楊 璇 蘇玉萍 王君琴 林鐘員

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福州市污水處理廠污泥性質(zhì)和土地利用前景分析*

楊 璇 蘇玉萍**王君琴 林鐘員

福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

對福州市主要的三座污水處理廠污泥泥質(zhì)進(jìn)行調(diào)查，分析了污泥的有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷和主要的重金屬含量。并運(yùn)用主成分分析方法對污泥指標(biāo)進(jìn)行分析評價(jià)。結(jié)果表明，污泥中重金屬含量是限制其利用的關(guān)鍵因素，其中重金屬Cu、Zn、Cd需優(yōu)先考慮其風(fēng)險(xiǎn)。而污泥中營養(yǎng)成分含量相對較高，可利用的成分多，污泥的資源化利用有較好的前景。

污泥 土地利用 氮磷 重金屬

0 引言

隨著我國城市化步伐的加快，城鎮(zhèn)人口迅速增加，產(chǎn)生的污水量也隨之膨脹，各個(gè)城市的污水處理廠的數(shù)量也相應(yīng)激增，造成城市污水處理廠污泥的大增[1]。截至2009年底,福建全省已投入運(yùn)行的污水處理廠有37座,日處理污水能力為246.5萬m3,年產(chǎn)污泥9129.6萬m3。

城市污泥也稱為有機(jī)污泥，是污水處理過程中產(chǎn)生的固體廢物。污泥的特性一是數(shù)量巨大，污泥量占污水量體積的0.3%～0.5%[2]。二是污泥中含有大量的有機(jī)物和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，是良好的農(nóng)用肥料，用于農(nóng)田、植樹造林、園林綠化、花卉栽培以及在墾荒地改造等方面有很好的前景[3]。三是由于污泥來源于各種污水，所以污泥中不可避免地含有各種有毒有害物質(zhì)，如重金屬、有機(jī)污染物和病原物等，同時(shí)還有較多的易分解或腐化的成分，通常會(huì)散發(fā)出難聞的氣味。污泥中的有益成分和有害成分共存的特點(diǎn)，使污泥的處理成為復(fù)雜化的問題[4]。

我國城市污泥處理的常用方法有堆肥處理、衛(wèi)生填埋、焚燒處理、水體消納和土地利用等。而福建省由于水廠較多，在污泥處理利用方面所采取的方式也各有不同,目前多數(shù)以填埋為主。但是污泥的含水率高，會(huì)造成運(yùn)輸成本高、堆放面積大、擠壓垃圾填埋場庫容等問題，同時(shí)產(chǎn)生更多的滲濾液，且含多種有毒有害物質(zhì)。如果未經(jīng)適當(dāng)處理會(huì)對環(huán)境造成新的污染。城市污泥的出路問題已成為我國城市污水處理行業(yè)健康發(fā)展的“瓶頸”，污泥的妥善處理是當(dāng)務(wù)之急[5]。國外如英、美、法等國將污泥進(jìn)行土地利用，并已達(dá)到60%以上，而我國污泥土地利用率不超過10%。發(fā)達(dá)國家對污泥的利用起步較早，主要包括污泥對植被生長的短期與長期的影響，以及對退化林地的修復(fù)作用等。研究表明，污泥對于改善退化森林生態(tài)系統(tǒng)和提高人工林生產(chǎn)力有顯著作用，也為污泥的處置找到了理想的途徑[5]。

本文對福州市主要污水處理廠的污泥進(jìn)行泥質(zhì)的調(diào)查，分析其土地利用的可行性，并對其土地利用的限制因素進(jìn)行研究，為福州市城市污泥的資源化利用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 污泥樣品的采集

實(shí)驗(yàn)采用的污泥取自福州市三個(gè)污水處理廠，分別記為祥坂、金山、大學(xué)城。樣品采集脫水機(jī)出泥口不同位置的樣品，并將其混合，樣品使用聚乙烯封口袋收集，封口帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.2 理化性質(zhì)測定

污泥化學(xué)成分的常規(guī)分析基本參照《污泥資源化技術(shù)》和城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法（CJ/T221-2005）進(jìn)行[6,7]，所用試劑均為分析純，試驗(yàn)的每個(gè)樣品設(shè)置3個(gè)平行樣, 結(jié)果表達(dá)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

pH值:污泥樣品稱取5.000g，加入50mL無二氧化碳水浸泡，密封。置于往復(fù)式振蕩器上，于室溫振搖4h后，進(jìn)行離心，取上清液用于pH值測定。

含水率：樣品在105℃下烘干至恒重，通過重量法測定含水率。

污泥有機(jī)質(zhì)的分析：采用馬弗爐設(shè)定500±50℃下，烘燒3小時(shí)，通過重量法測定其有機(jī)質(zhì)含量。

污泥總磷的分析：利用過硫酸鉀氧化—鉬銻抗光度法測定城市脫水污泥總磷含量[8]。采用過硫酸鉀消解法，然后用分光光度計(jì)測定。

污泥碳氮的分析：污泥碳和氮含量采用元素分析儀測定。

污泥中重金屬的測定[9]：采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀ICP—AES法[10]，對濃HNO3和HClO4消解處理樣品進(jìn)行金屬元素含量的測定。數(shù)據(jù)處理采用一次線性擬合繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，相關(guān)系數(shù)r2>0.9998，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)均采用回歸法。

2 結(jié)果與討論

2.1 用主成分分析法對污泥成分進(jìn)行評價(jià)

表1是污泥中理化指標(biāo)的含量，表2是污泥中重金屬含量，用主成分分析法對污泥成分進(jìn)行評價(jià)[11]。

表1 污泥中理化指標(biāo)的含量

表2 污泥中重金屬含量

在進(jìn)行主成分分析之前，將所有原始變量都轉(zhuǎn)換為含量值盡可能小的新變量，以便主成分分析后得到的主成分得分盡可能小。所以對含水率、有機(jī)質(zhì)、TP、TN等值要進(jìn)行倒數(shù)處理，得到數(shù)據(jù)矩陣()×n。

為了排除數(shù)量級和量綱不同帶來的影響,首先對數(shù)據(jù)矩陣()×n進(jìn)行對數(shù)化處理:

式中,為第個(gè)污水廠第個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)。

計(jì)算出矩陣()×n均值向量為：

根據(jù)對數(shù)化后的矩陣()×n，計(jì)算它的協(xié)方差矩陣S=()×n。

計(jì)算矩陣S的特征值和特征向量u根據(jù)特征方程|-|=0計(jì)算特征根λ ,

計(jì)算貢獻(xiàn)率e:

根據(jù)貢獻(xiàn)率e的大小來進(jìn)行判斷當(dāng)e≥80 %時(shí)直接用第一主成分來進(jìn)行綜合評價(jià)即可。計(jì)算出=0.971，對應(yīng)的特征向量為:

計(jì)算主成分得分：三個(gè)污水廠在11個(gè)指標(biāo)主成分上的得分：

由于指標(biāo)的量綱不同，所以在主成分計(jì)算之前應(yīng)先消除量綱的影響。將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，即:

主成分中各標(biāo)準(zhǔn)化變量前的系數(shù)即為對應(yīng)特征向量，由此得到標(biāo)準(zhǔn)化樣本主成分為:

第一主成分反映污泥的利用直接與重金屬的含量相關(guān)（在F中系數(shù)為正的指標(biāo)是風(fēng)干后含水率和重金屬），特別是與Cu、Zn、Cd的含量密切相關(guān)。由于重金屬元素是影響污泥土地利用的重要因素之一，我國頒布實(shí)施了污泥標(biāo)準(zhǔn)及其重金屬控制限值。而通過主成分分析，福州市三個(gè)污水廠的污泥樣品中需優(yōu)先考慮的重金屬含量：Cu為78.86～221.97 mg/kg，Zn為283.64～539.34mg/kg，Cd為1.29～4.26mg/kg，均在污泥農(nóng)用污染物控制標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，表明福州市這三個(gè)污水處理廠的污泥達(dá)到了土地利用的標(biāo)準(zhǔn)限值要求，它們的土地利用是可行的。楊軍[13]等對城市污泥土地利用的可行性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)近十幾年中國城市生活污泥中的重金屬含量呈下降趨勢，我國城市污泥重金屬含量的超標(biāo)率總體上并不高，降低了污泥土地利用的風(fēng)險(xiǎn)。

污泥中所含的營養(yǎng)成分如有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷、總碳在主成分分析中負(fù)相關(guān)，說明是可利用的營養(yǎng)成分，且從表1可看出，福州市污泥呈高有機(jī)質(zhì)、高總氮、高總磷的特點(diǎn)，而碳氮比比農(nóng)家肥低，則污泥的礦化速度比普通的農(nóng)家肥高，用作農(nóng)肥，則肥效持續(xù)時(shí)間長，并可改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤肥力，促進(jìn)作物的生長，適用于一些貧瘠的土地。將其合理施用到農(nóng)田或綠化，能夠達(dá)到營養(yǎng)轉(zhuǎn)化的目的。

F近似是11個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化變量的等權(quán)重之和，是污泥性質(zhì)的綜合指標(biāo)，F(xiàn)的值越小，則污泥的污染程度較輕。將數(shù)據(jù)代入F的表達(dá)式中，可求得各污水廠F的得分及按其得分的排序結(jié)果,如表3。表3能從整體上看出污水廠之間的差別，并且可知大學(xué)城污水廠污泥污染相對較輕，可能是由于污水廠地處郊區(qū)，人口密度少、污染物成分和有毒有害物質(zhì)相對較少。

表3 污水廠污泥污染程度排序

2.2 福州市污泥土地利用前景分析

2.2.1綠化利用

近幾年來，我國污泥在園林綠地上的應(yīng)用得到了發(fā)展。城市污泥經(jīng)過無害化處理后可以廣泛用于城市綠化[14]，利用城市污泥進(jìn)行草皮無土培植，比不用污泥的同類草皮生長快、鏟運(yùn)方便、效率高且無雜草。福州市城市污泥在園林綠化和花卉生產(chǎn)中作為有機(jī)肥施用[15]，既可改良土壤、促進(jìn)園林綠化植物和花卉的生長，又可避開食物鏈，就近使用，減少運(yùn)輸費(fèi)用。2010年城區(qū)新增綠地面積710萬平方米，提高城市整體景觀,建成區(qū)綠化覆蓋面積8869公頃，綠化覆蓋率40.3%。綠化面之廣，運(yùn)用污泥覆土綠化可行性高。

2.2.2礦山廢棄地修復(fù)

土壤施用污泥，可大大提高土壤肥力、改善土壤的物理性質(zhì)，是一種很好的土壤改良劑。莫測輝[16]等在礦山廢棄地的復(fù)墾中施用污泥，結(jié)果表明，施用污泥后可迅速有效地恢復(fù)植被、提高礦山廢棄地中微生物的含量，防治水土流失。福建位于中國東南沿海,礦產(chǎn)資源豐富,是環(huán)太平洋成礦帶中主要的成礦區(qū)帶之一。我省礦業(yè)近20年以來發(fā)展很快,礦山廢棄地的面積大，急需對廢棄的礦山進(jìn)行土壤改良和生態(tài)恢復(fù)。假如能運(yùn)用污泥進(jìn)行復(fù)墾，不僅可以解決城市污泥的出路，還能有效地恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)，提高土壤生產(chǎn)能力[17]。

2.2.3林業(yè)利用

城市污泥在森林土壤中施用，一方面可促進(jìn)樹木生長，增加木材產(chǎn)量；另一方面污泥中的有害物質(zhì)又不參與食物鏈循環(huán)，應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)性小，不會(huì)對人類健康造成危害。目前，污泥林地利用時(shí)可以把污泥制成有機(jī)－無機(jī)復(fù)合肥料，適當(dāng)添加鉀肥補(bǔ)充污泥肥料中鉀的不足，以提高肥效、降低運(yùn)輸成本、減少有害物的含量。一般林場、森林等地區(qū)的環(huán)境容量相對較大，園林中的植物可接受較高濃度的重金屬而不易顯出毒害癥狀，又可承納大量的污泥[17]。福建省是我國南方重點(diǎn)集體林區(qū)，森林資源豐富，全省現(xiàn)有林地面積914.81萬公頃，占土地總面積的75.3%，森林覆蓋率達(dá)63.1%，居全國第一位。森林覆蓋率穩(wěn)步上升，將污泥利用到林地不僅可以供給樹木所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)可以增加林產(chǎn)品的產(chǎn)量，進(jìn)一步促進(jìn)林業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，城市污泥林地利用具有廣闊的發(fā)展空間。

污泥是一種很有利用價(jià)值的潛在資源，隨著中國城市污水處理技術(shù)的提高，其有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量呈增加的趨勢，其重金屬平均含量相對歐美國家普遍偏低，且城市污泥重金屬含量呈逐漸減低的趨勢。因此，將污泥經(jīng)過穩(wěn)定化、無害化處理后進(jìn)行土地循環(huán)利用，對于我國這樣一個(gè)發(fā)展中的農(nóng)業(yè)大國，污泥土地利用無疑具有極大的意義。

3 結(jié)論

3.1 研究結(jié)果表明，在污泥指標(biāo)綜合評價(jià)中運(yùn)用主成分分析方法，福州市污泥呈高有機(jī)質(zhì)、高總氮、高總磷的特點(diǎn)，是可利用的營養(yǎng)物質(zhì)，并且具有較高農(nóng)用價(jià)值。

3.2 污泥中重金屬含量是限制其利用的關(guān)鍵因素，其中Cu、Zn、Cd等重金屬需優(yōu)先考慮其風(fēng)險(xiǎn)。福州市污泥的重金屬含量較低，因此施用福州市污泥堆肥于農(nóng)田、草坪和林地是相對安全可靠的，福州市林地多，綠化面廣等特點(diǎn)可以使污泥的土地利用可行性高。但是，污泥的重金屬含量并不能完全用來說明其對土地利用危害程度的大小，有待進(jìn)一步深入研究。

3.3 福州市由不同污水廠產(chǎn)生的污泥有一定的差異，相對人口密集程度較低的污水廠產(chǎn)生的污泥，可利用的成分多，相對污染少，如果合理利用，可能會(huì)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 胡忻，陳茂林，吳云海，等.城市污水處理廠污泥化學(xué)組分與重金屬元素形態(tài)分布研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2005，24(2):387-391.

[2] 黃雅曦,李季,李國學(xué),等.污泥資源化處理與利用中控制重金屬污染的研究進(jìn)展[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2006，14（1）:156-158.

[3] Babel S, Sae-Tang J, Pecharaply A. Anaerobic co-digestion of sewage and brewery sludge for biogas production and land application[J].International Journal of Environmental Science and Technology,2009,6 (1): 131-140.

[4] 申榮艷，駱永明，滕應(yīng)，等.城市污泥的污染現(xiàn)狀及其土地利用評價(jià)[J].土壤，2006，38（5）:517-524.

[5] 楊麗.城市污泥在林地施用的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[J].山西能源與節(jié)能，2010 (6):67-69.

[6] 趙慶祥.污泥資源化技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[7] 中華人民共和國建設(shè)部.CJ/T221-2005, 城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005．

[8] 張肖靜，高健磊，劉航航，等. 城市污水廠剩余污泥中總磷的測定[J]. 環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2010,22（5）:39-41.

[9] 孫穎，陳玲，趙建夫，等.測定城市生活污泥中重金屬的酸消解方法研究[J].環(huán)境污染與防治，2004，26（3）:170-172.

[10] 趙清華，馮素萍.微波消解／ICP—AES法測定污水處理廠污泥中的重金屬[J].化學(xué)分析計(jì)量，2008(17):42-44.

[11] 姚煥玫,黃仁濤,甘復(fù)興,等. 用改進(jìn)的主成分分析法對東湖的水質(zhì)污染進(jìn)行評價(jià)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,30（8）：732-735.

[12] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．CJ/T309-2009, 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009．

[13] 楊軍，郭廣慧，陳同斌，等.中國城市污泥的重金屬含量及其變化趨勢[J]. 中國給水排水，2009，25（13）:122-124.

[14] Hefa Cheng, Weipu Xub, Junliang Liuc.Application of composted sewage sludge (CSS) as a soil amendment for turfgrass growth[J].Ecological Engineering,2007(29): 96-104.

[15] M .D. Perez-Murcia, R. Moral, J. Moreno-Caselles.Use of composted sewage sludge in growth media for broccoli [J]. Bioresource Technology, 2006(97): 123-130.

[16] 莫測輝，蔡全英，王江海.城市污泥在礦山廢棄地復(fù)墾的應(yīng)用探討[J].生態(tài)雜志，2001，20（2）:44-47.

[17] 楊麗標(biāo)，鄒國元，張麗娟，等.城市污泥農(nóng)用處置研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2008，24（1）:420-424.

基金項(xiàng)目：福建省教育廳項(xiàng)目“城市污泥園林植物基質(zhì)化及其肥料化研究”(JB09049)資助。

通訊作者：蘇玉萍，E-mail：ypsu@fjnu.edu.cn