隨著城市化進(jìn)程的加快，污水處理廠的普及，城市污泥(指城市污水廠處理廢水過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物)產(chǎn)生量迅猛增長(zhǎng). 據(jù)統(tǒng)計(jì),2010年北京地區(qū)產(chǎn)污泥總量為3800 t ·d-1(含水率為80%)，預(yù)計(jì)2015年污泥產(chǎn)量將達(dá)5000 t ·d-1. 目前，進(jìn)行堆肥和建材利用等處置和資源化利用的污泥不足50%[1]. 而其余污泥，尚無(wú)穩(wěn)定、 可靠、 安全的消納處置途徑，存在著污泥二次污染的嚴(yán)重隱患和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn). 因此，如此巨大的污泥量已成為亟待解決的、 無(wú)法回避的重大城市環(huán)境問(wèn)題.

　　一般而言，城市污泥富含有機(jī)質(zhì)和有效營(yíng)養(yǎng)成分，對(duì)土壤修復(fù)或改良均有積極或長(zhǎng)期的作用[2,3]，即改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤有機(jī)質(zhì)、 氮和磷等營(yíng)養(yǎng)成分，且改良作用因污泥類型而異[4]. 特別是污泥富含磷，且無(wú)機(jī)磷和非磷灰石無(wú)機(jī)磷是污泥中磷的主要成分，而磷是有限且不可替代的資源，即污泥不僅可發(fā)揮較高的植物利用率，而且對(duì)環(huán)境可進(jìn)行磷的修復(fù)[5,6]. 另外，污泥用于土壤修復(fù)，可滿足資源的有效再循環(huán)，為貧瘠或退化土壤提供有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分，既有利于退化生境的重建，也有益于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[7]. 譬如，在退化森林生態(tài)系統(tǒng)施用污泥，改良土壤的同時(shí)，有效促進(jìn)樹(shù)木生長(zhǎng)并改善林下灌草層植被[8].

　　目前，污泥的堆肥處置已成為一條重要的處置途徑，且作為有機(jī)肥料，業(yè)已成為一種普遍措施. 在北京市污泥處理處置方式中，水泥廠焚燒約占31%，污泥用于土地修復(fù)的規(guī)劃比例尚且不足，約為47%[1]. 在估算北京市城市污泥處理處置方式成本的基礎(chǔ)上(包括填埋、 焚燒及堆肥等)，填埋仍是北京市的主要處置方式，但所占比例將逐漸下降，而堆肥則經(jīng)濟(jì)可行，將是污泥處理處置技術(shù)的主要發(fā)展方向[9].

　　然而，污泥含有的營(yíng)養(yǎng)成分和重金屬在土壤中積累，可能對(duì)環(huán)境造成的污染風(fēng)險(xiǎn)已備受關(guān)注[10,11,12,13,14,15,16]，尤其重金屬是影響污泥最終處置的主要因素[15]. 譬如，楊樹(shù)幼苗施用堆肥污泥，隨著污泥施用量的增加，土壤重金屬Cu和Zn含量大為增加[17]; 而且在長(zhǎng)期施用污泥的土壤中，一些土壤重金屬(譬如Cu、 Mn、 Zn)的形態(tài)會(huì)產(chǎn)生變化，且存在潛在的Cu污染風(fēng)險(xiǎn)[18]. 而且，不同來(lái)源的污泥，其營(yíng)養(yǎng)元素或重金屬全量存在著很大的差異[14,15]. 因此，為了準(zhǔn)確評(píng)估污泥風(fēng)險(xiǎn)，以便能真實(shí)反映污泥益處和潛在的環(huán)境危害，不僅要搞清污泥中的營(yíng)養(yǎng)成分和重金屬含量，而且有必要對(duì)污泥分情況或逐個(gè)進(jìn)行評(píng)估[14].

　　鑒于此，本研究對(duì)來(lái)自北京地區(qū)不同城鎮(zhèn)污泥處理廠的污泥，通過(guò)兩種堆肥技術(shù)/工藝，探討堆肥污泥的營(yíng)養(yǎng)成分和微量元素的變化，并分析重金屬含量變化及其環(huán)境污染狀況，以期為城市污泥合理、 有效地處置提供理論依據(jù).

　　1 材料與方法

　　1.1 供試材料和堆肥方式

　　1.1.1 污泥來(lái)源和條垛式堆肥技術(shù)

　　于2008、 2010年同季采集(均在夏季)，初始城市污泥均來(lái)自北京高碑店、 盧溝橋及吳家村污水處理廠的混合污泥，并進(jìn)行條垛式堆肥處理，溫度50～60℃，之后濃縮、 脫水，大約25~30 d后成為腐熟的干污泥. 然后風(fēng)干、 碾碎，過(guò)篩，把污泥中的較大塊物體等進(jìn)行細(xì)化，經(jīng)過(guò)篩選使之粒度達(dá)到60~80目，備用測(cè)定. 以上以A型堆肥污泥表示.

　　1.1.2 污泥來(lái)源和高速活性堆肥工藝

　　于2012、2013年同季采集(均在春季)，初始城市污泥均來(lái)自北京市昌平區(qū)南口污水處理廠的污泥，并采用一種高速活性堆肥工藝進(jìn)行處理(high-rate recovery of organic solid wastes system，HiRos System). 該工藝采用機(jī)械熱化學(xué)穩(wěn)定及活化法，處理工藝中的所有反應(yīng)釜、 儲(chǔ)槽、 傳送器等均為密閉系統(tǒng)，在高溫高壓下，完全殺菌及殺寄生蟲(chóng)性、 并可分解有毒有機(jī)化合物,有效去除重金屬危害，從而將有機(jī)固體廢棄物轉(zhuǎn)化為無(wú)味無(wú)臭、 高品質(zhì)的有機(jī)肥. 之后再進(jìn)行風(fēng)干、 碾碎及過(guò)篩，把污泥中的較大塊物體等進(jìn)行細(xì)化，經(jīng)過(guò)篩選使之粒度達(dá)到60~80目，備用測(cè)定. 以上以B型堆肥污泥表示.

　　1.2 測(cè)定方法

　　供試A、 B型堆肥污泥的理化性質(zhì)均采用常規(guī)測(cè)定方法[19]; pH采用pH酸度計(jì)法(HANNA，pH211酸度計(jì)); 汞(Hg)、 砷(As)含量的測(cè)定采用原子熒光光度計(jì)測(cè)定(AFS3000，北京科創(chuàng)海光儀器有限公司); 全磷、 全鉀及Cu、 Zn和Cd等其他金屬或元素含量的測(cè)定均采用酸溶-等離子發(fā)射光譜法測(cè)定(等離子發(fā)射光譜儀IRIS Intrepid Ⅱ XSP，美國(guó)Thermo公司). 每個(gè)測(cè)定項(xiàng)目均設(shè)置3個(gè)重復(fù)，最后算平均值，并以干基表示. 以上測(cè)定在國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行.

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 堆肥污泥的營(yíng)養(yǎng)含量

　　如表 1和表 2所示，在A型(條垛式)和B型(高速活性)堆肥污泥中均含有可觀的營(yíng)養(yǎng)含量，且不同類型堆肥污泥和年份間的各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)均表現(xiàn)出較大的差異. A、 B型污泥的有機(jī)質(zhì)、 全氮、 全磷和氮磷鉀總養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)與往年相較均有所增加，譬如A 型污泥的氮磷鉀總養(yǎng)分在2010年較2008年增加了15.6%，B型污泥的氮磷鉀總養(yǎng)分在2013年較2012年增加了29.7%; 而A型污泥的速效氮和全鉀與往年相較則表現(xiàn)為減少，譬如A型污泥的速效氮含量在2010年較2008年減少了50.7%，與之相反的是B型污泥的速效氮和全鉀則比往年都有所增加.

　　表 1 條垛式堆肥污泥(A型)的營(yíng)養(yǎng)含量

　　表 2 高速活性堆肥污泥(B型)的營(yíng)養(yǎng)含量

　　由表 1和表 2所示，A、 B型堆肥污泥不同年份的pH平均值分別為7.1和7.2，有機(jī)質(zhì)的平均值分別為203338.0 mg ·kg-1和298531.5mg ·kg-1，氮磷鉀總養(yǎng)分(即N+P2O5+K2O)平均值分別為41111.7 mg ·kg-1和65901.5mg ·kg-1. 以上A、 B型污泥各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的平均值與表 3比較而言，A型堆肥污泥的有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T 309-2009)中A、 B級(jí)污泥和《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-土地改良用泥質(zhì)》(GB/T 24600-2009)的標(biāo)準(zhǔn)要求，但未達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-園林綠化用泥質(zhì)》(GB/T 23486-2009)中的有機(jī)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，而A型污泥的pH和氮磷鉀總養(yǎng)分以及B型污泥的pH、 有機(jī)質(zhì)含量和氮磷鉀總養(yǎng)分均符合各城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置類型的標(biāo)準(zhǔn)限值要求(見(jiàn)表 3).

　　表 3 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置類型的營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)

　　2.2 堆肥污泥的營(yíng)養(yǎng)元素含量和重金屬污染

　　由表 4和表 5所示，A、 B型堆肥污泥中不僅含有豐富的營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)也含有諸多重金屬，而且不同年份間的各元素/金屬總量均呈現(xiàn)明顯的差異. 2010年與2008年比較而言，A型污泥中Cu、 Zn、 Ca、 Fe、 Mg和Na的總量均表現(xiàn)為增加，而Mn則有所減少; 2013年與2012年相較而言，B型污泥中的Cu、 Zn、 Ca、 Na、 Al、 Cd、 Cr、 Hg、 S的總量均明顯增加，而Mn、 As、 B、 Pb、 Fe、 Ni、 Mg總量則有所減少. 另外，各金屬/元素的總量在A、 B型污泥中亦呈現(xiàn)較大的差異. 譬如，A型污泥不同年份的Zn、 Fe總量平均值較B型污泥的分別高出85.9mg ·kg-1和1913.0 mg ·kg-1; 而B(niǎo)型污泥不同年份的Mn、 Mg總量平均值較A型污泥的分別高出819.3mg ·kg-1和8827.1mg ·kg-1.

　　表 4 條垛堆肥污泥(A型)的重金屬和元素總量

　　表 5 高速活性堆肥污泥(B型)的重金屬和元素總量

　　從不同污泥處置類型中重金屬的控制限值可知(見(jiàn)表 6)，我國(guó)的《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T 309-2009)中A級(jí)污泥的標(biāo)準(zhǔn)限值，在各種污泥處置類型中是最為嚴(yán)格的. 由表 4和表 5所示，A、 B型堆肥污泥不同年份的Cu總量平均值分別為188.5mg ·kg-1 (范圍為183.4~193.6 mg ·kg-1)和188.6mg ·kg-1(范圍為135.2~241.9mg ·kg-1)以及Zn總量平均值分別為896.1mg ·kg-1 (范圍為781.5~1010.7mg ·kg-1)和810.2mg ·kg-1(范圍為755.0~865.4mg ·kg-1)，與我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置類型的標(biāo)準(zhǔn)限值比較得知(見(jiàn)表 6)，其不僅符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-土地改良用泥質(zhì)》(GB/T 24600-2009)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-園林綠化用泥質(zhì)》(GB/T 23486-2009)中的Cu、 Zn總量的標(biāo)準(zhǔn)限值要求，而且遠(yuǎn)低于最為嚴(yán)格的《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T 309-2009)中A級(jí)污泥的標(biāo)準(zhǔn)限值(即總Cu<500 mg ·kg-1和總Zn<1500 mg ·kg-1).

　　表 6 我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置類型的重金屬控制限

　　A型堆肥污泥中的Cd、 Cr、 Pb、 As和B的總量(僅為2010年數(shù)值)分別為2.9、 82.0、 105.1、 17.0和42.1 mg ·kg-1(見(jiàn)表 4); 如表 5所示，B型堆肥污泥不同年份的Cd總量平均值為2.8mg ·kg-1(范圍為2.6~3.0mg ·kg-1)、 Cr總量平均值為140.1mg ·kg-1(范圍為130.1~150.0 mg ·kg-1)、 Pb總量平均值為69.2mg ·kg-1(范圍為67.9~70.5mg ·kg-1)、 As總量平均值為7.9mg ·kg-1(范圍為5.4~10.4mg ·kg-1)以及B總量平均值為80.2 mg ·kg-1(范圍為78.7~81.6mg ·kg-1). 上述A、 B型污泥中的重金屬含量與表 6中的標(biāo)準(zhǔn)限值比較得知，各金屬總量均達(dá)到了我國(guó)各類型污泥處置的標(biāo)準(zhǔn)限值要求(見(jiàn)表 6)，其中包括達(dá)到最為嚴(yán)格的《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T 309-2009)中A級(jí)污泥的標(biāo)準(zhǔn)限值要求(即總Cd<3 mg ·kg-1、 總Cr<500 mg ·kg-1、 總Pb<300 mg ·kg-1、 總As<30 mg ·kg-1).

　　但是，B型堆肥污泥的Hg、 Ni總量存在超標(biāo)的情形，且不同年份間存在明顯的差異(見(jiàn)表 5). 具體而言，B型污泥不同年份的Hg總量平均值為12.8mg ·kg-1以及2012年的Hg總量為7.1mg ·kg-1，符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T 309-2009)中B級(jí)污泥的標(biāo)準(zhǔn)限值要求(即總Hg<15 mg ·kg-1)，以及《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-土地改良用泥質(zhì)》(GB/T 24600-2009)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-園林綠化用泥質(zhì)》(GB/T 23486-2009)中的中性和堿性土壤(pH≥6.5)的標(biāo)準(zhǔn)限值要求(即總Hg<15 mg ·kg-1)，但其它的標(biāo)準(zhǔn)限值要求則不符合(見(jiàn)表 6); Hg總量在2013年為18.4mg ·kg-1，對(duì)任何污泥處置類型中的限值要求均不符合. 另外，B型污泥2013年的Ni總量為120.0 mg ·kg-1，符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T 309-2009)中B級(jí)污泥的標(biāo)準(zhǔn)限值要求(即總Ni<200 mg ·kg-1)，以及《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-土地改良用泥質(zhì)》(GB/T 24600-2009)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-園林綠化用泥質(zhì)》(GB/T 23486-2009)中的中性和堿性土壤(pH≥6.5)的標(biāo)準(zhǔn)限值要求(即總Ni<200 mg ·kg-1)，但其它的標(biāo)準(zhǔn)限值要求均不符合(見(jiàn)表 6); B型污泥不同年份的Ni總量平均值為246.4mg ·kg-1和2012年為372.8mg ·kg-1(見(jiàn)表 5)，均不符合任何污泥處置類型中的限值要求(見(jiàn)表 6).

　　3 討論

　　城市污泥通過(guò)制肥，不僅可解決農(nóng)田、 園林及綠地急需的有機(jī)肥料的來(lái)源問(wèn)題，同時(shí)也能尋求城市污泥的合理處置途徑，并成為最有效的資源化途徑之一. 近年來(lái)，我國(guó)污泥資源化處置技術(shù)投產(chǎn)項(xiàng)目顯著上升，其中農(nóng)業(yè)對(duì)污泥制肥的吸納量很大，且污泥制肥資源化處置技術(shù)的應(yīng)用已占30%，具有較好的發(fā)展前景[20]. 已有研究表明，污泥經(jīng)堆肥處理后，可使污泥中腐殖質(zhì)含量增加，而腐殖質(zhì)因含有多種多樣的官能團(tuán)從而吸附重金屬，或者改變重金屬的化學(xué)形態(tài)，促使污泥中重金屬穩(wěn)定化，即大多數(shù)重金屬以穩(wěn)定殘?jiān)鼞B(tài)或以殘?jiān)鼞B(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)兼具的形式存在，從而降低生物毒性和土壤的污染風(fēng)險(xiǎn)[21,22,23,24]. 特別是堆肥污泥相較其它處理方式(譬如厭氧消化和顆粒污泥)而言，堆肥過(guò)程更有利于降低Mn、 Ni及Zn等的有效性[25]. 由此說(shuō)明，堆肥處理是降低污泥在農(nóng)田、 土地改良及園林綠化中重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的重要途徑.

　　北京不同城鎮(zhèn)污水處理廠堆肥污泥(即A、 B型)，不僅含有較為豐富的有機(jī)質(zhì)和植物所需的氮、 磷等多種營(yíng)養(yǎng)元素及微量元素，而且污泥的一些營(yíng)養(yǎng)成分/元素諸如有機(jī)質(zhì)、 全氮、 全磷和氮磷鉀總養(yǎng)分等含量與往年相比均有所增加. 據(jù)馬學(xué)文等[26]對(duì)全國(guó)范圍111個(gè)城市共193個(gè)污水處理廠污泥營(yíng)養(yǎng)含量的調(diào)查可知，有機(jī)質(zhì)、 氮、 磷、 鉀的平均含量分別為41.15%、 3.02%、 1.57%、 0.69%，除了北京地區(qū)A、 B型堆肥污泥的磷含量平均值與全國(guó)平均水平基本相當(dāng)外，其有機(jī)質(zhì)、 氮和鉀含量均低于全國(guó)平均水平，但A、 B型污泥的有機(jī)質(zhì)、 氮、 磷含量比往年均有所增加則與全國(guó)的略增走向是一致的.

　　在B型堆肥污泥中，Cu含量比往年有所增加，而Pb含量則比往年有所減少. 這與我國(guó)城市污泥中Cu、 Pb含量在短期的趨勢(shì)一致[26]. 但是，從長(zhǎng)期而言，我國(guó)城市污水處理廠污泥中Cu含量則是下降趨勢(shì)[27]. 除Hg、 Ni有超標(biāo)現(xiàn)象外，A、 B型污泥的其他重金屬含量均低于我國(guó)最為嚴(yán)格的《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T 309-2009)中A級(jí)污泥的標(biāo)準(zhǔn)限值，這與姚金玲等[11]對(duì)我國(guó)東北、 華北、 華東和西北地區(qū)116 家污水處理廠污泥的研究結(jié)果一致. 另?yè)?jù)張麗麗等[27]對(duì)我國(guó)城市污泥中重金屬分布特征及變化規(guī)律的研究結(jié)果表明，近10年，污泥中 Ni、 Cd、 Hg含量的超標(biāo)倍數(shù)最高. 這與本研究B型堆肥污泥中存在Hg、 Ni超標(biāo)現(xiàn)象相吻合. 此外，來(lái)自北京不同污水處理廠的A、 B型堆肥污泥，其營(yíng)養(yǎng)和重金屬/元素含量存在著明顯的差異. 即污泥的不同來(lái)源可能是主要原因[14,15]; 亦可能受其它因素諸如污水處理規(guī)模、 處理工藝和運(yùn)行條件以及污泥堆肥工藝的影響[11]. 另有研究表明，污泥成分有時(shí)會(huì)因工藝過(guò)程和分析技術(shù)而產(chǎn)生顯著的差異[28].

　　而今后，北京地區(qū)A、 B型堆肥污泥的資源化應(yīng)用中，一方面，可能面臨著潛在的Hg、 Ni環(huán)境污染情況，需要優(yōu)先關(guān)注; 另一方面，則需要進(jìn)一步探索污泥堆肥過(guò)程中重金屬鈍化的調(diào)控措施，從而最大限度地降低重金屬的危害，譬如可利用鐵氧化菌對(duì)一些重金屬進(jìn)行生物浸礦，可能是污泥制肥的一種可行策略[29]，以及在堆肥過(guò)程中加入石灰等物質(zhì)亦能降低重金屬的有效性[30,31]. 另外，除了污泥資源化應(yīng)用中的重金屬污染外，還有一些因素諸如糞大腸菌群菌、 多環(huán)芳烴(PAHs)等影響著污泥處置類型的選擇，而本研究未涉及這些方面，因此還需進(jìn)一步研究和分析北京堆肥污泥中其他污染物的含量，從而進(jìn)行合理、 有效的污泥處置.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結(jié)論

　　(1)北京地區(qū)不同城鎮(zhèn)污水處理廠堆肥污泥中的pH、 營(yíng)養(yǎng)成分、 微量元素和重金屬含量在不同污泥來(lái)源(即A、 B型)以及年份間存在著明顯的差異. 除了A型污泥不同年份的有機(jī)質(zhì)平均值未達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-園林綠化用泥質(zhì)》(GB/T 23486-2009)中的標(biāo)準(zhǔn)要求外，其他A、 B型堆肥污泥不同年份的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)平均值均達(dá)到各城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置類型(即農(nóng)用、 土地改良和園林綠化)的營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求.

　　(2)除了Hg、 Ni含量存在超標(biāo)現(xiàn)象外，A、 B型堆肥污泥中的其它重金屬含量均低于我國(guó)最為嚴(yán)格的《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置-農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T 309-2009)中A級(jí)污泥的標(biāo)準(zhǔn)限值. 總體而言，北京地區(qū)A、 B型堆肥污泥在農(nóng)用、 土地改良以及園林綠化處置中，存在潛在的Hg、 Ni環(huán)境污染狀況，須優(yōu)先關(guān)注.(作者及來(lái)源：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所 白莉萍、齊洪濤、伏亞萍、李萍)