我國城鎮污水處理廠污泥農用的發展潛力分析

崔偉莎，曹秀芹

（北京建筑大學 城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室，北京100044）

1 引言

隨著社會與經濟的飛速發展以及城市化進程的不斷加快，由日常生活和各行各業所產生的污廢水量顯著增多，為了提高城鎮污廢水的處理效率，不得不興建大量的污水處理廠，因此污泥產量急劇增加。而大部分污泥并沒有得到妥善的處理處置，這會對城鎮環境造成不可忽視的危害，所以污泥規范化的處理處置便成了污水處理廠亟待解決的問題。根據估算，2008年我國濕污泥（含水率80%）年產量為2662萬t［1］。截至2011年9月底，全國城鎮污水處理量達到13600萬m3/d，濕污泥（含水率80%）年產量突破3480萬t。其中只有約30%得到了恰當的處理處置，而其余的約70%則是隨意堆放或者簡單填埋。如此大量的生污泥沒有得到科學處理，使之減量化、穩定化、無害化和資源化，不僅浪費了污泥中有價值的成分，還產生了新的環境污染問題［2］。因此，如何經濟高效地對污泥進行處理處置，并找到適合我國國情的污泥處理處置技術，是城鎮目前迫切需要解決的問題。

2 城鎮污泥的處置與農用

2.1 城鎮污泥的處置方式

大部分的污泥未能得到妥善的處理處置是我國城鎮地區面臨的主要環境問題之一。土地利用、陸地填埋、焚燒和排海是目前世界上廣泛采用的4種方式［3］，其中尤以陸地填埋和焚燒應用廣泛。然而，焚燒污染空氣且成本高昂、有限的陸地填埋區域和日益增加的污泥量以及其他對環境有害的處置方法（如排海）的限制，都促進了污泥的土地利用，尤其是農業利用［4］。

2.2 國內外污泥農用的歷史

國際上將污泥作為肥料進行農業利用已有60多年的歷史。根據美國環保局的統計，2000年和2005年美國污泥處置中各種處置方式所占的比例如表1所示。從表中可以看出，除了土地利用的比例由55.5%增加到58%之外，焚燒和填埋的比例均有所下降。2005年，英國的污泥處置中，土地利用的比例高達66%［5］。從國外污泥處置方式的發展趨勢可以看出，污泥的農業利用確實是合理的污泥處置途徑之一。

表1 美國污泥處置方式的發展趨勢 %

我國從1961年就開始了污泥的農業利用，那時北京高碑店污水處理廠周圍的農民將其污泥施用于土地［5］。到了20世紀80年代初，隨著天津紀莊子污水處理廠的建成投產，其附近的農民也將污泥進行了農用。根據相關資料的統計，我國污泥農用比例在2000年為44.83%。到了2006年則增加到了50%左右［1］。

然而，由于污泥中除了含有多種植物所必需的營養元素外，還存在各種有害物質，如：重金屬、有機污染物、寄生蟲卵和致病菌等［6］。為了避免對環境造成二次污染，在污泥進行農業利用之前必須對其進行一定的處理使之滿足相應的條件。首先，應合理選擇污泥處理處置工藝，使其最大程度地保有所含的營養元素；其次，污泥中的重金屬含量應滿足各種國家標準及行業標準；最后，必須對污泥進行嚴格的無害化處理，以除去寄生蟲卵和致病菌等。

根據我國《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918－2002）的規定，生污泥須經高溫堆腐或消化處理后才能用于農田。施用符合標準的污泥一般每年每畝用量不超過2000kg（以干污泥計）。污泥中任何一項無機化合物接近于標準時，連續在同一塊土壤上施用，不得超過20年。

3 污泥成分及其相關分析

3.1 污泥中的營養成分及其對土壤理化性質的影響

我國部分污水處理廠污泥的營養成分分析如表2所示［7～11］。從表中可以看出，城鎮污泥中含有大量的有機質以及豐富的氮、磷、鉀等營養元素。污泥中的有機質是良好的土壤改良劑，它可以促進團粒狀結構的形成，增加土壤孔隙度，改善土壤的通氣性，提高土壤的持水和保水能力［12］；而污泥中的氮、磷、鉀等營養元素，則是良好的農用肥料，對農作物有增產作用。

表2 我國部分污水處理廠污泥以及傳統農家肥的有機質含量和養分含量 g·kg－1

與豬糞、牛糞和雞糞三種常用農家肥相比較，除貴州省和重慶市污水處理廠有機質含量的平均值均低于三種有機肥之外，大部分污水處理廠污泥的有機質含量與牛糞和雞糞基本相當，而略低于豬糞；除貴州省污水處理廠總氮含量的平均值高于豬糞和牛糞，而接近于雞糞外，其他污水處理廠的總氮含量均高于三種農家肥；除洛陽市澗西區污水處理廠的總磷含量與牛糞相當，而低于豬糞和雞糞外，其他污水處理廠的總磷含量均高于三種農家肥；除重慶市污水處理廠總鉀含量的平均值高于豬糞和牛糞，而低于雞糞外，其他污水處理廠的總鉀含量均低于三種農家肥。通過對比可知，城鎮污水處理廠污泥的營養成分含量較高。以一座20萬t級的污水處理廠為例，它每年產生的污泥中含有硫酸銨46～232t、過磷酸鈣30～150t、硫酸鉀4.8～24t，有機質含量達40%～60%，相當于100～400t標準肥和大量有機肥［13］，這說明城鎮污泥適合進行農業利用。

污泥的農業利用不但可以充分利用污泥中的養分，將其資源化，而且還可以降低污泥的處理成本和農業生產費用，因此，對我國這樣一個發展中的農業大國而言，污泥農用無疑是最具有發展前景的一種處置方式，也是最適合我國目前國情的一種處置方式。

當今世界范圍內，由于過量施用化肥破壞了土壤的良性循環，使得農耕地變得越來越貧瘠，要想改良土壤，必須大量輸入有機質［14］。城鎮污泥中雖含有大量有機質，但其養分含量畢竟不足以和化肥相比擬，而且鉀的含量相對較低，致使污泥中的養分不平衡。因此，只有將污泥農用與化肥施用結合起來才能更好地促進我國農業的發展。

3.2 污泥中的重金屬成分及其變化趨勢

對于污泥中所含的各種有害物質，重金屬是應該給予特殊關注的對象。這是由于重金屬污染的特別之處：首先，微生物對重金屬沒有降解作用；其次，微生物可將一些重金屬轉化為毒性更大的污染物［15］。將污泥進行農用之后，污泥中的重金屬一部分會通過農作物的吸收而進入食物鏈，給人類健康造成不利影響；另一部分則會在土壤中停留較長時間，因此，如果污泥施用時間過長或用量過大，都會導致土壤污染［6］。而城鎮污泥中一般都或多或少地含有重金屬，其是否可以農用的關鍵則是重金屬含量的高低。

表3為我國部分城鎮污水處理廠的污泥重金屬含量［12，16～20］，根據我國污泥農用標準，pH 值＜6.5時，朱磚井污水處理廠、蚌埠市污水處理廠和黃山市污水處理廠的Pb含量超標，晉城市巴公污水處理廠的Cr含量超標，朱磚井污水處理廠的Zn含量超標；pH值≥6.5時，只有朱磚井污水處理廠的Zn含量超標。而若參照歐盟標準和美國標準，則只有蚌埠市污水處理廠的Pb含量超標，其他污水處理廠的各種重金屬含量均不超標。與1994～2001年及2006年全國污泥重金屬含量的平均值對比，從有限的資料可以看出，雖然個別污水處理廠的某一種或幾種重金屬含量可能依然很高，但是近年來，我國城鎮污泥中重金屬含量呈現明顯的下降趨勢，可見污泥中重金屬的污染問題正在逐步得到緩解。

表3 我國部分城鎮污水處理廠的污泥重金屬含量 mg·kg－1

研究表明，重金屬的生物有效性及潛在遷移性不僅與其總量有關，更大程度上由其在環境介質中的賦存形態所決定［21］。根據Tessier等提出的連續化學提取法，可將重金屬分為5種形態：交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態和殘渣態。其中有機結合態和殘渣態與污泥的結合力很強，施用于土地后其遷移性很差；而交換態很容易和土壤溶液發生交換，有很強的遷移性；碳酸鹽結合態和鐵錳氧化態在一定條件下也能被植物利用，有一定的遷移性［22］。因此以有機結合態和殘渣態存在的重金屬稱為穩定態重金屬；而以交換態、碳酸鹽結合態和鐵錳氧化物結合態存在的重金屬則稱為不穩定態重金屬［23］。

因此，當污泥進行農用時，污泥中各種重金屬的含量及其形態是必須考慮的因素。此外，還應該考慮施用污泥一段時間之后土壤中重金屬的積累情況［14］。中科院南京土壤研究所的相關研究發現，將污泥連續10年施用于試驗田之后，雖然明顯增加了土壤中的有機質，且基本沒有引起土壤酸度的變化，卻明顯增加了土壤中錫、鋅、銅、鎘、汞等的含量，造成了實驗田中所種植農作物的污染，而且污染情況隨污泥施用量的增加而更加嚴重［1］。

3.3 污泥中的病原體及其影響

人畜糞便和食物、肉類等的加工廢水中，含有相當多的致病微生物與寄生蟲卵，而其中大約90%以上通過污水處理被濃縮到了污泥中［24］。一旦這些污泥未經處理進入農用之后，污泥中的各種病原體就會通過各種途徑進行傳播，給人類健康、農業生產和生態安全造成威脅［4］。由此可見，污泥農用前的穩定化和無害化處理是絕對必不可少的。有關研究表明，污泥中的絕大多數致病微生物與寄生蟲卵只需在50～60℃的溫度下加熱30min左右就會被殺死，而且不會造成污泥中植物性營養元素的損失。

目前常用的污泥滅菌方法有石灰消毒法、輻射處理法、加熱干燥法、消化處理法（分為厭氧消化和好氧消化）、堆肥法等，從經濟學的角度分析，前三種處理方法的成本較高，而后兩種處理方法的成本則比較低［15］。

4 適合污泥農用的污泥處理工藝分析——堆肥工藝

根據我國《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918－2002）的規定，同時為確保污泥農用的安全性，并更好地滿足污泥農用的要求，盡最大可能避免污泥直接施用破壞土壤環境、影響農作物品質，應合理選擇污泥處理處置技術，以堆肥技術為例分析如下。

堆肥工藝是一種常用的有機廢棄物資源化處理的手段，被廣泛用于污泥、畜禽廢棄物及其他農業有機廢棄物的處理，可分為好氧發酵和厭氧發酵兩種工藝［25］。厭氧發酵工藝由于操作比較復雜，需投入大量資金建設消化裝置和配套處理設施，而且我國相關工程經驗不多，因此運行難度較大，相對而言，好氧發酵的操作則比較簡單，容易運行。因此，對于脫水后的城鎮污泥，可以通過好氧發酵堆肥工藝來制肥。

相關研究表明［26～28］，經過好氧堆肥處理，污泥中穩定態重金屬所占比例有所下降，而非穩定態重金屬所占比例有所上升，污泥中重金屬的生物有效性下降，而且隨著堆肥時間的增長，生物有效性下降得越多。此外，堆肥過程中污泥的溫度高達50℃以上，可以降低污泥中的含水率，并將污泥中所攜帶的病菌、蟲卵和雜草種子殺死，而且堆肥時間一般都在半個月以上，可將污泥中復雜的有機態養分，轉化為更容易被植物利用的可溶性養分和腐殖質，改善其物理性狀［29］。

可見，堆肥法不但能有效地固化和鈍化污泥中的重金屬，還能在殺菌的同時優化污泥中的養分構成，實現污泥的減量化、穩定化、無害化、資源化。而且，好氧發酵的設備投資及運行能耗均比厭氧發酵低1/3，是節能高效的制肥工藝［30］。因此，堆肥工藝可以作為污泥農用前預處理的首選方法。當然，好氧發酵也有一些限制其應用的問題需要解決，如：處理能力較差、占地面積大等。

5 結語

（1）目前為止，我國尚有大量的城鎮污泥沒有得到科學的處理處置。由于污泥中含有大量的有機質和豐富的植物性營養元素，因此，對于我國這樣一個發展中的農業大國而言，在未來的很長一段時期內，土地利用尤其是農業利用，必將是我國城鎮污泥處理處置的最主要方式。

（2）要廣泛推廣污泥的農業利用，真正實現污泥的資源化，還需在多方面開展相應的工作。例如，雖然我國已經制定了污泥農用的相關標準和規范，但是其依然不夠完善，其中有關污泥的年施用量和連續施用年限的規定應根據具體情況具體分析才更為合理，等等。

（3）應對施用污泥后的土壤進行長期的定位監測，研究污泥中各種有害物質進入土壤之后的變化情況，為污泥的安全環保施用提供科學依據。

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