城市污泥植物处理系统与污泥中转处理场建设.doc

城市污泥植物处理系统与污泥中转处理场建设王芳1, 2，吴启堂1*，卫泽斌1，丘锦荣1，蒋成爱11. 华南农业大学环境科学与工程系，广东 广州 510642；2. 深圳市龙岗区水务集团布吉公司，广东 深圳 518112摘要：目前城市污水处理厂污泥处理利用的主要障碍是污泥中过多的水分和重金属，增加运输、处理成本，造成二次污染问题。文章首先回顾了城市污泥的主要处理处置方法及其特点；接着介绍了污泥农用的作用和限制；主要阐述了用污泥干化床同时种植重金属超富集植物、低累积作物或钾高累积植物，通过植物提取降低城市污泥重金属含量，同时生产植物产品，并使污泥干化和稳定化的城市污泥特种植物处理系统；最后，针对一种处理方法难以消化一个大城市全部污泥的现状，提出城市污泥中转处理场的设想，把植物处理系统、堆肥、太阳能干燥、有机肥和复合肥生产、建材制造等多项技术集成，建立城市污泥专用处理和集散基地，解决日益增多的城市污泥的处置问题。其成本应低于目前采用的填埋、焚烧、制砖等处理方法，具有显著的社会、经济和环境效益。关键词：城市污泥；重金属；养分；植物分离；综合利用；中转处理场中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）03-1309-05近年来我国兴建了大量的城市污水处理厂，城市污泥的数量也与日俱增，如广州市目前日产城市污泥约1100 t。城市污泥的急剧增多和人们环保意识的日益提高，使城市污泥的妥善处置成为当务之急。表1 国内外城市污泥主要处理方法Table 1 Main treatment and disposal methods for municipal sewage sludge处理方法主要使用国家或地区主要优点主要缺点国内使用处理成本估计/(元t-1)堆肥后农业利用美国、法国、英国资源化重金属要求严格；需要干植物体等辅料100150卫生填埋德国、香港、中国等简单长期占地；需适当干化120200焚烧日本减量化、无害化彻底耗能成本高300350制转广州无害化彻底成本较高；需销售有关产品195 植物处理系统本文建议使用无害化、资源化处理场地较大100200国内外城市污泥的主要处置方法有农业利用、卫生填埋、焚烧。主要处置方法中,焚烧处理由于新鲜污泥含水率高，需要外加燃料，费用高。填埋则产生大量难处理的渗滤液、臭味和易滑坡，而且占用大量土地，法国已带头在2002年试行禁止直接填埋。污泥农用已被证明是最为经济可行，且处理容量大，使其资源化的好方法。欧洲先进国家农业利用率占污泥总量的一半以上，美国、法国、英国等主要国家超过60%1。广州市目前采用制砖处理技术，但费用高，须支付195 元/t 的财政补贴，仍解决不了全部污泥，造成大量积压和臭气污染。国内外还在探索用城市污泥生产生物塑料2、生产微生物农药3、用于吸附水中的有机污染物4等新技术，但仍处在科学研究探讨阶段。有些污水处理厂的污泥较随意堆放，又二次污染水体和大气。目前国内很难用单一处理方法完全处置一个大城市的大量污泥，除非将含水80%的污泥进一步降低水分至60%左右、当作垃圾填埋。而要使污泥水分降低水分至60%左右，又须采用更昂贵的污泥脱水技术，或者加土混合填埋。各种处理处置方法对比列于表1。因此，本研究提出城市污泥植物中转处理场的设想，把太阳能干燥、堆肥、植物处理系统、有机肥和复合肥生产、甚至建材制造等多项技术集成，最终建立城市污泥专用处理和集散基地，形成永远填不满的污泥处理中转场。1 污泥农用及其限制因素1.1 污泥农用需求根据调查，中国87%的土壤属于中低产田5。土壤质量差的一个重要原因是长期偏施化肥，特别是氮肥，以获得较高的产量，加剧了土壤的退化。土壤有机质低，大约3300万 hm2的的土壤有机质质量分数低于1%，土壤肥力差。为此，农业部于1995年提出了“沃土计划”，目的在于增施有机肥料，保持土壤肥力。特别是在我国的南方，酸性和低有机质土壤占主要部分，施用城市污泥具有更明显的作用6。我国南方果树、蔬菜和水稻生产需要大量的有机肥，加上速生丰产林的发展，农林业对有机肥的需求很大，加上化肥价格不断上升，具有广阔的市场前景。关键是如何得到经济合理、肥效显著、符合环保要求的产品。1.2 污泥农用受到的限制污泥的水分含量高，限制了其大范围运输和使用，而干燥费用大，通常需200元/t。其次，污泥具有病原生物和臭味，在农用前需要加以处理，目前，通常采用堆肥处理解决这些问题。对于重金属含量合格的污泥，好氧堆肥处理是国内外通用的方法7-9。但是，需要干的有机敷料配合，且为了供给堆体氧气，还需要耗能，增加成本。国内由于采用堆肥处理成本偏高，通常也未得到政府合理的补助，尚未广泛推广应用这一最国际上常用的处理方法。另外，城市污泥中重金属含量可超过农用标准，限制了其直接农业利用10。据研究，我国广州、上海、深圳、苏州、香港等地的污水处理厂的污泥Zn含量普遍超标11。因此，需要找到经济有效地降低污泥中的重金属的方法。图1 城市污泥特种植物处理系统技术路线示意图Fig. 1 Diagram of the treatment and reuse of sewage sludge with co-crop of special plants on sludge drying bed对于降低城市污泥中重金属的研究，国内报道甚少12。在国外，从70年代开始就不断进行了各种去除污泥重金属的研究工作, 其方法主要是化学清洗法。但这些方法因成本高，操作不便等因素而限制了其推广应用。加拿大等国研究了微生物淋滤法（Bacterial leaching）13-14，前景诱人，但需要较大的新的设备投资。另一种策略则是改变污水处理工艺,如利用污水处理厂剩余活性污泥回流到一沉池, 通过一沉池截留重金属,使进入生物反应池的重金属浓度大幅度下降, 使二沉池污泥达标的工艺改造技术，具有明显的效果15。但该法不能使占重要部分的一沉池污泥得到利用，且我国许多新建的污水处理厂无一沉池，处理产生后的污泥便必不可少。2 特种植物处理系统早期的一种污泥植物处理系统可以追溯到1960年代的德国：芦苇床系统（reeds bed system）16。该系统在未建立现代污水处理厂的污泥浓缩池和机械脱水之前使用，起到浓缩和稳定液体污泥的双重作用，包括减少污泥的臭味17-18。该方法在1980年代以后基本被淘汰。上个世纪最后几年利用植物的超常规耐性对污染土壤和废水进行处理成为国内外环境科学研究的热点和前沿领域19。部分植物可在高浓度重金属条件下正常生长发育，并在体内累积大量的重金属，最高的可达植物体干质量的10000 mg/kg以上(一般植物为几十mg/kg以下)，称为超累积植物（hyperaccumulator）20，近年来得到广泛重视21-22。但应用于污泥处理的报道甚少。本课题组将重金属超累积植物用于处理Zn等重金属较高的污泥，并和经过筛选的、低累积重金属的玉米品种组合在一起，套种在城市污泥之上，富积在超累积植物体内的重金属灰化后可回收金属，同时低累积玉米品种可生产出合格的饲料或食品，在植物种植期间使污泥脱毒（去除重金属）、干化和稳定化，从而同步实现重金属污染污泥的无害化、减量化和资源化，实现城市污泥的农业综合利用23-25（图1）。最近，我们又发现和利用K高累积植物的山芋，与Cd/Zn超富集植物东南景天进行套种，东南景天中Zn的浓度可高达15000 mg/kg，山芋茎的K浓度也高达78 g/kg，两者分别比单独种植时提高52%和47%；与此同时，城市污泥中的Zn浓度和水分含量明显降低，植物毒性(用发芽指数表示)和大肠杆菌也大幅度下降，使其达到城市污泥无害化的要求26-27。因此，东南景天与山芋套种实现了有益养分元素K和有害重金属Cd/Zn的植物分离。研究结果对于如何分离城市污泥等废弃物中的重金属和有益元素提供了一种新的绿色技术，对解决我国城市污泥无害化处理处置问题和钾肥资源短缺问题提供一种新的启示。由于植物处理方法对环境友好，不需重要投资，处理后的污泥仍含有丰富的N、P、K和有机质(优于猪、牛粪)28，是良好的有机肥源，利用在农业上，对减少化肥污染、保持地力、实现可持续发展有重要作用。目前的研究结果还表明，城市污泥植物处理系统对地表水和地下水的影响不大28，对水体有少量的N、P污染，如果需要，可以通过较简单的生态处理措施加以解决29。在经济上，特种植物处理系统每公顷土地每年可处理24003200 m3污泥，以广州垃圾填埋场每吨垃圾收费30元计（该收费不包括垃圾场建设投资），收益为7200096000元，明显超过一般农地租地费用（每公顷为1000030000元），而且处理产生的植物和污泥产品的收益可以抵消人工等运行成本，因而是经济可行的。3 污泥中转处理场构想污泥植物处理中转场，不像垃圾填埋场会填满、用完后长期占地和需要长期维护，而是不断周转。污泥中转处理场的选址和建设与普通垃圾填埋场有相似之处，应尽量避开居民区，但可比标准的垃圾卫生填埋场简单一些，不需要很好的防渗系统，也不需要覆土。污泥中转处理场储存的污泥可通过种植特种植物加以覆盖和绿化，对周遍地区的影响比普通垃圾填埋场小。因此，建设方案和具体设计可参考垃圾卫生填埋场的部分有关参数30。但是，初期的单位处理量所需的面积要大一些，用于植物处理系统，然而，这些面积都可以循环利用。污泥中转处理场将污泥的植物处理系统、好氧堆肥、低成本太阳能干燥31 、有机肥和复合肥生产32、建材制造33等多项技术集成，用多种方法同时处理利用城市污泥，并根据不同城市、不同时期的市场需要生产不同种类的肥料、花卉基质、建材等，实现产品多元化，有利于大量销售污泥产品。当某些产品滞销时，压缩生产规模，而中转处理场也有较大的场地来储存污泥及其产品。污泥植物处理系统、污泥中转处理场是新的技术与设想，难免有些方面不够成熟，需要解决以下主要问题：（1）生产规模下植物处理系统的最佳工艺参数；（2）生产规模下城市污泥植物处理过程对地表水和地下水的影响及其防治技术验证；（3）适合不同地区的城市污泥中转处理场的面积大小、水文地质条件、环境保护措施等具体设计参数；（4）根据不同城市对不同污泥产品的需求量及其季节变化，调整产品结构和市场销售策略。 4 小结随着我国城市生活污水处理的不断发展，城市污泥的妥善处置已成为当务之急。传统的非资源化的处理处置方法，如填埋和焚烧，在我国应用存在不少问题，农林业资源化利用应当是我国的主要出路，也切合目前资源短缺的国情。植物处理系统能够实现城市污泥的无害化和资源化，处理过程能生产农产品，实现低成本综合利用。以植物处理系统为主体建设城市污泥处理中转场，可望较好解决广州等中心城市的污泥处理处置问题。参考文献：1 NRC (National Research Council of USA). 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This paper reviews firstly the main treatment technologies of sewage sludge, then introduces the role of land application, mainly discuss a plant-treatment system with sludge drying bed on which a metal-hyperaccumulating plant and a low-accumulating crop or a K-high accumulating plant are co-cropped. This system can reduce the metal contents in the treated sludge by phytoextraction of heavy metals, simultaneously produce crop, stabilize and dry the sludge at low cost. Finally, as a single method is difficult to treat and dispose the huge amount of sewage sludge for a big city, this paper proposes a transitional disposal site for treating municipal sewage sludge. This transitional disposal site is similar to normal landfill sites, but it combines sludge treatment with green plants, sludge composting, sludge drying with sunlight, organic fertilizer and compound fertilizer making and also construction materials fabrications, and the sludge is rotated to final end-uses and never totally-fulfill the site. This treatment option could be more economic and environment-friendly than normal landfilling, incineration and brick fabrication of sewage sludge.Key words: sewage sludge; heavy metal; nutrient; phyto-separation; comprehensive reuse; transitional disposal site