城市生活污水污泥理化性質(zhì)分析

薛紅艷, 戰(zhàn) 友, 張勁勇, 吳 鵬

(黑龍江科技大學(xué) 環(huán)境與化工學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引 言

隨著我國城市化水平的不斷提高，生活污水的排放量日益增多，污水處理量也在不斷增高，城市生活污水污泥產(chǎn)量急劇增加。據(jù)中國水網(wǎng)《中國污泥處理處置市場分析報告(2011版)》，到2015年末，我國脫水污泥年產(chǎn)量將超過2 600萬t，折合干污泥約 520～780萬 t/a。目前，污水處理廠污泥的處置是脫水至含水量80%左右外運[1-2]。由于含水率高、成分繁雜，污泥無害化處理、資源化利用量還不到20%。因此，城市生活污水污泥的合理利用成為環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點。

城市生活污水污泥中含有豐富的碳、氫、氮、磷等營養(yǎng)元素及蛋白等有機質(zhì)，是一種可利用性極高的二次資源，可以土地利用、燃燒發(fā)電、低溫?zé)峤庵朴偷萚3]。城市污泥資源化處置已被證明是最有意義且經(jīng)濟可行的污泥處置方法[4-5]。因此，分析研究城市污泥的理化性質(zhì)及其成分是科學(xué)合理進行污泥無害化處置和資源化利用的前提條件。

本文以黑龍江科技大學(xué)生活污水處理廠脫水污泥為研究對象，對污泥理化性質(zhì)及無機成分進行研究，分析污泥資源化利用途徑，為城市生活污水污泥的無害化、減量化、資源化利用奠定基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與藥品

原料：黑龍江科技大學(xué)水廠帶式壓濾機的脫水污泥。

藥品：硫酸銨，氫氧化鈉，鹽酸，硫酸銅，硫酸鉀，濃硫酸，硼酸，磷酸氫二鈉，磷酸二氫鈉，磷酸二氫鉀，磷酸氫二鉀，碳酸鈉，硫酸鉀，碳酸鈉，過硫酸鉀，硝酸鉀，重鉻酸鉀，磷酸，碳酸鈣，抗壞血酸，鉬酸銨，酒石酸銻鉀。以上藥品均為分析純。

實驗儀器：凱氏定氮裝置一套，酸度計，922型紫外可見分光光度計(上海菁華科技儀器有限公司)，WZR-1A型計算機輔助全自動微量熱計(國營長沙儀器廠)， 101-1A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(鶴壁市儀表廠)，XL-1型馬弗爐(鶴壁市儀表廠)， S4- EXPLORER型X射線熒光光譜儀(XRF，德國Bruker 公司)， D8 X射線衍射儀(XRD，德國Bruker 公司), MX-2600FE掃描電鏡(SEM，英國CamScan公司)。

1.2 實驗過程

(1) 泥樣制備。將脫水污泥在105 ℃烘箱中烘干后壓散,篩除其中異物,用粉碎機粉碎后,過孔徑0.2 mm 篩,取篩下泥樣,貯存于棕色瓶中備用。

(2) 污泥的工業(yè)分析。參考GB212-91《煤的工業(yè)分析方法》分析污泥的水分、灰分、揮發(fā)分；參考GB213-87《煤的工業(yè)分析方法》分析污泥的發(fā)熱量。

(3) 蛋白質(zhì)、總氮、有機質(zhì)、總磷、pH值的測定。采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894-89)測定污泥中的總氮[6]；過硫酸鉀消解-鉬銻抗光度法測定脫水污泥中的總磷含量[7]；凱氏定氮法(GB/T 5009.5—1985)測定污泥中蛋白質(zhì)含量；酸度計測定污泥pH值；重鉻酸鉀法測定污泥中的有機質(zhì)含量，測定過程參考文獻[8]中的方法進行。

(4) 污泥的XRF和XRD分析。采用XRF和XRD分析城市生活污水污泥泥樣中除碳、氫、氧外的其他元素成分及其存在形式。

(5) 干化污泥吸濕性和掃描電鏡分析。將污泥干燥至水分1.0%以下后，置于25℃、空氣濕度為70%的環(huán)境中24 h，測定吸潮后污泥的水分含量。

對干化污泥采用SEM檢測其表面形態(tài)特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥工業(yè)分析結(jié)果與討論

城市生活污水污泥工業(yè)分析結(jié)果見表1。從表中數(shù)據(jù)可以看出,污水處理廠脫水污泥含水率較高，達81.45%，這與文獻報道的帶式脫水工藝所得到的污泥含水率范圍相符，但無法滿足污泥直接填埋對含水率65%的要求[9]。因此經(jīng)初步脫水的污泥不能直接填埋處理。

表1 城市生活污水污泥工業(yè)分析結(jié)果

污泥干基的灰分含量16.75%，因為黑龍江科技大學(xué)生活污泥處理過程中采用的是生物法，污泥主要成分之一是死亡的菌體中所含的蛋白和纖維素等可燃物質(zhì)，污泥中還存在其他易于燃燒著腐殖質(zhì)，因此污泥的灰分低，發(fā)熱量較高。污泥干基彈筒發(fā)熱量為18.007 MJ/kg，相當(dāng)于洗選中煤的發(fā)熱量。污泥的干基揮發(fā)分為70.44%，說明污泥中存在大量的易分解、易氣化的物質(zhì)。

由污泥的工業(yè)分析數(shù)據(jù)可以看出，初步脫水的污泥不適合直接填埋，應(yīng)進一步脫水處理；因干化污泥具有較高發(fā)熱量、低灰分、高揮發(fā)分的特點，干化污泥可作為燃料和氣化原料。

2.2 污泥中總氮、總磷的測定結(jié)果分析

2.2.1總氮的測定結(jié)果

根據(jù)GB 11894-89中的實驗步驟測定標(biāo)準(zhǔn)曲線，所得總氮質(zhì)量與225、275 nm波長條件下吸光光度值見表2。根據(jù)表1數(shù)據(jù),以m1為橫坐標(biāo),ΔA為縱坐標(biāo),進行一次多項式擬合,擬合出泥樣總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線,見圖1。

標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程y=0.002 58x+2.199，相關(guān)系數(shù)r=0.989 9。由于0

表2 總氮吸光度的測定數(shù)據(jù)

2.2.2總磷的測定結(jié)果

按照文獻[4]中的實驗過程，根據(jù)測定磷含量與700 nm波長條件下的吸光度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖2。

標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程y=0.006x+0.006，相關(guān)系數(shù)為r=0.9955。由于0

由總氮和總磷的分析數(shù)據(jù)可以看出，污泥中的氮、磷含量適中，若用于堆肥，不但可以改善土壤的生物質(zhì)循環(huán)，提高土壤結(jié)構(gòu)，有利于土壤的肥力保持。但氮、磷可能隨著水土的流失而進入水體，形成水體富營養(yǎng)化，進入地下水引起水體污染，因此選擇堆肥污泥處理途徑時應(yīng)重點考慮污泥對水體造成的二次污染問題。

2.3 蛋白質(zhì)、有機質(zhì)、pH值測定結(jié)果分析

對城市生活污水污泥中蛋白質(zhì)、有機質(zhì)、pH值測定結(jié)果為：蛋白質(zhì)含量24.65%，有機質(zhì)72.98%，pH6.8。污泥的pH值為6.8，呈中性，這與我國其他城市污泥的pH范圍 (6.30 ～6.91)基本一致[10]。

污泥干基中蛋白質(zhì)含量為24.65%，蛋白質(zhì)主要來源于菌體細胞。污泥干基有機質(zhì)含量為72.98%，說明污泥含有許多的C—H有機結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，主要存在形式為菌體細胞壁的纖維素和菌體蛋白等[11]。

由蛋白質(zhì)和有機質(zhì)含量分析數(shù)據(jù)可以看出，城市生活污水污泥是價值較高的可利用資源，可以從中提取微生物蛋白，制備動物飼料添加劑等[12-15]。

2.4 干化污泥的XRF和XRD結(jié)果分析與討論

2.4.1干化污泥的XRF分析

對干化污泥中元素組成進行XRF分析，見表3。

表3 干化污泥元素組成分析

由表3可以看出，干污泥中金屬元素有Mn、Sr、Ca、Fe、Al、K等，非金屬元素主要為S、Cl、Si、P。P元素主要來源于污水處理過程中添加的磷營養(yǎng)源；Si的主要來源可能是污泥在污泥池中時混入了砂石等；Al則主要來源絮凝劑聚合AlCl3。而對于其他的元素則可能是污泥中微生物細胞和腐殖質(zhì)中所含有的，例如細胞中大量含有的元素有Ca、Mg、S、P，微量元素有Fe、Mn、Zn、Cu等。將黑龍江科技大學(xué)污水處理廠污泥中重金屬含量與國家城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置：農(nóng)用泥質(zhì)(CJ/T309-2009)》[12]中重金屬含量的限值相比，金屬含量均值均不超過農(nóng)用泥質(zhì)A級泥質(zhì)限值，符合我國農(nóng)用泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的A級泥質(zhì)。

根據(jù)檢測的總氮含量，計算氮磷鉀含量(N+P2O5+K2O)為39.21 g/kg干污泥，高于污泥農(nóng)用時的營養(yǎng)學(xué)要求指標(biāo)(30.0 g/kg干污泥)。

以上數(shù)據(jù)分析說明，該污泥可以用于農(nóng)業(yè)堆肥。

2.4.2干化污泥的XRD分析

對干化污泥樣中元素存在形式進行XRD分析，XRD衍射圖見圖3。

從干化污泥的XRD晶體結(jié)構(gòu)測試可知：在2θ為15.99°～26.56°處出現(xiàn)了一個饅頭峰，其他衍射峰的強度整體都比較低，說明污泥含有大量非晶體結(jié)構(gòu)的C—H物質(zhì)，污泥的結(jié)晶度不高2θ為26.18°的強尖峰，說明Si元素主要存在于石英SiO2中，這與XRF分析結(jié)果相符；干化污泥中含有黏土成分結(jié)構(gòu)峰值，表現(xiàn)為2θ為23.89°、29.95°、27.58°等衍射峰體現(xiàn)出方解石、六方鉀霞石的結(jié)構(gòu)特征。

根據(jù)XRF分析可知，除碳氫外，其他元素的氧化物合計含量為42.53%，說明城市生活污水污泥中碳、氫元素含量較大，其存在形式應(yīng)為蛋白體和纖維素等。

因城市生活污水污泥中含有蛋白質(zhì)、纖維素、類黏土等成分， 推測其可用于型煤等工業(yè)黏結(jié)劑生產(chǎn)。

2.5 干化污泥吸濕性及SEM分析

2.5.1干化污泥吸濕性試驗結(jié)果分析

干化污泥吸濕性實驗結(jié)果見表4，結(jié)果表明，干燥后的污泥經(jīng)24 h放置后，其水分含量升至12.81%。說明城市生活污水污泥應(yīng)具有較發(fā)達的空隙結(jié)構(gòu)和良好的吸附能力。

表4 干化污泥吸濕性測定結(jié)果

2.5.2干化污泥SEM分析

干化城市生活污水污泥的SEM掃描圖見圖4。從圖4可以看出，干化污泥表觀結(jié)構(gòu)比較粗糙，具有層狀結(jié)構(gòu)和類孔結(jié)構(gòu)，使其比表面較大。這種結(jié)構(gòu)的形成原因可能是干燥過程中污泥中微生物的細胞壁破裂，細胞壁不斷堆積、成孔和疊加造成的。而這種層狀結(jié)構(gòu)和類孔結(jié)構(gòu)會使干化污泥的比表面積增大。因為城市生活污水污泥含有的大量有機物及微生物，使其具有大量的極性或非極性官能團。這些因素為城市生活污水污泥吸附的發(fā)生提供了可能。

圖4 干化污泥表觀結(jié)構(gòu)

基于干化污泥具有較發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、易吸潮的原因，推測干化污泥經(jīng)過改性后可以制備干燥劑、緩蝕劑等，如將干化后的城市生活污水污泥吸附植物肥料后，為作物施肥，可以起到緩釋作用，減少肥料的流失，延長肥效時間。

3 結(jié) 語

城市生活污水污泥的工業(yè)分析表明，城市生活污水污泥具有高發(fā)熱量、低灰分、高水分、高揮發(fā)分的特點，可用做燃料或氣化原料。

黑龍江科技大學(xué)城市生活污水污泥的蛋白質(zhì)和有機質(zhì)含量分別為24.75%(干重)和72.98%(干重)可用于提取微生物蛋白。

污泥的農(nóng)用泥質(zhì)營養(yǎng)學(xué)指標(biāo)為39.12%，且其中無超標(biāo)的重金屬元素，說明城市生活污水污泥可用于堆肥。

污泥中Si、Al、Ca等元素以石英、六方鉀霞石、硬石膏等形式存在，污泥中含有大的蛋白和纖維結(jié)構(gòu)，說明城市生活污水污泥可用于制備粘結(jié)劑等。

干化污泥具有片層和類孔結(jié)構(gòu)，可用于制備肥料等物質(zhì)的緩釋劑。

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