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投稿指南关键词：污水污泥 堆肥化 土地利用
1 概述
近20年来，随着我国城市化步伐的加快及公众对环境质量的要求日渐提高, 城市污水处理事业发展迅速，随之而来的城市污泥的产量越来越大。据1990年6月在天津召开的城市污水处理厂污泥处理与处置研讨会所发的《会议纪要》中指出：“我国已建成78座污水处理厂，日处理能力为330余万吨，处理率仅达2.9%。污水处理中的污泥稳定处理设施还不到1/10。”截止1990年，我国年排放干污泥20万吨，湿污泥约300-500万吨。据2000年的统计，我国已建成城市污水处理厂300余座，日处理污水800余万吨，处理率为8%——10%，日产湿污泥1万余吨。
今后，随着城市化的进一步发展，新的污水处理厂将不断建立，现有污水处理厂工艺流程的不断革新，必将产生大量的污泥。污泥的处置与利用，是一个应该引起广泛重视的问题。以西安市为例，目前仅有两个污水处理厂，在建的三个，拟建的还有五个。目前正在运行的污水处理厂年产污泥约10万吨。大量的未经处理的污泥没有正常的出路，已成为污水处理厂的沉重负担。污泥的任意堆放和排放，对厂区周围的环境又造成了新的污染，使建成的污水处理厂不能充分发挥其彻底消除环境污染的作用。“十五”期间，估计每天进入污水处理厂的污水将增加到1200余万吨，污泥的生产量也将相应增加。因而，对污泥进行处理与处置，使其减害化、资源化是当务之急。
2 污泥的来源与组成
污泥是废水处理过程中产生的沉淀物质，它包括混入生活污水或工矿废水中的泥沙、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、各种胶体、有机质及吸附的金属元素、微生物、病菌、虫卵等物质的综合固体物质，简单地说，它是污水的固体部分。
污泥中含有植物生长发育所需的氮、磷、钾及维持植物正常生长发育的多种微量元素和能改良土地结构的有机质。同时也含有病原菌、寄生虫（卵）、重金属及某些难降解的有机毒物。由于污水来源、污水处理厂处理工艺及季节的不同，污泥的组成差异较大。表1给出了美国科学院统计的污泥养分及重金属组成（Cole,1986）。
3 污泥的处理与处置
污水污泥的处理或处置方法大致分四类：卫生填埋、焚烧、投海和土地利用。卫生填埋所需建筑及维护费用较高，而且很难找到合适的地点；焚烧的设备、能源及操作都很费钱，并且有大气污染总是；大海扬弃会污染海洋，对海洋生态系统和人类食物链已造成威胁，国际公约已明令禁止；土地处理将污泥作为资源利用，是一种广为人们重视与研究的方法。污水污泥的土地利用包括农田、林地、垦荒地、育苗、观赏植物、草皮、草地、公园、高速公路绿化带和高尔夫球场以及尾矿堆、采石场、露天矿坑的固定，固定的海滩及用于恢复植被、建筑供游乐的海岛等（薛栋森，1991）。
表1 不同污泥的组成
组成 | 生原始污泥 | 生活性污泥 | 消化污泥 | |||
范围 | 中值 | 范围 | 中值 | 范围 | 中值 | |
总固体(TS)% | 8~7 | 7.5 | 1~2 | 1 | 6~12 | 10 |
挥发性固体(VS)% | 60~80 | 70 | 60~80 | 70 | 30~60 | 40 |
养分(%干重) | ||||||
N | 1.5~8 | 3 | 4.8~6 | 5.6 | 1.6~6 | 40 |
P2O5 | 0.8~2.7 | 1.6 | 3.1~7.4 | 5.7 | 0.9~6.1 | 1.7 |
K2O | 0~1 | 0.4 | 0.3~0.6 | 0.4 | 0.1~0.7 | 0.4 |
PH | 5~8 | 6 | 6.5~7.5 | 7.0 | ||
重金属(mg/kg) | ||||||
As | 3~30 | 14 | ||||
Cd | 5~2000 | 15 | ||||
Cr | 50~3000 | 1000 | ||||
Cu | 385~1500 | 916 | 250~17000 | 1000 | ||
Pb | 136~7600 | 1500 | ||||
Hg | 3.4~18 | 6.9 | ||||
Ni | 25~8000 | 200 | ||||
Zn | 950~3650 | 2500 | 500~5000 | 2000 | ||
注：* 生原始污泥来自废水固体物的沉积；活性污泥来自悬浮微生物的生物体；这些污泥经过好氧或
厌氧或厌氧生物过程稳定后其有机物形成了消化污泥。
表2 污泥各种不同减害化、稳定化方法的有效性比较
方 法 | 有 效 性 | |||
气味减少 | 病原菌破坏 | 有毒成分除去 | 脱水性能改进 | |
需氧消化 | + | + | +b | +c |
厌氧消化 | + | + | 0 | -c |
石灰水处理 | + | + | +d | + |
生石灰处理 | + | ++ | ++d | + |
堆肥化 | + | ++ | + | + |
污泥池堆放 | 0 | + | 0 | +c |
氯气处理 | + | ++ | 0 | + |
辐射处理 | 0 | ++ | 0 | 0 |
巴氏消毒 | - | ++ | 0 | + |
干燥 | ++ | ++ | 0 | NAe |
焚烧 | ++ | ++ | 0 | NAe |
注：a-－负效应 0－不很有效 +－有效果 ++—很有效 b：除运河上部清液 c：仅在沙床上进行
d：减少可溶性金属 e：NA不可用
由于污水污泥含水量高（75%-99%），易腐烂、有恶臭，不便于运输与施用，加之其中的病原菌和虫卵对操作者易感染，故对污泥进行减害化、稳定化处理是必要的。
污水污泥的减害化、稳定化处理方法很多，不同方法各有优缺点，表2给出了不同方法的比较（Vesilind等，1986）。结合我国国情，考虑到对污水污泥稳定处理后的土地利用，把污泥进行堆肥处理是比较恰当的。
4 城市污泥的堆肥化处理
堆肥化是在微生物的作用下，把有机废弃物转化成类腐殖质的过程，由此而产生的堆肥产品可以有效地用作土壤改良剂和肥料。从广义上讲，我们把该类产品都叫做生物固体(Biosolid)，污泥堆肥是其中最重要的一种（薛澄泽等，1995）。在我国，动物粪便及植物残体等的堆肥化已有上千年的历史。在工业化国家，自从70年代以来，随着城市污水处理厂的建设和其处理水平的提高及污水污泥中共存物质的增加，人们的目光已转向了堆制高品质的污泥肥料为农业和园林应用。
污泥堆肥化过程中经常要用调理剂和膨胀剂。调理剂是指加进堆肥化物料中的有机物，借以减小单位体积的重量，增加碳源及空气的接触面积，以利于需氧发酵。污泥堆肥化过程中常用的调理剂有木屑、禾秆、稻壳、粪便、树叶、垃圾等有机废料。膨胀剂是指用有机或无机物制成的固体颗料，当它加入湿的堆肥化物质中时，能有足够的大小保证物料与空气的充分接触，并能够依靠粒子之间的接触起到支撑作用。常用的膨胀有木屑、团粒垃圾、破碎成颗粒状的轮胎、塑料、花生壳、秸秆、树叶、岩石及其它物质。
根据污泥的组成和微生物对混合堆料中C／N、C／P比、颗粒大小、水分含量和pH等要求，给其中加入一定量的调理剂与膨胀剂，保持适当的水分，然后进行堆积，利用堆肥材料中的微生物分解其有机物产生的热量，使堆体温度达到50～70℃，从而使堆料中有害的病原菌及寄生虫（卵）达到无害化，同时堆料中有机碳转化为稳定性较高的腐殖质。经过堆肥化处理后，污泥的物理性状改善，含水量降低(小于40%)，疏松、分散、细粒状，便于贮藏、运输和使用。
污泥堆肥化工艺流程如图1所示。
根据堆肥化物料的发酵方式、流动过程、发酵状况及提供空气的方法，可将堆肥化系统区分为无发酵装置系统和发酵仓系统，前者包括条垛式系统和通气式固定垛系统，条垛式发酵系统是通过定期翻垛来通气，它的生产率高、成本低，缺点是占地面积大、有臭味。通气式固定垛系统采用机械抽风（或吹风）使空气进入料堆，不需要翻垛，机械化程度较高，成本较低，臭气较小。发酵仓系统是在工厂内以机械化与自动化来完成的，它可分为立式发酵塔系统和卧式发酵塔（槽、床）系统，该类系统可以有效地控制臭气、灰尘和其它污染环境的因素，但投资、操作和维护等费用较高。
“八五”期间，农业部环保所与天津市污水处理研究所曾分别用通气式固定垛和立式发酵仓系统对天津纪庄子污水处理厂的污泥进行堆肥化处理，取得了较好的效果。西北农业大学与西安市污水处理厂及陕西省高速公路管理局合作，采用自然通气固定垛发酵系统对西安市污水处理厂的污泥进行堆肥化处理后，施用于高速公路绿化带，效果十分明显，该研究成果已通过有关鉴定。“九五”期间，我国就有关城市污泥的处置与利用开展了较系统的研究工作，在国家“九五”科技攻关项目“污水处理与水工业关键技术的研究”（编号96—909）中，有2个专题涉及污泥的处置与利用问题。其中，中国科学院生态环境研究中心与地理科学与资源研究所承担的“污泥高效低耗堆肥与复合肥制备成套技术”及中国市政工程华北设计研究院承担的“污泥稳定化处理与资源化技术研究”两个专题，均涉及污泥的堆肥化处理技术，且都通过了有关验收鉴定。
5 城市污泥的土地利用
污泥经过堆肥化处理后，虽然解决了其易腐烂发臭、含水量高、病原菌和寄生虫（卵）等有害特性，但其中的重金属、盐分及难降解的有机毒物等问题并未从根本上解决，要使污泥成为一种有用的资源，我们应对这些问题有深入了解。
薛澄泽等（1995）采用黑麦幼苗法研究污泥中重金属的生物有效性，结果发现，在石灰性土壤中施用污泥后，不同重金属的生物有效率小于1%。有关研究发现，污泥经过堆肥处理后，水浸提态重金属的含量减小，而交换态和有机结合态增加，但总的来说，残渣态所占的比例还是大得多（张增强等，1996）。另外，由于污泥堆肥化过程中加入的调理剂与膨胀剂的稀释作用，使污染堆肥中重金属的浓度比污泥中的低（李艳霞，1995）。为了慎重起见，建议把污泥堆肥优先在非食物链植物上施用（如园林绿地、草坪草、树木、高速公路绿化带等）。污泥中的盐分差别较大，使用FeCl3和AlCl3工艺的污水处理厂，污泥中的盐分普遍较高，在使用前对其中的盐分进行淋洗是必要的。不同研究者(Epstein等，1976；Simeoni等，1984年；张增强等，1995)发现，土壤盐分（或电导率）随污泥堆肥施用量的增加而增加，随时间的延长而降低，在第二个生长季节，土壤中的盐分对大多数植物都是可以忍耐的。
有关污泥及其堆肥中难降解有机毒物的归宿，国内外报道较少，由于其含量低，其影响有待进一步探讨（李国学等，2000）。
张增强等（1995，1996）研究指出，污泥堆肥在城市园林绿地施用可明显促进树木、花卉及草坪的生长。使树木高、地径、根茎比等增加；可使花卉的生长量增加，开花量增多，花期延长。还可使草坪草生物量增加，绿色期延长。污泥堆肥可明显改善土壤物理化性质。施用一个生长季节后，土壤表层存留的N、P、K、有机质、CEC等均随污泥堆肥施用量的增加而增大，土壤容重下降，持水量、孔隙度及渗水率有所增加。施用污泥堆肥对环境质量的影响很小。当施用量小于120 t／km2时，随之而带入的盐分对植物不会造成危害，NO3--N地对地下水造成污染，重金属对园林植物也不会产生危害。
李艳霞（1995）把污泥堆肥用于容器育苗基质，结果发现污泥堆肥可明显促进苗木生长。生长4个月后，刺槐、国槐和侧柏的苗高、地径、干重和形态质量指数与对照差异显著。
总之，污泥经过堆肥化处理后，植物可利用形态养分增加，重金属的生物有效性减小。如果根据污泥堆肥的养分含量、土壤养分状况及植物对养分的需求，给其中加入一定量的化肥，并补充必要的微量元素，制成复合有机肥料，作为商品出售，将有较好的经济效益。
污水污泥的处置与利用在我国刚起步，需要研究的问题还很多，我们建议从以下几个方面开展进一步研究工作：①我国城市污水污泥的产量、质量、处置、利用现状调查与评价；②污泥堆肥化的基本原理和最佳工艺参数的研究；③污泥堆肥化过程中臭味与粉尘的控制方法研究；④污泥堆肥的工艺性能、腐熟度和产品质量指标的研究；⑤污泥堆肥设备（包括堆肥监测设备、自动控制系统、污泥堆肥的混合、搅拌、运输、通风、筛分、干燥等设备）的研制；⑥污泥堆肥化过程中重金属的形态及难降解有机毒物的变化的研究；⑧污泥堆肥科学施用方法的研究；⑦污泥堆肥土地应用中的环境问题和防治对策研究；⑨污水污泥的排入及污泥堆肥施用的有关标准、法规的制定；⑩污泥堆肥对人、畜健康影响的流行病学调查评价。
7 结束语城市污泥是一种有效的生物能源，本着“珍惜资源，有用勿弃”的原则，把它进行堆肥化处理后，做成复合有机肥料，这不但可为农业、城市园林绿化、高速公路绿化带等提供一定量的有机肥料；也为污水处理厂的污泥找到了一条化害为利、变废为宝、扬长避短、兴利抑弊的的合理出路，使污泥资源化，因而具有较好的经济效益、环境效益和社会效益。
参考文献
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