中国城镇污泥营养成分与重金属含量分析

来源:智汇工业

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关键词:污泥无害化处理 污泥处置 污泥处置技术

    污泥由于含有大量营养成分适合土地利用,污泥由于含有重金属成分而被质疑土地利用,中国城镇污水处理厂污泥中营养成分和重金属含量实际情况究竟如何?在对来自90个污水处理厂的污泥泥质数据进行汇总、分析后,得出结论:总体上城镇污水厂污泥泥质是适合土地利用的,重金属风险由大到小排序:Hg、Ni、Cd、Zn、Cu、Cr、Pb、As、B。最后建议在开展污泥土地利用工作的同时,应探索创新排水管理模式、污泥中重金属去除技术、土地利用模式。



    随着我国城镇污水处理率的不断提高,污泥问题被提到空前的高度给与关注。《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》指出:到2015年,直辖市、省会城市和计划单列市的污泥无害化处理处置率应达到80%。


    污泥作为污水处理厂副产物,若处置不当,将造成二次污染。业内有一句俗语:“治水不治泥,等于白治理”。但目前困扰解决污泥问题的最大障碍在于污泥处置技术路线仍不明朗:填埋无法持续已濒临淘汰,焚烧、建材利用由于空气污染和邻避效应的不断蔓延而举步维艰,目前有希望工业化推广的污泥处置方法仅剩土地利用。


    污泥土地利用具有先天优势,一般城镇污水厂污泥有机质含量较高,对于大量使用化肥的土壤具有调节化学、生物结构,增强地力的重要作用,污泥中富含NPK成分为植物生长提供必要的营养。但污泥土地利用同样面临着困难——公众普遍担心:污泥中含有重金属物质,对于土壤环境可能造成污染,通过食物链进入人体会带来自身伤害。


    那么,我国城镇污水处理厂所产生的污泥中营养成分和重金属含量实际情况究竟如何?


    1.调研情况概述


    为探索城镇污泥土地利用可行性和中期重点技术攻关方向,机械科学研究总院环保技术与装备研究所在2013年度机科发展科技创新基金的支持下开展了中国城镇污泥泥质情况调研工作。本次调研共涉及25个城市,90座污水处理厂,处理规模从1,000t/d至1,000,000t/d,其中100,000t/d以下规模49座,100,000~400,000 t/d规模25座,400,000t/d以上规模16座,合计总处理规模为16,320,500t/d。


    共采集到样本数据91组,其中有效样本数据88组,主要来源分为三类:


    (1)采样检测或污水厂提供运行数据,共34组,占比39%;


    (2)专项研究报告(非公开),共32组,占比36%;


    (3)公开文献,共22组,占比25%。


    为尽量消除数据处理的误差,本次研究采用污水厂运行或设计水量(注:非污泥产量)作为基数,统计计算得到平均值。

    重金属指标比对标准采用《GB/T23486-2009城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质》,对于介于指标超过碱性土壤(pH≥6.5)对应限值为超标,低于酸性土壤(pH<6.5)对应限值为达标,介于两者之间为临界。


    2.营养成分分析


    2.1有机质


    本次研究共获得有机质有效样本79份,其中大于70%的7份,60~70%之间12份,50~60%之间16份,40~50%之间21份,30~40%之间14份,小于30%的9份。污泥中有机质含量平均值为51.43%,这一指标与发达国家相比较低。从数据上分析我国污泥有机质含量地域差异较大,污泥有机质含量总体上大城市高于中小城市,北方城市高于南方城市。


    2.2氮


    本次研究共获得有机质有效样本62份,污泥中TN含量平均值为3.58%。从数据上分析我国污泥TN含量地域差异较大,与污泥有机质含量类似,总体上大城市高于中小城市,北方城市高于南方城市。


    2.3磷


    本次研究共获得有机质有效样本62份,污泥中TP含量平均值为2.32%,部分污水处理厂脱水污泥呈现TP含量高于TN含量的现象,这可能与污水处理采用除磷工艺并且运行状态良好有关。从数据上分析我国污泥TP含量地域差异较大,与污泥有机质和TN含量类似,总体上大城市高于中小城市,北方城市高于南方城市。


    2.4钾 本次研究共获得有机质有效样本64份,污泥中TK含量平均值为1.42%。K在污水处理工艺中非重点关注成分,但在数据中体现,共有5份样本数据呈现TK含量高于TN、TP含量的现象。从数据上分析我国污泥TK含量地域差异较大,与污泥有机质和TN、TP含量类似,总体上大城市高于中小城市,北方城市高于南方城市。


    3.重金属含量分析


    3.1铜


    本次研究共获得84份有效样本,其中确认超标3份,临界5份,达标76份,达标率90.48%。污泥中Cu的平均浓度为493.27mg/kg,超标样本分别位于华东、华北、东北地区,其中最高检测指标为10531mg/kg。


    3.2锌


    本次研究共获得81份有效样本,其中确认超标8份,临界4份,达标69份,达标率85.19%。污泥中Zn的平均浓度为1794.70mg/kg,超标样本分别位于东北、华中、华东、华北地区,其中最高检测指标为14285mg/kg。


    3.3镍


    本次研究共获得64份有效样本,其中确认超标9份,临界11份,达标48份,达标率70.59%。污泥中Ni的平均浓度为120.15mg/kg,超标样本分别位于华东、华北地区,其中最高检测指标为615.42mg/kg。Ni的平均指标处于标准临界限值附近,且超标临界现象相对较为突出,应给于高度关注。


    3.4镉


    本次研究共获得87份有效样本,其中确认超标2份,临界11份,达标74份,达标率85.06%。污泥中Cd的平均浓度为2.80mg/kg,超标样本全部来自华东地区,其中最高检测指标为49.64mg/kg。Cd是本次研究中获得有效样本数量最多的重金属,这体现了相关方对Cd影响的高度关注。


    3.5汞


    本次研究共获得55份有效样本,其中临界20份,达标35份,达标率63.64%。污泥中Hg的平均浓度为5.66mg/kg,有20份样本处于5~15mgkg范围,其中最高检测指标为13.56mg/kg。Hg的稳定达标率在所有重金属中最低,平均指标处于标准临界限值附近,超标临界现象相对最为突出,应给于高度关注。但还有一个值得注意的现象,所有样本中未出现绝对超标现象,这有可能与Hg的挥发迁移特性有关。


    3.6铅


    本次研究共获得87份有效样本,其中临界3份,达标84份,达标率96.55%。污泥中Pb的平均浓度为93.01mg/kg,没有出现绝对超标现象,其中最高检测指标为729mg/kg,稳定达标率较高,在本次研究中体现的风险较低。


    3.7铬


    本次研究共获得75份有效样本,其中确认超标2份,临界1份,达标72份,达标率96.00%。污泥中Cr的平均浓度为266.68mg/kg,超标样来自华东、华北地区,其中最高检测指标为2960mg/kg。


    3.8砷


    本次研究共获得63份有效样本,其中确认超标1份,达标62份,达标率98.41%。污泥中As的平均浓度为28.98mg/kg,超标样来自华北地区,其中最高检测指标为301mg/kg。


    3.9硼


    本次研究共获得20份有效样本,全部达标,达标率100%。B也是本次研究中获得有效样本数量最少的重金属,高达标率和低监测率代表意味着B的环境风险相对其它重金属物质较低。


    4.中国城镇污泥营养成分与重金属含量总体评价


    4.1污泥营养成分总体评价


    中国城镇污水处理厂污泥营养成分总体含量较高,按照全国城镇污泥年产生量3000万吨计算,蕴藏有机质资源超过300万吨,氮素资源超过20万吨,磷素资源超过13万吨,钾素资源超过8万吨。

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    通过调研数据汇总分析,中国城镇污水厂污泥中营养成分呈现以下特点:


    (1)总体呈现“北高南低、大高小低”的特点,无论是有机质含量还是NPK等营养元素,均呈现大城市高于中小城市,北方城市高于南方城市。(2)有机质含量低于发达国家,这也是厌氧消化工艺在国内运行体现整体经济性较差的原因之一,但该指标可以满足高温好氧发酵工艺对于有机质指标的要求,并且平均值51.43%也能够满足《NY525-2012有机肥料》中有机质质量分数≥45%的要求。(3)总养分平均值为7.32%,高于《NY525-2012有机肥料》中总养分质量分数≥5%的要求,尤其是P、K资源丰富,具有资源化土地利用的潜力。(4)N、P、K体现不平衡现象,部分污水厂P、K含量大大超过N,具有更高的资源化市场利用前景。


    4.2污泥重金属成分总体评价


    中国城镇污水处理厂重金属成分总体含量处于可控范围内,比照《GB/T23486-2009城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质》标准限值,各项重金属指标总体符合园林绿化土地利用标准要求。


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    通过调研数据汇总分析,中国城镇污水厂污泥中重金属成分呈现以下特点:


    (1)比照《GB/T23486-2009城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质》标准限值,重金属风险由大到小排序:Hg、Ni、Cd、Zn、Cu、Cr、Pb、As、B。(2)Hg、Ni成分超标率排在前两名且平均值趋于临界应加强监控,Cd排在第三名也应引起注意,这与2014年4月发布的《全国土壤污染情况调查公报》无机污染物点位超标率结果近似(注:第一名Cd7.0%,第二名Ni4.8%,第五名Hg1.6%)。(3)工业发达地区高于工业欠发达地区,尤其是长江三角洲、东北老工业基地部分地区污泥重金属问题相对较重。(4)在88个样本中,一座污水厂如出现污泥超标现象一般仅体现在某一种重金属指标上,因此为通过管理手段或技术手段解决问题提供了基础。


    本次研究由于华南、西南、西北地区采样数据较少,因此更主要反映东北、华北、华中、华东等地区城镇污水处脱水污泥重金属及营养物质含量。总体上城镇污水厂污泥泥质是适合土地利用的,特别对于华北、华中、东北等经济欠发达而土地资源相对丰富地区,污泥土地利用更可先行一步。


    同时,应从政策、管理、技术层面同步推进保障措施,积极探索适合国情的创新模式:


    (1)探索创新排水管理模式,对于高污染风险企业可以采用分时排水许可措施,使大部分时间污泥成分稳定达标。(2)探索创新污泥中重金属去除技术,有针对性地在污水处理厂内设置重金属处理系统,防止其进入土壤后更加难以去除。(3)探索创新土地利用模式,与污泥处理项目同期划定土地利用管理区,加强该区域监控,将风险限制在一定范围内。

    (审核编辑: 智汇婷婷)