中國(guó)城市污泥的研究現(xiàn)狀

中國(guó)城市污泥的研究現(xiàn)狀

在1991年和2001年的10年間，中國(guó)的廢水處理廠數(shù)量增加了347家。到2001年為止,全國(guó)已建成和正在興建的城市污水處理廠約427座,污水處理能力約為113.6億m3/a;預(yù)計(jì)到2010年,中國(guó)城市污水處理廠的數(shù)量將增加到2000座(圖1)。城市污水處理量的提高已導(dǎo)致城市污泥產(chǎn)量的連年劇增,以北京市為例(圖1),城市污泥的產(chǎn)量在過(guò)去45年內(nèi)增加了143倍(按污水中污泥含量為0.02%計(jì)算)。我國(guó)大量小型污水處理廠的污泥未能得到任何的妥善處理處置就直接農(nóng)用的約占60%以上,80年代中期以后建設(shè)起的大型污水處理廠的污泥多采用中溫厭氧消化處理,消化后的污泥稍加脫水后就直接農(nóng)用。中國(guó)城市污水處理廠數(shù)目眾多、污水來(lái)源廣泛,且各污水處理廠的污水和污泥處理處置工藝及處理程度差異很大;不同城市、同一城市的不同污水處理廠污泥有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量不同,同一污水處理廠不同時(shí)期亦存在差異。盡管,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)特定城市污泥的土地利用情況進(jìn)行過(guò)大量的研究,并充分肯定了污泥的土地利用效果,但是,至今仍少有人對(duì)中國(guó)不同城市污泥的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分狀況、變化趨勢(shì)以及土地利用效果進(jìn)行橫向和縱向的比較研究,這不利全面了解中國(guó)城市污泥的特性、改進(jìn)城市污泥的管理。本文對(duì)中國(guó)大部分城市污泥的有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分狀況和變化趨勢(shì)的比較研究以及土地利用效果的歸納、總結(jié),為提高中國(guó)城市污泥的土地利用效率,減少負(fù)面效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。1城市污泥的肥料價(jià)值與土地利用中國(guó)16個(gè)城市29個(gè)污水處理廠污泥中有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量見(jiàn)表1。從表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看,不同地區(qū)城市污泥的養(yǎng)分含量相差很大。大致而言,城市污泥的組成與污水的來(lái)源、處理工藝、城市居民的生活水平和飲食結(jié)構(gòu)等有關(guān)。經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)城市污泥中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀含量普遍偏低,而經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)城市污泥中以上物質(zhì)含量普遍偏高。不同城市污泥的有機(jī)質(zhì)和氮含量變化較大,而鉀的含量變化較小。南方城市污泥中磷含量普遍比北方城市污泥高。通過(guò)北京、太原兩城市9個(gè)城市污水處理廠的污泥比較發(fā)現(xiàn),兩城市污泥的有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量差異十分顯著。北京市城市污泥的全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量分別為:24.8±6.5g/kg、8.0±3.2g/kg、8.1±3.0g/kg和468±87g/kg,太原市城市污泥的全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量分別為:14.2±9.7g/kg、8.1±4.4g/kg、4.4±1.1g/kg和270±130g/kg。除全磷含量基本相當(dāng)外,北京市城市污泥中全氮、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太原市城市污泥。從有機(jī)質(zhì)含量和養(yǎng)分含量的角度看,北京市城市污泥的資源性要高于太原市的城市污泥。由此表明,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)城市污泥的土地利用的肥料價(jià)值相對(duì)較大。中國(guó)城市污泥與美國(guó)城市污泥和中國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)家肥——豬糞和豬廄肥相比,具有作為有機(jī)肥使用的價(jià)值。中國(guó)城市污泥中的有機(jī)質(zhì)含量最高達(dá)696g/kg,平均值為384g/kg(表1),相當(dāng)于純豬糞有機(jī)質(zhì)平均含量的54%;其中82%的城市污泥的有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)豬廄肥,其有機(jī)質(zhì)的平均含量比豬廄肥高27.2%。但是,中國(guó)城市污泥中有機(jī)質(zhì)平均含量低于美國(guó)城市污泥的平均值。城市污泥不僅含有大量的有機(jī)質(zhì),同時(shí)也含有一些植物所需要的養(yǎng)分,對(duì)化肥能夠起到部分替代作用。對(duì)全國(guó)29個(gè)城市污水處理廠的統(tǒng)計(jì)顯示(表1),中國(guó)城市污泥含有較豐富的氮、磷、鉀等養(yǎng)分,且平均值皆高于美國(guó)城市污泥,尤其是磷、鉀含量普遍較高。但是在城市污泥的土地利用方面,中國(guó)與美國(guó)相比還有很大差距。城市污泥的土地利用在美國(guó)占有相當(dāng)大的比例。美國(guó)國(guó)家環(huán)保局公布的數(shù)據(jù)表明,1998年美國(guó)城市污泥堆肥及土地利用占其污泥產(chǎn)量的53%,美國(guó)政府鼓勵(lì)各州政府與科研及污水處理廠合作,推動(dòng)污泥的土地利用,預(yù)計(jì)到2010年美國(guó)城市污泥的利用率要達(dá)到70%,而焚燒和填埋等將降低到30%。目前中國(guó)污水處理廠對(duì)污泥的處置比較隨機(jī)。據(jù)了解,絕大部分的污水處理廠仍不具備合適的城市污泥處理、處置技術(shù)和設(shè)備。從養(yǎng)分的角度考慮,與純豬糞和豬廄肥相比,城市污泥作為肥料使用具有一定的價(jià)值和潛在的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)城市污泥氮、磷、鉀總養(yǎng)分含量平均達(dá)到48.3g/kg,全氮和全磷含量比純豬糞高31%和59%,比豬廄肥高188%和204%;鉀的含量較低,相比純豬糞和豬廄肥低38%和62%。以一個(gè)日產(chǎn)污泥50t(濕重)的污水廠為例,若干污泥的含氮量為20g/kg,該廠的污泥每年相當(dāng)于提供氮素110t,折合成硫酸銨化肥520t,可供174hm2農(nóng)田使用。城市污泥作為肥料提供氮、磷可以優(yōu)于豬糞及豬廄肥,但是全鉀含量偏低是其相對(duì)的缺憾,因此,施用城市污泥時(shí)應(yīng)補(bǔ)充鉀肥。2城市污泥中氮、磷的含量變化通過(guò)對(duì)中國(guó)同一污水廠不同時(shí)期城市污泥樣品中的養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)分析(表2)顯示,全氮和全磷含量的變化規(guī)律性不明顯。但是,據(jù)近年來(lái)對(duì)丹麥、德國(guó)、法國(guó)以及芬蘭等國(guó)城市污泥組成變化的研究結(jié)果顯示,其氮、磷含量呈逐年增加的趨勢(shì),其主要原因是這些國(guó)家城市污水處理廠相繼采用了更有效的污水處理技術(shù)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,中國(guó)城市污泥中氮、磷的含量將隨著脫氮脫磷等二級(jí)污水處理工藝的增加而增加,這將有利于城市污泥土地利用和堆肥處理。由表2還可發(fā)現(xiàn),不同年代城市污泥中的有機(jī)質(zhì)含量逐年增加,上升幅度達(dá)0.9%～5.7%,污泥的資源性越來(lái)越強(qiáng);但是從城市污泥處置利用角度來(lái)講,要求其污泥消化或穩(wěn)定化的前處理時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng),如果進(jìn)行堆肥化處理,其處理過(guò)程參數(shù)如C/N比、通氣量等需要根據(jù)有機(jī)質(zhì)及氮素含量的變化而進(jìn)行調(diào)整。3城市土壤的利用3.1有機(jī)肥的施用現(xiàn)狀50年代初,全國(guó)有機(jī)肥料的施用占總用肥量的99%以上,幾乎是提供土壤養(yǎng)分的唯一來(lái)源。近年來(lái),由于土地經(jīng)營(yíng)管理不善和依重化肥,有機(jī)肥用量占總用肥量的比例有所下降,使土質(zhì)日趨惡化,土壤肥力降低。據(jù)1998～2000年對(duì)全國(guó)監(jiān)測(cè)點(diǎn)有機(jī)肥施用情況的調(diào)查表明,全國(guó)施用的有機(jī)肥占總施肥量的百分率已下降到35%。過(guò)去,我國(guó)的城市污水處理廠很少,城市污泥的產(chǎn)量較少,因此城市污泥土地利用僅限于極個(gè)別地區(qū)。但是,如果從中國(guó)最早的城市污水處理廠開始計(jì)算,城市污泥作為有機(jī)肥源,在中國(guó)有近30a的施用歷史。北京市高碑店污水處理廠所處的高碑店鄉(xiāng),20世紀(jì)80年代農(nóng)田污泥施用量很大,面積約有100hm2,近年來(lái)已縮小到約53.3hm2。對(duì)高碑店鄉(xiāng)施用污泥的土壤和不施污泥的對(duì)照區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn),有機(jī)質(zhì)含量提高36.8%～141%,且施用污泥的時(shí)間越長(zhǎng),土壤有機(jī)質(zhì)含量越高。這與國(guó)外的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果類似,在連續(xù)施用污泥20a后,土壤的有機(jī)碳含量從1.9%增至4.8%,提高了1.5倍。3.2對(duì)試驗(yàn)地土壤微生物的影響土壤微生物通過(guò)其代謝活動(dòng)參與和促進(jìn)土壤中的物質(zhì)循環(huán),影響土壤肥力。城市污泥農(nóng)用不僅能帶入大量有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)養(yǎng)分,為土壤中的微生物提供養(yǎng)分,而且城市污泥本身含有豐富的微生物,提高了土壤微生物的數(shù)量。姜城等在白漿土/草甸土和輕堿土上試驗(yàn),施用城市污泥及污泥復(fù)合肥后,土壤中脲酶、過(guò)氧化氫酶及磷酸酶活性都有一定程度的提高,與對(duì)照相比分別提高了12.6%～80.3%、5.04%～25.2%和6.4%～84.4%。另有研究表明,連續(xù)施用城市污泥大大增加了土壤中細(xì)菌和放線菌的數(shù)量。在相同施用量的前提下,城市污泥處理是畜糞處理中細(xì)菌和放線菌總量的4.44～6.97倍。同時(shí),施用城市污泥可以改變土壤微生物的種群結(jié)構(gòu),提高土壤硝化細(xì)菌的比例,提高酶活性,使土壤的基礎(chǔ)肥力和土壤腐殖質(zhì)含量的提高。3.3有機(jī)質(zhì)含量較高,改善土壤結(jié)構(gòu)土壤容重、孔隙度和持水量是表征土壤結(jié)構(gòu)的重要物理指標(biāo),它們對(duì)作物產(chǎn)量有直接的影響。城市污泥的有機(jī)質(zhì)含量較高,可使土壤的容重降低,同時(shí)城市污泥中的有機(jī)質(zhì)可促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成,提高土壤孔隙度,改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤的持水能力。城市污泥作為有機(jī)肥施用的有些改土效果是化肥所無(wú)法達(dá)到的,不同學(xué)者的研究基本上支持這一觀點(diǎn)(表3)。3.4對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響施用有機(jī)肥和化肥是保持土壤肥力的基本手段。城市污泥及其堆肥施入土壤后不僅能提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量,改變土壤的物理性狀,還能帶入氮、磷和多種微量元素。在蔬菜和糧食作物的栽培試驗(yàn)中,無(wú)論是施用城市污泥還是城市污泥與化肥配合施用,均可提高土壤的氮、磷養(yǎng)分含量,達(dá)到培肥地力的效果。每公頃土地施用60t新鮮城市污泥,土壤中的全氮和有效磷含量比空白對(duì)照和化肥對(duì)照增加20.3%～54.3%和7.4%～54.4%;但是有效鉀的含量卻比對(duì)空白和化肥對(duì)照減少5.7mg/kg和10mg/kg。由于城市污泥中鉀含量低(如前所述),施污泥處理作物產(chǎn)量高,被作物吸收利用的養(yǎng)分多,造成了土壤中有效鉀減少。在林地施用污泥1a后,土壤全磷含量增幅達(dá)0.18g/kg,有效氮增加了73mg/kg。3.5城市污泥農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量施用城市污泥對(duì)作物的增產(chǎn)作用,已有大量的研究報(bào)道。涉及到糧食作物經(jīng)濟(jì)作物、園林綠地和林木。3.5.1復(fù)混肥的復(fù)混與增效陳同斌等應(yīng)用城市污泥堆肥制備復(fù)混肥后進(jìn)行小區(qū)和田間試驗(yàn)證明,小麥產(chǎn)量以城市污泥復(fù)混肥最高,比化肥對(duì)照增產(chǎn)11%～17%。施用城市污泥及污泥復(fù)混肥對(duì)當(dāng)季的玉米籽粒增產(chǎn)11%～27%,與對(duì)照差異達(dá)極顯著水平。將城市污泥與化肥復(fù)混制備成復(fù)混肥,與同養(yǎng)分的化肥復(fù)合肥具有同等的增產(chǎn)效果。城市污泥及復(fù)混肥對(duì)當(dāng)季作物的增產(chǎn)作用是毋庸置疑的,同時(shí)還具有顯著的后效。施用城市污泥后的第二季小麥增產(chǎn)289%～308%,后效極為顯著。說(shuō)明城市污泥復(fù)混肥中污泥帶入的養(yǎng)分具有良好的增產(chǎn)效果,同時(shí)表明城市污泥是一種長(zhǎng)效肥料。由于城市污泥所含的養(yǎng)分種類較多,在產(chǎn)量上可表現(xiàn)出顯著的正交互作用,而且有改善某些農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的作用。甚至在施用等量化肥的條件下,其改善產(chǎn)品質(zhì)量的效果也很明顯。施用城市污泥后,種植的水稻糙米蛋白質(zhì)含量提高6%～10%,小麥籽粒蛋白質(zhì)提高9.7%,玉米籽粒蛋白質(zhì)提高14.5%～23.7%。3.5.2等養(yǎng)分城市污泥覆蓋對(duì)番茄增施用城市污泥的處理生菜增產(chǎn)達(dá)61%,而且菜莖較對(duì)照短,葉片數(shù)增多。根據(jù)金燕等人的研究結(jié)果,施用城市污泥復(fù)合肥對(duì)生菜、菜花和萵筍有明顯的增產(chǎn)作用,其增產(chǎn)效果相當(dāng)于或略高于等養(yǎng)分的化肥和等氮量的市售復(fù)合肥,比對(duì)照增產(chǎn)19.8%～306%。與農(nóng)家肥相比較,施用等量城市污泥的處理中,番茄各部位氮、磷、鉀含量高于農(nóng)家堆肥;從其對(duì)養(yǎng)分的吸收總量看,亦呈同樣的趨勢(shì)隨污泥施用量增加,青菜地上部組織中氮、磷、鉀、鎂含量明顯增加。桑樹施用城市污泥后,從第二年起開始顯出肥效。春葉增產(chǎn)113%～118%,秋葉增產(chǎn)128%～132%,污泥復(fù)混肥和化肥復(fù)混肥之間的增產(chǎn)效果無(wú)明顯差異。3.5.3對(duì)園林綠地植物的處理采用城市污泥堆肥作為草皮基質(zhì),經(jīng)過(guò)6個(gè)月的栽培,黑麥草的長(zhǎng)勢(shì)始終最好,比化肥處理生物量大,且有明顯的后效。無(wú)論是城市污泥用作堆肥基質(zhì)還是城市污泥復(fù)合肥,均明顯促進(jìn)黑麥草的生長(zhǎng),葉綠素和黑麥草對(duì)養(yǎng)分的吸收,均高于化肥空白及化肥對(duì)照。張?jiān)鰪?qiáng)等對(duì)幾種草坪草的試驗(yàn)也證明,施用城市污泥堆肥的處理,黑麥草分蘗率提高,較空白及化肥對(duì)照提高28%和15%,生物量也以城市污泥堆肥處理最高。這說(shuō)明對(duì)園林綠地植物而言,城市污泥與其它肥料具有同等的肥效,甚至優(yōu)于等量化肥。李艷霞等人對(duì)城市污泥堆肥作為林木容器育苗基質(zhì)進(jìn)行了研究。在基質(zhì)中添加1/2～2/3的城市污泥堆肥,可以使國(guó)槐和刺槐的株高及地徑增加34.1%～51.3%和8.3%～20.8%,葉片的葉綠素含量提高9.9%～26.7%,同時(shí)綠色期延長(zhǎng)。張?zhí)旒t等研究發(fā)現(xiàn),施用污泥1a后,楊樹、泡桐和小油松的樹高和地徑比對(duì)照增長(zhǎng)了9.2%～41.2%和5.6%～20.8%。城市污泥的林地利用在國(guó)外較為普遍,尤其是美國(guó)直接將污泥漿施入森林。但是由于存在運(yùn)輸困難等問(wèn)題,中國(guó)還未見(jiàn)將城市污泥泥漿直接用于林地的報(bào)道。3.6城市污泥土地利用的限制標(biāo)準(zhǔn)城市污泥土地利用的負(fù)面效應(yīng)主要是由于重金屬污染、病原體、難降解有機(jī)物及鹽分、N、P的流失等因素導(dǎo)致。目前對(duì)重金屬的污染研究較多,主要集中在污泥農(nóng)用后土壤耕作層重金屬的變化,作物各部位富積量,存在形態(tài)及其影響等。陳同斌等人對(duì)中國(guó)城市污泥重金屬的大量統(tǒng)計(jì)研究表明,近十幾年來(lái),中國(guó)城市污泥中重金屬含量呈下降趨勢(shì),這與發(fā)達(dá)國(guó)家的研究結(jié)果基本一致。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是近年來(lái)各國(guó)先后采用了更嚴(yán)格的工業(yè)污水排放標(biāo)準(zhǔn)和更有效的污水處理技術(shù)。Jones和Berg總結(jié)了污泥中病原體的種類和數(shù)量,并指出常見(jiàn)的具有潛在危害的病原體主要是沙門氏菌、蛔蟲、絳蟲卵和腸道病毒。目前,國(guó)內(nèi)外在這方面的研究工作相對(duì)缺乏。城市污泥中有機(jī)污染物主要有多環(huán)芳烴、鄰苯二甲酸酯、多氯代二苯并二英/呋喃(PCDD/Fs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)、氯苯、氯酚等。一些國(guó)家對(duì)城市污泥中有機(jī)污染物的特征及其在農(nóng)業(yè)環(huán)境中的行為、生態(tài)效應(yīng)和調(diào)控措施等方面的研究表明,通過(guò)根部的吸收和在植物中轉(zhuǎn)移的PCDD/Fs及6種重要的PCBs很少;即使土壤中PCDD/Fs含量很高,城市污泥過(guò)量施用也沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的危害。盡管如此,部分西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)城市污泥土地利用過(guò)程中PCBs、PCDD/Fs的濃度等還是提出了一些限制。我國(guó)在這方面的研究相對(duì)較少,除苯并(a)芘外,至今仍未制訂出完善的城市污泥有機(jī)污染物限制標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于城市污泥施用后養(yǎng)分遷移對(duì)環(huán)境影響需要長(zhǎng)期的定位監(jiān)測(cè)研究,國(guó)外對(duì)此已開展過(guò)研究。到目前為止,在城市污泥土地利用潛在的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面,我國(guó)仍缺乏長(zhǎng)期的定位試驗(yàn)研究。城市污泥的土地利用在很大程度上取決于各國(guó)政府有關(guān)的法律、法規(guī)和污染控制狀況,同時(shí)也與各國(guó)的自然條件、經(jīng)濟(jì)水平和農(nóng)林業(yè)發(fā)展?fàn)顩r有關(guān)。大多數(shù)國(guó)家通過(guò)立法的方式來(lái)降低污泥的土地利用帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)。歐共體通過(guò)了“歐洲議會(huì)1986年6月12日關(guān)于環(huán)境保護(hù),特別是在污泥農(nóng)用中的土地保護(hù)準(zhǔn)則”。德國(guó)污泥農(nóng)用條例規(guī)定在3a期內(nèi)每公頃土地最多施用5t干污泥;歐共體污泥農(nóng)用準(zhǔn)則規(guī)定了10a內(nèi)每公頃土地的污泥施用量。德國(guó)污泥農(nóng)用條例還禁止在永久牧場(chǎng)和林業(yè)用地上施用污泥。美國(guó)聯(lián)邦政府對(duì)城市污泥土地利用有嚴(yán)格的規(guī)定,并將污泥分為A和B兩大類。A類可作為農(nóng)作物肥料、園林植物,生活垃圾填埋場(chǎng)覆蓋土等;B類污泥,只能用于林業(yè),