福州市污水處理廠污泥性質和土地利用前景分析*

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

福建師范大學環境科學與工程學院

對福州市主要的三座污水處理廠污泥泥質進行調查，分析了污泥的有機質、總氮、總磷和主要的重金屬含量。并運用主成分分析方法對污泥指標進行分析評價。結果表明，污泥中重金屬含量是限制其利用的關鍵因素，其中重金屬Cu、Zn、Cd需優先考慮其風險。而污泥中營養成分含量相對較高，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，城鎮人口迅速增加，產生的污水量也隨之膨脹，各個城市的污水處理廠的數量也相應激增，造成城市污水處理廠污泥的大增[1]。截至2009年底,福建全省已投入運行的污水處理廠有37座,日處理污水能力為246.5萬m3,年產污泥9129.6萬m3。

城市污泥也稱為有機污泥，是污水處理過程中產生的固體廢物。污泥的特性一是數量巨大，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物和氮、磷、鉀等營養元素，是良好的農用肥料，用于農田、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，如重金屬、有機污染物和病原物等，同時還有較多的易分解或腐化的成分，通常會散發出難聞的氣味。污泥中的有益成分和有害成分共存的特點，使污泥的處理成為復雜化的問題[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,目前多數以填埋為主。但是污泥的含水率高，會造成運輸成本高、堆放面積大、擠壓垃圾填埋場庫容等問題，同時產生更多的滲濾液，且含多種有毒有害物質。如果未經適當處理會對環境造成新的污染。城市污泥的出路問題已成為我國城市污水處理行業健康發展的“瓶頸”，污泥的妥善處理是當務之急[5]。國外如英、美、法等國將污泥進行土地利用，并已達到60%以上，而我國污泥土地利用率不超過10%。發達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作用等。研究表明，污泥對于改善退化森林生態系統和提高人工林生產力有顯著作用，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行泥質的調查，分析其土地利用的可行性，并對其土地利用的限制因素進行研究，為福州市城市污泥的資源化利用提供參考。

1 實驗部分

1.1 污泥樣品的采集

實驗采用的污泥取自福州市三個污水處理廠，分別記為祥坂、金山、大學城。樣品采集脫水機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，封口帶回實驗室。

1.2 理化性質測定

污泥化學成分的常規分析基本參照《污泥資源化技術》和城市污水處理廠污泥檢驗方法（CJ/T221-2005）進行[6,7]，所用試劑均為分析純，試驗的每個樣品設置3個平行樣, 結果表達為平均值±標準偏差。

pH值:污泥樣品稱取5.000g，加入50mL無二氧化碳水浸泡，密封。置于往復式振蕩器上，于室溫振搖4h后，進行離心，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。

污泥有機質的分析：采用馬弗爐設定500±50℃下，烘燒3小時，通過重量法測定其有機質含量。

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射光譜儀ICP—AES法[10]，對濃HNO3和HClO4消解處理樣品進行金屬元素含量的測定。數據處理采用一次線性擬合繪制標準工作曲線，相關系數r2>0.9998，數據統計均采用回歸法。

2 結果與討論

2.1 用主成分分析法對污泥成分進行評價

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

表1 污泥中理化指標的含量

表2 污泥中重金屬含量

在進行主成分分析之前，將所有原始變量都轉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、有機質、TP、TN等值要進行倒數處理，得到數據矩陣()×n。

為了排除數量級和量綱不同帶來的影響,首先對數據矩陣()×n進行對數化處理:

式中,為第個污水廠第個指標的原始數據。

計算出矩陣()×n均值向量為：

根據對數化后的矩陣()×n，計算它的協方差矩陣S=()×n。

計算矩陣S的特征值和特征向量u根據特征方程|-|=0計算特征根λ ,

計算貢獻率e:

根據貢獻率e的大小來進行判斷當e≥80 %時直接用第一主成分來進行綜合評價即可。計算出=0.971，對應的特征向量為:

計算主成分得分：三個污水廠在11個指標主成分上的得分：

由于指標的量綱不同，所以在主成分計算之前應先消除量綱的影響。將原始數據標準化，即:

主成分中各標準化變量前的系數即為對應特征向量，由此得到標準化樣本主成分為:

第一主成分反映污泥的利用直接與重金屬的含量相關（在F中系數為正的指標是風干后含水率和重金屬），特別是與Cu、Zn、Cd的含量密切相關。由于重金屬元素是影響污泥土地利用的重要因素之一，我國頒布實施了污泥標準及其重金屬控制限值。而通過主成分分析，福州市三個污水廠的污泥樣品中需優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，均在污泥農用污染物控制標準范圍之內，表明福州市這三個污水處理廠的污泥達到了土地利用的標準限值要求，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行了分析，發現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率總體上并不高，降低了污泥土地利用的風險。

污泥中所含的營養成分如有機質、總氮、總磷、總碳在主成分分析中負相關，說明是可利用的營養成分，且從表1可看出，福州市污泥呈高有機質、高總氮、高總磷的特點，而碳氮比比農家肥低，則污泥的礦化速度比普通的農家肥高，用作農肥，則肥效持續時間長，并可改善土壤結構，增加土壤肥力，促進作物的生長，適用于一些貧瘠的土地。將其合理施用到農田或綠化，能夠達到營養轉化的目的。

F近似是11個標準化變量的等權重之和，是污泥性質的綜合指標，F的值越小，則污泥的污染程度較輕。將數據代入F的表達式中，可求得各污水廠F的得分及按其得分的排序結果,如表3。表3能從整體上看出污水廠之間的差別，并且可知大學城污水廠污泥污染相對較輕，可能是由于污水廠地處郊區，人口密度少、污染物成分和有毒有害物質相對較少。

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

2.2.2礦山廢棄地修復

土壤施用污泥，可大大提高土壤肥力、改善土壤的物理性質，是一種很好的土壤改良劑。莫測輝[16]等在礦山廢棄地的復墾中施用污泥，結果表明，施用污泥后可迅速有效地恢復植被、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,礦產資源豐富,是環太平洋成礦帶中主要的成礦區帶之一。我省礦業近20年以來發展很快,礦山廢棄地的面積大，急需對廢棄的礦山進行土壤改良和生態恢復。假如能運用污泥進行復墾，不僅可以解決城市污泥的出路，還能有效地恢復生態系統，提高土壤生產能力[17]。

2.2.3林業利用

城市污泥在森林土壤中施用，一方面可促進樹木生長，增加木材產量；另一方面污泥中的有害物質又不參與食物鏈循環，應用風險性小，不會對人類健康造成危害。目前，污泥林地利用時可以把污泥制成有機－無機復合肥料，適當添加鉀肥補充污泥肥料中鉀的不足，以提高肥效、降低運輸成本、減少有害物的含量。一般林場、森林等地區的環境容量相對較大，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集體林區，森林資源豐富，全省現有林地面積914.81萬公頃，占土地總面積的75.3%，森林覆蓋率達63.1%，居全國第一位。森林覆蓋率穩步上升，將污泥利用到林地不僅可以供給樹木所需要的營養物質，同時可以增加林產品的產量，進一步促進林業產業的發展，創造更多的經濟價值。因此，城市污泥林地利用具有廣闊的發展空間。

污泥是一種很有利用價值的潛在資源，隨著中國城市污水處理技術的提高，其有機質和養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，將污泥經過穩定化、無害化處理后進行土地循環利用，對于我國這樣一個發展中的農業大國，污泥土地利用無疑具有極大的意義。

3 結論

3.1 研究結果表明，在污泥指標綜合評價中運用主成分分析方法，福州市污泥呈高有機質、高總氮、高總磷的特點，是可利用的營養物質，并且具有較高農用價值。

3.2 污泥中重金屬含量是限制其利用的關鍵因素，其中Cu、Zn、Cd等重金屬需優先考慮其風險。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，有待進一步深入研究。

3.3 福州市由不同污水廠產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，可能會帶來一定的經濟效益。

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

通訊作者：蘇玉萍，E-mail：ypsu@fjnu.edu.cn