鎮江市市政污泥基礎特性研究

曹貴華，徐永亮，張 程，劉 軍*

（1.江蘇天雨環保集團有限公司，江蘇揚州 225000；2.江蘇大學，江蘇鎮江 212000）

0 引言

自21世紀70年代以來，全球的經濟高速發展，世界范圍內的自然資源遭到了過度開發，與此同時導致的環境污染也受到眾多國家政府和社會各界的重視。在污水處理領域中，生物法相較于物化污水處理工藝具有發展工藝成熟、處理效果好、費用較低等優點，因此得到了廣泛應用。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產生的污泥產量也隨之增加［1］。

污泥是污水處理時產生的附加產物，其產量若按照濃縮后污泥計算，大約只有處理污水量的0.3%～0.5%，但是污泥的處理處置費用卻達到了全部設施建設費用的20%～50%，甚至更高［2］，處理污泥的難度可見一斑。污泥的成分非常復雜，除了很難被自然降解的有機物和重金屬外，還有少量的病原體、寄生蟲卵等［3］。由于污泥每年產量巨大、含水率高、占地面積大，還經常伴隨有惡臭，在貯存、運輸和裝卸過程中操作不便，可能引發周邊環境問題。其危害主要表現在：

（1）未經妥善處置的污泥隨意堆放或填埋不僅侵占大量土地資源，還會散發出難聞氣味，影響當地公共環境衛生。

（2）污泥的組成成分復雜，堆放時會發生厭氧消化等化學反應，破壞土壤的原有環境及內部結構，使其內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，經歷風吹日曬后，表面被風干形成揚塵，內部有機物逐漸被分解，同時散發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、蛔蟲卵和脊髓灰質炎病毒等病原體，能夠隨污泥滲入地下水和土壤，從而進入食物鏈對人體和生物造成安全隱患［5-7］。

（5）據統計，在污水被凈化的過程中，其中Cu，Zn，Cr，Pb，Hg 等重金屬會逐漸吸附或沉降到污泥中［8-10］，這些重金屬主要來自工業廢水、給水管道系統、人為施放的農藥化肥和生活垃圾等。污泥在露天堆放時重金屬會逐漸轉移到土壤和水體中，由于其難以降解，易被生物富集，進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污染物，目前發現約有300 多種。其中包含氯酚、多氯聯苯、多環芳烴和呋喃等持久性有機污染物［11-13］。這些有機污染物都具有“三致性”，在環境中難以降解，進入人體后會造成極大的危害。

對污泥的基礎特性進行研究，有利于污泥的后續處理處置和資源化利用。

1 基礎特性

1.1 含水率

實驗所選用污泥分別來自鎮江市京口區、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，實驗方法參考國家標準CJT 221—2005。

表1 采樣濕污泥含水率

由表1 可知，征潤州、京口區與諫壁污水處理廠脫水污泥含水率較高，幾乎都超過了GB18918中規定的80%要求。結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的處理也會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焚燒的處置方式，濕污泥含水率高會導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，增加了焚燒的成本；京口區污水廠采用的是脫水后污泥運送至附近的協同有機質處理中心進行厭氧消化產甲烷+太陽能干化的處置方式，但是含水率偏高也會導致厭氧消化反應提前，進而導致甲烷產量降低［14］。

1.2 工業分析

污泥的工業分析是指污泥干基中揮發分、灰分和固定碳的比例。污泥干基中的揮發分和灰分分別表示污泥中的有機物和無機物含量，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物含量有關。因此對污泥的工業分析不僅能夠得出污泥中的有機物、無機物和固定碳成分的含量，還能夠作為選擇污泥農用或焚燒等不同處置方式的依據。

城市污泥中揮發分的測定參考國家標準CJT 221—2005，灰分的測定參考國家標準GB/T 30732—2014。

圖1 污泥干基的工業分析百分比堆積

由圖1可知，征潤州與京口區污泥揮發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電和作為農用泥質的潛質。諫壁廠的污泥揮發分與固定碳的含量較低、灰分的含量較高，若采用農用泥質和焚燒處置，資源利用率低，將其作為制磚用泥質處置會是更好的選擇。

1.3 非金屬元素的測定

國內關于污泥C，H，O，N和S等非金屬元素的檢測標準沒有嚴格的限定和統一，因此與污泥非金屬元素含量檢測相關的資料較少。傳統的測定一般以煤的元素檢測方法為依據，其原理比較簡單，但是操作步驟煩瑣，也不能保證測量結果的準確度。因此本實驗委托青島衡立檢測機構對污泥的非金屬元素含量進行檢測，檢測項目包括C，H，O，N和S的含量，檢測標準為GBT 31391—2015，GBT 476—2008，GBT 19227—2008和GBT 214—2007。檢測結果如圖2所示。

根據圖2中各元素質量百分比可以計算得出1 kg干污泥中含有的C，H，O，N 和S 的物質的量，其結果如表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的物質的量 （單位：mol/kg干泥）

根據表2可以直觀地看出H的物質的量最高，N，S 的物質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、京口區污泥揮發分、有機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 消毒劑等化學物質，再加上污水水質的原因，致使污泥中富含金屬元素。其中部分元素如Na，K和Al 等元素濃度適當的情況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逐漸富集于動物體中，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。本次實驗檢測以《等離子體電感耦合發射光譜法（HJ781—2016）》為依據，檢測結果如圖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 可知污泥中常規金屬元素含量較高的是Al，Fe，Ca 和K，主要與污水廠添加的PAC與PFS等絮凝劑有關，其中Fe，Ca，K和Mg等元素也是構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中采用鍍鋅管道有關［16］；Cu的含量差異較大主要與污水廠間水質差異有關。

根據城鎮污水處理廠污泥處置農用泥質、制磚用泥質、混合填埋泥質、園林綠化泥質等法規要求，對污泥Cr，Ni，Cu和Zn等重金屬含量以及有機物、氮磷鉀等營養指標的限值如表3 所示。由表3 可知，3 個污水廠泥樣中的Cr，Ni和Zn含量都低于制磚、土地改良地和農用等相關泥質標準，京口區污泥的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、土地改良和農用泥質標準中對有機物、氮磷鉀最低含量等營養指標的限定?？紤]到京口區污水廠的污泥采用脫水后進行厭氧消化產甲烷以及殘渣干化后作為園林綠化土質，因此還需對污泥重金屬進行長期追蹤檢測，并對酸性和中堿性土壤的施用泥質進行明確的劃分［17］。

圖3 污泥的常規金屬元素含量

圖4 污泥的重金屬元素含量

表3 污泥處置控制項目及限值 （單位：mg/kg干泥）

2 結語

本文通過對征潤州、京口區與諫壁污水處理廠污泥進行工業分析、非金屬元素含量檢測、常規金屬以及部分重金屬元素含量檢測，得出以下結論：

（1）這3 處污水廠的污泥含水率都偏高，都不低于80%，這對后續的厭氧消化產甲烷或者摻混可燃煤焚燒等污泥后續處理處置會造成不利的影響；征潤州與京口區的揮發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電和作為農用泥質的潛質；而諫壁廠的污泥揮發分與固定碳的含量較低，灰分的含量較高，若作為農用泥質和焚燒處置，資源利用率低，將其作為制磚用泥質處置會是更好的選擇。

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

（3）在污泥的金屬元素含量檢測中，常規金屬元素含量較高的是Al，Fe，Ca和K，主要跟污水廠添加的PAC 與 PFS 等絮凝劑有關，其中 Fe，Ca，K 及 Mg 等元素也是構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中采用鍍鋅管道有關，Cu 的含量差異較大，主要與身處不同地域的污水廠間水質差異有關；3個污水廠泥樣中的Cr，Ni 與Zn的含量都低于制磚、土地改良地和農用等相關泥質標準，京口區污泥的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、農用泥質和土地改良標準中對有機物、氮磷鉀最低含量等營養指標的限定。考慮到京口區污水廠的污泥采用脫水后進行厭氧消化產甲烷、殘渣干化后作為園林綠化土質，因此還需對污泥重金屬進行長期追蹤檢測，并對酸性和中堿性土壤的施用泥質進行明確的劃分。