城市污泥的综合利用及环境问题研究.pdf

2023年08月|690 引言伴随我国工业化进程和城镇化趋势的不断扩大，城市污水排放量与日俱增，污水无害化处理之后将衍生大量的污泥。而随着污水处理技术的不断推进，污水处理率和污泥产生量与日俱增，万方污水产泥量可达7 t，据估算，到 2020 年，我国城市污泥年产量将突破 6 000 万吨1-2。由于城市污泥中重金属元素超标、细菌滋生量大、微生物群落富集以及各类有毒害物质较多，若对城市污泥处理不当，极易引起土壤和水源污染，严重危害生态环境和人类健康，不仅如此，城市污泥含水率高，力学性质差，易造成环境二次污染3-4。城市污泥处理技术虽然取得了长足而稳定的发展，但由于其成本高、效果不理想，其安全处置和利用已成为当前备受关注的环境问题。但同时可以看到的是，城市污泥中也含有大量的有机质、碳氮磷钾等物质，通过专业手段处理和利用，可以作为一种能够综合利用的可再生资源，既能减少城市污泥造成的巨大危害，又能变废为宝，进行资源合理利用，具有显著的现实意义。1 城市污泥处理现状和存在的问题近年来，存量大的城市污泥问题越来越受到国家重视，2018 年 6 月，中共中央、国务院印发 关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见，再一次将环保问题提升到一个新的高度。而目前我国对城市污泥处理方式仍主要为填埋、焚烧或进行简单的脱水处理后进行堆肥处理，甚至部分地区仍存在露天堆放或随意倾倒等问题，由于城市污泥稳定性差、无害程度低，其有害物质易随风力作用和降雨淋溶等方式进入自然环境，造成空气污染、土壤污染和水体污染。此外，大量城市污泥露天堆放，造成了土地资源的浪费。污泥处理需要大量科研投入和技术支持，对城市污泥无害化和稳定化处理成本也十分高昂，严重制约了污泥处理水平的提升。城市污泥过量或者长期施用会导致土壤中的中 N、P 等养分会大量累积并存在淋溶后造成水体富营养化、引起地下水硝酸盐污染等危害的风险。而一般土壤重金属含量随污泥施用量的增加而增加，长期不合理施用污泥会造成重金属积累。城市污泥的综合利用及环境问题研究谢鹏宇(陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075)摘要：城市污泥是伴随工业和生活污水处理衍生出来的一种可再生资源，由于其内部含有大量的重金属元素、细菌以及其他有毒害物质，污泥处理和利用面临较大困难。中国城市污泥处理大多以填埋、焚烧或简单脱水处理后露天堆放，污泥处理率较低，且易引发巨大的环境污染问题。但城市污泥中含有大量有机质以及氮磷钾成分，尤其在土地整治领域、建筑材料制备以及污损土地修复领域具有显著的效果，既能减少城市污泥造成的巨大危害，又能进行资源合理利用，具有显著的现实意义和发展前景。关键词：城市污泥；危害性；综合利用中图分类号：TD849 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)24-0069-03DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.24.018Study on the Comprehensive Utilization and Environmental Problem of Municipal SludgeXIE Peng-yu(Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.,Ltd.,Xian 710075,China)Abstract:Municipal sludge is a renewable resource derived from industrial and domestic sewage treatment.Due to its large amount of heavy metal elements,bacteria and other toxic substances,sludge treatment and utilization are facing great difficulties.Most of the urban sludge treatment in China is deposited in the open air after landfill,incineration or simple dewatering.The sludge treatment rate is low and it is easy to cause huge environmental pollution problems.However,municipal sludge contains a large amount of organic matter and NPK components,especially in the field of land remediation,construction materials preparation and land remediation,which can reduce the huge harm caused by urban sludge and make resources reasonable utilization,with significant practical significance and development prospects.Keywords:urban sludge;harmfulness;comprehensive utilization二校-2023-8-下期.indd 692023/8/17 14:51:22环保与节能70|2023年08月2 城市污泥的综合利用现状2.1 城市污泥在土地整治中的应用随着工业化进程推进，城市建设用地指标不断增加，但由于现有耕地质量退化、农业生产方式落后以及农作物产量不足等各种原因，耕地资源保存率却逐年下降。而城市污泥中含有的大量有机质和营养物质能有效改善土壤理化特性，具有增强土壤养分、改善土壤性状的特性，尤其对提高土壤肥力有显著作用。土地整治中需要大量外运客土进行表土耕作层培育，利用城市污泥培肥，并通过与城市污泥混合，既能降低外运客土施工成本，又将城市污泥进行了有效利用，有效提高土壤耕作层质量。值得注意的是，城市污泥中由于有各类重金属元素的存在，用于土地整治外运客土或培肥土壤的城市污泥必须要经过有效的前处理，以防止其中重金属元素通过作物和生物活动危害人体健康。根据大量研究表明，利用城市污泥进行土地复垦能有效改善土壤 pH 值和显著提高作物产量。研究结果表明5-6，城市污泥中 N、P、K 含量较纯猪粪肥相比提高了 31%、59%和 38%，其中的有机质对土壤孔隙度、透水性和持水性均有显著的提高作用，能有效提高土壤中微生物量和活性，进而对土壤酶活性的提高产生积极作用，并对作物品质和产量的提高具有明显作用。但由于城市污泥中存在大量重金属元素，因此在土地整治和土地复垦等方面要注意污泥用量，以免造成土壤重金属污染。2.2 城市污泥在建筑材料中的应用大量研究表明，城市污泥中含有丰富的 Ca、Si 和Al 等物质，具备构成建筑材料的基本条件7-9。因此可通过采用适宜的工艺处理将其进行充分利用，既实现了保护环境的目的，还能产生一定的经济效益。研究表明，将城市污泥焚烧后的灰烬基本成分与黏土一致，粘合性较强，而通过利用城市污泥焚烧灰烬和干化后的污泥作为主要材料制砖具有较强的稳定性结构，适用于建筑行业需求。城市污泥制作水泥的一项理想材料，适量的污泥代替水泥原料作为配料，能显著提高其强度和重金属固化效果。城市污泥在经过焚烧后与硅酸盐水泥性质类似，其强度与性能完全能够达到行业标准。另外，利用城市污泥进行陶粒烧制已进行了大量研究，结果表明利用城市污泥烧制的陶粒压强达到 8 MPa，不仅吸水率低、抗压强度大，是制作混凝土的优质材料。2.3 城市污泥在污损土地修复中的应用城市污泥中含有的有机质成分对土壤理化性质有较好的改善和调节作用，对污损土地和矿山废弃土壤治理效果明显。研究结果表明10-12，城市污泥能显著促进土壤肥力的提高和土壤理化性质的改良，且能在很大程度上促进植物生长发育。同时，城市污泥的施用有利于土壤微生物的生长发育和活动，进而促进土壤酶活性的提高。此外，施用城市污泥的土壤可在一定程度上降低重金属迁移效率和迁移能力。城市污泥施用使植物对重金属的吸收有促进作用13，一方面会增加土壤中重金属含量，另一方面也增强了土壤固定重金属的能力。污损土地和废弃矿区经过城市污泥施用，不仅能增加土壤养分，且能充分结合污泥自身的持水保水特性来提高土壤结构稳定性，显著降低水土流失现象的发生14。但需要看到的是，虽然城市污泥对污损土地和废弃矿区的土壤具有显著的修复作用，但由于城市污泥本身含有大量不同种类的重金属元素，在实际利用过程中，要采取相应的措施防止发生重金属污染，并且要充分考虑不同重金属元素之间的交互作用，防止发生二次污染。3 城市污泥土地利用存在的环境问题3.1 氮、磷含量过剩城市污泥中含氮、磷量较高，长期进行污泥施用，会使其水溶性磷酸超出本底值 8 倍。李霞等15研究表明，污泥施用会增高氮素和磷肥淋溶风险。申荣艳等16进行了土壤淋溶验表明，城市污泥中淋溶出的氮素量已达到中度危险等级。长期施用城市污泥和利用污泥堆肥会显著增加土壤中氮、磷淋溶量17，在降雨淋洗和冲刷作用下引起地表水营养富集，也可引发地下水污染现象，尤其是游离的硝态氮会造成地下水硝酸盐污染。土壤中过剩的氮、磷含量，会引起土壤养分失衡，对作物生长产生显著的抑制作用，甚至会对作物根系产生不可逆的破坏作用，引发大规模作物减产或死亡18。3.2 有机物污染城市污泥中存在大量具有致癌性或致突变性的有机物污染物，其中多以环芳烃、有机氯农药、多氯联苯以及抗生素等成分存在，且由于其持久性强、积累效应明显等特征，具有极大的危害性19-20。而城市污泥施用，存在有害有机物迁移的风险，也会在降雨等作用下对周边土壤或水体等造成污染危害21。此外，大量有害有机污染物的存在，会对土壤造成很大的侵害性，尤其是有机污染物可通过生物链由土壤进入作物体内，最终通过食物链进入人体内，其隐性危害更加严重22。另外，虽然在生物降解的作用下，会对部分有害有机污染物进行吸收、吸附或分解，但仍会有部分污染物难以被去除，需要采取有效措施进一步消除其危害。3.3 重金属污染受污泥来源等因素影响，城市污泥中存在重金二校-2023-8-下期.indd 702023/8/17 14:51:222023年08月|71属成分也略有不同，但总体而言，城市污泥中重金属以 Cd、Cu、Hg、Zn 等为主，部分污泥中会含有 As、Cr、Ni、Pb 等。一般而言，土壤中重金属含量与城市污泥施用量成正相关关系，且施用时间越长，重金属在土壤中的积累效应则越大。重金属由于其隐蔽性、难以降解性等特点，具备很大的危害。李雅嫔等23进行了连续 5 年时间的城市污泥施用，结果表明，小麦中 Zn、Cu 含量显著增高。由于 Cd、Pb 和 Cu 等重金属元素具有相对较高的迁移能力，十分容易随水分或土壤聚集于作物体内、经由生物链影响人类健康24，而不同土壤类型中，施用城市污泥对重金属元素的积累程度也有所不同，有研究表明，Zn、Cd、Cr 在生石灰中的积累速率和迁移速率快于壤土25。4 结语我国城市污泥处理多以填埋、焚烧或简单脱水处理后露天堆放，污泥处理率较低，但由于其含有较多有机质以及氮磷钾成分，对改良土壤理化特性、提高土壤肥力以及提升微生物有效性等方面优势明显，对其综合利用也有了更加清晰的认识。近年来，大量研究表明，城市污泥资源具有巨大的利用潜力，尤其在土地整治领域、建筑材料制备以及污损土地修复领域表现出强劲发展的势头。此外，在能源制备、防治荒漠化土壤等方面也有一定的效果，既能减少城市污泥造成的巨大危害，又能变废为宝，对资源进行合理利用，具有很大的发展前景和现实意义。但在对城市污泥综合施用时，一定要根据所处环境的不同，针对性地采取必要的措施和方式，做好污泥无害化处理工作，防止引起严重的生态环境污染情况。参考文献：1 刘文来.城市污泥处理工艺研究进展J.资源节约与环保,2019(3):147，148.2 蒋越,周楫,杨雨浛,等.城市污泥堆肥对土壤温室气体排放的短期影响J.中国环境科学,2018,38(10):3788-3794.3 黄殿男,张贺凯,李琳,等.城市污泥应用于沙漠治理研究现状及建议J.科技创新导报,2018(18):153-154.4 吴晓俊.城市污水处理厂剩余污泥处理技术研究与进展J.科技视界,2018(7):189-190.5 李艳霞,陈同斌,罗维,等.中国城市污泥有机质及养分含量与土地利用J.生态学报,2003,23(11):2464-2471.6 王艮梅,杨丽.污泥施用对林地土壤基本性质及酶活性的影响J.生态环境学报,2010,19(8):1988-1993.7 李海英,张学军,张书廷,等.利用污水厂污泥生产复混肥及对冬小麦增产效果研究J.华南农业大学学报,2006,27(1):21-24.8 韩莉莉.城市污泥制生态水泥的应用探讨J.中国给水排水,2011,27(2):107-108.9 杨力远,杨俊,马军涛.利用污水厂污泥配料煅烧水泥熟料研究J.武汉理工大学学报,2007(11):11-13.10 武淑文,杨迎冬,黄成.城市污泥用于尾矿废弃地土壤改良的可行性研究J.安徽农业科学,2013(3):12993-12994.11 孙重阳.堆肥污泥改良吉林省西部盐碱地的技术研究D.长春:吉林建筑大学,201812 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