鎮(zhèn)江市市政污泥基礎(chǔ)特性研究

曹貴華，徐永亮，張 程，劉 軍*

（1.江蘇天雨環(huán)保集團(tuán)有限公司，江蘇揚(yáng)州 225000；2.江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

自21世紀(jì)70年代以來，全球的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的自然資源遭到了過度開發(fā)，與此同時(shí)導(dǎo)致的環(huán)境污染也受到眾多國家政府和社會(huì)各界的重視。在污水處理領(lǐng)域中，生物法相較于物化污水處理工藝具有發(fā)展工藝成熟、處理效果好、費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。目前世界上約有90%的污水廠使用的是活性污泥法，然而越來越多的污水被凈化的同時(shí)產(chǎn)生的污泥產(chǎn)量也隨之增加［1］。

污泥是污水處理時(shí)產(chǎn)生的附加產(chǎn)物，其產(chǎn)量若按照濃縮后污泥計(jì)算，大約只有處理污水量的0.3%～0.5%，但是污泥的處理處置費(fèi)用卻達(dá)到了全部設(shè)施建設(shè)費(fèi)用的20%～50%，甚至更高［2］，處理污泥的難度可見一斑。污泥的成分非常復(fù)雜，除了很難被自然降解的有機(jī)物和重金屬外，還有少量的病原體、寄生蟲卵等［3］。由于污泥每年產(chǎn)量巨大、含水率高、占地面積大，還經(jīng)常伴隨有惡臭，在貯存、運(yùn)輸和裝卸過程中操作不便，可能引發(fā)周邊環(huán)境問題。其危害主要表現(xiàn)在：

（1）未經(jīng)妥善處置的污泥隨意堆放或填埋不僅侵占大量土地資源，還會(huì)散發(fā)出難聞氣味，影響當(dāng)?shù)毓箔h(huán)境衛(wèi)生。

（2）污泥的組成成分復(fù)雜，堆放時(shí)會(huì)發(fā)生厭氧消化等化學(xué)反應(yīng)，破壞土壤的原有環(huán)境及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部微生物菌落被破壞，從而失去了自然降解能力。

（3）污泥在露天堆放時(shí)，經(jīng)歷風(fēng)吹日曬后，表面被風(fēng)干形成揚(yáng)塵，內(nèi)部有機(jī)物逐漸被分解，同時(shí)散發(fā)出大量異味和有害氣體，對周圍大氣造成一定的影響［4］。

（4）污泥中含有眾多的病原體微生物，其中包括細(xì)菌、病毒和寄生蟲卵等。如致病性大腸桿菌、沙氏門菌、蛔蟲卵和脊髓灰質(zhì)炎病毒等病原體，能夠隨污泥滲入地下水和土壤，從而進(jìn)入食物鏈對人體和生物造成安全隱患［5-7］。

（5）據(jù)統(tǒng)計(jì)，在污水被凈化的過程中，其中Cu，Zn，Cr，Pb，Hg 等重金屬會(huì)逐漸吸附或沉降到污泥中［8-10］，這些重金屬主要來自工業(yè)廢水、給水管道系統(tǒng)、人為施放的農(nóng)藥化肥和生活垃圾等。污泥在露天堆放時(shí)重金屬會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移到土壤和水體中，由于其難以降解，易被生物富集，進(jìn)而危害人體和生物的安全。

（6）污泥中存在著多種多樣的有機(jī)污染物，目前發(fā)現(xiàn)約有300 多種。其中包含氯酚、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴和呋喃等持久性有機(jī)污染物［11-13］。這些有機(jī)污染物都具有“三致性”，在環(huán)境中難以降解，進(jìn)入人體后會(huì)造成極大的危害。

對污泥的基礎(chǔ)特性進(jìn)行研究，有利于污泥的后續(xù)處理處置和資源化利用。

1 基礎(chǔ)特性

1.1 含水率

實(shí)驗(yàn)所選用污泥分別來自鎮(zhèn)江市京口區(qū)、諫壁和征潤州污水處理廠的市政污泥。采樣的污泥濕基含水率如表1 所示，實(shí)驗(yàn)方法參考國家標(biāo)準(zhǔn)CJT 221—2005。

表1 采樣濕污泥含水率

由表1 可知，征潤州、京口區(qū)與諫壁污水處理廠脫水污泥含水率較高，幾乎都超過了GB18918中規(guī)定的80%要求。結(jié)合不同污水廠脫水污泥處置途徑不同，含水率偏高對污泥后續(xù)的處理也會(huì)造成不同程度的影響。征潤州和諫壁污水廠采用的是脫水后污泥外運(yùn)焚燒的處置方式，濕污泥含水率高會(huì)導(dǎo)致污泥本身的熱值偏低，需要摻混更大比例的燃料煤，這就造成了資源的浪費(fèi)，增加了焚燒的成本；京口區(qū)污水廠采用的是脫水后污泥運(yùn)送至附近的協(xié)同有機(jī)質(zhì)處理中心進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)甲烷+太陽能干化的處置方式，但是含水率偏高也會(huì)導(dǎo)致厭氧消化反應(yīng)提前，進(jìn)而導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量降低［14］。

1.2 工業(yè)分析

污泥的工業(yè)分析是指污泥干基中揮發(fā)分、灰分和固定碳的比例。污泥干基中的揮發(fā)分和灰分分別表示污泥中的有機(jī)物和無機(jī)物含量，其余的部分被稱為固定碳。污泥干基熱值主要與固定碳和有機(jī)物含量有關(guān)。因此對污泥的工業(yè)分析不僅能夠得出污泥中的有機(jī)物、無機(jī)物和固定碳成分的含量，還能夠作為選擇污泥農(nóng)用或焚燒等不同處置方式的依據(jù)。

城市污泥中揮發(fā)分的測定參考國家標(biāo)準(zhǔn)CJT 221—2005，灰分的測定參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30732—2014。

圖1 污泥干基的工業(yè)分析百分比堆積

由圖1可知，征潤州與京口區(qū)污泥揮發(fā)分與固定碳含量較高，潛在熱值較高，具有與可燃煤混合焚燒發(fā)電和作為農(nóng)用泥質(zhì)的潛質(zhì)。諫壁廠的污泥揮發(fā)分與固定碳的含量較低、灰分的含量較高，若采用農(nóng)用泥質(zhì)和焚燒處置，資源利用率低，將其作為制磚用泥質(zhì)處置會(huì)是更好的選擇。

1.3 非金屬元素的測定

國內(nèi)關(guān)于污泥C，H，O，N和S等非金屬元素的檢測標(biāo)準(zhǔn)沒有嚴(yán)格的限定和統(tǒng)一，因此與污泥非金屬元素含量檢測相關(guān)的資料較少。傳統(tǒng)的測定一般以煤的元素檢測方法為依據(jù)，其原理比較簡單，但是操作步驟煩瑣，也不能保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。因此本實(shí)驗(yàn)委托青島衡立檢測機(jī)構(gòu)對污泥的非金屬元素含量進(jìn)行檢測，檢測項(xiàng)目包括C，H，O，N和S的含量，檢測標(biāo)準(zhǔn)為GBT 31391—2015，GBT 476—2008，GBT 19227—2008和GBT 214—2007。檢測結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2中各元素質(zhì)量百分比可以計(jì)算得出1 kg干污泥中含有的C，H，O，N 和S 的物質(zhì)的量，其結(jié)果如表2所示。

圖2 污泥干基的非金屬元素含量

表2 1 kg干污泥中C，H，O，N，S的物質(zhì)的量 （單位：mol/kg干泥）

根據(jù)表2可以直觀地看出H的物質(zhì)的量最高，N，S 的物質(zhì)的量最小且相差不大。一般來說，C 與H 的含量越高代表著干污泥的熱值越高［15］，征潤州與京口區(qū)污泥的C，H含量明顯高于諫壁，這也與圖1中征潤州、京口區(qū)污泥揮發(fā)分、有機(jī)碳含量高從而得出這兩處污泥熱值高、利于焚燒處置的推論一致。

1.4 金屬元素的測定

由于城鎮(zhèn)污水處理廠在處理污水的過程中，添加了諸多如PAC，PFS 絮凝劑和NaClO 消毒劑等化學(xué)物質(zhì)，再加上污水水質(zhì)的原因，致使污泥中富含金屬元素。其中部分元素如Na，K和Al 等元素濃度適當(dāng)?shù)那闆r下對植物的生長具有積極的作用，而另有一部分重金屬如Cr，Ni和Cu等元素若不妥善處置會(huì)逐漸富集于動(dòng)物體中，對人類及其他生物體造成極大的危害，因此對污泥金屬元素含量的檢測非常重要。本次實(shí)驗(yàn)檢測以《等離子體電感耦合發(fā)射光譜法（HJ781—2016）》為依據(jù)，檢測結(jié)果如圖3—4所示。

3 處污水廠污泥干基的金屬及部分重金屬元素的含量如圖3—4 所示。由圖3 可知污泥中常規(guī)金屬元素含量較高的是Al，F(xiàn)e，Ca 和K，主要與污水廠添加的PAC與PFS等絮凝劑有關(guān)，其中Fe，Ca，K和Mg等元素也是構(gòu)成污泥中黏土礦物的重要元素。圖4顯示重金屬中Zn和Cu的含量較高，其中污泥中Zn的含量高，主要與我國供水市政管網(wǎng)中采用鍍鋅管道有關(guān)［16］；Cu的含量差異較大主要與污水廠間水質(zhì)差異有關(guān)。

根據(jù)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)、制磚用泥質(zhì)、混合填埋泥質(zhì)、園林綠化泥質(zhì)等法規(guī)要求，對污泥Cr，Ni，Cu和Zn等重金屬含量以及有機(jī)物、氮磷鉀等營養(yǎng)指標(biāo)的限值如表3 所示。由表3 可知，3 個(gè)污水廠泥樣中的Cr，Ni和Zn含量都低于制磚、土地改良地和農(nóng)用等相關(guān)泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，京口區(qū)污泥的Cu 含量超過了園林綠化、土地改良用泥在酸性土壤（pH 小于6.5）和A類污泥在農(nóng)田中施用的最高限值，但是符合中堿性土壤（pH 不低于6.5）和B 類污泥的施用要求。此外，3處污泥均滿足園林綠化、土地改良和農(nóng)用泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中對有機(jī)物、氮磷鉀最低含量等營養(yǎng)指標(biāo)的限定。考慮到京口區(qū)污水廠的污泥采用脫水后進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)甲烷以及殘?jiān)苫笞鳛閳@林綠化土質(zhì)，因此還需對污泥重金屬進(jìn)行長期追蹤檢測，并對酸性和中堿性土壤的施用泥質(zhì)進(jìn)行明確的劃分［17］。

圖3 污泥的常規(guī)金屬元素含量

圖4 污泥的重金屬元素含量

表3 污泥處置控制項(xiàng)目及限值 （單位：mg/kg干泥）

2 結(jié)語

本文通過對征潤州、京口區(qū)與諫壁污水處理廠污泥進(jìn)行工業(yè)分析、非金屬元素含量檢測、常規(guī)金屬以及部分重金屬元素含量檢測，得出以下結(jié)論：

（1）這3 處污水廠的污泥含水率都偏高，都不低于80%，這對后續(xù)的厭氧消化產(chǎn)甲烷或者摻混可燃煤焚燒等污泥后續(xù)處理處置會(huì)造成不利的影響；征潤州與京口區(qū)的揮發(fā)分與固定碳含量較高，潛在熱值較高，具有與可燃煤混合焚燒發(fā)電和作為農(nóng)用泥質(zhì)的潛質(zhì)；而諫壁廠的污泥揮發(fā)分與固定碳的含量較低，灰分的含量較高，若作為農(nóng)用泥質(zhì)和焚燒處置，資源利用率低，將其作為制磚用泥質(zhì)處置會(huì)是更好的選擇。

（2）干污泥中氫元素的物質(zhì)的量最高，氮、硫元素的物質(zhì)的量最小且相差不大。征潤州與京口區(qū)污泥的C，H 含量明顯高于諫壁，這說明征潤州與京口區(qū)這兩處污泥熱值更高，若選擇焚燒處置時(shí)會(huì)更具有優(yōu)勢。

（3）在污泥的金屬元素含量檢測中，常規(guī)金屬元素含量較高的是Al，F(xiàn)e，Ca和K，主要跟污水廠添加的PAC 與 PFS 等絮凝劑有關(guān)，其中 Fe，Ca，K 及 Mg 等元素也是構(gòu)成污泥中黏土礦物的重要元素；重金屬中Zn和Cu的含量較高，其中污泥中Zn的含量高主要與我國供水市政管網(wǎng)中采用鍍鋅管道有關(guān)，Cu 的含量差異較大，主要與身處不同地域的污水廠間水質(zhì)差異有關(guān)；3個(gè)污水廠泥樣中的Cr，Ni 與Zn的含量都低于制磚、土地改良地和農(nóng)用等相關(guān)泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，京口區(qū)污泥的Cu 含量超過了園林綠化、土地改良用泥在酸性土壤和A類污泥在農(nóng)田中施用的最高限值，但是符合中堿性土壤和B 類污泥的施用要求；3 處污泥都滿足園林綠化、農(nóng)用泥質(zhì)和土地改良標(biāo)準(zhǔn)中對有機(jī)物、氮磷鉀最低含量等營養(yǎng)指標(biāo)的限定?？紤]到京口區(qū)污水廠的污泥采用脫水后進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)甲烷、殘?jiān)苫笞鳛閳@林綠化土質(zhì)，因此還需對污泥重金屬進(jìn)行長期追蹤檢測，并對酸性和中堿性土壤的施用泥質(zhì)進(jìn)行明確的劃分。